Maquinas Hidraulicas Y Termicas z3h6a

MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS

1. LA MÁQUINA TÉRMICA MÁQUINA DE FLUIDO: Es el conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía mecánica con el exterior, generalmente a través de un eje, por variación de la energía disponible en el fluido que atraviesa la máquina.

MÁQUINA MOTORA: disminuye la energía del fluido

MÁQUINA GENERADORA: aumenta la energía del fluido

Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Universidad de Valladolid

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MÁQUINAS HIDRÁULICAS (fluidos incomp.) MAQUINA DE FLUIDO MÁQUINAS TERMICAS (fluidos compresibl.) MOTOR TÉRMICO: es el conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir del estado térmico del fluido compresible que lo atraviesa, obtenido por un proceso de combustión tradicional o una reacción nuclear. 1. Sistema transformador de energía térmica en mecánica. 2. Estado térmico del fluido 3. Motores a reacción CONCEPTO MÁS AMPLIO QUE EL DE MÁQUINA TÉRMICA Máquina térmica ≠ Motor térmico EXTERNA (A) MOTORES

TURBINAS: TG

DE

ROTATIVOS

VOLUMÉTRICOS: WANKEL

COMBUSTIÓN INTERNA (B)

ALTERNATIVOS -- MEP Y MEC COHETES - QUÍMICOS REACCIÓN

AERORREACTORES

VOLUMÉTRICOS: ALTERNATIVOS Y ROTATIVOS MOTORES TURBOMÁQUINAS


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MOTORES TÉRMICOS MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA FLUIDO CONDENSABLE

ROTATIVOS

FLUIDO NO CONDENSABLE

ALTERNATIVOS MAQUINAS DE VAPOR

REACCIÓN NO DESARROLLADO

ROTATIVOS

ALTERNATIVOS MOTOR DE AIRE CALIENTE

TURBOMÁQUINAS – TURBINAS DE VAPOR

TURBOMÁQUINAS TURBINAS DE GAS CICLO CERRADO

VOLUMÉTRICOS NO DESARROLLADOS

VOLUMETRICOS NO DESARROLALDOS

REACCIÓN NO DESARROLLADOS

MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

ROTATIVOS

TURBOMÁQUINAS TURBINAS DE GA

VOLUMÉTRICO S MOTORES ROTATIVOS

ALTERNATIVOS

MEP GASOLINA, GLP


MEC DIESEL

REACCIÓN

COHETES

AERORREACTO RES

Propulsante líquido

Sin compresor: - Estatorreactor - Pulsorreactor

Propulsante sólido

Con compresor -Turborreactor -Turbofán -Turbohélice

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MOTOR WANKEL


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2. DIAGRAMAS TERMODINAMICOS DEL VAPOR DIAGRAMA P-v DE UNA SUSTANCIA PURA

T

T=cte

DIAGRAMA T-s  El calor cedido en cualquier proceso desde un punto “a” a otro punto “b” es el área bajo la curva. P=cte  Debajo de la campana de saturación las isotermas coinciden b a con las isobaras  existe una temperatura de condensaciónevaporación para cada presión (ej: Q   TdS 100ºC corresponde con 1 S atmosfera).


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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS DIAGRAMA h-s  Para altas temperaturas cuando el vapor está sobrecalentado se comporta como un gas ideal. En esta zona el diagrama h-S es muy similar al T-S. T=cte  El incremento de entalpía cuando se comprime un líquido es mucho menor que cuando se comprime en la fase gas.

Zona de gas ideal h  c p T  dT  T=cte || h=cte



h P=cte

S

PRIMER PRINCIPIO DE LA TD PARA SISTEMAS ABIERTOS 

Q



W



m e he



Sistema abierto

m s hs





Q W 

    c2 c2 dU    m s  h s  s  gz s   m e  h e  e  gz e  dt 2 2    







 Sistema adiabático y estacionario (turbina) W  ms hs  me he 





 Sistema sin transferencia de trabajo y estacionario (caldera) Q  ms hs  me he  Sistema adiabatico, estacionario y sin transferencia de trabajo varias 



entradas y salidas (intercambiador de calor) 0   ms hs   me he


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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS 3. CICLOS EN TURBINAS DE VAPOR – CICLO RANKINE - Grandes potencias (1800 MW) o Baja potencia específica o Mala adaptación a cargas parciales o Tiempos de arranque largos - Desarrolladas a partir final siglo XIX o De Laval (1883)  acción o Rarsons (1884)  reacción o Normalmente axiales - Rendimientos limitados por la resistencia de los materiales o 1930 – 25 bar y 350ºC o Actualidad – 250 bar y 540ºC Diseños especiales para centrales nucleares

CALDERA

HUMOS 3

GENERADOR ELÉCTRICO

2 COMBUSTIBLE



TURBINA

BOMBA

CONDENSADOR

1

4

ENERGÍA TERMICA

3

T

h

mf Wt

P=cte

2 Wb 1

Qu

4 S


S

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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS Un ciclo Rankine ideal consta cuatro etapas fundamentales: 1->2 Compresión del líquido en bomba 2->3 Calentamiento del líquido, evaporación del mismo y sobrecalentamiento del vapor en caldera. 3->4 Expansión del vapor en la turbina en un proceso idealmente adiabático e isoentrópico. 4->1 Condensación del vapor en intercambiador.

Diagrama entrópico (TS) del vapor de agua


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Diagrama de Mollier del vapor de agua


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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS Ciclo de Carnot de un gas condensable

Ciclo Rankine de un gas condensable

Ciclo de Hirn (vapor recalentado)


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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS RENDIMIENTO DE PROCESOS CÍCLICOS

T

B

a

qa c

A

qa calor absorbido qc calor cedido

qc

S

Conservación de la energía: U  0  W  W c  W a  q a  q c

t 

qc N qa  qc   1 qa qa qa B

qa 

 Tds  T

AB

(s B  s A )

A( a ) a

qc 

 Tds  T

BA

(s B  s A )

B (C )

t  1 

TBA T AB T1  f (T1 , T2 ) T2 T  T  TBA  T1   t  1  1  f ( p1 , p 2 ) T AB T  T3  TBA  T1   t  1  1  f ( p1 , p 2 , T3 ) T AB

CARNOT:

T AB  T2  TBA  T1   t  1 

RANKINE:

T AB

HIRN:

T AB


(Rankine con recalentamiento)

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h [kJ/kg] s [kJ/kgK]



W  q a  q c  (h3  h2 )  (h4  h1 )  h3  h4  (h2  h1 )  h3  h4 

Q W T cond Rendimiento térmico o motor (≈0.40)  t  ciclo  1   cond  1  q cald Q cald T cald

Rendimiento de la turbina:  TV 

W Wcs



h3  h4 h3  h4 S

(con imperfecciones de diseño, fricción, etc.)



N  mv W


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CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

CALDERA

2

T

3 COMBUSTIBLE BOMBA

3

3’

3´ TURBINA

2 1

CONDENSADOR 4

1

4 S

VENTAJAS:  Aumenta el rendimiento (↑Tcald)  Aumenta el trabajo específico ( w  (h5  h4' )  (h5'  h6' )  Disminuye la humedad INCONVENIENTES:  Mayor costo y complejidad. Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica Universidad de Valladolid

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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS Modificación del ciclo Rankine con la modificación de los parámetros iniciales:


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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS INFLUENCIA DE LA PRESION A LA ENTRADA DE LA TURBINA Ventajas: Aumento del rendimiento (↑Tcald) (Si p>225 bar  supercrítico) Inconvenientes:

Aumento de la humedad (<12%), diminuye título vapor El trabajo específico aumenta y luego disminuye (el punto de inflexión depende de Tmax)

Variación de la eficiencia del ciclo con la presión:


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INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA A LA ENTRADA DE LA TURBINA h T

3

P=cte 2 1

4 S

S

VENTAJAS:    

 aumenta (↑Tcald) W mejora, mayor salto entálpico (aumenta trabajo específico) Disminuye la humedad a la salida de la turbina, aumenta título vapor Limitaciones por la Tmax soportable por la caldera y la turbina.

INCONVENIENTES:  Aumenta el coste. Variación de la eficiencia del ciclo en función de la temperatura de vapor:


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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS INFLUENCIA DE LA PRESION EN EL CONDENSADOR. T

3

h

2 1

4 S

S

VENTAJAS:  Mejor rendimiento (↓Tcond)  W mejora, mayor salto entálpico (↓h4) INCONVENIENTES:  Mayor humedad en escape de la turbina.  Limitado por la temperatura del refrigerante.  Condensar a 50ºC supone 0.12 bar  Tamaño del condensador muy grande.


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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS CICLO REGENERATIVO Si en un ciclo Ranking extraemos calor de la expansión para precalentar el agua de alimentación de la caldera, tenemos un CICLO REGENERATIVO.

CALDERA BOMBA

2

3

T

MEZCLADOR

3

COMBUSTIBLE 2’

2

TURBINA

2’

3’

EXTRACCIÓN CONDENSADOR

BOMBA 1

3’

1 4

4 S

 Se tiende a hacer varias extracciones de vapor en la turbina.  Se reduce el flujo de vapor en los últimos escalonamientos de la turbina con lo que se reduce el tamaño o la velocidad axial (menos perdidas de escape).  Hay más gasto en las etapas (escalonamientos) de alta presión donde hay mejor rendimiento.


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t  1 

T6 '1 T  1  2   Carnot T34 T1

VENTAJAS:  Aumenta el rendimiento (porque ↓Qcond)  Disminuye la cantidad de vapor a baja presión  El agua de alimentación entra en la caldera a temperatura elevada Esquema simplificado de una instalación típica de una central térmica con precalentamiento del agua de alimentación con vapor extraído de la turbina:


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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS Ciclo regenerativo con precalentadores de mezcla:

Si por cada kg de vapor itido en la turbina extraemos y1, y2 e y3 kg en cada una de las extracciones, las ecuaciones en los precalentadores serán: Para el tercer precalentador: y 3 (hc  h'1' )  (1  y1  y 2  y 3 )(h1'  h2 )

Para el segundo precalentador: y 2 (hb  h'1'' )  (1  y1  y 2 )(h1''  h2 ' )

Para el primer precalentador: y1 (ha  h'1''' )  (1  y1 )(h1'''  h2'' )

INFLUENCIA DE LAS EXTRACCIONES:


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