Apuntes de Ingeniería Ambiental PDF

INGENIERÍA AMBIENTAL Tema 7. Ciclos de Potencia de Vapor 1. Introducción 2. Ciclo de Rankine 3. Ciclo de Brayton 4. Ciclos combinados 5. Cogene...

INGENIERÍA AMBIENTAL Tema 7. Ciclos de Potencia de Vapor 1. Introducción 2. Ciclo de Rankine 3. Ciclo de Brayton 4. Ciclos combinados 5. Cogeneración 6. Equipos Grado en Ingeniería Ambiental Pag. 1 1. Introducción Máquina Térmica: aquella capaz de transformar energía térmica en trabajo Motor Térmica Máquina Frigorífica FOCO FOCO T1 T1 CALIENTE CALIENTE Q1 Q1 Ciclo W Ciclo W Q2 Q2 FOCO FOCO T2 T2 FRÍO FRÍO Rendimiento Térmico del ciclo Coeficiente de Operación η= WNETO = ∑W PRODUCIDO − ∑ WCONSUMIDO β= Efecto refrigerante Q = E Q TOTAL APORTADO ∑Q ABSORBIDO Trabajo consumido WC [2.1] IT. Tema 2. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 2 1. Introducción Máquinas Térmicas: Tipos En función del agente de transformación: a) Máquinas de gas: el agente de transformación (gas) no cambia de estado durante el ciclo. b) Máquinas de vapor: el agente de transformación (vapor) cambia de estado durante el ciclo. En función del lugar de obtención del calor: TERMOTECNIA: a) Máquinas de combustión externa. Ciclo de Potencia conTurbinas de vapor: b) Máquinas de combustión interna. máquina de combustión externa, de vapor y rotativo. En función del tipo de movimiento obtenido: Ciclo de potencia con Turbinas de gas: a) Máquinas rotativas: giro de un eje. máquina de combustión interna, de gas y rotativo b) Máquinas alternativas: cilindro-pistón. Motores alternativos: máquina de combustión interna, de gas y cilindro-pistón 3 IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 3 2. Ciclo de Rankine FOCO DE ↑T Fuente FOCO DE ↑T (Caldera) Q1 Q1 CALDERA MÁQUINA DE W MÁQUINA VAPOR WENT WSAL TURBINA BOMBA TÉRMICA (J. Watts, MOTOR 1769) CONDENSADOR Q2 Q2 FOCO DE ↓T Sumidero FOCO DE ↓T (Atm., río,...) IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 4 2. Ciclo de Rankine Esquema de una central térmica de vapor MOTOR DE COMBUSTIÓN EXTERNA, DE VAPOR Y ROTATIVO. ZONA A: Ciclo termodinámico del AT. Transformación de la entalpía del vapor en energía cinética en del eje Chimenea A D de la turbina (W). C ZONA B: Foco caliente. Generación Vapor de agua de calor. Turbina Generador eléctrico ZONA C: Foco frío. Refrigeración para la etapa de condensación del Caldera vapor saliente de la turbina. Torre de ZONA D: Obtención de energía Agua de refrigeración refrigeración B eléctrica. Transformación del trabajo mecánico producido en la turbina en Aire Combustible energía eléctrica mediante un Agua generador. líquida IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 5 2. Ciclo de Rankine TERMOELÉCTRICA DE CARBÓN Fte.: UNESA IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 6 2. Ciclo de Rankine TERMOSOLAR DE COLECTORES PARABÓLICOS CENTRAL NUCLEAR (PWR) IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 7 2. Ciclo de Rankine Ciclo de Ciclo ideal imaginario. Todos los procesos o transformaciones son reversibles. Carnot Ciclo con rendimiento máximo posible WNETO QNETO QC −QR Q TF.FRÍO η= = Q = Q = 1 − QR = 1 − T QC C C C F.CALIENTE IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 8 2. Ciclo de Rankine Ciclo de Rankine Diagrama de bloques Diagrama Ts T 1 P1 QC WT QC a 1 T1 P2 WT 2 4 WB 4 3 T2 3 QR QR 2 WB Suposiciones: s Todos los procesos son reversibles Sin pérdidas de presión en la circulación del agente de transformación (AT) Caldera y condensador a P = cte Turbina y bomba adiabáticos (+ reversible)  isoentrópicos 9 IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 9 2. Ciclo de Rankine Etapas del Ciclo: Turbina Caldera 1 WT Etapa 1  2: expansión del vapor en la turbina Entrada a turbina: vapor saturado seco QC 2 Proceso: expansión isoentrópica con 4 QR 3 generación de trabajo mecánico (WT). WB Salida de turbina: vapor húmedo Condensador Bomba T P1 QC Balance de energía (sistema abierto): a 1 T1  V22 V12  q − w T = (h 2 − h1 ) +   + g·(z 2 − z1 ) P2 − WT  2 2  4 WB w T = (h1 − h 2 ) J/kg (> 0) T2 3 QR 2 s IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 10 2. Ciclo de Rankine Turbina Etapas del Ciclo: Caldera 1 WT Etapa 2  3: condensación de vapor húmedo QC Entrada al condensador: vapor húmedo 2 4 Proceso: eliminación de calor a presión 3 QR constante (QR) WB Bomba Condensador Salida del condensador: líquido saturado T P1 QC Balance de energía: a 1 T1  V32 V22  q R − w = (h 3 − h 2 ) +  −  + g·(z3 − z 2 ) WT P2  2 2  WB 4 q R = (h 3 − h 2 ) J/kg (< 0) T2 3 QR 2 s IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 11 2. Ciclo de Rankine Etapas del Ciclo: Turbina Caldera 1 WT Etapa 3  4: compresión isoentrópica agua condensada QC 2 Entrada a la bomba: líquido saturado 4 QR 3 Proceso: compresión isoentrópica WB con aporte de trabajo por la bomba (WB). Bomba Condensador Salida de la bomba: líquido subenfriado a presión. T Balance de energía: P1 QC  V42 V32  q − w B = (h 4 − h 3 ) +   + g·(z 4 − z 3 ) 1 − T1 a  2 2  w B = (h 3 − h 4 ) P2 WT J/kg (< 0) 4 WB Considerando la compresión del líquido (trabajo de flujo): T2 3 QR 2 4 w B = − ∫ υdP = υ ⋅ (P3 − P4 ) J/kg s 3 IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 12 2. Ciclo de Rankine Etapas del Ciclo: Caldera 1 Turbina WT Etapa 4  1: generación de vapor en caldera QC Entrada a la caldera: líquido subenfriado. 2 Proceso: calentamiento a presión constante (QC). 4 3 QR Salida de la caldera: vapor saturado y seco. WB Bomba Condensador T P1 Balance de energía: QC  V12 V42  1 q C − w = (h1 − h 4 ) +   + g·(z1 − z 4 ) T1 a −  2 2  WT P2 4 q C = (h1 − h 4 ) J/kg (> 0) WB T2 3 QR 2 s IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 13 2. Ciclo de Rankine Intercambios de calor y trabajos en el ciclo ideal de Rankine. Proceso Etapas Calor Trabajo Expansión isoentrópica 1-2 qT = 0 wT = h1-h2 (>0) Condensación 2-3 qR= h3-h2 ( 90 % Ts en condensador mayor que Tref IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 16 2. Ciclo de Rankine CICLOS DE RANKINE MODIFICADOS Recalentamiento (sobrecalentamiento). Aumento del ↑ WT  ↑ η rendimiento: Recalentamiento intermedio. Regeneración. ↓ QC  ↑ ͘η Recalentamiento (sobrecalentamiento) Fundamento: obtención de vapor recalentado en la caldera a T > TSAT. Recalentador: la misma caldera o un cambiador de calor externo. T 1' qC 1 Rankine: 1-2-3-4-a x2 a Rankine con recalent.: 1’-2’-3-4-a x2’ wT Ventajas recalentamiento: 4 wB x2’ > x2  T1 ↑  TC ↑  η ↑ 3 qR 2 2' ss IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 17 2. Ciclo de Rankine Recalentamiento intermedio El vapor sobrecalentado se expande parcialmente en una primera etapa de la turbina, se recalienta y se vuelve a expandir en una segunda etapa de la turbina. 1 T QC1 1 Turbina 1 Turbina 2 a QC2 Caldera WT1 WT2 2’ wT1 3' QC2 QC1 2 4 3’ 4 wB 6 2' QR wT2 4 3 3 6 5 QR 2 4' 5 s WB Condensador x2 < 0,90 < x4’ Bomba Ventajas WT 1 + WT 2 − WB Aumento del título del vapor a la salida de la turbina  Mayor η= diferencia de presiones entre la caldera y el condensador  QC1 + QC 2 aumenta eficiencia. Limitaciones No supone un aumento de eficiencia en sí mismo. IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 18 2. Ciclo de Rankine Regeneración Adición de Q a baja T  ↓Tc  Si aumentamos Tc ¿Cómo? Haciendo que el agua de alimentación que entra a la caldera esté a mayor temperatura Se emplea como “agente de calefacción” parte del vapor que sale de laREGENERACIÓN turbina. Tipos de sistemas con regeneración: Cambiadores de calor abiertos: mezcla directa de corrientes. La presión de la corriente de extracción es igual a la presión de la cámara de mezcla o cambiador de calor abierto. Cambiadores de calor cerrados: no existe mezcla de corrientes. La presión de la corriente de extracción de la turbina es distinta a la del cambiador de calor cerrado IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 19 2. Ciclo de Rankine Regeneración B.C.= 1 kg de vapor a la salida de la caldera Cambiador abierto 1 T 1 WT1 WT2 a QC 7 2 7’ 3 2 y 1-y 6 7 6 5 WB2 QR 5 4 3 WB1 4 ss ¡¡¡ La presión de la corriente de extracción es igual a la presión de la cámara de mezcla!!! Permiten desgasificar el agua Cada cambiador debe ir acompañado de una bomba Buena transmisión de calor Más baratos IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 21 2. Ciclo de Rankine Regeneración Cambiador abierto 1 WT1 WT2 QC 2 3 y 1-y 7 6 WB2 QR 5 Trabajos del ciclo Intercambios de calor WB1 4 wT 1 = h1 − h2 qC = h1 − h7 WT 1 + WT 2 − [WB1 + WB 2 ] η= wT 2 = (h2 − h3 ) ⋅ (1 − y ) QC qR = (h4 − h3 ) ⋅ (1 − y ) wB1 = (h4 − h5 ) ⋅ (1 − y ) wB 2 = (h6 − h7 ) Balance de energía en calentador y·h2 + (1-y) h5 = h6 IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 22 2. Ciclo de Rankine Regeneración B.C.= 1 kg de vapor a la salida de la caldera Cambiador cerrado T 1 OPCIÓN 1. Bombeo a caldera 9 WT1 WT2 7 1 8 2 6 QC 2 (1-y) 5 WB2 3 7 y 6 5 4 4 3 9 QR 8 s WB1 WB3 ¡¡¡ La presión de la corriente de extracción NO tiene por qué ser wT 1 = h1 − h2 igual a la presión de la cámara de mezcla!!! wT 2 = (h2 − h3 ) ⋅ (1 − y ) wB1 = (h4 − h5 ) ⋅ (1 − y ) WT 1 + WT 2 − [WB1 + WB 2 + WB 3 ] wB 2 = (h6 − h7 ) ⋅ (1 − y ) qC = h1 − h7 ⋅ (1 − y ) − h9 ⋅ ( y ) η= QC wB 3 = (h8 − h9 ) ⋅ ( y ) B.E. en cambiador  y·h2 + (1-y)·h5 = y·h8 + (1-y) h6 IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 23 2. Ciclo de Rankine Regeneración Cambiador cerrado B.C.= 1 kg de vapor a la salida de la caldera OPCIÓN 2. Envío a condensador T 1 WT1 WT2 1 7 8’ 2 QC 2 (1-y) 6 7 WB2 3 5 y WB1 5 6 4 4 9’ 3 QR 8’ 9’ WT 1 + WT 2 − [WB1 + WB 2 ] wT 1 = h1 − h2 wB1 = (h4 − h5 ) qC = h1 − h7 η= QC wT 2 = (h2 − h3 ) ⋅ (1 − y ) wB 2 = (h6 − h7 ) B.E. en cambiador  y·h2 + h5 = y·h8 + h6 IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 24 2. Ciclo de Rankine Combinación de modificaciones 1 p1 T QC2 p1>p2>p3>p4 >p5>p6>p 7 QC1 4 5 p6 1 p2 p5 p2 p3 p4 2 p1 20 16 16 p3 p4 2 3 6 3 5 7 18 21 p7 15 8 14 QR p1 4 p5 15 14 13 12 11 6 p5 19 13 20 p1 18 p3 p1 p6 p6 p5 7 p5 p7 10 17 12 21 17 9 11 19 p7 p5 10 9 8 s Limitación Turbinas de Vapor: máximo rendimiento teórico alcanzable Límite máximo temperatura superior del ciclo. Ej: para TMAX = 550 ºC  ηMAX = 65%  ηREAL = 40 – 45%. IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 25 3. Ciclo de Brayton Rendimiento Rendimiento real máximo Turbina de vapor (550 °C) 65 % 40-45 % Turbina de gas (1000-1400 83 % 62 % °C) Combustible QC cámara de Intercambiador combustión de calor QC WN WN WC WT WC WT Compresor Turbina Intercambiador Aire Productos de calor combustión QR Ciclo abierto Ciclo cerrado IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 26 3. Ciclo de Brayton CICLO BRAYTON IDEAL Ciclo abierto Inconveniente: el agente de transformación cambia de composición Análisis de aire estándar  agente de transformación: aire con comportamiento ideal  El aire se comporta como gas ideal y sin cambio de composición  El calor de la combustión procede de una fuente externa caliente  El aire retorna al estado inicial por cesión de calor al ambiente (Análisis de tendencias: resultados semi-cuantitativos) IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 27 3. Ciclo de Brayton p 2 p 2= p 3 3 CICLO BRAYTON IDEAL QC QC WT Intercambiador 3 s1= s2 s3= s4 2 WC de calor p1 = p4 WN 1 QR 4 WC WT v Intercambiador 3 1 4 T de calor QC QR WT p2 = p3 Suposiciones: 2 s3= s4 Todos los procesos son reversibles s1= s2 4 Sin pérdidas de presión en la circulación del A.T. WC Cambiadores a P = cte p 1= p 4 QR 1 Turbina y compresor adiabáticos → isoentrópicos s IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 28 3. Ciclo de Brayton CICLO BRAYTON IDEAL Rendimiento Térmico de Ciclo: WT − WC h3 − h4 − h1 − h2 ηBRAYTON = = QC h3 − h2 [2.18] Relación de Trabajos: WC h1 − h2 RT = = WT h3 − h 4 [2.19] Relación de trabajos (RT) Turbinas de vapor: 1-3 % Turbinas de gas: 40-80 % IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 29 3. Ciclo de Brayton CICLO BRAYTON IDEAL Análisis de Aire Estándar Frío: Se supone: a) CP y CV = cte → γ = CP / CV = cte b) Compresión y expansión: adiabática y reversible (isoentrópica) → p·vγ = cte T1 T η =1− =1− 4 T2 T3 [2.20] γ −1 T1 1 η =1− =1− p  γ T2 γ −1 T2 = T1 ⋅  2   p2    γ  p1   p1  [2.21] IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 30 3. Ciclo de Brayton CICLO BRAYTON Irreversibilidades y Pérdidas: Análogo a lo descrito para ciclos de Turbinas de Vapor WT h3 − h 4 ′ η TG = = T 3 T 3 WT s h3 − h 4 [2.22] 3' cte cte p= p= s= cte 2' 2' 2 2 4' 4' 4 4 WC s h1 − h2 s= cte s= cte =c te =c te ηC = = p p WC h1 − h2' [2.23] 1 1 s s Irreversibilidades en turbina Irreversibilidades en turbina y y compresor compresor + pérdidas de presión en cambiadores de calor IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 31 3. Ciclo de Brayton MODIFICACIONES DEL CICLO BRAYTON A. Regeneración Objetivo: disminuir QC Requisito: T4 > T2 T 3 WC WT 4 3 x 1 2 y 2 QC QR 4 x 1 y s h x − h2 Q c = h3 − h x ηreg = ηREG ~ 75 % h 4 − h2 [2.24] IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 32 3. Ciclo de Brayton MODIFICACIONES DEL CICLO BRAYTON B. Recalentamiento Objetivo: Aumentar WT QC1 QC2 3 T 2 3 a b b a 2 4 WC WT2 WT1 4 1 1 QR s WT1 + WT2 − WC η no necesariamente aumenta η= Q C1 + Q C2 [2.25] Mayor potencial de regeneración IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 33 3. Ciclo de Brayton MODIFICACIONES DEL CICLO BRAYTON T 3 C. Compresión con refrigeración Objetivo: Disminuir WC (aunque aumenta QC) 2 QC 4 QR1 c c d 2 3 d 1 WT p WC1 WC2 2 2' 4 1 c d QR2 WC = m vdp z 1 2 1 WT − [ WC1 + WC2 ] ηT = η no necesariamente aumenta v QC Mayor potencial de regeneración IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 34 4. Ciclo combinado Combustible 2 3 Cámara de combustión T. Gas WC WT1 Aire 1 ̴ 600ºC 4 7 T. Vapor WT2 8 A chimenea 6 9 5 QR WB IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 35 4. Ciclo combinado CALDERA DE RECUPERACIÓN Fte.: TLV CO. IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 36 5. Cogeneración DEFINICIÓN: Generación simultánea, en un único proceso, de energía térmica, eléctrica y/o mecánica. C. de Alta eficiencia: ahorro de energía primaria > 10% IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 37 5. Cogeneración TIPOS DE COGENERACIÓN SEGÚN SECUENCIA DE GENERACIÓN Y CONSUMO: SISTEMAS DE COLA O “BOTTOMING”: con el combustible se produce calor de proceso y con el calor residual, electricidad. SISTEMAS DE CABECERA O “TOPPING”: con el combustible se produce electricidad y con el calor residual, se cubren necesidades térmicas del proceso. Tipos en función de la máquina térmica. COGENERACIÓN CON COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR TURBINA DE GAS IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 38 5. Cogeneración COGENERACIÓN CON CICLO COMBINADO COGENERACIÓN CON MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 39 6. Equipos BOMBA DE ALIMENTACIÓN A CALDERAS CALDERA IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 40 6. Equipos TURBINAS DE VAPOR GENERADOR IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 41 6. Equipos CONDENSADOR TORRE DE REFRIGERACIÓN IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 42 6. Equipos TURBINAS DE GAS TURBINA AVIACIÓN IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 43 5. Equipos CENTRAL TERMOELÉCTRICA: https://youtu.be/IdPTuwKEfmA CALDERA: https://youtu.be/x-lHV-ySuik CALDERA: https://youtu.be/nL-J5tT1E1k TURBINA DE VAPOR: https://youtu.be/SPg7hOxFItI LÍNEA DE CONDENSADO: https://youtu.be/67p66oSnWBM CICLO COMBINADO: https://youtu.be/eeiu-wcyEbs TURBINA DE GAS: https://youtu.be/cOcu7szPKmQ?si=zQ3GNIxdCPMTbSNW IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 45 Bibliografía 1.- Termodinámica. Y. A. Cengel y M. A. Boles. Editorial McGraw-Hill, Mexico, 2000-2001. 2.- Fundamentos de termodinámica técnica. M. J. Morán y H. N. Shapiro. Editorial Reverté, Barcelona, 1998-1999. 3.- Centrales Térmicas de Ciclo Combinado, Teoría y Proyecto. S. Sabugal y F. Gómez. Editorial Díaz de Santos, 2006 IT. Tema 7. Ciclos de Vapor y Gas Pag. 46