8/20/2019 Ciclos termicos 04
1/64
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!"3#-/*24#*+$ 5 6478*2$. !93#*+$.
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2/64
2
T 05.- Ciclos de Potencia
Objetivos:
Este tema es el más extenso, en él se estudian los ciclos termodinámicos,destinados a la obtención de potencia o trabajo. En primer lugar se abordanlos ciclos de vapor, para finalizar con los ciclos de gas. Se estudiarán tanto los
ciclos simples como los mejorados con recalentamiento, regeneración,
extracción, o refrigeración intermedia
El tema se complementa con una práctica de laboratorio sobre la simulaciónpor ordenador de ciclos termodinámicos de potencia
TERMODINÁMICA Y MÁQUINAS TÉRMICAS
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3
1.- Introducción2.- Ciclos de Vapor2.1.- Ciclo de Carnot2.2.- Ciclo Rankine
2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento2.4.- Ciclo Rankine con regeneración
2.5.- Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento2.6.- Ciclo Rankine supercrítico2.7.- Pérdidas en el ciclo Rankine
3.- Ciclos de Aire3.1.- Compresores3.2.- Ciclo de aire estándar
3.3.- Ciclo de Carnot3.4.- Ciclo Otto
3.5.- Ciclo Diesel3.6.- Ciclo Dual
3.7.- Ciclos Ericson y Stirling
3.8.- Ciclo Brayton
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo3.10.-Ciclo Brayton con recalentamiento3.11.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración
4.- Máquinas Térmicas4.1.- Turbinas de vapor
4.2.- Motores de combustión
4.3.- Turbinas de gas4.4.- Motor Stirling
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
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4
Los ciclos termodinámicos son la base de la utilización energética
En los ciclos de potencia:
• Se extrae calor (combustible), QFC, de un foco a alta temperatura, T FC
• Se obtiene trabajo útil, W
•
Se cede calor residual QFF, a un foco a baja temperatura, T FF(aire ambiente, o agua de mar, de un río, …)
Se cumple la condición de equilibrio de la energía:
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
1.- Introducción (I)
[T2] Sist. Ab.
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5
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (I)
Turbina
Condensador
Bomba
Caldera
Qc
3
4
2
1
WB
Chimenea
Humos
Combustible
Aire
Generador
B.
Torre deRefrigeración
Vapor deagua
Identificaciónde puntos
Turbina
CondensadorBomba
Caldera
Qc
QF
3
4
2
1
WT
WB
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6
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (II)
Identificación
de puntos
Por unidad
de masa
Turbina
CondensadorBomba
Caldera
Qc
QF
3
4
2
1
WT
WB
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7
Dos ciclos termodinámicos básicos de vapor, el ciclo de Carnot (ideal), y
el ciclo de Rankine (real), que tiene diferentes variantes
Es el idealLimitado por dos isotermas y dos adiabáticas (s cte)
[T4]
El foco frío es el medio ambiente, su
temperatura es conocida, y Wmax es:
El calor cedido al medio ambiente en ciclos
reales es superior al 55%, y se expresa:
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (III)
2.1.- Ciclo de Carnot (I)
3 2
p
v
14
TC
TF
S3 S1
TC
TF
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8
Los elementos esenciales del ciclo son:
• la turbina de vapor, (1-2) el vapor se
expande con s cte, obteniendo W• un condensador , (2-3) condensa el vapor
saliente de la turbina a T (y p) ctes
• una bomba, (3-4) en la que se eleva la
presión isoentrópicamente
•
una caldera, (4-1) a T (y p) ctes sevaporiza el agua
El trabajo absorbido en la bomba, en primera aproximación, se desprecia, ya
que el obtenido en la turbina es mucho mayor
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (IV)
2.1.- Ciclo de Carnot (II)
3 2
p
v
14
TC
TF
S3 S1
TC
TF
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9
El ciclo de Carnot presenta dos problemas prácticos:La bomba trabaja mal si lo hace con vapor
Si la expansión se realiza en la zona de vapor saturado corren peligro los álabes de
la turbina, hay que limitar formación de agua líquida
El ciclo real trabaja con cambio de fase, el ciclo Rankine
Este ciclo, también lo describen dos isoentrópicas y dos isobaras
Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine evitandovapor en la bomba
Ciclo de Rankine evitandovapor en la turbina (teórico)
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (V)
2.2.- Ciclo Rankine (I)
3 2
T
s
14
p2
p1
3 2
T
s
1a
p2
p1
4
3 2
T
s
14
p2
p1
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10/64
10
El ciclo de Carnot presenta dos problemas prácticos:La bomba trabaja mal si lo hace con vapor
Si la expansión se realiza en la zona de vapor saturado corren peligro los álabes de
la turbina, hay que limitar formación de agua líquida
El ciclo real trabaja con cambio de fase, el ciclo Rankine
Este ciclo, también lo describen dos isoentrópicas y dos isobaras
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (V)
2.2.- Ciclo Rankine (I)
Turbina
CondensadorBomba
Caldera
Qc
QF
a
34
2´
1´
WT
WB
Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine evitandovapor en la bomba
Ciclo de Rankine evitandovapor en la turbina (teórico)
3 2
T
s
14
p2
p1
3 2
T
s
1a
p2
p1
4
3 2
T
s
14
p2
p1
3
4
1´
2´
T
s
a 1
2
p1
p2
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11
Para evitar líquido en la turbina, se aumenta la T
de entrada, sobrecalentamiento
El aumento de T max del ciclo (T 1´> T 1) !"
Para que (T 1’= T 1) debería ! p a medida que se evapora el agua
esto no tiene sentido práctico
En primera aproximación se desprecia el trabajo absorbido por la bomba
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (VII)
2.2.- Ciclo Rankine (II)
3
4
1´
2´
T
s
a 1
2
p1
p2
Sin sentido práctico
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12/64
12
T 05. - CICLOS DE POTENCIA
3
4
1
2
T
s
a
p1
30 20
p20
p2
3
4
1
2
T
s
a
p110p10
20
3
4
1
2
T
s
a
p110
20
Para mejorar el rendimiento hay que: !W y/o "Q1:• aumentar la presión en la caldera (?¿)
•
aumentar la temperatura en la caldera
• disminuir la temperatura de salida de la turbina
Se debe:•
respetar la T max de la caldera, limitada por los
materiales, del orden de 600ºC
• evitar trabajar en la zona de vapor saturado
• considerar la T min que se dispone para condensar
2.- Ciclos de vapor (VI)
2.2.- Ciclo Rankine (III)
#T caldera
#p caldera
!T salida Turbina
3
4
1
2
T
s
a
p1
p2
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13
3
4
1
2
T
s
a
p110
20
3
4
1
2
T
s
a
p1
30 20
p20
p2
3
4
1
2
T
s
a
p110p10
20
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (VI)
2.2.- Ciclo Rankine (III)
p caldera
T caldera
T salida Turbina
X
!X
!X
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14
Tras expansionar el vapor en una turbina de alta presión (T.A./T.H.P) se
recalienta para volver a ser expansionarlo en una turbina de baja (T.B./T.L.P.)
Es posible encontrar turbinas que incluyan las dos etapas
! W, pero no ", ya que también ! QFC
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (VIII)
2.3.- Ciclo Rankine con recalentamiento
5
6
3
4
T
s
a
p31
p1
2
Pto 2 en zonade vapor seco
T3 " T1 con calor residual de
la caldera
T.B.
Condensador
Bomba
Caldera
QC
QFF
5
6
4
1
WTA +TB
WB
T.A.
3
2Recalentador
QR
QFC
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15
Para "Q1 se puede precalentar el agua que
entra en la caldera con un sangrado oextracción de vapor de la turbina
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (IX)
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (I)
La unión del sangrado con el condensado se realiza en un elemento
calentador, que puede ser abierto (mezcla) o cerrado (intercambio térmico)
La p del sangrado debe ser tal que su T de saturación sea la intermedia entre
la de condensación y la de saturación en la caldera
Si hay varios sangrados, las temperaturas deben ser “equidistantes”
T.B.
[1]
1
WTA +TBT.A.
32
[1-y][y]
[100%-y%][100%][y%]
2
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16/64
16
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (X)
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (II)
3
T
s
p31
p1
2
4
5
6
7
8
p5p7
p9
TSat Caldera
TSat Cond
TSat Sang 1
TSat Sang 3
TSat Sang 2
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17/64
17
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (XI)
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (III) Ec. Masa(Prop agua)
4
5
3
T
s
p2
1p1
2
6
7
[1]
[1-y]
[y]6
5
72
2
3
16
T.B.
Condensador
Bomba1
Caldera
QC
QFF
56
4
1
WTA +TB
WB2
T.A.
3
2
Calentadorabierto
[1] [1-y][y]
Bomba2
WB1
7
Mezcla
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18/64
18
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (XII)
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (IV)
Ec. Masa(Prop agua)
Ec. Energía(Prop agua)
Calentadorabierto
[1]
67
[1-y]
[y] [msv]
[malim]
2
[mC]
5
6
3
4
T
s
p2
1p1
2
7
8
[1]
[1-y]
[y]
con Recal. y Regen.
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19/64
19
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (XIII)
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (V)
Ec. Masa(Prop agua)
Ec. Energía(Prop agua)
T.B.
Condensador
Caldera
QC
QFF
56
4
1
WTA +TB
T.A.
3
2[1] [1-y]
[y]
Bomba
W B
7
Int. calor
Calentador
cerrado4
5
3
T
s
p2
1p1
26
7
[1]
[1-y]
[y]
8
8Purgador[y]
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20/64
20
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (XIV)
2.4.- Ciclo Rankine con regeneración (VI)
Ec. Masa(Prop agua)
Ec. Energía(Prop agua)
[1]
56
[1]
[y] [msv]
[malim]
2
Calentador
cerrado
[y] [msv]7
[malim]
4
5
3
T
s
p2
1p1
26
7
[1]
[1-y]
[y]
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21
El ciclo con regeneración #", pero puede presentar problemas de vapor en la
turbina, se suele combinar con el ciclo con recalentamiento
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (XV)
2.5.- Ciclo Rankine con regeneración y recalentamiento
Posible con
Regenerador cerrado
5
6
3
4
T
s
p2
1p1
2
7
8
[1]
[1-y]
[y]7
6
82
23
1
7
T.B.
Condensador
B.1
Caldera
QC
QFF
67
5
1
WTA +TB
WB2
T.A.
4
2
Calentadorabierto
[1] [1-y]
[y]
B.2
WB1
8
32Recalentador
QR
QFC
T.B.
[1-y]
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22/64
22
En los ciclos vistos hasta ahora, la mayor parte
de la transferencia de calor se realiza a T igual oinferior a la de vaporización (del orden de 250ºC)
Pero la T de los gases en la caldera puede sermucho mayor
Para mejorar el rendimiento hay que intentar que T vapor = T humos caldera, para lo
que se intenta que la transferencia térmica se haga a T #
Este ciclo trata de evitar la zona bifásica
Implica # p de trabajo, y por lo tanto mayor coste de instalación
Para evitar la formación de agua en la turbina es necesario que este ciclo secombine con etapas de regeneración y de recalentamiento.
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (XVI)
2.6.- Ciclo Rankine supercrítico
3
T
s
1 p
2
4
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23/64
23
Los ciclos reales tienen pérdidas, debidas
a enfriamientos, pérdidas de carga enconductos, en la bomba, etc
El mayor porcentaje se produce en la etapa
de expansión, que tiene un rendimiento
entre el 80 y el 90%
Existen otras pérdidas, como las de la caldera, del orden del 15% del calor suministr
e
n el rendimiento de la planta térmica …, por ello el ! de los ciclos ronda el 35%
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
2.- Ciclos de vapor (XVII)
2.7.- Pérdidas en el Ciclo Rankine
Este efecto "$, pero reduce laposibilidad de encontrar aguaen la turbina
4
3
T
s
a
p2
1p1
22s
4s
8/20/2019 Ciclos termicos 04
24/64
24
Comprimen, mediante el empleo de un trabajo exterior, un gas, (aire, o mezcla)
Elevan su temperaturaEl trabajo aplicado al compresor es:
Los compresores volumétricos:• Para bajos caudales
• Las válvulas hacen que el ciclo real sea mayor
Las etapas del ciclo de compresión son:• 1-2 compresión (s cte)
•
2-3 expulsión ( p cte)(abre val. de escape)• 3-4 expansión (s cte)
• 4-1 admisión ( p cte) (abre val. de adm.)
"# al ! el espacio muerto (V3)
(al modificar V3 también lo hace V4)
técnicamente es necesario por las válvulas y las tolerancias mecánicas
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (I)
3.1.- Compresores (I)
Por unidad de masa
4 1
p
v
23Real
Ideal / Teórico
s3 s1
Expulsión
Admisión
p2
p1
pint.S
F patm.S
pint.S
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25/64
25
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
Wcomp se puede ! si se extrae Q, (refrigerando)
Suponiendo la compresión adiabática es:
Si la capacidad térmica es cte, en una compresión con s = cte:
De esta manera se puede expresar el trabajo como:
3.- Ciclos de gas (II)
3.1.- Compresores (II)
Interesa T1 baja
[T2]
[T1]
4 1
p
v
23
s3s1 (Q=0)
p2
p1
2´
T(Q
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26/64
26
Constructivamente es difícil refrigerar en el interior del compresor; en la
práctica se instalan dos compresores, y una etapa intermedia de refrigeración
wcomp es suma de dos etapas
La refrigeración ideal es la que iguala la T de entrada a la segunda etapa a la
de entrada a la primera; además será ideal si no se pierde presión
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (III)
3.1.- Compresores (III)
s
T
1
2a
2
2b
2c
p2
p1p2b
4 1
p
v
23
s3s1 (Q=0)
p2
p1
Ref.
2a2b
2c
T1$
Comp.2
1
WCp1 +Cp2
Comp.1.
42 3
Refrigerador
QFF
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27/64
27
Para optimizar la presión intermedia, pc:
Es decir, la relación de presiones es la misma en cada etapa
Si la compresión se realizara en más etapas esta regla se mantendría
Los compresores centrífugos y axiales
• aptos para grandes caudales de gas
• proporcionan pequeñas relaciones de compresión
•
si se desea alcanzar grandes presiones es necesario colocar varias etapas
Se obtiene:
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (IV)
3.1.- Compresores (IV)
8/20/2019 Ciclos termicos 04
28/64
28
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
El Compresor tiene un rendimiento isoentrópico
• con s = cte:
3.- Ciclos de gas (V)
3.1.- Compresores (V)
1
2s
2
s
T
p2
p1
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29/64
29
Formado por dos adiabáticas y dos isócoras
Se supone:
•
un ciclo de trabajo• todo es aire, el combustible es “despreciable”
• gas ideal, capacidades caloríficas constantes
• no existe proceso de admisión
• el escape es una transferencia de calor al exterior a volumen constante
• los PMS y PMI son los volúmenes mínimo y máximo, (V 2 y V 1)
• el volumen correspondiente al PMS es el espacio muerto
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (VI)
3.2.- Ciclo de aire estándar
pint.S
F patm.S
pint.S
4
1
T
s
2
3v2
v1
PMS PMI
4
1
p
v
2
3
s3
s1
PMS PMI
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30/64
30
Formado por dos adiabáticas y dos isotermas• 4 a 1 expansión a T cte en la que se transfiere calor, QFC, de un foco caliente a T FC
• 1 a 2 expansión a s cte
•
2 a 3 compresión a T cte en la que se transfiere calor, QFF, a un foco frío a T FF • 3 a 4 compresión a s cte
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (VII)
3.3.- Ciclo de Carnot
v
p
Ta
S (Q=0)
Tb>Ta
[T1]
41
23
s
T
QFF
QFC4
1
2
3
v
p
QFF
QFCs1
s3
T1
T2
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31/64
31
• Se produce una expansión a s cte (3-4)•
Finalmente se comunica a v cte el calor al exterior (4-1)
Formado por dos adiabáticas y dos isócoras • Se comprime el aire a s cte (1-2)
• Se realiza la combustión brusca, necesita una
chispa que la inicie; el calor generado eleva lapresión interior (2-3) a v cte
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (VIII)
3.4.- Ciclo Otto (I)
Isoentríopicas ( )
(1-2, y 3-4)
Isocoras (v = cte), (2-3, y 4-1):
p
vPMS PMI
4
1
2
3
s3
s1 QFF
QFC
4
1
T
s
2a 3v2
v1
PMS PMI QFF
QFC
v2a
2
3a
8/20/2019 Ciclos termicos 04
32/64
32
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (IX)
3.4.- Ciclo Otto (II)
En el ciclo Otto, al #r cmp #"
Si #T3 y V3, "#, la isóbara y la
isócora divergen;
(QFC# pero W ##)
s
T
v = cte
p = cte
[T4]
p
vPMS PMI
4
1
2
3
s3
s1 QFF
QFC
4
1
T
s
2a 3v2
v1
PMS PMI QFF
QFC
v2a
2
3a
8/20/2019 Ciclos termicos 04
33/64
33
Si r cmp es grande (>14) autodetona el
combustible sin necesidad de chispa
•
Se comprime el aire a s cte (1-2)• La p hace que detone, el calor provoca una expansión con p cte (2-3)
• Se produce una expansión a s cte (3-4)
• Se comunica el calor al exterior a v cte (4-1)
Isóbara (p = cte): (2-3)
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (X)
3.5.- Ciclo Diesel (I)
Adiabáticas:
Isocora (v = cte): (4-1)
s
T
v = cte
p = cte
[T4]
p
vPMS PMI
4
1
2 3
s3
s1 QFF
QFC
4
1
T
s
2
p2
v1
PMS PMI
3a3
4a
QFF
8/20/2019 Ciclos termicos 04
34/64
34
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XI)
3.5.- Ciclo Diesel (II)
En el ciclo Diesel, al #r cmp #" (al igual que en el ciclo Otto)
Para una r cmp "Otto > "Diesel
En la práctica r cmp Diesel > r cmp Otto y "Otto < "Diesel
Si #T3 y V3, "!, la isóbara y la isócora convergen; W# pero QFC##
(En el ciclo Otto este efecto es contrario)
p
vPMS PMI
4
1
2 3
s3
s1 QFF
QFC
4
1
T
s
2
p2
v1
PMS PMI
3a3
4a
QFF
8/20/2019 Ciclos termicos 04
35/64
35
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XII)
3.5.- Ciclo Diesel (III)
En el ciclo Diesel:
• al #r cmp #"
• al #r crt !"
p
vPMS PMI
4
1
2 3
s3
s1 QFF
QFC
4
1
T
s
2
p2
v1
PMS PMI
3a3
4a
QFF
T
8/20/2019 Ciclos termicos 04
36/64
36
Modela la combustión en dos etapas:• una primera a v cte (Otto)
• otra segunda a p cte (Diesel)
• Se inicia comprimiendo a s cte (1-2)• Se suministra calor a v cte (2-3) [Otto]
• Se sigue comunicando calor, pero a p cte (3-4) [Diesel]
• Se produce una expansión a s cte (4-5)
• Finalmente se comunica el calor al exterior a v cte (5-1)
Si el motor es Otto el punto 3 es coincidente con el 4, y si el Diesel el 2 con el 3
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XIII)
3.6.- Ciclo Dual (I)p
vPMS PMI
5
1
2
4
s4
s1 QFF
QFC2
QFC1
3
s
v cte
p cte
[T4]T
1
T
s
2
p3
v1
PMS PMI
43
5
QFF
v2
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37/64
37
En el ciclo Otto r crt = 1
En el ciclo Diesel r p = 1
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XIV)
3.6.- Ciclo Dual (II)
p
vPMS PMI
5
1
2
4
s4
s1
3
% 4 carreras / 4 tiempos &
p
vPMS PMI
W > 0
Ciclo real
W < 0Escape
Admisión
8/20/2019 Ciclos termicos 04
38/64
38
Ericsson: dos isotermas y dos isobaras
Stirling: por dos isotermas y dos isócoras
El suministro de Q se realiza a T cte (Q23= Q41)En el regenerador, el aire de escape precalienta el aire de entrada
QFC a T cte, " = " Carnot
El calor se puede obtener mediante combustión externa (malos combustibles)
Problemas constructivos "real< "teórico
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XV)
3.7.- Ciclos Ericson y Stirling
p
v
41
2 3
T3T1
4
1
T
s2
p2
p1
Q F C
3
Q F F
4
1
T
s2
v2
v1
Q F C
3
Q F F
p1
p
v
4
1
2
3T3
T1
T.G.
1
WCp
Comp.
42 3
Regenerador
WTG
QReg
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39/64
39
La turbina de gas puede funcionar:
• Con un ciclo abierto, con una cámara de combustión
•
Con uno cerrado, con dos intercambiadores de calor
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XVI)
3.8.- Ciclo Brayton (I)
puede alcanzar el 80%
T.G.
1
Comp.
42 3
Q F F
WTG
Cámara deCombustión
Aire
Gases de
escape
1 4
2 3
Q F F
WTG
Inter. Calor 1
Q F C
I.C.2
T.G.Comp.
Combustión externa
8/20/2019 Ciclos termicos 04
40/64
40
El ciclo Brayton es:
con dos adiabáticas y dos isobaras
• La compresión y expansión son isoentrópicas
• El calor se comunica y extrae con p cte
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XVII)
3.8.- Ciclo Brayton (II)
T.G.
1
Comp.
42 3
Q F F
WTG
Cám. Comb.
Aire
Gases deescape
1 4
2 3
Q F F
WTG
Inter. Calor 1
Q F C
I.C.2
T.G.Comp.
p
v
41
2 3
s3s1
QFF
QFC
4
1
T
s
2 p2
p1
QFC 3
QFF
2a
3a
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41/64
41
Se supone cp cte
Cálculos precisos deben tener en cuenta su variación
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XVIII)
3.8.- Ciclo Brayton (III)
T.G.
1
Comp.
42 3
Q F F
WTG
Cám. Comb.
Aire
Gases deescape
1 4
2 3
Q F F
WTG
Inter. Calor 1
Q F C
I.C.2
T.G.Comp.
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42/64
42
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XIX)
3.8.- Ciclo Brayton (IV)
T.G.
1
Comp.
42 3
Q F F
WTG
Cám. Comb.
Aire
Gases deescape
1 4
2 3
Q F F
WTG
Inter. Calor 1
Q F C
I.C.2
T.G.Comp.
8/20/2019 Ciclos termicos 04
43/64
43
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XX)
3.8.- Ciclo Brayton (III)
s no cte $ "" aprox.15%
T.G.
1
Comp.
42 3
Q F F
WTG
Cám. Comb.
Aire
Gases deescape
1 4
2 3
Q F F
WTG
Inter. Calor 1
Q F C
I.C.2
T.G.Comp.
4
1
T
s
p2
p1
QFC
QFF
23
4
1
T
s
p2
p1
QFC
QFF
2s
3
2
4s
Sólo se considera
s K cte
1
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44/64
44
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
El calor cedido al exterior se aprovecha con
un regenerador (interc. de calor)
El ideal iguala Tas entrada y salida
Real:
Ideal:
3.- Ciclos de gas (XXI)
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (I) Int.Calor
1
4
2 CámaraComb.
3
QFF
WTG
Q F C
T.G.
Comp.
X
Y
4
1
T
s
2
p2
p1
QFC
3
QFF
p
v4
1
2 3
s3s1
QFF
QFCX
Y
X Y
QReg
QReg
Ideal: T Y=T2
Ideal: TX=T4
1
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45/64
45
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
El calor cedido al exterior se aprovecha con
un regenerador (interc. de calor)
El ideal iguala Tas entrada y salida
3.- Ciclos de gas (XXI)
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (I) Int.Calor
1
4
2 CámaraComb.
3
QFF
WTG
Q F C
T.G.
Comp.
X
Y
4
1
T
s
2
p2
p1
QFC
3
QFF
X YQReg
Ideal: T Y=T2
Ideal: TX=T4Real:
Ideal:
p
v
41
2 3
s3s1
QFF
QFCX
Y
QReg
v
p S cte
T cte
T4
T2
Ideal: T Y=T2
Ideal: TX=T4
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46/64
46
Adiabáticas: (1-2)
(3-4)
Isobaras: (2-3) y (4-1):
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XXII)
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (II)4
1
T
s
2
p2
p1
QFC 3
QFF
p
v41
2 3
s3s1
QFF
QFC
X
Y
X YQRegQReg
8/20/2019 Ciclos termicos 04
47/64
47
"BReg" al !r p
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XXIII)
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (III)4
1
T
s
2
p2
p1
QFC 3
QFF
p
v41
2 3
s3s1
QFF
QFC
X
Y
X YQRegQReg
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48
Para r p bajas "BReg> "B
Para r p altas "BReg < "B
"B! al !r p
"BReg" al !r p
En el regenerador no se pueden igualar las Tas
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XXIV)
3.9.- Ciclo Brayton regenerativo (IV)
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49/64
49
T max limitada por los álabes de la turbina
El recalentamiento ! el área del ciclo sin ! T max
Se necesitan dos turbinas y una segunda cámara de combustión (recalentador)
La presión intermedia debe hacer que las
relaciones de presiones sean iguales
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XXV)
3.10.- Ciclo Brayton con recalentamiento
4
1
T
s
2
p2
p1
Q F C 1
3
Q F F
X
Y
pX=p Y
Q F C 21
4
2
Cám.Comb.
3
QFF
WTG
Q F C 1
T.G.1
Comp.
X Y
T.G.2
Q F C 2
Cám.Rec.
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50/64
50
Para mejorar el funcionamiento se puede introducir una refrigeración intermedia entre dos
etapas de compresión complementado con un recalentamiento y un regenerador
La presión intermedia en el recalentamiento debe ser la misma que en la refrigeración
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XXVI)
3.10.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración
8
1
T
s
3
p2
p1
Q F C 1 5
Q F F 1
6
7
p2=p3 =p6=p7 Q
F C 2
4
Q F F 2
X
Y2
QReg
1
84
Cp.2
5
Q
F F
WTG
Q F C 1
6 7
T.G.2
Q F C 2
Cám.Rec.
Cám.Comb.
Refrig.
Cp.1 T.G.1
Int.Calor
2 3
X
YQFF
81
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51/64
51
Para mejorar el funcionamiento se puede introducir una refrigeración intermedia entre dos
etapas de compresión complementado con un recalentamiento y un regenerador
La presión intermedia en el recalentamiento debe ser la misma que en la refrigeración
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
3.- Ciclos de gas (XXVI)
3.10.- Ciclo Brayton regenerativo con recalentamiento y refrigeración
8
1
T
s
3
p2
p1
Q F C 1 5
Q F F 1
6
7
p2=p3 =p6=p7 Q
F C 2
4
Q F F 2
X
Y2
QReg
1
84
Cp.2
5
Q
F F
WTG
Q F C 1
6 7
T.G.2
Q F C 2
Cám.Rec.
Cám.Comb.
Refrig.
Cp.1 T.G.1
Int.Calor
2 3
X
YQFF
81
T
s
p2
p1
Q F C 1
Q F F 1
p2=p3 =p6=p7
Q F C 2
Q F F 2
QReg
4s
6s
X
Y
3
57
1
2
6 8
4
8s
2s
8/20/2019 Ciclos termicos 04
52/64
52
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (I)
MÁQUINASDE FLUIDO
MÁQUINASHIDRÁULICAS
MÁQUINASTÉRMICAS
TURBOMÁQUINAS(flujo continuo)
MÁQUINAS VOLUMÉTRICAS
(de desplazamiento positivo)
TURBOMÁQUINAS(flujo continuo)
MÁQUINAS VOLUMÉTRICAS(de desplazamiento positivo)
GENERADORAS
MOTORAS
GENERADORAS
MOTORAS
GENERADORAS(turbocompresores)
MOTORAS(turbina de gas, turbina devapor)
GENERADORAS(compresores volumétricos)
MOTORAS(motores de combustióninterna alternativos Otto,
Diésel, motor Stirling)
8/20/2019 Ciclos termicos 04
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53
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (I)
4.1.- Turbinas de vapor (I)
Transforma la entalpía del vapor de agua en energía mecánica en su eje
Su rendimiento es el más bajo de todas las máquinas térmicas cíclicas
Según el número de etapas se pueden clasificar en:
• Turbinas simples o monoetapas
poseen un único escalonamiento
•
Turbinas compuestas o multietapa
con varios escalonamientos
http://libros.redsauce.net/Turbinas/Vapor/PDFs/05Tvapor.pdf
8/20/2019 Ciclos termicos 04
54/64
54
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (II)
4.1.- Turbinas de vapor (II)
En función de la presión del vapor a la salida:
•
Turbinas de contrapresión; el vapor seextrae a p > patm, el vapor tras su paso por
la turbina tiene un aprovechamiento
•
Turbinas de condensación; el vapor sale ap < patm, llegando a salir vapor húmedo
Figuras: http://libros.redsauce.net/Turbinas/Vapor/PDFs/05Tvapor.pdf
8/20/2019 Ciclos termicos 04
55/64
55
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (III)
4.1.- Turbinas de vapor (III)
En función de la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el
flujo de vapor:
•
Turbinas de vapor de reacción
• Turbinas de vapor de acción
Presión
Velocidad
Escalonamiento de velocidad (CURTIS)(T: Tobera; R: Rodete; E: Enderezador)
T R E R E
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56/64
56
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (III)
4.1.- Turbinas de vapor (III)
En función de la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el
flujo de vapor:
•
Turbinas de vapor de reacción
• Turbinas de vapor de acción
PresiónVelocidad
Escalonamiento de presión (RATEAU)(T: Tobera; R: Rodete)
T R T R T R T
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T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (IV)
4.1.- Turbinas de vapor (IV)
En función de la dirección del flujo de vapor:
• axiales
•
radiales Principales elementos turbina de vapor:
• Rotor
• Carcasa
• Alabes
• Válvula regulación
•
Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales• Cojinete de empuje o axial
• Sistema de lubricación
• Sistema de refrigeración de aceite
• Sistema de control de aceite
• Sistema de sellado de vapor
• Virador
•
Compensadorhttp://dim.usal.es/eps/mmt/?paged=3
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58/64
58
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (III)
4.2.- Motores de combustión (I)
La combustión del combustible se
realiza en el interior de un cilindro,cuyo cierre lo forma un émbolo
que lo recorre (pistón)
•
Gasolina
• Diesel (autodetona por compresión)
•
Gas
"al #D.C
http://2.bp.blogspot.com/-mo62tAG8r7Q/TaMqHycaSrI/AAAAAAAAAGw/dUMhtwaiZAQ/s1600/motor.png
Arbol de levas Válvulas Arbol de levas
Biela
Cigüeñal Eje (acoplamientos por
poleas y correas)Cárter (aceite)
Engranajes dela transmisión
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59
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (IV)
4.2.- Motores de combustión (I)
2T 4T
OTTOPot Bajas
(ligeros)Pot Medias
DIESELPot Altas
(tamaño)Pot Medias
•
De 4 tiempos; (mayor peso y mayor rendimiento)
•
De 2 tiempos; admisión-compresión y expansión-escapecon = cilindrada y rpm, desarrolla más potencia (trabajo en cada carrera)
$ cortocircuito admisión escape
$ OTTO desperdicio de combustible
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60
Eje de balancines Manómetro
Bomba de aceite
Filtro
Regulador
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (V)
4.2.- Motores de combustión (III)
Los motores pueden tener aspiración natural
o ser sobrealimentados
Necesitan refrigeración, lubricación y salidade gases (se puede extraer el calor)
Los gases están a T % 400ºC, en una caldera se
puede producir vapor o agua calientede 0,45 kWth por cada kWeje
De la refrigeración de las camisas se puede
obtener agua caliente a T % 80 a 90ºCde 0,5 a 0,8 kWth por cada kWeje
http://www.almuro.net/sitios/Mecanica/imagenes/engrase/figura02.jpg
8/20/2019 Ciclos termicos 04
61/64
61
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (VI)
4.3.- Turbinas de gas (I)
Se componen principalmente de tres elementos:• Compresor, que comprime el aire comburente
• Cámara(s) de combustión, dispuesta(s) radialmente
•
Turbina accionada por los gases
La turbina es serie de álabes con un cierto ángulo de inclinación ángulo,solidarios con una parte móvil, sobre los que incide el gas y hace girar
Figuras: http://libros.redsauce.net/Turbinas/Gas/PDFs/01Tgas.pdf
8/20/2019 Ciclos termicos 04
62/64
62
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (VII)
4.3.- Turbinas de gas (II)
Giran a gran velocidad, peligro con los desequilibrio
Las partículas que pueda arrastrar el aire en la entrada son muy perjudicialesEl combustible debe estar perfectamente filtrado
En los gases de escape está contenido el calor que cede la máquina térmica
Las turbinas de gas pueden tener varias etapas
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63
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (VII)
4.3.- Turbinas de gas (II)
Giran a gran velocidad, peligro con los desequilibrio
Las partículas que pueda arrastrar el aire en la entrada son muy perjudicialesEl combustible debe estar perfectamente filtrado
En los gases de escape está contenido el calor que cede la máquina térmica
Las turbinas de gas pueden tener varias etapas T empeora sufuncionamiento P
o t e n c i a E l é
c t r i c a ( k W )
Tª ambiente (ºC) 400 30101.500
2.000
2.500
Tª ambiente (ºC)
T ª G a s e s E s c a p e ( º C
)
400 3010500
550
600
Tª ambiente (ºC) 400 3010 C a
u d a l G a s e s E s c a p e ( t / h )
25
30
35
8/20/2019 Ciclos termicos 04
64/64
4.4.- Motor Stirling (I)
T 05.- CICLOS DE POTENCIA
4.- Máquinas Térmicas (VIII)