a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 1. Máquina de fluido y el motor térmico Motor térmico: conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir del estado térmico generado por un proceso de combustión, una reacción nuclear, etc. - Combustión externa: el fluido de combustión y el fluido motor no entran en contacto. Turbinas de vapor Combustión interna: el fluido combustible y el motor se mezclan o son el mismo. Turbina de gas. - Poder calorífico superior (Hcs): cantidad de calor desprendida en la combustión de una unidad de masa de combustible con aire en condiciones estándar de modo que los productos de la combustión también están en condiciones estándar, incluyendo al calor que el calor que el vapor de agua cede durante su condensación. - Poder calorífico inferior (Hci): equivalente al superior, salvo que no se considera el calor que el vapor de agua cede en la condensación. Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Máquina de fluido: elementos mecánicos que permite intercambiar energía mecánica con el exterior, mediante la variación de la energía disponible en el fluido que atraviesa la máquina. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 2. Ciclos de turbina de vapor Se utiliza con energía nuclear, combustibles sólidos y energías térmicas alternativas. - Tienen un elevado tiempo de arranque y puesta en marcha por lo que solo se detienen en caso de avería o paradas técnicas. Ciclo de Carnot: ciclo reversible caracterizado por transferencias de calor con los focos a temperatura constante y las transferencias de trabajo con el entorno de forma adiabática. Ciclo teórico de Rankine: difiere en: - El trabajo consumido en la bomba (1-2) aumenta, ya que la diferencia de entalpías entre la entrada y la salida se hace más pequeña. El trabajo producido por la turbina (3-4) aumenta, ya que la diferencia de entalpías entre la entrada y la salida se hace mayor. El trabajo efectivo del ciclo aumenta, aumenta el área del ciclo. 1-2: compresión isoentrópica en fase líquida: adiabático y reversible. h2 – h1 2-3: aporte de calor a presión constante: calentar hasta la fase de líquido saturado, evaporar completamente el líquido y sobrecalentarlo. h3 – h2 3-4: expansión isoentrópica: producción de trabajo, sin irreversibilidades y sin intercambio de calor. h3 – h4 4-1: cesión de calor a presión constante: cesión a un foco frío para pasar el vapor en líquido saturado. h4 – h1 Elementos constructivos 1- Bomba 2- Generador de vapor: puede ser calderas convencionales o reactores nucleares Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. 1. Ciclo de Carnot y ciclo teórico de Rankine a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 2. Análisis de parámetros básicos del ciclo de Rankine Temperatura de entrada a la turbina (T3): - - Trabajo específico del ciclo: a mayor temperatura, mayor área tiene el ciclo y por lo tanto mayor trabajo. Rendimiento térmico o indicado: al aumentar T3 y mantener T2, la temperatura media de la caldera aumenta y, por lo tanto, también aumenta el rendimiento. Humedad a la salida de la turbina: al aumentar T3, 4 se desplaza a la derecha, el título a la salida aumenta y, por lo tanto, la humedad se reduce. Presión de entrada a la turbina (P3): aumentar P3 provoca un aumento del rendimiento indicado y del trabajo indicado. - - Trabajo específico: el trabajo indicado del ciclo aumenta hasta alcanzar un máximo y después decae lentamente. Rendimiento térmico o indicado: al aumentar P3 también lo hace T3, y como T2 se mantiene constante, la temperatura media de la caldera aumenta, aumentando el rendimiento indicado. Humedad a la salida de la turbina: al aumentar P3 la salida de la turbina se desplaza hacia la derecha y se aleja de la línea de vapor seco saturado, es decir, el título de vapor se reduce y la humedad aumenta. Presión de condensación (P4): - - - Trabajo específico: al aumentar P4 también aumenta T4, por lo que la diferencia de entalpías h3-h4 disminuye y se reduce también el área del ciclo, menor trabajo. Rendimiento térmico o indicado: al aumentar P4 también aumenta T4, y como T3 se mantiene constante, la temperatura media de la caldera disminuye, por lo que el rendimiento disminuye. Humedad a la salida: la salida de la turbina se desplaza hacia arriba y aumenta el título, por lo que se reduce la humedad. Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a. Calderas convencionales: dos circuitos que intercambian energía, el circuito de aire gases y cenizas, y el circuito de agua-vapor. b. Reactores nucleares: i. PWR: combustión externa ii. BWR: combustión interna 3- Turbina 4- Condensador: a. Mezcla: vapor y refrigerante entran en contacto b. Superficie: vapor y refrigerante están separados por una pared metálica. 5- Elementos auxiliares: eyector de vapor, precalentadores de superficie o de mezcla, separadores de humedad, recalentadores intermedios y válvulas de regulación de potencia. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 3. Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio - - - Trabajo específico: con el recalentamiento aumenta el área del ciclo y el salto entálpico en la turbina de baja por lo que el trabajo específico del ciclo aumenta. Rendimiento térmico o indicado: con el recalentamiento se aumenta la temperatura media del ciclo por lo que el rendimiento aumenta hasta un valor máximo y luego va disminuyendo. Humedad a la salida: la salida de la turbina se desplaza a la derecha por lo que el título a la salida aumenta y la humedad disminuye. Requiere instalaciones más costosas que el ciclo normal, es necesario que las pérdidas de carga y temperatura asean pequeñas. Se usa cuando se quiere reducir la humedad a la salida de la turbina. - Recalentamiento: recalentador en la propia caldera, recalentador con vapor vivo o recalentador separado. 4. Ciclo de Rankine con efecto regenerativo El objetivo de este ciclo es aumentar la temperatura media de aporte de calor en la caldera. Se extrae una parte de vapor de la turbina que se usa para elevar la temperatura del líquido antes de entrar en la caldera. Para llevarlo a cabo se usan precalentadores: - Mezcla: se mezcla agua fría con el vapor, además de servir para eliminar gases no condensables. Superficie: el agua y el vapor circulan por circuitos separados. Como el agua entra a mayor temperatura en la caldera: 1- Para el mismo combustible se consigue más temperatura a la salida que en el no regenerativo. 2- Se necesita menos combustible para alcanzar la misma temperatura que en el no regenerativo. Montero Espinosa - La mayor colección de exámenes resueltos, es nuestra. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. El objetivo es mejorar el título a la salida. Se extrae el vapor de la 1º turbina (alta) se calienta otra vez y se introduce en la 2º turbina (baja). Estas turbinas pueden estar unidas por el mismo eje o tener cada una su eje. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 3. Ciclo de las turbinas de gas Turbina de gas: motor térmico de combustión interna para producir potencia a gran escala. 1. Turbina de gas en ciclo abierto 1. Admisión: 00-01 entrada de aire al motor térmico 2. Compresor (Turbocompresor): 01-02 se aumenta la presión del gas. Relación de compresión 3. Cámara de combustión: 02-03 dosado absoluto F (cociente entre el flujo másico de combustible y el flujo másico de combustible) 4. Turbina: 03-04 expansión del gas. Relación de expansión 5. Escape: 04-05 salida de los gases residuales La relación de compresión y de expansión serán iguales siempre que no haya pérdidas de carga en la admisión ni en el escape y que no haya pérdidas en la cámara de combustión. La relación de compresión que maximiza el rendimiento del ciclo simple es MAYOR que la que maximiza el trabajo específico del ciclo, a igualdad del resto de parámetros. En el ciclo de Brayton ideal se consideran un compresor y una turbina ideales, es decir, los procesos de compresión y expansión serán isoentrópicos. Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. No se usa Carnot, se usa Brayton: a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 Ciclo simple regenerativo Es necesario el uso de un recuperador, un intercambiador, para poder calentar los gases. Se especifica la eficiencia del recuperador, a mayor eficiencia menor relación de compresión necesario, es decir, compresor más pequeño. A partir de cierta relación de compresión ya no sale rentable usar el ciclo regenerativo. La relación de compresión que maximiza el rendimiento puede ser mayor o menor que la que maximiza el trabajo específico dependiendo de la EFICIENCIA DEL RECUPERADOR. Ciclo compuesto o ciclo de Ericson Son aquellos ciclos en los que la compresión, la expansión o ambas se realizan de forma isoterma - - Compresión y expansión isoterma ideales: aumenta el trabajo específico, pero disminuye el rendimiento ya que se aproximan las temperaturas del foco frio y caliente. Compresión isoterma practica: se realizan compresiones escalonadas y se refrigera el aire entre cada proceso de compresión. Expansión isoterma práctica: se realizan expansiones escalonadas y se calienta el aire entre cada expansión. 2. Turbina de gas de ciclo cerrado Se trata de un motor de combustión externa, por lo que la cámara de combustión se sustituye por una caldera, además, se pueden usar otros gases ya que no se mezcla con los productos de la combustión. 3. Elementos constructivos 1- Admisión: se toma aire de la atmósfera y se filtra para eliminar partículas. 2- Compresor: eleva la presión del aire. Pueden ser: a. Axiales: mayor eficiencia, menor relación de compresión, sistema más complejo y caro. b. Radiales: eficiencia intermedia, elevada relación de compresión, simple y costes menores. Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Se usa regeneración para variar el calor aportado en la cámara de combustión y mejorar así el rendimiento, ya que el trabajo realizado no varía. Se usan los gases de salida de la turbina para calentar los gases antes de entrar en la cámara de combustión. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 Potencia espec/peso Potencia espec/vol Potencia efectiva max Rendimiento Emisiones Ruido Combustible Flexibilidad combustible Dependencia externa Tiempo start/stop Tiempo de montaje Velocidad de giro TURBINA DE VAPOR < < Mucho mayor Mayor >> < << Mayor Cantidad de agua >> > << TURINA DE GAS Mayor Mayor << < Mucho menor Elevado Más caro < Ninguna Mucho menor Menor Muy alta Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. 3- Cámara de combustión: se introduce una mezcla de aire y combustible a alta presión y se quema. a. Tipo Can: fácil mantenimiento y mayor tamaño y superficie requerida. b. Tipo Can-Anular: menor peso y mejor aprovechamiento del espacio. c. Tipo Anular: menos peso y longitud y más eficiencia térmica. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 4. Ciclos combinados - Motor combustión interna alternativo – Turbina de Gas Motor combustión interna alternativo – Turbina de Vapor Turbina de Gas – Turbina de Vapor (más común) 1. Ciclo combinado TG – TV La energía de los gases de escape se utiliza para precalentar el agua que alimenta una turbina de vapor o para producir vapor en un generador de vapor. Rendimiento vapor > Rendimiento combinado > Rendimiento gas Tipos de ciclo: 1. La caldera se nutre de los gases de escape de la turbina de gas. a. Sin post-combustión: la energía de los gases de escape es suficiente para generar el vapor necesario en la turbina de vapor. b. Con caldera de apoyo: se usa un segundo aporte de energía. El rendimiento efectivo del ciclo con post-combustión es la media ponderada del rendimiento efectivo del ciclo sin post-combustión y de la turbina de vapor. 2. La caldera y la cámara de combustión son lo mismo. a. Ciclo con caldera Velox: cuando la potencia efectiva aportada por la turbina de gas es nula. Tipos de caldera de recuperación generadora de vapor: - - Caldera sin post-combustión: son las más habituales. Se trata de un intercambiador de calor por convección. Caldera con post-combustión: incorporan quemadores en la entrada a la caldera. Calderas con 1 nivel de presión: se componen de un economizador, un evaporador y un sobrecalentador. Lo que hacen es aproximar la temperatura del agua a la de los gases de escape, es decir, mejorar el aprovechamiento térmico. Calderas con varios niveles de presión: al añadir varios niveles de presión se aproxima más la temperatura del agua a la de los gases de escape. Economizador de baja presión, evaporador de bp, economizador de presión intermedia, evaporador de pi, economizador de alta presión, evaporador de ap y sobrecalentador de ap. Montero Espinosa - La mayor colección de exámenes resueltos, es nuestra. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Se trata de utilizar distintos ciclos juntos. Siempre se combinan según el nivel térmico de mayor a menor (MCIA > TG > TV): a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 5. Ciclos de refrigeración y criogénicos - Máquina frigorífica o máquina de refrigeración: evacúa calor del foco frio al caliente. Bomba de calor: envía calor al foco caliente cogiéndolo del frío. Máquina frigorífica con aprovechamiento térmico de calefacción: evacuar calor del foco frio y enviar calor al foco caliente. 1. Máquinas frigoríficas por vaporización 1- Máquinas de compresión: formadas por: a. Evaporador: intercambiador de superficie que intercambia calor entre el refrigerante y el foco frío. b. Compresor mecánico: comprime el vapor producido. c. Condensador: intercambiador de superficie que intercambia calor entre el refrigerante y el foco caliente. d. Válvula de laminación o estrangulación: reduce la presión del refrigerante hasta el nivel del evaporador. 2- Máquinas de eyección: si el calor que aportas te cuesta poco. a. La compresión del refrigerante se consigue mediante un fluido de arrastre a elevada velocidad. b. La compresión del fluido de arrastre se realiza mediante una bomba que aumenta la presión. Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Tipos de sistemas de refrigeración: a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 2. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor Son los más usados en la actualidad. La eficiencia de la bomba de calor es una unidad mayor que la de la máquina frigorífica. - Ciclo inverso de Carnot: o Compresión isoentrópica o Cesión de calor al foco caliente o Expansión isoentrópica o Extracción de calor del foco caliente La eficiencia del ciclo inverso de Carnot aumenta cuanto menor sea la diferencia de temperaturas del foco caliente y del foco frío. - - Ciclo inverso de Rankine: o Expansión: se realiza mediante una válvula de laminación o estrangulación. o Compresión: la salida del evaporador será vapor seco, provocando mayor salto entálpico y mayor trabajo de compresión. Ciclo inverso de Rankine con efecto regenerativo: mejora la eficiencia mediante un intercambiador de superficie de forma que el líquido saturado caliente del condensador se enfría y el vapor saturado del evaporador se calienta. La eficiencia del ciclo aumenta debido a que se cede más calor al foco caliente Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. 3- Máquina de absorción: si posees una fuente de calor renovable, de bajo coste o residual. a. Absorción: el vapor frío del evaporador se mezcla con otro fluido caliente y con la refrigeración se consigue la mezcla de ambos fluidos. b. Compresión: la mezcla anterior se comprime mediante una bomba. c. Concentración: se aporta calor a la mezcla comprimida para evaporar parte del refrigerante. d. Laminación de la mezcla concentrada: reduce la presión de la mezcla para poder cerrar el circuito y enviarla de nuevo al absorbedor. 4- Máquina de adsorción: calor barato, residual, etc. Máquina de funcionamiento discontinuo. a. Adsorción: el vapor frio a baja presión que se genera en el evaporador se adsorbe en un sólido y se acumula en el adsorbedor. Además, se extrae calor para favorecer el proceso. b. Desorción: se aplica calor al refrigerante almacenado en el adsorbedor para conducirlo al condensador. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 Sistemas en cascada y compresión multietapa: o o Sistemas en cascada o compresión múltiple indirecta: consiste en dos ciclos inversos de Rankine que trabajan en diferentes niveles térmicos, y que comparten un intercambiador de calor. Al tener dos más circuitos independientes se pueden usar distintos refrigerantes que se adapten a cada salto de temperatura. Sistemas de compresión multietapa o de compresión múltiple directa: se trata de un único circuito en el que la compresión del refrigerante se divide en dos o más etapas. Hay que evitar que de una etapa a otra se forme vapor húmedo. Como solo hay un circuito, solo se puede usar un refrigerante. 3. Ciclo de refrigeración por compresión de gas Se utiliza el ciclo inverso de Brayton: - Compresión isoentrópica Cesión de calor al foco caliente Expansión isoentrópica Extracción de calor del foco frío Cuanto más cerca esté T3 de T2 mejor será la eficiencia. Es mejor el ciclo inverso de Rankine frente al de Brayton, sin embargo, éste último puede trabajar en circuito abierto. Además, el ciclo de Brayton permite alcanzar temperaturas más bajas y trabajar con mayor flujo másico. - Ciclo inverso de Brayton con efecto regenerativo: se utiliza un intercambiador que permite extraer más calor del foco frío. Se requiere mayor trabajo de compresión, pero también se aumenta el salto térmico. 4. Ciclos criogénicos Se trata de conseguir temperaturas extremadamente bajas con el fon de licuar gases como el CO2, aire u otros gases. - - Ciclo de Linde: usa varios procesos de expansión para enfriar el gas mediante válvulas de laminación. También se puede usar con presión intermedia para disminuir aún más la temperatura. Ciclo de Claude: debido a la válvula de laminación no se aprovecha todo el trabajo que se podría producir. Si se utiliza un expansor se soluciona este problema. Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. - a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 6. Cogeneración - Cogeneración: producción simultánea de energía eléctrica o mecánica y energía térmica útil a partir de la misma fuente de energía primaria. En el caso de las turbinas de gas, la mayor parte de la energía calorífica se libera a partir de los gases de escape. Tipos de aplicación de la cogeneración: - Ciclo de cabecera: el nivel térmico más alto se utiliza para producir energía eléctrica y el nivel térmico inferior se utiliza como energía térmica. Ciclo de cola: el nivel térmico más alto se utiliza como energía térmica y el nivel térmico inferior se usa para producir energía eléctrica. 1. Cogeneración con turbinas de vapor 1. Turbina de vapor de contrapresión: Se trata de una turbina de vapor en la que el vapor antes de pasar por el condensador, pasa por un intercambiador de calor donde cede su energía térmica residual. Como consecuencia de esto el calor cedido al foco frío es menor y el rendimiento aumenta. Para que el flujo de vapor pueda ser usado es necesario que tenga un nivel energético adecuado y para ello se necesitan presiones más elevadas. Como consecuencia de la alta presión el rendimiento efectivo e indicado de la instalación caen. Tipos de instalaciones: Red independiente: se debe satisfacer en todo momento la demanda de energía eléctrica: ▪ Si la demanda térmica es menor, habrá que enviar el vapor sobrante al condensador o a un acumulador. ▪ Si la demanda térmica aumenta, hay que laminar parte del vapor de la turbina o recuperarlo de un acumulador. o Instalación conectada a la red eléctrica: la demanda eléctrica se satisface mediante la generada más la comprada a la red eléctrica. 2. Turbina de vapor de condensación con extracción: se usa una turbina de condensación de la que se extrae una fracción de vapor en las condiciones adecuadas para satisfacer el proceso térmico. Se puede considerar como dos turbinas en serie: una de contrapresión y otra de condensación. De esta forma se consigue una mayor variabilidad entre las demandas eléctrica y térmica del proceso. o Montero Espinosa - La mayor colección de exámenes resueltos, es nuestra. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. En las turbinas de vapor, la mayor parte del calor es el que se cede al agua de refrigeración del condensador. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 7. Combustión La combustión se denomina completa o perfecta, cuando toda la parte combustible se ha oxidado al máximo. Si la combustión es incompleta o imperfecta, los productos de la combustión todavía poseen sustancias capaces de ser oxidadas. La combustión incompleta aparece cuando el aire es insuficiente. - Rica: más combustible que aire – incompleta Estequiométrica: mismo aire y combustible – completa Pobre más aire que combustible – completa 1. Combustión estequiométrica completa - - Poder comburívoro: se llama poder comburívoro a la cantidad de aire mínima necesaria en condiciones normales, para que se verifique la combustión completa de la unidad de combustible; a esta combustión se la denomina combustión neutra, perfecta o estequiométrica. Dosado estequiométrico: es el cociente entre la masa de combustible y la masa de aire que participan en la combustión. Poder fumígeno: se define como el peso de los humos producidos en la combustión de una unidad de combustible. 2. Combustión completa o incompleta, rica o pobre En la práctica, hay que usar una cantidad real de aire mayor que la estequiométrica, apareciendo así el concepto de exceso de aire: - Por un lado, el coeficiente de exceso de aire, λ, que es la relación entre el aire real utilizado y el aire mínimo necesario. Por otro lado, el exceso relativo unitario o porcentual, e = λ – 1 3. Diagrama de Ostwald Si en un combustible los valores de C, H, O y S son constantes, entonces el volumen de aire mínimo, de humos secos y concentración de CO2 en humos, también serán constantes. - - Familia de rectas en base al parámetro “e” que divide el plano en dos: o La zona de la derecha es la zona de mezclas pobres o exceso de aire (e>0) o La zona de la izquierda es la zona de mezclas ricas o defecto de aire (e<0) Familia de rectas isoparamétricas en base a la concentración de CO2 en los humos secos “t”. Al hacer t = 0 se obtiene la línea de la Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Tipos de mezcla: a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-590116 La representación de las familias de rectas de exceso de aire constante y de producción de CO constante es lo que se conoce como diagrama de Ostwald. Montero Espinosa - A nuestros apuntes los quiere todo el mundo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. combustión perfecta o completa, es decir las combustiones en las que no se genera CO. o El corte de esta línea con el eje y se corresponde con la combustión estequiométrica completa. o El corte de esta línea con el eje x se corresponde con una concentración de O2: x = 0.21.
