TEMA 10. CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS · PDF file2 Termodinámica Aplicada 06/07 Tema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potencia TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS

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Termodinámica Aplicada

Ingeniería Química

TEMA 10. CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS DE POTENCIA

TermodinTermodináámica Aplicadamica Aplicada 06/0706/07 Tema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potenciaTema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potencia

PROCESOS INDUSTRIALES

CALOR TRABAJO Y POTENCIA

PSICROMETRÍAREFRIGERACIÓN

GENERALIDADESCICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

CICLOS POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

ANÁLISIS PROCESOS

BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales

TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

OBJETIVOS• Comprender el funcionamiento básico de

las máquinas de combustión interna: motores alternativos (ciclo de Otto y Diesel) y turbinas de gas (ciclo de Brayton)

• Cuantificar el rendimiento térmico de los ciclos de potencia

• Representar gráficamente en los diagramas termodinámicos T-S y P-V los ciclos de potencia

• Conocer las desviaciones que presentan los ciclos reales frente a los idealizados

• Comprender la importancia y el funcionamiento básico de otros ciclos de potencia: los ciclos binarios, los ciclos combinados y las plantas de cogeneración

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• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna

• CICLOS DE POTENCIA DE GAS

• Ciclo de aire estándar

• Ciclo de Otto

• Ciclo de Diesel

• Ciclos de Brayton

• Turbinas de gas

• Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton

• OTROS CICLOS DE POTENCIA

• Ciclos binarios

• Ciclos combinados

• Cogeneración



•• INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN: : MMááquinasquinas de de CombustiCombustióónn internainterna



• Ciclo de Otto

• Ciclo de Diesel


• Turbinas de gas



• Ciclos binarios


• Cogeneración

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Introducción

• MÁQUINAS TÉRMICAS

• Máquinas de combustión interna: utilizan los productos de

combustión en la expansión

Son dispositivos que producen trabajo mecánico y que no operan

en un ciclo termodinámico (ciclo abierto): ciclo mecánico

El combustible (líquido) se dispersa finamente con los inyectores en

la cámara de combustión y se quema. Se produce un aumento de

volumen al producirse gases y P y T aumentan bruscamente.

Esa E presión se emplea:

1- Directamente en la expansión: MOTORES ALTERNATIVOS: Ciclo de

Otto (encendido chispa) y ciclo de Diesel (encendido compresión)

2- Transformando en Ecin para mover una turbina: Ciclo de Brayton

(1870) es el ciclo ideal para los motores de turbina de gas


Máquinas de combustión interna

• MOTORES DE ENCENDIDO DE CHISPA

(motores de gasolina, CICLO DE OTTO):

La mezcla aire-combustible se comprime

hasta una T inferior a la T de

autoencendido del combustible y el

proceso de combustión comienza al

encender una bujía

• MOTORES DE ENCENDIDO POR

COMPRESIÓN (motores diesel, CICLO

DIESEL): El aire se comprime hasta una T

superior a la de autoencendido del

combustible, y la combustión se inicia al

contacto, cuando el combustible se inyecta

dentro de ese aire caliente

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•• CICLOS DE POTENCIA DE GASCICLOS DE POTENCIA DE GAS

•• CicloCiclo de de aireaire estestáándarndar

• Ciclo de Otto

• Ciclo de Diesel


• Turbinas de gas



• Ciclos binarios


• Cogeneración


Ciclo de aire estándar

• Los ciclos de potencia de gases reales son bastante complejos

• Las suposiciones de AIRE ESTÁNDAR permiten simplificar considerablemente

el análisis de las MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA sin apartarse

significativamente de los ciclos reales

• Permite estudiar de forma cualitativa la influencia de los parámetros

principales de las máquinas reales

• SUPOSICIONES DE AIRE ESTANDAR

1: El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito

cerrado y se comporta como un gas ideal

2: Todos los procesos que integran el ciclo son reversibles

3: El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor

desde una fuente externa

4: El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que

devuelve al fluido a su estado inicial

Para simplificar más el análisis, se supone que el aire tiene calor específico

constante e igual al de Tambiente (25ºC)

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•• CicloCiclo de Ottode Otto

• Ciclo de Diesel


• Turbinas de gas



• Ciclos binarios


• Cogeneración


• Es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes (dispositivos

cilindro-émbolo) de ENCENDIDO DE CHISPA (la combustión

de la mezcla aire-combustible se inicia con una chispa en la

bujía)

• Máquinas de combustión interna de 4 tiempos

0-1: Admisión de la mezcla a P = cte

1-2: Compresión isoentrópica

2-3: Ignición y combustión (adición de calor a v = cte)

3-4: Expansión isoentrópica

4-1: Rechazo de calor a v = cte (escape de gases)

EFICACIA DEL CICLO DE OTTO (suposición aire estádar)

Ciclo de Otto

23

14

23

1423

23

4123

23

41

23

1)(

)()(1TTTT

TTCTTCTTC

qqq

qq

qw

v

Vvneto

−−

−=−

−−−=

−=−==η

2

1

VVr =

1

11 −−= γηrOtto

γ = 1.4

v

p

CC

=γ

6


Ciclo de Otto






• Ciclo de Otto

•• CicloCiclo de Dieselde Diesel


• Turbinas de gas



• Ciclos binarios


• Cogeneración

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Ciclo de Diesel

• Ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido

por compresión

• Son los motores más extendidos para usos industriales

(unidades de generación de electricidad de emergencia;

grandes barcos, pesados camiones...)

• Menos vivos que los motores de encendido de chispa; más

caros y más duraderos

• r es mucho más elevada (12-24)

• CICLO DIESEL: (similar al de Otto)

1-2: Compresión isoentrópica

2-3: Adición de calor a P = cte

3-4: Expansión isoentrópica

4-1: Rechazo de calor a V = cte

Diferencia con el motor de encendido de chispa: Período de

admisión a P = cte: la inyección del combustible se realiza

a P elevada


• EFICACIA DEL CICLO DE DIESEL (suposición aire estándar)

Cuando:

rOtto = rDiesel ⇒ ηOtto> ηDiesel () >1

rc,Diesel = 1 ⇒ ηOtto= ηDiesel

rDiesel elevadas ⇒ ηOtto< ηDiesel

Las eficacias de las máquinas térmicas de encendido de chispa

suelen ser 25-40%

Las eficacias de las máquinas térmicas de motores diesel

suelen ser 35-40%

El proceso de combustión real tanto para motores de gasolina

como diesel, es una combinación de dos procesos de adición

de calor, uno a P = cte y otro a V = cte: CICLO DUAL os ciclos

Ciclo de Diesel

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

−= − )1(111 1

c

cDiesel rk

rr

γ

γη

γ = 1.4

2

1

VVr =

2

3

VVrc =

rc, Relación de corte:volúmenes de cilindro después y antes del proceso de combustión

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• Ciclo de Otto

• Ciclo de Diesel

•• CiclosCiclos de Braytonde Brayton

• TurbinasTurbinas de gasde gas



• Ciclos binarios


• Cogeneración


Turbinas de gas – ciclo de Brayton

• Las turbinas de gas tienden a ser más compactas y ligeras que

las centrales térmicas de vapor

• Las turbinas de gas se utilizan para la generación de

electricidad en equipos fijos y para aplicaciones de transporte

(propulsión aérea, transporte marítimo...)

• Las máquinas térmicas de vapor sirven mejor a las

necesidades continuas de la industria

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Ciclos de Brayton (o Joule)

• Se utiliza en plantas de potencia con turbinas de gas: turbinas de gas

natural (ó fueloleo, carbón gasificado, …)

• Usualmente de <<ciclo>> abierto. Ciclo cerrado para recuperación de calor a

trabajo

• Aire fresco en condiciones ambientales se introduce dentro de un compresor

donde su T y P se eleva. El aire de alta presión se inyecta en la cámara de

combustión donde el combustible se quema a P = cte. Los gases de alta T

entran a la turbina donde se expanden hasta la Patm y producen potencia.

Los gases de salida de la turbina se expulsan al exterior (ciclo abierto, sin

recirculación)

• Este ciclo se puede modelar como CICLO CERRADO

(suposición aire estándar)

1-2: Compresión isoentrópica en el compresor

2-3: Adición de calor a presión constante (combustión)

3-4: Expansión isoentrópica (en una turbina)

4-1: Rechazo de calor a P = cte (escape de gases)

COMP TURB

combustible

aire

w

humos

ciclo cerrado

Cámaracombust.



Este ciclo se puede modelar como CICLO CERRADO (suposición aire estándar)

1-2: Compresión isoentrópica en el compresor2-3: Adición de calor a P = cte (proceso de combustión)3-4: Expansión isoentrópica (en una turbina)4-1: Rechazo de calor a P = cte (escape de gases al aire ambiente)

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• Para el ciclo de Brayton estándar:

• Luego Relaciones de comp. Prácticas: 5-20 (11-16)

( )1

2 1

11NETO

C

wq P P

γγ

η −= = −&

&

( )2 1P P η↑ → ↑

γ = 1.4



• Relación aire/combustible >=50

• Compresor+Turbina → una sola turbomáquina.

• Turbinas: aeroderivadas e industriales.

• Trabajo de retroceso: Relación Wcomp/Wturb 50%COMP TURBINAW W≈& &

APLICACIONES:

• Propulsión de aviones

• Generación de E eléctrica (como unidades

independientes o en conjunto con las plantas

de vapor)

• Ciclo cerrado en las plantas de E nuclear (gas

puede ser helio)

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• Ciclo de Otto

• Ciclo de Diesel

•• CiclosCiclos de Braytonde Brayton

• Turbinas de gas

• ProcedimientosProcedimientos de de mejoramejora del del ciclociclo de Braytonde Brayton


• Ciclos binarios


• Cogeneración


Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton

• Las turbinas de gas reales difieren del ciclo de Brayton ideal por

varias razones:

1- Disminución de presión durante los procesos de adición y

rechazo de calor

2- Las irreversibilidades asociadas a la turbina y el

compresor (la entrada de trabajo real al compresor será mayor;

y las salida de trabajo real de la turbina será menor) ⇒

EFICACIAS ISOENTRÓPICAS

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CICLO DE BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO,

RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

• En un turbina de gas wneto = wturbina-wcompresor

• Puede incrementarse cuando wturbina o wcompresor

• wcompresor : COMPRESIÓN EN ETAPAS MÚLTIPLES CON

INTERENFRIAMIENTO (aproximamos al isotérmico)

• wturbina : EXPANSIÓN EN ETAPAS MÚLTIPLES CON

RECALENTAMIENTO (aproximamos al isotérmico)

• Se trabaja con aire en exceso (2.5-4 veces estequiométrico) para:

• Calor residual (∼500ºC) para cogeneración (calderas de

recuperación) o regeneración (precalentador del aire antes

de entrar a la caldera)

• Mejor combustión

• Mejor control de temperaturas



CICLO DE BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO,

RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

1-2: Compresión isoentrópica hasta P intermedia P22-3: Enfriamiento a P = cte hasta T3 (=T1)3-4: Compresión isoentrópica hasta P44-5: Calentamiento en el regenerador a P = cte hasta T55-6: Combustión a P = cte6-7: Expansión isoentrópica hasta P77-8: Recalentamiento a P = cte hasta T8 (=T6)8-9: Expansión isoentrópica hasta P99-10: Recalentamiento a P = cte hasta T10 10-1: Enfriamiento del gas hasta el estado inicial T1 (o purga gases de escape)

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• Ciclo de Otto

• Ciclo de Diesel


• Turbinas de gas


• OTROS CICLOS DE POTENCIAOTROS CICLOS DE POTENCIA

•• CiclosCiclos binariosbinarios


• Cogeneración


Ciclos binarios

• CICLO BINARIO DE VAPOR: Combinación de dos ciclos, uno en la región

de alta T y otro en la región de baja T: empleando dos fluidos se aumenta el

área encerrada por el ciclo, y la eficacia

• Aprovechamiento a lo largo de mayor intervalo de T: El condensador del

ciclo de alta T (ciclo superior) sirve como la caldera del ciclo de baja T (ciclo

inferior): “la salida de calor del ciclo superior se utiliza como entrada de calor

del ciclo inferior”

• FLUIDOS ADECUADOS CICLO SUPERIOR: Hg, Na, k, mezclas Na-k

• Ej: Hg tiene una Tc = 898ºC (por encima del límite metalúrgico 620ºC) y su

Pc es de sólo 18 MPa

• Agua/Hg , Na/K

• Pocas instalaciones reales (No económicas: no alto coste inicial y

competencia plantas de potencia combinadas)

• Eficacias térmicas de 50%

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Ciclos binarios






• Ciclo de Otto

• Ciclo de Diesel


• Turbinas de gas



• Ciclos binarios

•• CiclosCiclos combinadoscombinados

• Cogeneración

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Ciclos combinados

• Ciclo de vapor (Rankine) + Ciclo de turbina de gas (Brayton)

• Turbinas de gas operan a T más altas que los ciclos de vapor

(Vapor: Tmax entrada turbina = 620ºC: Gas: >1150ºC)

• Aprovecha los gases de escape de alta T (ciclo de gas) como

fuente de energía en ciclo inferior (ciclo de vapor)

• Cogeneración, ciclo de colas

• Caldera de recuperación

• Mayor intervalo de T:

• Desde 1150 C en gas

• Hasta condensación del vapor

• Eficacia combinada (plantas modernas hasta 60%)

• Instalaciones atractivas desde el punto de vista económico (no

gran incremento del coste inicial)

• Nuevas centrales

• Muchas instalaciones


Ciclos combinados

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• Ciclo de Otto

• Ciclo de Diesel


• Turbinas de gas



• Ciclos binarios


•• CogeneraciCogeneracióónn


Cogeneración

• “Producción de más de una forma útil de energía a partir

(como calor de proceso y energía eléctrica) a partir de la

misma fuente de energía”

• Surgen de la necesidad de servicios de calentamiento en zonas

urbanas (espacios, agua caliente…)

• Tanto una turbina de vapor (ciclo de Rankine) como una turbina

de gas (ciclo de Brayton) o un ciclo combinado son útiles como

ciclos de potencia en una planta de cogeneración

• ESQUEMA DE PLANTA DE COGENERACIÓN CON TURBINA DE

VAPOR

• “Toda la energía transferida al vapor en la caldera se emplea

como calor de proceso o como energía éléctrica según las

necesidades”

• FACTOR DE UTILIZACIÓNen

pneto

total

procesonetoU q

qwqEntrada

qSalidawSalida&

&& +=

+=ε

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Cogeneración

• Planta de cogeneración práctica: ajusta a las necesidades del

proceso


Problema

Para la turbina de gas con regeneración mostrada en la figura adjunta, calcular:

Aire1 atm, 20ºC

CÁMARA COMBUSTIÓN

500 kPa

800ºC

REGENERADOR4 kg/s150ºC

COMP TURB ηs = 0.86ηs = 0.83

a) Temperatura del aire a la salida del compresorb) Temperatura de los gases de combustión a la salida de la turbinac) Potencia neta desarrollada por la turbina de gas y la relación de acoplamiento

(WCG/WTG)d) Rendimiento térmico de la turbina de gase) Si la eficacia del regenerador fuese del 90%, determinar el nuevo rendimiento

térmico del ciclo

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Problema

CICLO DE TURBINA DE GASCON REGENERACIÓN

maire = 4 kg/sCpaire = 1 kJ/kgºC Capacidad calorífica media del aire (GAS IDEAL)

ESTADO 1P1 = 101,325 kPaT1 = 20 ºC

ESTADO 2P2 = 500 kPa

ESTADO 4T4 = 800 ºCP4 = 500 kPa

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−=⇒

−−

==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−

−

γγ

γγ

ηη

1

4

5,45

54

54,

1

4

545

11PP

TTTTTT

ww

PP

TT

TURBsss

realTURBs

s

CÁMARA COMBUSTIÓN

Aire1 atm, 20ºC

500 kPa

800ºC

REGENERADOR4 kg/s150ºC

COMP TURB ηs = 0.86ηs = 0.83

1

23 4

5

6


Problema

ηCOMP = 0,83ηTURB = 0,86

ESTADO 5P5 = 101,325 kPa

ESTADO 6T6 = 150 ºCP6 = 101,325 kPa

Calculo de la T de salida de los gases de la turbina de gas (T5)T5 = 735,2 K

Calculo de la T de salida de los gases deL COMPRESOR (T2)T2 = 497,2 K

ESTADO 3

Balance de energía al cambiador

T3 = 809,2 KP3 = 500 kPa

Calculo del trabajo de la turbina de gas

WTG = 1352,0 kW

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=⇒−−

==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−

−

11

,

1

1

2

1212

12,

1

1

212

COMPs

s

real

sCOMPs

s

PP

TTTTTT

ww

PP

TT

ηη

γγ

γγ

)( 54 TTCpmW aaTG −= &

2653

6523 )()(TTTT

TTCpmTTCpm aaaa

+−=−=− &&

19


Problema

Calculo del trabajo del compresor de gas

WCG = 816,4 kW

Potencia neta desarrollada por la turbina de gas (WTG-WCG)

W NETA TG = 535,6 kW

Flujo de calor suministrado a la cámara de combustión (kW)

Q SUM = 1055,6 kW η = 50,7 %

Relación de acoplamiento WCG/WTG = 0,604

Si la eficacia del regenerador fuese del 90%:

T3 = 778,0 KQ SUM = 1180,4η = 45,4 %

)( 12 TTCpmW aaCG −= &

CGTGTGNETO WWW −=,

)( 34 TTCpmQ aaSUM −= &

2653 )·( TTTT +−= ε


OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. conocer el funcionamiento básico de las máquinas de combustión interna, su clasificación (motores alternativos y motores de turbina de gas) y las diferencias existentes entre ellas

2. comprender los fundamentos de los motores alternativos de encendido de chispa (ciclo de Otto) y de encendido por compresión (ciclo de Diésel) bajo las suposiciones de aire estándar

3. comprender los fundamentos de las turbinas de gas basadas en el ciclo de Brayton y los procedimientos de mejora del rendimiento del mismo (interenfriamiento, recalentamiento y regeneración)

4. cuantificar el rendimiento térmico de los ciclos descritos por el gas en los motores alternativos y las turbinas de gas

5. representar los ciclos descritos por el gas en los motores alternativos y las turbinas de gas en los diagramas termodinámicos T-S y P-V y calcular propiedades a partir de estos diagramas

6. conocer el funcionamiento y la importancia de otros ciclos de potencia: los ciclos binarios de vapor, los ciclos combinados y las plantas de cogeneración

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TEMA 10. CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS DE POTENCIA

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