2.1. Introducción Máquina térmica : sistema capaz de transformar calor en trabajo o trabajo en calor. Motores térmicos: transforman calor en trabajo. Máquinas.

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1 2.1. Introducción Máquina térmica : sistema capaz de transformar calor en trabajo o trabajo en calor. Motores térmicos: transforman calor en trabajo. Máquinas frigoríficas: extraen calor de un foco frío a costa de un consumo de trabajo. T.2. Turbinas de vapor Máquinas frigoríficas Foco caliente: Medio ambiente. Foco frío: Sistema a enfriar. Agente de transformación: Refrigerante.

2 T.2. Turbinas de vapor Motor térmico Foco caliente: Gas procedente de la combustión de un combustible fósil. Calor procedente de una reacción nuclear. Calor procedente de la energía solar. Foco frío: Medio ambiente Agente de transformación: Agua Tipos de motores térmicos: 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: a) Máquinas de combustión externa. b) Máquinas de combustión interna. En función del tipo de movimiento obtenido: a) Motores rotativos: giro de un eje. b) Motores alternativos: cilindro-pistón. Termotecnia: Turbinas de vapor: motor de combustión externa, de vapor y rotativo. Turbinas de gas: motor de combustión interna, de gas y rotativo.

3 T.2. Turbinas de vapor Generador eléctrico Turbina Caldera Aire Combustible Vapor de agua Agua líquida Chimenea Agua de refrigeración Torre de refrigeración B D C A Componentes de una central térmica ZONA A: Foco caliente. Generación de calor. ZONA B: Ciclo termodinámico del AT. Transformación de la entalpía del vapor en energía cinética en del eje de la turbina (W). ZONA C: Foco frío. Condensación del vapor saliente de la turbina. ZONA D: Obtención de energía eléctrica. Transformación del trabajo mecánico producido en la turbina en energía eléctrica mediante un generador.

4 T.2. Turbinas de vapor 2.2. Ciclo de Rankine con vapor 2.2.1. Rendimiento térmico Ciclo de Rankine ideal. (Zona B) Procesos reversibles, Sin pérdidas de presión en la circulación del fluido en el condensador y caldera, Procesos en la turbina y en la bomba isoentrópicos y adiabáticos.

5 T.2. Turbinas de vapor Etapa 1→2: expansión del vapor en la turbina Entrada a la turbina: vapor saturado seco Salida de la turbina: vapor húmedo Proceso: expansión isoentrópica con generación de trabajo W T Principio de conservación de energía: J/kg Etapa 2→3: condensador del vapor húmedo en el condensador Entrada al condensador: vapor húmedo Salida del condensador: líquido saturado Proceso: extracción de calor Q R a presión constante Principio de conservación de energía: J/kg (> 0)

6 T.2. Turbinas de vapor Etapa 3→4: compresión del líquido condensado en la bomba Entrada a la bomba: líquido saturado Salida de la bomba: líquido subenfriado a la presión de la caldera Proceso: compresión isoentrópica con generación de trabajo por la bomba W B Principio de conservación de energía: J/kg Etapa 4→1: calentamiento en la caldera Entrada a la caldera: líquido subenfriado Salida del condensador: vapor saturado seco Proceso: aporte de calor Q C a presión constante Principio de conservación de energía: J/kg (> 0) J/kg Considerando la compresión del líquido:

7 T.2. Turbinas de vapor Intercambios de calor y trabajos en el ciclo ideal Rankine ProcesoEtapasCalorTrabajo Expansión isoentrópica 1-2Q T = 0W T = h 1 -h 2 (>0) Condensación vapor húmedo 2-3(-Q R )= h 2 -h 3 (>0) W R = 0 Compresión isoentrópica 3-4Q B = 0(-W B ) = h 4 -h 3 (>0) Calentamiento y vaporización 4-1Q C = h 1 -h 4 (>0) W C = 0 Rendimiento térmico Trabajo neto realizado en un ciclo Relación de trabajos

8 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor 2.2.2. Influencia de la relación de presiones Segundo principio de la termodinámica Procesos reversibles Ciclo de Rankine ideal Condensador T = T 2 = cte. Caldera T ≠ cte. Teorema del valor medio

9 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor Rendimiento del ciclo Rankine 2.2.3. Comparación con el ciclo de Carnot η CARNOT > η RANKINE T 1 > T C Limitaciones del ciclo de Carnot Menor aprovechamiento de los gases de combustión Problemas prácticos en la compresión del vapor húmedo (3’-a)

10 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor 2.2.4. Irreversibilidades y pérdidas Desviaciones del ciclo de Rankine ideal: a)Pérdidas de energía en el condensador y la caldera por cesión de calor al exterior. b)Irreversibilidades en la turbina y en la bomba. Procesos no adiabáticos Pérdidas de energía por rozamiento c)Pérdidas de energía por rozamiento del fluido en el condensador, caldera y tuberías. Irreversibilidades en la bomba y turbina No isoentrópicos

11 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor 2.3. Recalentamiento y recalentamiento intermedio Modificaciones para aumentar el rendimiento térmico: Aumento de presión en la caldera Disminución de presión en el condensador P1T1x2P1T1x2 P 1’ T 1’ X 2’ Problema: X 2’ < X 2 → problemas de funcionamiento de la turbina a)Aumento de la presión en la caldera (P1→P1’) b)Disminución de la presión en el condensador P2T2x2P2T2x2 P 2’ T 2’ X 2’ Problema: X 2’ < X 2 → problemas de funcionamiento de la turbina Requisito práctico: X 2 > 90 % Aumento de η limitado mediante los procedimientos a y b. c)Recalentamiento y recalentamiento intermedio

12 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor 2.3.1. Ciclo de Rankine con recalentamiento (sobrecalentamiento) Fundamento: obtención de vapor recalentado en la caldera a temperatura superior a la de saturación. Recalentador: La misma caldera o un cambiador de calor externo, empleando la energía de los gases de combustión. Ciclo Rankine sencilloCiclo Rankine con recalentamiento 1-2-3-4-a X 2 1’-2’-3-4-a X 2’ Ventajas del recalentamiento X 2’ > X 2 T 1’ > T 1 ↑ η↑ η Ciclo de Rankine con recalentamiento

13 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor 2.3.2. Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio Fundamento: utilización de una turbina en dos etapas. Ventajas Aumento del título del vapor a la salida de la turbina Mayor diferencia de presiones entre la caldera y el condensador Ciclo Rankine sencillo Recalentamiento intermedio 1-2-3-4-a X 2 1-2’-3’-4’- 5-6-a X 4’ Limitaciones Resistencia térmica y mecánica de los materiales de construcción

14 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor 2.4. Regeneración Fundamento: aumento de la temperatura de trabajo de la caldera por calentamiento del agua líquida que se introduce en la misma. Agente de calefacción: parte del vapor de la turbina. 2.4.1. Cambiadores abiertos Contacto directo de las corrientes fría y caliente. Balance de energía en calentador Trabajos del ciclo Intercambios de calor

15 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor 2.4.2. Cambiadores cerrados Sin contacto directo entre corrientes fría y caliente. Equipos: cambiadores de carcasa y tubos. Balance de energía en el cambiador

16 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor 2.4.3. Cambiadores múltiples Plantas de potencia: ciclos mixtos con recalentamiento, recalentamiento intermedio y cambiadores múltiples.

17 Presión Sólido - líquido Presión T.2. Turbinas de vapor 2.5. Cogeneración. Sistema de cogeneración simple: calor y energía eléctrica Ventajas Menor consumo de combustible para la producción de vapor y E ELÉCTRICA Alta flexibilidad de operación Requisitos Demanda de calor y electricidad suficientemente importante y continua, Necesidades de potencia eléctrica superiores a 5000 KVa, Necesidades de calor con temperaturas inferiores a 500 ºC, Relación calor/electricidad demandada sin variaciones bruscas, Necesidades de combustible superiores a 5000 termias/h. Rendimiento eléctrico equivalente C = Combustible consumidoE = E ELÉCTRICA producida Q = Calor de cogeneración aprovechado 0,9 = 90% Rto. De la instalación de calor España: η ee ≥ 59 % Producción simultánea de más de una forma útil de energía (E ELÉCTRICA y/o W, más Q), mediante el empleo de una única fuente primaria de energía.