Ciclos de potencia

Contenido
TERMODINÁMICA
AVANZADA
!
!
Ciclos termodinámicos
Ciclos de Potencia
!
Unidad I: Propiedades y Leyes de la
Termodinámica
!
!
Ciclo Rankine
Variantes del Ciclo Rankine
Ciclos estándar de aire
!
!
Ciclos de potencia
! Ciclo de refrigeración
!
Ciclos de combustión interna
!
!
!
8/27/10
Rafael Gamero
1
Ciclo Brayton y variantes
Ciclo Otto
Ciclo Diesel
Ciclos de refrigeración
8/27/10
Ciclos Termodinámicos
Rafael Gamero
2
Ciclos de Potencia
Ciclo Rankine simple
Los ciclos termodinámicos son una sucesión de procesos
que cumplen un ciclo en la cual una sustancia sufre una
serie de cambios de estado con la finalidad de hacer
disponible ciertos efectos energéticos útiles.
Caldera
Los ciclos termodinámicos se clasifican como:
• Ciclos de refrigeración
8/27/10
Rafael Gamero
4
2
Q =0
• Ciclos estándar de aire
• Turbina de gas
• De combustión interna
W
Turbina
P = cte
• Ciclos de vapor (Rankine)
• Ciclos de potencia
Q =0
3
P = cte
Condensador
1
Bomba
3
8/27/10
Rafael Gamero
4
Ciclos de Potencia
Ciclos de Potencia
Ciclo Rankine simple
Ciclo Rankine con recalentamiento
"=
T
Eficiencia del
ciclo Rankine:
área 1# 2 # 2' #3 # 4 # 1
área a # 2 # 2' #3 # b # a
P = cte
Caldera
3’
2’!
Q =0
3
4
3
3’’
W
Turbina
2
W
"= N
QA
6
1
1’
4
4’
P = cte
5
2
Condensador
1
a
b
c
S
Bomba
Q =0
! 8/27/10
Rafael Gamero
5
8/27/10
Rafael Gamero
Ciclos de Potencia
Ciclos de Potencia
Ciclo Rankine con recalentamiento
Ciclo Rankine ideal regenerativo
T
P = cte
Nótese la posicion
del punto 3’!!
3’
3
2’
6
Caldera
5
Q =0
4
W
Turbina
5
4
2
1
6
6’
Condensador
P = cte
3
2
a
8/27/10
b
Rafael Gamero
c
S
Bomba
7
8/27/10
Rafael Gamero
Q =0
1
8
Ciclos de Potencia
Ciclos de Potencia
Ciclo Rankine ideal regenerativo
Ciclo Rankine regenerativo con calentador abierto
P = cte
Q =0
5
T
Caldera
4
3
La forma del área del
trabajo denota una
equivalencia de
eficiencia de Carnot.
6
2
7
4
1’
1
5
P = cte
5’
2
Bomba 2
a
b
8/27/10
d
c
S
Rafael Gamero
Q =0
9
8/27/10
3
Condensador
Q =0
Bomba 1
1
Rafael Gamero
Ciclos de Potencia
10
Ciclos de Potencia
Ciclo Rankine regenerativo con calentador abierto
Ciclos de potencia estándar de aire
Consideraciones teóricas:
T
3’
•
•
•
•
Flujo de masa constante en el ciclo.
Funcionamiento con gases como gase ideales.
El calor se transfiere desde fuentes externas.
El ciclo se completa con la transferencia de calor a los alrededores
( o una fuente de baja temperatura).
• Todos los procesos son reversibles.
• Las capacidades caloríficas se consideran constantes.
5
4
6
3
2
7
1
a
8/27/10
W
Turbina
c
b
Rafael Gamero
S
11
8/27/10
Rafael Gamero
12
Ciclos de Potencia
Ciclo Brayton
Ciclos de Potencia
Ciclo Brayton
QA
Ciclo cerrado
QA
Combustible
Ciclo abierto
2
3
Intercambiador
de calor
Q =0
2
Q =0
Cámara de
combustión
Q =0
3
Q =0
W
Compresor
Turbina
Intercambiador
de calor
1
W
Turbina
Compresor
4
4
1
Aire
Gases
QB
QB
8/27/10
Rafael Gamero
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8/27/10
Rafael Gamero
Ciclos de Potencia
Ciclos de Potencia
Ciclo Brayton
Ciclo Brayton
Diagramas P-V y T-S del Ciclo Brayton
P
Eficiencia del Ciclo Brayton
3
T
2
3
P = cte
S = cte
"=
S = cte
!
P = cte
V
8/27/10
S
Rafael Gamero
" = 1#
QB
Cˆ (T # T )
= 1# P 4 1
QA
Cˆ P (T3 # T2 )
!
T (T / T #1)
" = 1# 1 4 1
T2 (T3 / T2 #1)
1
4
WN
QA
4
2
1
14
15
8/27/10
!
$P '
T
" = 1# 1 = 1# & 1 )
T2
% P2 (
Rafael Gamero
!
* #1
*
16
Ciclos de Potencia
Ciclos de Potencia
Ciclo Brayton
Ciclo Brayton
Constituye el principio de vuelo de los
aviones de turbinas (Boing, Airbus).
Turbina jet
8/27/10
Rafael Gamero
Turbina jet
17
8/27/10
Ciclos de Potencia
T=const
S=const
ns
t
"=
WN
T
= 1# B
QA
TA
co
P=
Donde:
t
s
on
!
1 S=const
8/27/10
b
c
d
S
Rafael Gamero
Compresor
T = cte
TB = T3 = T4'
W
T = cte
4’
1
2’
TA = T1 = T2'
a
QA
QB
El suministro y
desprendimiento de
calor ocurren a
temperatura constante.
La eficiencia se
aproxima a la de
Carnot.
4
c
P=
Constituye la mejora de
la eficiencia del Ciclo
Braytron.
Eficiencia:
4'
T
2'
18
Ciclo Ericsson
3
2
Rafael Gamero
Ciclos de Potencia
Ciclo Ericsson
T=const
Airbus A380
Turbina
3
Regenerador
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Rafael Gamero
20
Ciclos de Potencia
Ciclos de Potencia
Ciclo Ericsson
Ciclo Ericsson
T
Las turbinas de gas múltiples se aproximan al Ciclo Ericsson.
T
T
TH=const
TH
3
Rafael Gamero
8/27/10
Ciclos de Potencia
st
t
on
s
PL
=c
PH
on
st
PL
=c
2
TL
21
=c
on
=c
PH
El ciclo Brayton
regenerativo.
8/27/10
4
st
on
S
TL=const
1
(a)
S
Rafael Gamero
(b)
S
Ciclos de Potencia
Ciclo Stirling
Ciclos de combustión interna
• Es equivalente al Ciclo Ericsson para un sistema cilindro-pistón.
• El calor se transfiere a volumen constante.
• La máquina de Stirling consiste un sistema cilindro-pistón con combustión
externa.
Son ciclos que ocurren en sistemas cilindro-pistón, en los cuales tienen lugar
reacciones de combustión.
T
3
4
Los ciclos más importantes son:
P
• Ciclo Otto: Ciclo ideal en el cual se basa el ciclo de combustión interna
con gasolina.
• Ciclo Diesel: Ciclo ideal en el cual se basa el ciclo de combustión interna
con diesel.
V=
st
con
on
st
=c
V=c
TH
ons
t
TH=const
2
TL=const
22
TL=c
onst
1
8/27/10
(a)
SRafael Gamero
(b)
V
23
8/27/10
Rafael Gamero
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Ciclos de Potencia
Ciclos de Potencia
Ciclo Otto
Etapas del Ciclo Otto
Las etapas de este ciclo son:
• Inyección: Entrada de mezcla de aire y gasolina. El cilindro se mueve
hacia abajo.
• Compresión: El cilindro se mueve hacia arriba comprimiendo la mezcla.
• Potencia: En el tope superior, el pistón experimenta la chispa de la bujía,
el combustible comprimido se enciende provocando la expansión súbita.
• Escape: En la parte baja del cilindro se abre la válvula mediante un
mecanismo. Los gases de combustión salen del cilindro.
Compresión
Inyección
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Rafael Gamero
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8/27/10
Rafael Gamero
Ciclos de Potencia
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Ciclos de Potencia
Etapas del Ciclo Otto
Etapas del Ciclo Otto
P
3
S = cte
2
S = cte
4
1
Chispa
8/27/10
Potencia
Rafael Gamero
V
Escape
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8/27/10
Rafael Gamero
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Ciclos de Potencia
Ciclos de Potencia
Ciclo Otto
Ciclo Otto
Diagramas P-V y T-S del Ciclo Otto
P
Relación de
compresión
Eficiencia del Ciclo Otto
3
T
3
"=
V = cte
WN
QA
" = 1#
QB
Cˆ (T # T )
= 1# V 4 1
QA
Cˆ V (T3 # T2 )
V1 V4
=
= rv
V2 V3
4
S = cte
2
!
2
S = cte
!
T (T / T #1)
" = 1# 1 4 1
T2 (T3 / T2 #1)
V = cte
1
1
V
8/27/10
!
4
S
Rafael Gamero
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8/27/10
" = 1#
$ V '* #1
T1
= 1# & 2 )
T2
% V1 (
Rafael Gamero
30
!
!
Ciclo Otto
Ciclos de Potencia
Ciclo Diesel
Las etapas de este ciclo son:
• Inyección: La válvula de inyección se abre. Aire de la atmósfera sin
combustible entra al cilindro.
• Compresión: Con el ascenso del pistón, el aire se comprime provocando
un aumento de su temperatura. Esa temperatura iniciará la combustión del
diesel.
• Inyección del diesel: Cuando el pistón está cerca del tope del cilindro, se
inyecta el combustible, el cual se enciende debido a la alta temperatura del
aire.
• Potencia: Al quemarse el combustible, los gases se expanden empujando el
pistón.
• Escape: En la parte baja del cilindro se abre la válvula mediante un
mecanismo. Los gases de combustión salen del cilindro.
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Rafael Gamero
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8/27/10
Rafael Gamero
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Ciclos de Potencia
Ciclos de Potencia
Etapas del Ciclo Diesel
Etapas del Ciclo Diesel
Compresion
Compresión
Inyección
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Rafael Gamero
33
Potencia
8/27/10
Escape
Rafael Gamero
Ciclos de Potencia
34
Ciclos de Potencia
Etapas del Ciclo Diesel
Ciclo Diesel
Diagramas P-V y T-S del Ciclo Diesel
P
P
2
T
2
3
3
S = cte
P = cte
S = cte
4
4
2
4
S = cte
8/27/10
3
S = cte
1
1
V
V
Rafael Gamero
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8/27/10
V = cte
1
S
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Ciclo Diesel
Ciclos de Potencia
Ciclo Diesel
Eficiencia del Ciclo Diesel
"=
WN
QA
!
" = 1#
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" = 1#
QB
Cˆ (T # T )
= 1# V 4 1
QA
Cˆ P (T3 # T2 )
!
T1 (T4 # T1 )
$T2 (T3 # T2 )
" = 1#
T1 (T4 / T1 #1)
$T2 (T3 / T2 #1)
Rafael Gamero
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Rafael Gamero
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!
!
Ciclos de Potencia
Ciclo de Refrigeración
Similaridades estre los ciclos de turbinas de gas y los de
combustión interna
Ciclo de refrigeración convencional
• No hay cambio de fases. Sólo la fase gaseosa está presente.
• Los modelos son considerados reversibles, dado que cada proceso
individual es reversible.
• Tanto las expansiones como las compresiones son adiabáticas, por lo tanto
isentrópicas.
• Todos los procesos cumplen un ciclo desde el punto de vista mecánico, con
etapas repetidas de expansión, compresión y transferencia de calor.
• Las capacidades caloríficas son consideradas constantes, salvo que se
requiera una precisión más estricta.
• En esa operación se consume trabajo para la compresión del gas, de acuerdo
al enunciado de Clausius y recíproco a la máquina térmica del enunciado de
Kelvin-Plank.
• Es el dispositivo capaz de transferir calor desde una región fría a una
caliente.
• Incluye una etapa decompresión irreversible: Válvula de estrangulamiento
(proceso isentálpico).
• Si el objetivo es enfriar una región: Refrigeradores, cuartos fríos,
acondicionadores de aire.
• Si el objetivo es calentar una región: Bomba de calor.
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Rafael Gamero
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Rafael Gamero
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Ciclo de Refrigeración
Ciclo de Refrigeración
Ciclo de refrigeración convencional
Ciclo de refrigeración convencional
!: Coeficiente de funcionamiento
P = cte
T
2
Q=0
Compresor
Condensador
W
3
H= cte
2
T2
Válvula de
estrangulamiento
2’
3
Calentar una región
Enfriar una región
P = cte
1
QA
"=
4
QB
WN
T2
4’
4
1’
1
"=
QB
QA
WN
S
Evaporador
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!
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!