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MÁQUINAS HIDRÁULICAS Y TÉRMICAS
TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS
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1. LA MÁQUINA TÉRMICA
MÁQUINA DE FLUIDO: Es el conjunto de elementos mecánicos que permite
intercambiar energía mecánica con el exterior, generalmente a través de un
eje, por variación de la energía disponible en el fluido que atraviesa la máquina.
MÁQUINA MOTORA: disminuye la energía del fluido
MÁQUINA GENERADORA: aumenta la energía del fluido
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MÁQUINAS HIDRÁULICAS (fluidos incomp.)
MAQUINA DE FLUIDO
MÁQUINAS TERMICAS (fluidos compresibl.)
MOTOR TÉRMICO: es el conjunto de elementos mecánicos que permite
obtener energía mecánica a partir del estado térmico del fluido compresible que
lo atraviesa, obtenido por un proceso de combustión tradicional o una reacción
nuclear.
1. Sistema transformador de energía térmica en mecánica.
2. Estado térmico del fluido
3. Motores a reacción
CONCEPTO MÁS AMPLIO QUE EL DE MÁQUINA TÉRMICA
Máquina térmica ≠ Motor térmico
EXTERNA (A)
MOTORES TURBINAS: TG
DE ROTATIVOS VOLUMÉTRICOS: WANKEL
COMBUSTIÓN
INTERNA (B) ALTERNATIVOS -- MEP Y MEC
COHETES - QUÍMICOS
REACCIÓN AERORREACTORES
VOLUMÉTRICOS: ALTERNATIVOS Y ROTATIVOS
MOTORES
TURBOMÁQUINAS
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MOTORES TÉRMICOS
MOTORES DE COMBUSTIÓN
INTERNA
ROTATIVOS ALTERNATIVOS
TURBOMÁQUI-NAS TURBINAS
DE GA
VOLUMÉTRICOS MOTORES ROTATIVOS
MEP GASOLINA, GLP
MEC DIESEL
REACCIÓN
COHETES AERORREACTORES
Propulsante líquido
Propulsante sólido
Sin compresor: - Estatorreactor - Pulsorreactor
Con compresor -Turborreactor -Turbofán -Turbohélice
MOTORES DE COMBUSTIÓN
EXTERNA
FLUIDO CONDENSABLE
FLUIDO NO CONDENSABLE
ROTATIVOS
ALTERNATIVOS MAQUINAS DE
VAPOR
ROTATIVOS
ALTERNATIVOS MOTOR DE AIRE
CALIENTE
REACCIÓN NO
DESARROLLADOS
REACCIÓN NO
DESARROLLADO
TURBOMÁQUINAS – TURBINAS DE
VAPOR
VOLUMÉTRICOS NO
DESARROLLADOS
TURBOMÁQUINAS TURBINAS DE GAS CICLO CERRADO
VOLUMETRICOS NO
DESARROLALDOS
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MOTOR WANKEL
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2. DIAGRAMAS TERMODINAMICOS DEL VAPOR
DIAGRAMA P-v DE UNA SUSTANCIA PURA
DIAGRAMA T-s
T
S TdSQ
P=cte
T=cte a b
El calor cedido en cualquier proceso desde un punto “a” a otro punto “b” es el área bajo la curva.
Debajo de la campana de saturación las isotermas coinciden con las isobaras existe una temperatura de condensación-evaporación para cada presión (ej: 100ºC corresponde con 1 atmosfera).
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DIAGRAMA h-s
h
S
P=cte
T=cte
Zona de gas ideal
dT Tc h p T=cte || h=cte Para altas temperaturas cuando el
vapor está sobrecalentado se comporta como un gas ideal. En esta zona el diagrama h-S es muy similar al T-S.
El incremento de entalpía cuando se comprime un líquido es mucho menor que cuando se comprime en la fase gas.
PRIMER PRINCIPIO DE LA TD PARA SISTEMAS ABIERTOS
ee hm
ss hm
Q
W
Sistema abierto
ee
ss gz
cgz
c
dt
dU
2hm
2hmWQ
2
ee
2
ss
Sistema adiabático y estacionario (turbina) eess hmhmW
Sistema sin transferencia de trabajo y estacionario (caldera) eess hmhmQ
Sistema adiabatico, estacionario y sin transferencia de trabajo varias
entradas y salidas (intercambiador de calor)
eess hmhm0
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3. CICLOS EN TURBINAS DE VAPOR – CICLO RANKINE
- Grandes potencias (1800 MW) o Baja potencia específica o Mala adaptación a cargas parciales o Tiempos de arranque largos
- Desarrolladas a partir final siglo XIX o De Laval (1883) acción o Rarsons (1884) reacción o Normalmente axiales
- Rendimientos limitados por la resistencia de los materiales o 1930 – 25 bar y 350ºC o Actualidad – 250 bar y 540ºC
Diseños especiales para centrales nucleares
CALDERA
COMBUSTIBLE
1
2
TURBINA
GENERADORELÉCTRICO
3
4
BOMBA
ENERGÍA TERMICA
CONDENSADOR
HUMOS
T3
41
2
S
mf
Qu
Wb
Wt
h
S
P=cte
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Un ciclo Rankine ideal consta cuatro etapas fundamentales: 1->2 Compresión del líquido en bomba 2->3 Calentamiento del líquido, evaporación del mismo y sobrecalentamiento del vapor en caldera. 3->4 Expansión del vapor en la turbina en un proceso idealmente adiabático e isoentrópico. 4->1 Condensación del vapor en intercambiador.
Diagrama entrópico (TS) del vapor de agua
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Diagrama de Mollier del vapor de agua
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Ciclo de Carnot de un gas condensable
Ciclo Rankine de un gas condensable
Ciclo de Hirn (vapor recalentado)
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RENDIMIENTO DE PROCESOS CÍCLICOS
Conservación de la energía:
caac qqWWWU 0
a
c
a
ca
at q
q
q
q
N
1
)()(
ABAB
B
aA
a ssTTdsq
)()(
ABBA
a
CB
c ssTTdsq
AB
BAt T
T 1
CARNOT: ),(1 212
112 TTf
T
TTTTT tBAAB
RANKINE: ),(1 211
1 ppfT
TTTTT
ABtBAAB
HIRN: ),,(1 3211
13 TppfT
TTTTT
ABtBAAB (Rankine con recalentamiento)
S
T
A
B a
c
qa
qc
qa calor absorbido qc calor cedido
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4312431423 )()()( hhhhhhhhhhqqW ca
Rendimiento térmico o motor (≈0.40) cald
cond
cald
cond
cald
ciclot
T
T
Q
Q
q
W
11
Rendimiento de la turbina: Scs
TV hh
hh
W
W
43
43
(con imperfecciones de diseño, fricción, etc.)
WmN v
h [kJ/kg] s [kJ/kgK]
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CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO
CALDERA
COMBUSTIBLE
1
2
TURBINA
3
4
BOMBA
CONDENSADOR
3´
T 3
41
2
S
3’
VENTAJAS: Aumenta el rendimiento (↑Tcald) Aumenta el trabajo específico ( )()( '6'5'45 hhhhw
Disminuye la humedad INCONVENIENTES: Mayor costo y complejidad.
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Modificación del ciclo Rankine con la modificación de los parámetros iniciales:
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INFLUENCIA DE LA PRESION A LA ENTRADA DE LA TURBINA Ventajas: Aumento del rendimiento (↑Tcald) (Si p>225 bar supercrítico) Inconvenientes: Aumento de la humedad (<12%), diminuye título vapor El trabajo específico aumenta y luego disminuye (el punto de inflexión depende de Tmax) Variación de la eficiencia del ciclo con la presión:
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INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA A LA ENTRADA DE LA TURBINA
T3
41
2
S
h
S
P=cte
VENTAJAS: aumenta (↑Tcald) W mejora, mayor salto entálpico (aumenta trabajo específico) Disminuye la humedad a la salida de la turbina, aumenta título vapor Limitaciones por la Tmax soportable por la caldera y la turbina. INCONVENIENTES: Aumenta el coste. Variación de la eficiencia del ciclo en función de la temperatura de vapor:
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INFLUENCIA DE LA PRESION EN EL CONDENSADOR.
T 3
4 1
2
S
h
S
VENTAJAS: Mejor rendimiento (↓Tcond) W mejora, mayor salto entálpico (↓h4) INCONVENIENTES: Mayor humedad en escape de la turbina. Limitado por la temperatura del refrigerante. Condensar a 50ºC supone 0.12 bar Tamaño del condensador muy
grande.
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CICLO REGENERATIVO Si en un ciclo Ranking extraemos calor de la expansión para precalentar el agua de alimentación de la caldera, tenemos un CICLO REGENERATIVO.
CALDERA
COMBUSTIBLE
1
2
TURBINA
3
4
BOMBA CONDENSADOR
BOMBA
MEZCLADOR
EXTRACCIÓN
2’
3’
T 3
41
2
S
3’2’
Se tiende a hacer varias extracciones de vapor en la turbina. Se reduce el flujo de vapor en los últimos escalonamientos de la turbina con
lo que se reduce el tamaño o la velocidad axial (menos perdidas de escape). Hay más gasto en las etapas (escalonamientos) de alta presión donde hay
mejor rendimiento.
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VENTAJAS: Aumenta el rendimiento (porque ↓Qcond) Disminuye la cantidad de vapor a baja presión El agua de alimentación entra en la caldera a temperatura elevada Esquema simplificado de una instalación típica de una central térmica con precalentamiento del agua de alimentación con vapor extraído de la turbina:
Carnott T
T
T
T 1
2
34
1'6 11
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Ciclo regenerativo con precalentadores de mezcla:
Si por cada kg de vapor admitido en la turbina extraemos y1, y2 e y3 kg en cada una de las extracciones, las ecuaciones en los precalentadores serán: Para el tercer precalentador:
))(1()( 2'1321'1'3 hhyyyhhy c Para el segundo precalentador:
))(1()( '2''121''1'2 hhyyhhy b Para el primer precalentador:
))(1()( ''2'''11'''1'1 hhyhhy a INFLUENCIA DE LAS EXTRACCIONES:
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