Tema 8: Trabajo y Potencia - IqTMA-UVa

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTema 8: Trabajo y PotenciaTrabajo y PotenciaDesarrollo:• Introducción• Ciclos de producción de trabajo.• Compresión y expansión.• Máquinas térmicas.•Compresores.• Ciclos de Carnot.•Eyectores.• Ciclos de Rankine:• Cálculo de compresiones• Modificaciones.y expansiones.• Procedimientos de mejora.• Plantas de vapor.• Ciclos de Brayton:• Turbinas de gas.• Modificaciones y mejoras.• Ciclos binarios.• Ciclos combinados.Termodinámica Aplicada 2004/05 p.1

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaTRABAJO EN LA INDUSTRIA• Industria Química:•Trabajo ←→ Compresión y expansión. (No se tratan motores eléctricos).•Consumo:•Compresión:• Transporte y flujo.• Acondicionamiento de corrientes.• Dispositivos neumáticos e hidráulicos.• Agitación (motores eléctricos).• Transporte de sólidos (motores eléctricos).• Molienda (motores eléctricos).•Producción:• Ciclos de potencia.• Cogeneración:• Turbinas de vapor.• Turbinas de gas y motores de combustión interna (MCI).• En la industria:• Generación de energía eléctrica:• Ciclos de potencia (Turbinas de vapor, turbinas de gas y MCI).•MCITermodinámica Aplicada 2004/05 p.2

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaCOMPRESIÓN•Compresores(

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Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaTermodinámica Aplicada 2004/05 p.5

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaCÁLCULOS EN COMPRESIONES DE GASESR C p• Gas ideal, procesos reversibles:⎧ ⎡⎛P ⎞ ⎤2•Isotermos: wu= RTln( P2 P1)⎪wu= CpT1⎢⎜⎟ − 1 ⎥ , R Cp= 0.4 ( monoat.)⎢⎝P1⎠ ⎥• Adiabáticos (isoentrópicos):⎪ ⎣ ⎦⎨R C p⎪ ⎛ P ⎞2⎪T2 = T1⎜ ⎟= .2857 ( diat.)⎪⎩⎝ P1⎠• Gas ideal, procesos irreversibles:R C pR C pCpT ⎡⎛ 1P ⎞ ⎤ ⎡ ⎛21 ⎞⎡⎛ P ⎞ ⎤⎤2wu= ⎢⎜ ⎟ − 1 ⎥ , T2 = T ⎢11+ ⎜ ⎟⎢⎜ ⎟ −1⎥⎥ηs⎢⎝ P1 ⎠ ⎥ ⎢ ⎝ηs⎠⎢⎝ P⎣ ⎦ ⎣1 ⎠ ⎥⎦⎥⎣⎦• Gases reales, procesos irreversibles:1) Cálculo de la T2 isoentrópica:T2S Cp( T)P2∆ S = ∫ dT − Rln + ∆S′ 1− ∆ S′2= 0 → TT2S1 TP2) Cálculo de la entalpía isoentrópica:T C ( T)P∆ = ∫− ln + ∆ ′ − ∆ ′ = 0 →TP2 S p2S dT R S S TT13) Cálculo de la entalpía real:∆ H =∆HηsS111 2 2STermodinámica Aplicada 2004/05 p.6

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaCICLOS DE PRODUCCIÓN DE TRABAJO• Máquinas térmicas:• Máquinas térmicas o plantas termoeléctricas: utilizan un fluido secundario enla expansión.• Máquinas de combustión interna: utilizan los productos de combustión en laexpansión.• Sistemas combinados.• Máquinas térmicas (fluido secundario):• Centrales térmicas o termoeléctricas.• Sistemas de cogeneración (Industria Química):• Ciclos de cabezas (fluido secundario: vapor).• Ciclos de colas: (fluido secundario: baja presión de vapor).• Producciones grandes e intermedias.• Tecnología muy conocida: sistemas fiables y duraderos.• Admiten combustibles de baja calidad: fluido de trabajo separado.• Inercia importante: largas puestas en marcha.• Gran volumen/superficie ocupada (caldera, turbina …)Termodinámica Aplicada 2004/05 p.7

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaCICLOS DE CARNOTCalderaq CTq C4141BombaTurbina32q FS32q FCondensador• Todos los procesos reversibles → Máquina ideal.• Rendimiento máximo (afecta, como límite, a todas las máquinas térmicas):wηCarnot= = −qCTT1FC• El representado es un ciclo de vapor. Podría hacerse con gas (T ctes, q y w reversibles).Termodinámica Aplicada 2004/05 p.8

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaCICLOS DE RANKINE• Ciclos prácticos:• Los procesos de expansión y compresión en dos fases dan problemas:• Turbina y bomba → erosiones, vibraciones, …• Conviene mantener la transmisión de calor con cambio de fase (cond. y evap.):• Mayores coeficientes , transmisión de calor mas estable.• Se utiliza el ciclo de Rankine (o de Hirn):T34q Cq F21S• Se sobrecalienta (P=cte.) el vapor desalida de la caldera hasta que el títulode salida de la turbina sea 1.• Se condensa totalmente el vapor (labomba trabaja con líquido saturado).•Pero:• Baja la eficacia (podríacalentarse todo a T 1).• Aumenta la T de entrada a laturbina (límite metalúrgico).Termodinámica Aplicada 2004/05 p.9

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaMODIFICACIONES DE LOS CICLOS DE RANKINE• Eficacia ∼ {Área del ciclo / Área bajo el calentamiento} → T ↑ , TqCqF↓Reducción de P en el condensador:Incremento T sobrecalentamiento:TTS• Psat agua de ref.: bomba de condensados.• Disminución del título y fugas de aire.S• Mejora de eficacia y título.• Límite metalúrg. (álabes de entrada 620ºC).Incremento presión de calderas:TT• Aumento: Reducción:• Instalaciones supercríticas.Termodinámica Aplicada 2004/05 p.10SS

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaPROCEDIMIENTOS DE MEJORA DE LOS CICLOS DE RANKINE• Recalentamiento intermedio.• Ciclos regenerativos.Recalentamiento intermedio• Turbina de dos etapas o cuerpos.• No hay problema de sobrecalentamientoTq CTurbinaCalderaBomba• Eficacia ∼ (misma Tª media calentamiento).• No mas de dos recalent. (complejidad/coste).Sq FCondensadorTermodinámica Aplicada 2004/05 p.11

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaPROCEDIMIENTOS DE MEJORA DE LOS CICLOS DE RANKINE (2)Ciclos regenerativos• Principio: Precalentar el agua de alimentación a calderas para aumentar latemperatura media de adición de calor, con lo que aumenta la eficacia.• Práctica: se precalienta con vapor extraído de una etapa intermedia de la turbina.Calderaq CTTurbinaq FS• Por cada extracción, una bomba (hasta 8).B2CondensadorB1• Reduce el flujo volumétrico en la turbina.• Contribuye a la eliminación de aire el aliment.Termodinámica Aplicada 2004/05 p.12

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaPLANTAS DE VAPORTermodinámica Aplicada 2004/05 p.13

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaCICLOS DE BRAYTON (O JOULE)• Turbinas de gas natural (ó fueloleo, carbón gasificado, …)• Usualmente de > abierto. Ciclo cerrado para recuperación de calor a trabajo.Cámaracombust.combustible• Compresor+Turbina → una sola turbomáquina.• Turbinas: aeroderivadas e industriales.• W≈ 50% WCOMPTURBINACOMPaireTURBwhumosciclocerradoT•Comp+Exp→Isoentrópicas.• Calent+Enf→Isobáricos.S• Para el ciclo de Brayton estándar:( )wNETOη = = 1−q( )2 1• Luego P P ↑ →η↑ Relaciones de comp. Prácticas: 5-202 1C1P P γ γ−1Termodinámica Aplicada 2004/05 p.14

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaTURBINAS DE GAS• Ciclos de Brayton reales.• Se trabaja con aire en exceso (2.5 esteq) para:• Calor residual (∼500ºC) para:• Cogeneración (calderas de recuperación).• Regeneración (en el mismo proceso).humos• Mejor combustión.• Control de temperatura.•Postcombustión.TaireRegencombRecalentwSRefTermodinámica Aplicada 2004/05 p.15

Ingeniería Química - Univ. ValladolidTrabajo y PotenciaCICLOS BINARIOS• Empleando dos fluidos seaumenta el área encerradaq CwTpor el ciclo, y la eficacia.• Aprovechamiento a lo largoqde mayor intervalo de T.•Agua/Hg, Na/K .w• Pocas instalaciones reales.CICLOS COMBINADOSq FS• Ciclo de vapor + Ciclo de gas.• Cogeneración, ciclo de colas.• Caldera de recuperación.•Mayor intervalo de T:• Desde 1150 C en gas• Hasta condens. Vapor.• Eficacia combinada (hasta 60%).• Nuevas centrales.• Muchas instalaciones.wwq FTermodinámica Aplicada 2004/05 p.16TqS