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Ciclos de Potencia: Gas, Vapor y Combinados Pablo Contreras Fica Termodinámica Instituto IACC 09-12-2019

Desarrollo



Elabore una tabla comparativa entre los diferentes ciclos de potencia de gas, indicando: sus principales características, sus componentes (dispositivos) principales, los procesos que los componen, sus ventajas y desventajas, y un ejemplo de aplicación Ciclos de Potencia

Componentes

Procesos que

Ventajas y

de Gas.

Principales

los Componen Desventajas

Ejemplo

Características CICLO OTTO

Válvulas de

ventajas

Automóviles

Tiempo 1

(Escape y

compresión

- tiene una mejor

Motos, etc.

En la admisión el

Admisión).

isentropica.

potencia gracias

(bencineros de

pistón baja y

Bujías, Cámara

a su combustión

cuatro o dos

succiona aire y

de combustión,

Adición de

(mayor poder

tiempos)

gasolina, llenando

Pistón, Biela y

calor a

energético).

el cilindro de la

Cigüeñal.

volumen

- Su sistema

denominada

específico

genera menos

mezcla.

constante.

vibraciones.

3-4

Desventajas

Tiempo 2

1-2

2-3

El pistón al volver a

Expansión

- el consumo de

subir comprimiendo

isentrópica.

gasolina es muy

la mezcla realizando así el

4–1 Rechazo de calor a

elevado.

ciclo de

volumen

- el precio del

compresión.

específico

combustible es

Tiempo 3

constante.

más alto.

El pistón antes

- emisiones de

incluso de llegar al

gases tóxicos.

punto muerto superior, la bujía hace saltar una chispa que inflama la mezcla con lo que se empuja el pistón hacia abajo esto producido por la explosión de la mezcla. Tiempo 4 Cuando el pistón vuelve a subir la válvula de escape se abre, para dejar salir los gases quemados de la denominada

cámara de combustión CICLO DIÉSEL

Válvulas de

Tiempo 1 Ciclo de

(Escape y

Admisión

Admisión).

Con la válvula de

Inyector, Cámara

admisión abierta, el

de combustión,

adición de

consumo de

pistón realiza una

Pistón, Biela y

calor a presión

combustible

carrera descendente

Cigüeñal.

constante.

- mayor

Haciendo que la

Ventajas

Maquinarias

compresión

- combustible es

agrícolas,

isentrópica.

más barato

camiones,

- menor

Buses, etc.

1-2

2-3

3-4

durabilidad

depresión producida

una expansión

- generan un

en el cilindro hace

isentrópica.

mayor torque

que entre aire del

4-1

debido a las

exterior.

un rechazo de

bajas

Tiempo 2 Ciclo de

calor a

revoluciones

Compresión

volumen

producidas lo

Ambas válvulas se

constante.

que los hace

encuentran cerradas

tener una mayor

y el pistón realiza

fuerza de carga y

su carrera desde el

arrastre.

punto muerto

Desventajas

inferior al punto

- Suelen ser

muerto superior,

ruidosos.

durante la última

- Mucho más

parte del ciclo de

lentos que un

compresión se

vehículo

produce la

bencinero.

inyección de

- reparación y

combustible a alta

mantenimiento

presión.

muy costoso.

Tiempo 3 Ciclo de Explosión El pistón antes incluso de llegar al punto muerto superior, la mezcla de aire y combustible alcanza una enorme temperatura debido a que la relación de compresión es muy elevada y es por esta temperatura que la mezcla se enciende sin la

necesidad de recurrir a bujías de ningún tipo, el pistón es empujado hacia abajo esto producido por la explosión de la mezcla. Tiempo 4 Ciclo de Escape Cuando el pistón vuelve a subir la válvula de escape se abre, para dejar salir los gases quemados resultantes.

CICLOS

- disipador

STIRLING Y

térmico.

ERICSSON Ciclo Stirling

1-2

Ventajas

Antiguamente

Expansión a

- necesitan

se producían

- Regenerador.

temperatura

menos

vehículos con

-Válvulas

constante.

motor Stirling

Ciclo

- Caldera (calor

(adición de

lubricación y

que tenían una

termodinámico

externo).

calor de una

duran mas

mayor

reversible de

- Pistones

fuente

- funcionan con

eficiencia y un

sistema cerrado, de

- Biela

externa).

cualquier fuente

mejor cuidado

presión constante

- Cigüeñal

de calor

con el medio

2-3

que busca la

Regeneración

- Operación

ambiente.

obtención de un alto

a V constante

silenciosa.

En la

rendimiento.

(transferencia

- Se puede usar

actualidad

Es un sistema que

de calor

un proceso de

Se están

se compone por dos

interna desde

combustión

empleando

émbolos a los lados

el fluido de

continúa

también en

y un regenerador al

trabajo hacia el reduciendo las

plataformas

medio, el

regenerador).

emisiones de

solares de

gases.

grandes discos

regenerador es un

3-4

dispositivo que pide

Compresión a

Desventajas

parabólicos

prestada la energía

T constante

- No puede

que reflejan y

al fluido de trabajo

(remoción de

arrancar

concentran la

durante una parte

calor hacia un

instantáneamente luz solar hacia

del ciclo.

sumidero).

Necesita ser

un motor

calentado

Stirling, el

Generalmente es

4-1

una maya de

Regeneración

previamente.

cual produce

alambre o cerámica

a V constante

- Poseen un gran

energía

(transferencia

tamaño.

mecánica que

(tapón poroso) de

de calor desde

mediante un

una alta masa

el regenerador

alternador es

térmica con

hacia el fluido

transformada

almacenamiento

de trabajo).

en energía

temporal de energía

eléctrica.

térmica. Y se transfiere esta energía térmica de nuevo hacia el fluido de trabajo. Ciclo Ericsson

Ciclo Ericsson

Ciclo Ericsson

Ciclo Ericsson

Ciclo Ericsson

El ciclo de Ericsson

- Regenerador

1-2

Ventajas

Aplicaciones

es reversible al

- Pistón de

expansión

- Es un proceso

- mecánicas

igual que el ciclo de

trabajo

isotérmica y

reversible.

- solares,

Carnot por lo que se - Caldera (calor

proceso de

- No existen

- industria

obtiene el máximo

externo)

absorción de

muchas pérdidas

automotriz.

rendimiento de las

- Biela

calor.

de energías.

máquinas. El fluido

- Cigüeñal

evoluciona

-Intercambiador

Compresión

turbinas de gas

realizando dos

de calor.

isobárica y

en los aviones

transformaciones

-Válvulas

proceso de

Desventajas

isotérmicas y dos

rechazo de

- No puede ser

isobáricas. Ambos

calor (el aire

usado en

2-3

- Usado en

motores Ericsson y

pasa a través

máquinas

Stirling son de

del

marinas.

combustión externa

regenerador donde su temperatura se reduce a T3 a presión constante). 3-4 Compresión isotérmica. 4-1 Expansión isobárica.

CICLO DE

- Turbina.

BRAYTON

- Cámara de

Compresión

- Buena relación

Las turbinas a gas

Combustión.

isentrópica (en

Potencia vs

trabajan

- Compresor

un compresor). tamaño.

generalmente en

-intercambiador

ciclos abiertos; en

de calor.

ellos, se toma aire

1-2

2-3

Ventajas

- Menos piezas en movimiento.

Aeronaves

fresco del ambiente

Adición de

- al ser una

y se lleva a un

calor a presión

maquina rotante

compresor, en

constante.

no tiene

donde se

3–4

movimientos

incrementan la

Expansión

complejos como

presión y la

isentrópica (en

lo son los

temperatura. De

una turbina).

movimientos

allí, el aire a alta

4–1

roto alternativos

presión se transfiere

Rechazo de

de los motores

a una cámara de

calor a presión

de combustión

combustión, donde

constante.

interna.

el combustible se

- Rápida puesta

quema a presión

en servicio

constante, los gases

Desventajas

de alta temperatura

- Perdida de

que se generan

mucho calor.

pasan a la turbina y

Alta temperatura

se expanden hasta

de calor liberada

alcanzar presión

al ambiente

atmosférica,

producida por la

generando potencia

salida de los

en ese proceso.

gases. Sobre los

Como los gases de

400°C

escape se expulsan desde la turbina, a este proceso se le clasifica como ciclo abierto.



Describa la forma de obtención de trabajo y potencia a partir de los ciclos térmicos y haga una comparación entre los que utilizan gas como fluido de trabajo y aquellos que utilizan vapor. Proceso de Obtención de Trabajo por

Proceso de Obtención de Trabajo por

Gas Ciclo Diésel 4 Tiempos

Vapor Ciclo Rankine

El trabajo diésel en su primera fase se inicia

El ciclo comienza con el fluido de trabajo

con el pistón en descenso y la válvula de

en un contenedor, de ahí mediante

admisión abierta el movimiento en descenso

conductos entra a la bomba como liquido

del pistón causa un flujo de aire en el

saturado y se condensa isentropicamente

sistema de admisión del motor, que llena de

hasta la presión de operación de la caldera.

volumen en expansión el cilindro. La fase

La temperatura del fluido de trabajo

de inducción finaliza cuando la válvula de

aumenta un poco en este proceso de

admisión se cierra con el pistón en la parte

compresión isentropica, debido a una ligera

inferior del cilindro. En la fase de

disminución en el volumen especifico del

compresión el cigüeñal y la biela devuelven

fluido de trabajo, entonces el fluido de

el pistón a la parte superior del cilindro, con

trabajo entra a la caldera como liquido

las válvulas de admisión y escape cerradas

comprimido y sale como vapor

el pistón comprime el aire, en consecuencia

sobrecalentado. La caldera es básicamente

la temperatura del aire atrapado aumenta

un gran intercambiador de calor donde el

enormemente registrándose entre los 700°C

calor que se origina de los gases de

y los 900°C aproximadamente, poco antes

combustión, se transfiere al fluido de

de la finalización de compresión de parte

trabajo a presión constante, el calor

del pistón, el combustible diésel sometido a

sobrecalentado entra a la turbina donde se

un alto nivel de presión se inyecta a través

expande isentropicamente y produce

de un inyector en el aire comprimido

trabajo al hacer girar el eje conectado a un

caliente, lo que da a lugar a la formación de

generador eléctrico, la presión y la

vapor y al proceso de auto-combustión, de

temperatura de vapor disminuyen durante

este modo no es necesario recurrir a un

este proceso, después de esto el vapor a

sistema de ignición externa. Los gases en

presión constante entra al condensador, el

combustión y en expansión acelerada crean

cual es básicamente un gran intercambiador

presión entre las válvulas cerradas y el

de calor rechazando el calor a un medio de

pistón un proceso que alcanza su punto

enfriamiento, como un lago un rio o la

máximo aproximadamente al inicio de la

atmosfera. El vapor sale del condensador

tercera fase del ciclo, la fase de trabajo se

como liquido saturado y entra a la bomba

llama fase de trabajo porque en este

completando así el ciclo. El ciclo Rankine

momento cuando la energía del combustible

se identifica como un ciclo termodinámico

inicia su trabajo, la fuerza de los gases en

importante para la industria, puesto que,

expansión envían rápidamente a la parte

como resultado de la ejecución de este, se

inferior del cilindro y queda convertida en

logra la generación de energía eléctrica, el

par por medio de la biela y el cigüeñal, la

cual es indispensable para la vida de las

fase de trabajo finaliza cuando el pistón

personas.

llega a la parte inferior del cilindro. La fase final del ciclo es la fase de escape, así es conocida porque los gases consumidos se deben expulsar para que el ciclo pueda empezar de nuevo, esto requiere de la apertura de la válvula de escape y el regreso del pistón hacia la parte superior del cilindro, completando así el ciclo de 4 tiempos.

PROCESOS 

Proceso 1-2 es una compresión

PROCESOS 

isentrópica 

Proceso 2-3 adición de calor a presión

una bomba. 

constante. 

Proceso 3-4 una expansión isentrópica.



Proceso 4-1 un rechazo de calor a volumen constante.

Proceso 1-2 Compresión isentrópica en

Proceso 2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera.



Proceso 3-4 Expansión isentrópica en una turbina.



Proceso 4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.

COMPONENTES

COMPONENTES



Válvulas de (Escape y Admisión).



Bomba



Inyector.



Caldera (intercambiador de calor)



Cámara de combustión



Condensador



Pistón



Turbina



Biela



Cigüeñal.

VENTAJAS 

Utiliza petróleo diésel para su

VENTAJAS 

funcionamiento (más económico y de mayor rendimiento). 

su funcionamiento. 

No contamina al medio ambiente,

Es utilizado en vehículos automotrices

debido a que los gases que se liberan

(buses, camiones) y todo tipo de

son simplemente vapor de agua.

maquinarias. 

Utiliza agua como fluido de trabajo para

Mayor torque al tener menos revoluciones lo que lo hace poseedor de una gran fuerza de arrastre o carga.

DESVENTAJAS 

Emisión de gases tóxicos que libera a la Atmosfera.

DESVENTAJAS 

Alto costo en su fabricación



Son de tamaño demasiado grande.



Si el vapor que sale de la caldera debe



Alto costo de mantención.



Precios elevados para su adquisición.



Mayor ruido que los motores a bencina.

ser lo más seco posible, porque si



Mayores vibraciones del motor en

existen partículas de agua o impurezas

funcionamiento.

al momento de chocar con la turbina disminuiría su vida útil muy rápidamente. 

No funciona al instante, dependen de una caldera externa, la cual calienta el fluido de trabajo para su funcionamiento



La relación de compresión de un ciclo de Otto de aire estándar es de 9,5. Antes del proceso de compresión isentrópica, el aire está a 100 kPa, 35 °C y ocupa un volumen de 600 cm3. La temperatura al final del proceso de expansión isentrópica es de 800 K.

Usando valores de calores específicos a temperatura ambiente, determine: a) La temperatura más alta y la presión más alta en el ciclo.  La temperatura más alta del proceso es de 1.968,7 °K  La presión más alta obtenida es de 6.072,32 kPa.

b) La cantidad de calor transferido al fluido de trabajo, en kJ.  La cantidad de calor transferido al fluido es de 0,59KJ c) La eficiencia térmica.  La eficiencia térmica es de 59,36% d) La presión media efectiva (PME)  La presión efectiva es de 650,83 kPa

 Datos Según Tabla A-2 KJ

Cp = (1,005 Kg )°K KJ

Cv = (0,718 Kg )°K K= 1,4

𝐾𝐽

R= (0,287 Kg )°K

 Cálculo Temperatura y Presión Alta V

T2 = T1 (V1 )

K−1

= 308 * 9,5 0,4 = 758°K

2

𝐕

𝐓

𝟕𝟓𝟖 °𝐊

P2 = (𝐕𝟏 ∗∗ 𝐓𝟐 ) ∗ P1 = 9.5 ∗ (𝟑𝟎𝟖 °𝐊 ) ∗ 100 kpa = 2.338 kPa 𝟐

𝟏

K−1

V

T3 = T4 (V4 )

= 800 * 9,5 0,4 = 1.968,7 °K

3

(

𝐩𝟑 ∗ 𝐯𝟑 𝐓𝟑

𝐓

𝟏.𝟗𝟔𝟖,𝟕 °𝐊

) = P𝟑 = (𝐓𝐬 ) P𝟐 = ( 𝟐

𝟕𝟓𝟖 °𝐊

) ∗ 2.338 kPa = 6.072,32 kPa

 Calculo Calor Transferido Los 600cm3 = 0.0006m3 𝐩𝟏 ∗ 𝐯𝟏

M=(

𝐫𝐓𝟏

)=

(𝟏𝟎𝟎 𝐤𝐏𝐚 ∗ 𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟔 𝐦𝟑) ((𝟎,𝟐𝟖𝟕

𝐊𝐉 )°𝐊 ∗ 𝟑𝟎𝟖 °𝐊) 𝐊𝐠

= 6,788 x 10 −4 Kg

Qin = m (U3 − U2 ) = m cv (T3 − T2) KJ

Qin = 6,788 x 10−4 Kg * (0,718 Kg )°K * (1.968,7 °K – 758 °K) = 0,59 KJ

 Calculo de Eficiencia Térmica 𝟏

ƞterm,otto = 𝟏 − (

rk−𝟏

) = 1 − r1−k = 1 − 9,5 1−1,4 = 59,36%

 Calculo presión media efectiva 𝑉

R = ( 𝑉1 ) 2

 Entonces Sustituyendo en la formula V2 = (

𝑉1 𝑟

)=(

0,0006𝑚3 9,5

) = 0,00006315 m3

 Entonces se procede a calcular la presión media efectiva (PME) PME = ( V

Wneto

0,3494 KJ

max − Vmin

) = ( 0,0006m3

− 0,00006315m3

) = 650,83 kPa

 En un Ciclo de Brayton ideal simple, que usa aire como fluido de trabajo, se tiene una relación de presiones de 12, una temperatura de entrada al compresor de 300 K y una temperatura de entrada a la turbina de 1.000 K. Suponiendo calores específicos constantes a temperatura ambiente: Determine el flujo másico de aire necesario para obtener una producción neta de potencia de 70 MW, suponiendo que tanto el compresor como la turbina tienen una eficiencia isentrópica de: a) 100% y b) 85%.

 Datos según tabla Cp = (1, OO5

KJ Kg

)°K

K= 1,4  Datos y cálculo de la temperatura al 100% T1 = 300 °K entrada al compresor T1 = 1000 °K entrada a la turbina. P2 k−1/k

T2s = T1 ( P1)

= 300°K * 120,4/1,4 = 610,18°K

P4 k−1/k

T4s = T3 ( P3)

1 0,4/1.4

= 1.000°K * ( 12)

Ws,c,in = h2s - h1s = cp (T2s - T1 ) = (1, OO5 Ws,T,out = h3 - h4s = cp (T3 - T4s ) = (1, OO5 Ws,net,out = Ws,t,out − Ws,c,in = (510,84

Wneto,out

ms = ( W

s,net,out

)=(

KJ ) 3 KJ 199,11 ( ) Kg

70.000(

= 491,7°K KJ

)°K * (610,18°K – 300°K) = (311,73

Kg

KJ Kg

)°K * (1.000°K – 491,7°K) = (510,84

KJ

) – (311,73 Kg

) = (351,56

Kg s

KJ

) = (199,11 Kg

)

 Calculo Temperatura al 85% Ws,cin

Wa,net,out = Wa,t,out − Wa,c,in = nt w s,t,out − (

Wa,net,out = 0,85 * (510,84 Wneto,out

ma = ( W

s,net,out

)=(

KJ Kg

)-(

KJ ) 3 KJ 67,44 ( ) Kg

70.000(

(311,73

KJ ) Kg

0,85

) = (1.038

𝐬

nc

)

) = (67,44

Kg

KJ Kg

)

KJ Kg

)

KJ Kg

)

)

KJ Kg

)

 Considere una planta termoeléctrica de vapor de agua que opera en el ciclo Rankine ideal con recalentamiento. La planta mantiene la caldera a 5.000 kPa, la sección de recalentamiento a 1200 kPa, y el condensador a 20 kPa. La calidad del vapor húmedo a la salida de ambas turbinas es de 96 por ciento. Determine la temperatura a la entrada de cada turbina y la eficiencia térmica del ciclo.

Datos: Recalentamiento = 1.200 kPa Caldera = 5.000 kPa Condensador = 20 kPa Calidad de salida = 96% Sf = 0,8320

 Datos y Proceso Numero 6 P6 = 20 kPa = x6 = 0,96 KJ

s6 = sf + x6 sfg = 0,8320 + 0,96 * 7,0752 = (7,6242 Kg ∗°K ) KJ

h6 = hf + x6 hfg = 251,42 + 0,96 * 2.357,5 = (2.5146 Kg)

 Datos y Proceso Número 5 P5 = 1.200 kPa T5 = 482 °C KJ

H5 = (3.438,2 Kg)  Datos y Proceso Número 4

P5 = p4 = 1.200 kPa KJ

s4 = sf + x4 sfg = 2,2159 + 0,96 * 4,3058 = (6,3494 Kg ∗ °K ) KJ

h4 = hf + x4 sfg = 798,33 + 0,96 * 1.985,4 = (2.704,3 Kg)

 Datos y Proceso Número 3 s4 = s3 𝑃3 = 5.000 kPa 𝑡3 = 328 °C KJ

ℎ3 = (3.006,1 Kg)

 Para obtener la eficiencia térmica se debe calcular la entalpia  Datos y proceso Número 2 P2 = 5 MPa = 5.000 kPa s2 = s1  Datos Y Proceso Número 1 P1 = 20 kPa Liquido Saturado KJ

ℎ1 = ℎ𝑓 a 20 kpa = (251,42 Kg) m3

𝑉1= 𝑉𝑓 𝑎 20 kpa = (0,001017 Kg ) m3

KJ

KJ

𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏,𝑒𝑛𝑡 = 𝑉1 (p2 – p1) = (0,001017 Kg ) * (5.000 kPa – 20 kPa) * (1 kPa ∗ m3) = (5,065 Kg) KJ

KJ

KJ

ℎ2 = ℎ1 + 𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏,𝑒𝑛𝑡 = (251,42 Kg) + (5,065 Kg) = (256,48 Kg)

 Calculo de la eficiencia térmica del ciclo Qin = (h3 - h2) + (h5 - h4) KJ

KJ

KJ

KJ

KJ

Qin = ((3.006,1 Kg) − (256,48 Kg)) + ( (3.438,2 Kg) − (2.704,3 Kg)) = (3.483,5 Kg) Qout = (h6 – h1) KJ

KJ

KJ

Qout = (2.514,6 Kg) – (251,42 Kg) = (2.263,2 Kg) ntermica = (1 − ntermica = (1 −

Qout Qin

)

KJ ) Kg KJ (3.483,5 ) Kg

(2.263,2

) = 0,35 = 35% de eficiencia térmica

Bibliografía IACC. (2019) Contenido Semana 5, Recursos Adicionales Semana 5