Termodinámica Aplicada Ingeniería Química

TEMA 10. CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS DE POTENCIA

TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

BLOQUE II. Análisis termodinámico de procesos industriales OBJETIVOS •

ANÁLISIS PROCESOS

CALOR

Comprender el funcionamiento básico de las máquinas de combustión interna: PROCESOS INDUSTRIALES motores alternativos (ciclo de Otto y Diesel) y turbinas de gas (ciclo de Brayton) TRABAJO Y REFRIGERACIÓN PSICROMETRÍA POTENCIA

GENERALIDADES

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CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

•

Cuantificar el rendimiento térmico de los ciclos de potencia

•

Representar gráficamente en los CICLOS POTENCIA DE diagramas termodinámicos T-S y P-V los GAS Y OTROS CICLOS ciclos de potencia

•

Conocer las desviaciones que presentan los ciclos reales frente a los idealizados

•

Comprender la importancia y el funcionamiento básico de otros ciclos de potencia: los ciclos binarios, los ciclos combinados y las plantas de cogeneración

Tema 10. Ciclos de potencia de gas y otros ciclos de potencia

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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneración

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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

• INTRODUCCIÓ INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustió Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneración

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Introducción • MÁQUINAS TÉRMICAS • Máquinas de combustión interna: utilizan los productos de combustión en la expansión Son dispositivos que producen trabajo mecánico y que no operan en un ciclo termodinámico (ciclo abierto): ciclo mecánico El combustible (líquido) se dispersa finamente con los inyectores en la cámara de combustión y se quema. Se produce un aumento de volumen al producirse gases y P y T aumentan bruscamente. Esa E

presión

se emplea:

1- Directamente en la expansión: MOTORES ALTERNATIVOS: Ciclo de Otto (encendido chispa) y ciclo de Diesel (encendido compresión) 2- Transformando en Ecin para mover una turbina: Ciclo de Brayton (1870) es el ciclo ideal para los motores de turbina de gas

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Máquinas de combustión interna • MOTORES DE ENCENDIDO DE CHISPA (motores de gasolina, CICLO DE OTTO): La mezcla aire-combustible se comprime hasta una T inferior a la T de autoencendido del combustible y el proceso de combustión comienza al encender una bujía • MOTORES DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN (motores diesel, CICLO DIESEL): El aire se comprime hasta una T superior a la de autoencendido del combustible, y la combustión se inicia al contacto, cuando el combustible se inyecta dentro de ese aire caliente

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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire está estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneración

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Ciclo de aire estándar

•

Los ciclos de potencia de gases reales son bastante complejos

•

Las suposiciones de AIRE ESTÁNDAR permiten simplificar considerablemente el análisis de las MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA sin apartarse significativamente de los ciclos reales

•

Permite estudiar de forma cualitativa la influencia de los parámetros principales de las máquinas reales

•

SUPOSICIONES DE AIRE ESTANDAR 1: El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y se comporta como un gas ideal 2: Todos los procesos que integran el ciclo son reversibles 3: El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor desde una fuente externa 4: El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que devuelve al fluido a su estado inicial Para simplificar más el análisis, se supone que el aire tiene calor específico constante e igual al de Tambiente (25ºC)

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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneración

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Ciclo de Otto •

Es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes (dispositivos cilindro-émbolo) de ENCENDIDO DE CHISPA (la combustión de la mezcla aire-combustible se inicia con una chispa en la bujía)

•

Máquinas de combustión interna de 4 tiempos 0-1: Admisión de la mezcla a P = cte 1-2: Compresión isoentrópica 2-3: Ignición y combustión (adición de calor a v = cte) 3-4: Expansión isoentrópica 4-1: Rechazo de calor a v = cte (escape de gases)

γ = 1.4

EFICACIA DEL CICLO DE OTTO (suposición aire estádar)

η=

w neto q q −q C (T − T ) − CV (T4 − T1 ) T −T = 1 − 41 = 23 41 = v 3 2 = 1− 4 1 q23 q23 q23 C v (T3 − T2 ) T3 − T2

r=

V1 V2

ηOtto = 1 −

1 r

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γ −1

γ=

Cp Cv

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Ciclo de Otto

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• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneración

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Ciclo de Diesel • Ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por compresión • Son los motores más extendidos para usos industriales (unidades de generación de electricidad de emergencia; grandes barcos, pesados camiones...) • Menos vivos que los motores de encendido de chispa; más caros y más duraderos • r es mucho más elevada (12-24) • CICLO DIESEL: (similar al de Otto) 1-2: Compresión isoentrópica 2-3: Adición de calor a P = cte 3-4: Expansión isoentrópica 4-1: Rechazo de calor a V = cte Diferencia con el motor de encendido de chispa: Período de admisión a P = cte: la inyección del combustible se realiza a P elevada

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Ciclo de Diesel • EFICACIA DEL CICLO DE DIESEL (suposición aire estándar)

η Diesel = 1 −

1 ⎡ rcγ − 1 ⎤ ⎢ ⎥ r γ −1 ⎣ k ( rc − 1) ⎦

Cuando: rOtto = rDiesel ⇒ ηOtto> ηDiesel () >1 rc,Diesel = 1

⇒ ηOtto= ηDiesel

rDiesel elevadas ⇒ ηOtto< ηDiesel

r=

V1 V2

rc =

γ = 1.4

V3 V2

rc, Relación de corte: volúmenes de cilindro después y antes del proceso de combustión

Las eficacias de las máquinas térmicas de encendido de chispa suelen ser 25-40% Las eficacias de las máquinas térmicas de motores diesel suelen ser 35-40% El proceso de combustión real tanto para motores de gasolina como diesel, es una combinación de dos procesos de adición de calor, uno a P = cte y otro a V = cte: CICLO DUAL os ciclos

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TEMA 10: CICLOS DE POTENCIA DE GAS Y OTROS CICLOS

• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneración

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Turbinas de gas – ciclo de Brayton • Las turbinas de gas tienden a ser más compactas y ligeras que las centrales térmicas de vapor • Las turbinas de gas se utilizan para la generación de electricidad en equipos fijos y para aplicaciones de transporte (propulsión aérea, transporte marítimo...) • Las máquinas térmicas de vapor sirven mejor a las necesidades continuas de la industria

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Ciclos de Brayton (o Joule) •

Se utiliza en plantas de potencia con turbinas de gas: turbinas de gas

•

Usualmente de

natural (ó fueloleo, carbón gasificado, …)

abierto. Ciclo cerrado para recuperación de calor a

trabajo •

Aire fresco en condiciones ambientales se introduce dentro de un compresor donde su T y P se eleva. El aire de alta presión se inyecta en la cámara de combustión donde el combustible se quema a P = cte. Los gases de alta T entran a la turbina donde se expanden hasta la Patm y producen potencia. Los gases de salida de la turbina se expulsan al exterior (ciclo abierto, sin recirculación)

•

Este ciclo se puede modelar como CICLO CERRADO

Cámara combust.

combustible

(suposición aire estándar) 1-2: Compresión isoentrópica en el compresor

COMP

TURB

2-3: Adición de calor a presión constante (combustión) 3-4: Expansión isoentrópica (en una turbina) 4-1: Rechazo de calor a P = cte (escape de gases)

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w humos

aire ciclo

cerrado

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Ciclos de Brayton (o Joule)

Este ciclo se puede modelar como CICLO CERRADO (suposición aire estándar) 1-2: Compresión isoentrópica en el compresor 2-3: Adición de calor a P = cte (proceso de combustión) 3-4: Expansión isoentrópica (en una turbina) 4-1: Rechazo de calor a P = cte (escape de gases al aire ambiente)

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Ciclos de Brayton (o Joule)

• Para el ciclo de Brayton estándar: η = • Luego

( P2

w& NETO = 1− q&C

1

( P2 P1 )

γ −1 γ

P1 ) ↑ → η ↑ Relaciones de comp. Prácticas: 5-20 (11-16)

γ = 1.4

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Ciclos de Brayton (o Joule) • Relación aire/combustible >=50 • Compresor+Turbina → una sola turbomáquina. • Turbinas: aeroderivadas e industriales. • Trabajo de retroceso: Relación Wcomp/Wturb

W&COMP ≈ 50% W&TURBINA

APLICACIONES: • Propulsión de aviones • Generación de E eléctrica (como unidades independientes o en conjunto con las plantas de vapor) • Ciclo cerrado en las plantas de E nuclear (gas puede ser helio)

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• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneración

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Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • Las turbinas de gas reales difieren del ciclo de Brayton ideal por varias razones: 1- Disminución de presión durante los procesos de adición y rechazo de calor 2- Las irreversibilidades asociadas a la turbina y el compresor (la entrada de trabajo real al compresor será mayor; y las salida de trabajo real de la turbina será menor) ⇒ EFICACIAS ISOENTRÓPICAS

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Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton CICLO DE BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

• En un turbina de gas wneto = wturbina-wcompresor • Puede incrementarse cuando wturbina× o wcompresor Ø • wcompresor Ø: COMPRESIÓN EN ETAPAS MÚLTIPLES CON INTERENFRIAMIENTO (aproximamos al isotérmico) • wturbina ×: EXPANSIÓN EN ETAPAS MÚLTIPLES CON RECALENTAMIENTO (aproximamos al isotérmico) • Se trabaja con aire en exceso (2.5-4 veces estequiométrico) para: • Calor residual (∼500ºC) para cogeneración (calderas de recuperación) o regeneración (precalentador del aire antes de entrar a la caldera) • Mejor combustión • Mejor control de temperaturas

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Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton CICLO DE BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

1-2: Compresión isoentrópica hasta P intermedia P2 2-3: Enfriamiento a P = cte hasta T3 (=T1) 3-4: Compresión isoentrópica hasta P4 4-5: Calentamiento en el regenerador a P = cte hasta T5 5-6: Combustión a P = cte 6-7: Expansión isoentrópica hasta P7 7-8: Recalentamiento a P = cte hasta T8 (=T6) 8-9: Expansión isoentrópica hasta P9 9-10: Recalentamiento a P = cte hasta T10 10-1: Enfriamiento del gas hasta el estado inicial T1 (o purga gases de escape) Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07

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• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneración

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Ciclos binarios • CICLO BINARIO DE VAPOR: Combinación de dos ciclos, uno en la región de alta T y otro en la región de baja T: empleando dos fluidos se aumenta el área encerrada por el ciclo, y la eficacia • Aprovechamiento a lo largo de mayor intervalo de T: El condensador del ciclo de alta T (ciclo superior) sirve como la caldera del ciclo de baja T (ciclo inferior): “la salida de calor del ciclo superior se utiliza como entrada de calor del ciclo inferior” • FLUIDOS ADECUADOS CICLO SUPERIOR: Hg, Na, k, mezclas Na-k • Ej: Hg tiene una Tc = 898ºC (por encima del límite metalúrgico 620ºC) y su Pc es de sólo 18 MPa • Agua/Hg , Na/K • Pocas instalaciones reales (No económicas: no alto coste inicial y competencia plantas de potencia combinadas) • Eficacias térmicas de 50%

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Ciclos binarios

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• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneración

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Ciclos combinados • Ciclo de vapor (Rankine) + Ciclo de turbina de gas (Brayton) • Turbinas de gas operan a T más altas que los ciclos de vapor (Vapor: Tmax entrada turbina = 620ºC: Gas: >1150ºC) • Aprovecha los gases de escape de alta T (ciclo de gas) como fuente de energía en ciclo inferior (ciclo de vapor) • Cogeneración, ciclo de colas • Caldera de recuperación • Mayor intervalo de T: • Desde 1150 C en gas • Hasta condensación del vapor • Eficacia combinada (plantas modernas hasta 60%) • Instalaciones atractivas desde el punto de vista económico (no gran incremento del coste inicial) • Nuevas centrales • Muchas instalaciones Termodiná Termodinámica Aplicada 06/07

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Ciclos combinados

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• INTRODUCCIÓN: Máquinas de Combustión interna • CICLOS DE POTENCIA DE GAS • Ciclo de aire estándar • Ciclo de Otto • Ciclo de Diesel • Ciclos de Brayton • Turbinas de gas • Procedimientos de mejora del ciclo de Brayton • OTROS CICLOS DE POTENCIA • Ciclos binarios • Ciclos combinados • Cogeneració Cogeneración

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Cogeneración • “Producción de más de una forma útil de energía a partir (como calor de proceso y energía eléctrica) a partir de la misma fuente de energía” • Surgen de la necesidad de servicios de calentamiento en zonas urbanas (espacios, agua caliente…) • Tanto una turbina de vapor (ciclo de Rankine) como una turbina de gas (ciclo de Brayton) o un ciclo combinado son útiles como ciclos de potencia en una planta de cogeneración • ESQUEMA DE PLANTA DE COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR • “Toda la energía transferida al vapor en la caldera se emplea como calor de proceso o como energía éléctrica según las necesidades” • FACTOR DE UTILIZACIÓN ε U =

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Salida w neto + Salida q proceso Entrada qtotal

=

w& neto + q& p q& en

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Cogeneración

• Planta de cogeneración práctica: ajusta a las necesidades del proceso

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Problema Para la turbina de gas con regeneración mostrada en la figura adjunta, calcular: Aire 1 atm, 20ºC ηs = 0.83

COMP

TURB

ηs = 0.86

800ºC 500 kPa

REGENERADOR

CÁMARA COMBUSTIÓN

4 kg/s 150ºC

a) Temperatura del aire a la salida del compresor b) Temperatura de los gases de combustión a la salida de la turbina c) Potencia neta desarrollada por la turbina de gas y la relación de acoplamiento (WCG/WTG) d) Rendimiento térmico de la turbina de gas e) Si la eficacia del regenerador fuese del 90%, determinar el nuevo rendimiento térmico del ciclo

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Problema CICLO DE TURBINA DE GAS CON REGENERACIÓN

Aire 1 atm, 20ºC

1 ηs = 0.83

COMP

maire =

4 kg/s 1 kJ/kgºC

ESTADO 1 P1 = T1 = ESTADO 2 P2 =

6

⎛P T5 s = T4 ⎜⎜ 5 ⎝ P4

η s ,TURB = 800 ºC

P4 =

500 kPa

5

Capacidad calorífica media del aire (GAS IDEAL)

⎞ ⎟⎟ ⎠

γ −1 γ

500 kPa

ESTADO 4 T4 =

CÁMARA COMBUSTIÓN

REGENERADOR

101,325 kPa 20 ºC

4

3

500 kPa 4 kg/s 150ºC

Cpaire =

ηs = 0.86

TURB

800ºC

2

wreal T − T5 = 4 ws T4 − T5 s

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⇒

⎡ ⎛ ⎜ ⎛P ⎢ T5 = T4 ⎢1 − η s ,TURB ⎜1 − ⎜⎜ 5 ⎝ P4 ⎜ ⎢ ⎝ ⎣

⎞ ⎟⎟ ⎠

γ −1 γ

⎞⎤ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎠⎦

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Problema ηCOMP =

0,83

ηTURB =

0,86

ESTADO 5 P5 = ESTADO 6 T6 = P6 =

⎛P T2 s = T1 ⎜⎜ 2 ⎝ P1

101,325 kPa

η s ,COMP

⎞ ⎟⎟ ⎠

γ −1 γ

ws T − T1 = = 2s wreal T2 − T1

150 ºC 101,325 kPa

⇒

γ −1 ⎡ ⎤ ⎢ ⎛⎜ P2 ⎞⎟ γ − 1 ⎥ ⎢⎜ P ⎟ ⎥ 1 ⎠ + 1⎥ T2 = T1 ⎢ ⎝ ⎢ η s ,COMP ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦

Calculo de la T de salida de los gases de la turbina de gas (T5) T5 =

735,2 K

Calculo de la T de salida de los gases deL COMPRESOR (T2) T2 =

497,2 K

ESTADO 3 Balance de energía al cambiador T3 = P3 =

809,2 K 500 kPa

Calculo del trabajo de la turbina de gas W TG =

& a Cpa (T3 − T2 ) = m & a Cpa (T5 − T6 ) m T3 = T5 − T6 + T2

& a Cpa (T4 − T5 ) WTG = m

1352,0 kW

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Problema Calculo del trabajo del compresor de gas W CG =

816,4 kW

& a Cpa (T2 − T1 ) WCG = m W NETO ,TG = W TG − W CG

Potencia neta desarrollada por la turbina de gas (WTG-WCG) W NETA TG =

535,6 kW

Flujo de calor suministrado a la cámara de combustión (kW) Q SUM =

1055,6

η=

kW

Relación de acoplamiento

WCG/WTG =

& a Cpa (T4 − T3 ) QSUM = m 50,7 %

0,604

Si la eficacia del regenerador fuese del 90%: T3 = Q SUM = η=

778,0 K 1180,4 45,4 %

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T3 =(T5 −T6)·ε +T2

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. conocer el funcionamiento básico de las máquinas de combustión interna, su clasificación (motores alternativos y motores de turbina de gas) y las diferencias existentes entre ellas 2. comprender los fundamentos de los motores alternativos de encendido de chispa (ciclo de Otto) y de encendido por compresión (ciclo de Diésel) bajo las suposiciones de aire estándar 3. comprender los fundamentos de las turbinas de gas basadas en el ciclo de Brayton y los procedimientos de mejora del rendimiento del mismo (interenfriamiento, recalentamiento y regeneración) 4. cuantificar el rendimiento térmico de los ciclos descritos por el gas en los motores alternativos y las turbinas de gas 5. representar los ciclos descritos por el gas en los motores alternativos y las turbinas de gas en los diagramas termodinámicos T-S y P-V y calcular propiedades a partir de estos diagramas 6. conocer el funcionamiento y la importancia de otros ciclos de potencia: los ciclos binarios de vapor, los ciclos combinados y las plantas de cogeneración

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