Tema10 ciclos potencia_gas

1
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
GENERALIDADES
CICLOS 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

2
• 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 dede CombustiCombustióónn internainterna
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
• Turbinas de gas
• Ciclos binarios
• Cogeneración

3
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

4
•• CICLOS DE POTENCIA DE GASCICLOS DE POTENCIA DE GAS
•• CicloCiclo dede 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)

5
•• 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
)(
)()(
1
TT
TT
TTC
TTCTTC
q
qq
q
q
q
w
v
Vvneto
−
−
−=
−
−−−
=
−
=−==η
2
1
V
V
r =
1
1
1 −
−= γ
η
r
Otto
γ = 1.4
v
p
C
C
=γ

6
Ciclo de Otto
• Ciclo de Otto
•• CicloCiclo de Dieselde Diesel
• Turbinas de gas
• Ciclos binarios
• Cogeneración

7
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(
11
1 1
c
c
Diesel
rk
r
r
γ
γ
η
γ = 1.4
2
1
V
V
r =
2
3
V
V
rc =
rc, Relación de corte:
volúmenes de cilindro
después y antes del
proceso de combustión

8
• 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

9
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
Cámara
combust.
Este ciclo se puede modelar como CICLO
CERRADO (suposición aire estándar)
1-2: Compresión isoentrópica en el
compresor
2-3: 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)

10
• Para el ciclo de Brayton estándar:
• Luego Relaciones de comp. Prácticas: 5-20 (11-16)
( )
1
2 1
1
1NETO
C
w
q P P
γ
γ
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)

11
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
•• CiclosCiclos de Braytonde Brayton
• Turbinas de gas
• ProcedimientosProcedimientos dede mejoramejora deldel 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

12
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 P2
2-3: Enfriamiento a P = cte hasta T3 (=T1)
3-4: Compresión isoentrópica hasta P4
4-5: Calentamiento en el regenerador a P = cte hasta T5
5-6: Combustión a P = cte
6-7: Expansión isoentrópica hasta P7
7-8: Recalentamiento a P = cte hasta T8 (=T6)
8-9: Expansión isoentrópica hasta P9
9-10: Recalentamiento a P = cte hasta T10
10-1: Enfriamiento del gas hasta el estado inicial T1 (o purga gases de escape)

13
• 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%

14
Ciclos binarios
• Ciclo de Otto
• Ciclo de Diesel
• Turbinas de gas
• Ciclos binarios
•• CiclosCiclos combinadoscombinados
• Cogeneración

15
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

16
• 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 UTILIZACIÓN
en
pneto
total
procesoneto
U
q
qw
qEntrada
qSalidawSalida
&
&& +
=
+
=ε

17
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:
Aire
1 atm, 20ºC
CÁMARA
COMBUSTIÓN
500 kPa
800ºC
REGENERADOR
4 kg/s
150ºC
COMP TURB ηs = 0.86ηs = 0.83
a) Temperatura del aire a la salida del compresor
b) Temperatura de los gases de combustión a la salida de la turbina
c) Potencia neta desarrollada por la turbina de gas y la relación de acoplamiento
(WCG/WTG)
d) Rendimiento térmico de la turbina de gas
e) Si la eficacia del regenerador fuese del 90%, determinar el nuevo rendimiento
térmico del ciclo

18
Problema
CICLO DE TURBINA DE GAS
CON REGENERACIÓN
maire = 4 kg/s
Cpaire = 1 kJ/kgºC Capacidad calorífica media del aire (GAS IDEAL)
ESTADO 1
P1 = 101,325 kPa
T1 = 20 ºC
ESTADO 2
P2 = 500 kPa
ESTADO 4
T4 = 800 ºC
P4 = 500 kPa
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−−=⇒
−
−
==
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
−
−
γ
γ
γ
γ
ηη
1
4
5
,45
54
54
,
1
4
5
45
11
P
P
TT
TT
TT
w
w
P
P
TT
TURBs
ss
real
TURBs
s
CÁMARA
COMBUSTIÓN
Aire
1 atm, 20ºC
500 kPa
800ºC
REGENERADOR
4 kg/s
150ºC
COMP TURB ηs = 0.86ηs = 0.83
1
2
3 4
5
6
Problema
ηCOMP = 0,83
ηTURB = 0,86
ESTADO 5
P5 = 101,325 kPa
ESTADO 6
T6 = 150 ºC
P6 = 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 K
P3 = 500 kPa
Calculo del trabajo de la turbina de gas
WTG = 1352,0 kW
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
+
−⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=⇒
−
−
==
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
−
−
1
1
,
1
1
2
12
12
12
,
1
1
2
12
COMPs
s
real
s
COMPs
s
P
P
TT
TT
TT
w
w
P
P
TT
η
η
γ
γ
γ
γ
)( 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 K
Q SUM = 1180,4
η = 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

20
Termodinámica Aplicada
Ingeniería Química
TEMA 10. CICLOS DE POTENCIA DE GAS
Y OTROS CICLOS DE POTENCIA

Tema10 ciclos potencia_gas

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Tema10 ciclos potencia_gas

Similar a Tema10 ciclos potencia_gas (20)

Más de Nanny Alvarez

Más de Nanny Alvarez (10)

Último

Último (20)

Tema10 ciclos potencia_gas