MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Cap. 6.- Ciclos de turbinas de gas.

Profesores:

Pedro A. Rodríguez Aumente, catedrático de Máquinas y

Motores Térmicos

Antonio Lecuona Neumann, catedrático de Máquinas y

Motores Térmicos

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

1.

Objetivos e introducción

2.

Nomenclatura

3.

Ciclos de TGs. Configuraciones, procesos y modelos

4.

Ciclos de TGs reversibles

5.

Efecto de los rendimientos de componentes

6.

Ciclos húmedos

7.

Tipos de TGs

8.

Operación de TGs

9.

Conclusiones principales

10.

Anexos

11.

Ejercicios propuestos

12.

Cuestiones de autoevaluación

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Desarrollar un modelo de actuaciones estacionarias de los tipos más comunes de

turbinas de gas de combustión interna. Analizar el efecto de parámetros de

operación y diseño. Se asumen conocidas las curvas características de los

componentes. Se analiza el control de las turbinas de gas.

Introducción:

Las turbinas de gas (turborreactores) dominan la propulsión aérea por su ligereza y

capacidad de altas velocidades de vuelo. Las turbinas de gas industriales son

competitivas en la producción de potencia mecánica y eléctrica en grandes tamaños,

perdiendo competencia frente a los MACIs por peores prestaciones a carga parcial.

Su modelización es factible con métodos computacionales modestos.

El ciclo es

prácticamente adiabático

.

Se parte de la descripción de los componentes, sus parámetros funcionales y sus

ecuaciones representativas, y se presentan esquemas de ciclos. Se ensamblan las

ecuaciones necesarias para constituir el ciclo simple Brayton ideal de producción de

potencia y propulsivo con gas ideal caloríficamente perfecto sin cambio de

composición (ciclo de aire) para, a continuación, introducir componentes reales y usar

gas con calores específicos variables con la temperatura y considerando cambio de

composición. Se mejora el ciclo incluyendo regeneración, recalentamiento, inyección

de agua y otros. Tras realizar un estudio paramétrico se procede a la optimización y a

considerar el control. Finalmente se ofrecen curvas de actuaciones reales.

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos

2. Nomenclatura

3. Configuraciones, procesos y modelos 4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

𝑏

𝑟

: relación de derivación

𝐶

: capacidad calorífica =

𝑚 𝑐

𝑝

𝐶

e

: consumo específico

𝐶𝑃𝑂𝑇

: coeficiente de potencia

𝐶𝑝𝑟

: coeficiente de presión

𝑐

𝑝

:calor específico isobárico

𝑐𝑓

: coeficiente de fricción

𝑐

𝑣

:calor específico isocórico

𝐸

: empuje

FPG

: factor de pérdida de carga

GICP: gas ideal caloríficamente perfecto

ℎ

: entalpía específica

𝐿

: longitud

𝐿

𝑖

: Poder calorífico inferior

𝑀

: número de Mach

𝑚

: caudal másico o gasto

𝑁𝑇𝑈

: número de unidades térmicas

𝑛

: régimen e giro

𝑝

: presión

Q

: calor

q

: calor por unidad de masa

𝑅

𝑔

:

𝑅/𝑃𝑀

𝑔

𝑅𝐴𝐶

: Relación másica aire/combustible

𝑟

𝑡

: relación de temperaturas

𝑟

𝜏

: relación de trabajos

𝑠

: entropía

𝑇

: temperatura

𝑈𝐴

: producto de coeficiente global de

transferencia de calor

U

por el área de

transferencia tomada por referencia.

𝑉

: velocidad

W

: potencia

Griegas:

𝛼

: parámetro de irreversibilidad

𝛽

: parámetro de irreversibilidad

𝜖

: efectividad de intercambio de calor

Π

𝑛

: parámetro de régimen,

Cap. 5

𝜏

: trabajo específico

𝜃

:

𝑇

𝑚𝑎𝑥

/𝑇

𝑚𝑖𝑛

𝜆

: relación de cogeneración

𝜌

: densidad

𝜏

: trabajo específico

Subíndices:

𝑎

:

aire

𝑏

: quemador

𝑐

: compresor

𝑐𝑏

:combustible

𝑐ℎ

: chimenea

𝑑

: difusor; aire de dilución

𝑒

: turbina

e

: entrada

𝑔

: gas de combustión

𝑔𝑔

: generador de gas

𝑖

: ideal

i

: ciclo irreversible

ic

: intercambiador de calor

𝑖𝑐𝑐

: corriente caliente del intercambio

𝑖𝑐𝑓

: corriente fría del intercambio

𝑙

: turbina libre

𝑙𝑚

: logarítmico medio

𝑚

: mecánico

𝑝

: propulsivo; politrópico

r

: ciclo reversible

𝑠

: isentrópico

s: salida

𝑡

: total o de remanso

𝑡𝑡

: total a total

𝑢

: condiciones arbitrarias

𝑢𝑒

: útil en el escape

𝑤:

agua

I: de aire primario de combustión

CICLOS DE TURBINAS DE

GAS

1. Objetivos

2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos 4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

componentes 6. Ciclos húmedos 7. Tipos de TGs 8. Operación de TGs 9. Conclusiones 10.Anexos 11.Ejercicios 12.Autoevaluación 13. Bibliografía

CBEE: Compressor, Burner,

Expander, Expander = ciclo

simple con turbina libre

CBEX: Compressor, Burner,

Expander, heat eXchanger

CICBE: Compressor,

Inter-Cooler, Burner, Expander

CICBEE: Compressor,

Inter-Cooler, Burner, Expander,

Expander = TG

regenerativa con turbina

libre

CICBEX: Compressor,

Inter-Cooler, Burner, Expander,

heat-eXchanger

CGCC Ciclo combinado

cte.: constante

GICP: Gas ideal

caloríficamente perfecto

HRSG: recuperador de calor

de escape

MACI: Motor alternativo de

combustión interna

TBFAN: Turbofan, ciclo simple

TBJET: Turbojet, ciclo simple

o con recalentamiento

TBPROP: Turbohélice, ciclo

simple

TG: Turbina de gas

VIGV: álabes guía

var: variable

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MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Compresor (

c

):

Gasto másico ( ), Relación de presiones (

P

_c

),

Rendimiento (

𝜂

_𝑐

), Régimen de giro (

n

_c

)

Intercambiador de calor (

ic

):

Gastos másicos de flujos frío y caliente (

,

),

Capacidades térmicas (

𝑈𝐴

_𝑖𝑐

, 𝐶

_𝑖𝑐𝑓

, 𝐶

_𝑖𝑐𝑐

),

Pérdidas de carga (

Δ𝑝

_𝑖𝑐𝑓

, Δ𝑝

_𝑖𝑐𝑐

), Eficiencia (

𝜀

_𝑖𝑐

)

Cámara de combustión (

b

):

Gasto másico ( ), Factor de pérdida de carga (

𝐹𝑃𝐶

), Rendimiento de

combustión (

𝜂

_𝑏

)

Expansor o turbina (

e

):

Gasto másico ( ), Relación de presiones (

P

_e

),

Rendimiento (

𝜂

_𝑒

), Régimen de giro (

n

_e

)

Difusor (

d

):

Gasto másico ( ), Coeficiente de presión (

Cpr

_d

), Rendimiento

(

𝜂

_𝑑

)

Tobera propulsiva (

p

):

Gasto másico ( ), Coeficiente de presión (

𝐶𝑝𝑟

𝑝

), Rendimiento (

𝜂

𝑝

)

d

m



c

m



icc

m



icf

m



b

m



e

m



p

m



CICLOS DE TURBINAS DE

GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura

3. Configuraciones, procesos y modelos

4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

Autores:

P.A. Rodríguez

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R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Ciclo simple monoeje CBE

(

C

ompressor,

B

urner,

E

xpander)

Ciclo regenerativo (recuperador de

calor) monoeje CBEX

(

C

ompressor,

B

urner,

E

xpander,

heat-e

X

changer)

Ciclo con interenfriamiento monoeje CICBE

(

C

ompressor,

I

nter-

C

ooler,

B

urner,

E

xpander)

1

1

1

6

4

2

3

4

5

5

₆

3

2

Ciclo simple con turbina libre CBEE

(

C

ompressor,

B

urner,

E

xpander,

E

xpander)

3

₄

1

2

5

Ciclo con interenfriamiento y turbina libre CICBEE

(

C

ompressor,

I

nter-

C

ooler,

B

urner,

E

xpander,

E

xpander)

1

4

3

5

6

2

7

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura

3. Configuraciones, procesos y modelos

4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

Autores:

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R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Ciclo regenerativo con interenfriamiento y recalentamiento con turbina libre

CICBEBEX

(

C

ompressor,

I

nter-

C

ooler,

B

urner,

E

xpander,

B

urner,

E

xpander, heat-e

X

changer)

1

4

5

6

7

10

3

2

8

9

Ciclo regenerativo con interenfriamiento y turbina libre CICBEEX

(

C

ompressor,

I

nter-

C

ooler,

B

urner,

E

xpander,

E

xpander, heat-e

X

changer)

1

4

5

6

7

9

3

2

8

1

4

5

6

7

8

3

2

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura

3. Configuraciones, procesos y modelos

4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Ciclo turboprop TBPROP

Ciclo turbofan TBFAN

postcombustión TBJET

2

6

1

2

4

6

7

1

8

3

9

3

5

5

1

3

5

6

7

2

2

4

8

7

Relación de derivación

(bypass ratio):

9

4

r

m

b

m



Aparece una

compresión

isentrópica

externa en vuelo,

marcada con

trazos azules

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura

3. Configuraciones, procesos y modelos

4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Compresor (

c

) GICP:

Gasto másico (

), Relación de presiones totales (

P

_c,tt

),

Rendimiento total a total (

h

_c

), Régimen de giro (

n

_c

)

𝑝𝑟𝑑

𝑑

s

e

W

c



,e

,s



·

eje

 

Q

m

d

h

t



h

t



W

Balance de energía:

h

t

,e



h

t

,s



T

t

,e



T

t

,s

1

1

e

s

t

,e

·

t

,e

t

,s

·

t

,s

t

,e

t

,s

s

s

T p

T p

p

p













 







Balance de entropía (caso ideal):

Coeficiente de presión (caso ideal):

2

s

e

s

,

₁

2

,e

e

,e

2

e

e

1

d

d

d i

t

d

e

p

p

p

p

V

Cpr

p

p

p



V

V

















_{   }



_

_

0

0

Hipótesis de flujo unidimensional:

m

d





e

V A

e

e





s

V A

s

s

Rendimiento del difusor (efectos viscosos en capas

límite y desprendimientos)

[

1

]

:

s

,

e

0, 5 0,85

d

d

d i

Cpr

A

f

Cpr

A

h











,s

,e



,

·

·

c

 

Q

m h

c

t



h

t



m

c



fl c

W

Balance de energía (rotor +estátor):

0

Rendimiento,

Cap.5 de turbomaquinaria

:

, ,

,

,s,

,e

,

,s

,e

fl c i

t i

t

i

t

c

fl c

t

t

t

h

T

T

h

T

T



h

















1

,

,s

,e

1

1

c tt

t

t

c

T

T





h







P









_



_









1

,e

,

,

·

·

1

p

t

fl c

c tt

c

c T



_



h













_

P



_









,s

,

,e

t

c tt

t

p

p

P 

c

m



d

c

m



CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura

3. Configuraciones, procesos y modelos

4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

componentes 6. Ciclos húmedos 7. Tipos de TGs 8. Operación de TGs 9. Conclusiones 10.Anexos 11.Ejercicios 12.Autoevaluación 13. Bibliografía

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Intercambiador de calor (

ic

) y recuperador de calor GICP

[3]

:

Gastos másicos de flujos frío y caliente ( ),

Capacidades térmicas (

UA

_ic

,

C

_icf

,

C

_icc

), Efectividad (

e

_ic

),

Pérdidas de carga (



p

_t,icf

,



p

_t,icc

),

Cámara de combustión (

b

) GICP

[4]

:

Gasto másico de entrada (

), Gasto de dilución ( ), Relación

Aire/Comb. (

𝑅𝐴𝐶

), Rendimiento de combustión (

𝜂

_𝑏

), Factor de

pérdida de carga (

FPC

).

e

_icf

e

_icc

s

_icc

s

_icf

Balance de energía:

Q

ic



C

icc

·



T

t

,e,

icc



T

t

,s,

icc





C

icf

·



T

t

,s,

icf



T

t

,e,

icf



;

C

icc



m

icc

·

c

p c

,

;

C

icf



m

icf

·

c

p f

,

Pérdidas de carga:



p

t icc

,





p

t

,e,

icc



p

t

,s,

icc



;



p

t icf

,





p

t

,e,

icf



p

t

,s,

icf



;



p

ic



m cf

ic

·

Re L

,

Efectividad:







,s,

,e,

,e,

,e,



·

;

min(

,

) ;

max(

,

)

·

icf

t

icf

t

icf

ic

min

icc

icf

max

icc

icf

min

t

icc

t

icf

C

T

T

C

C

C

C

C

C

C

T

T

e











𝑄

𝑖𝑐

·

ic



UA

ic



T

lm

Q

ic

ic

min

UA

NTU

C





ic

r



ic



f

NTU

,

C

e

min

r

max

C

C

C



e

_b

s

b

Balance de energía:

Q

cb



m L

cb

· ·

i

h

b



m c

b

· ·

p



T

t

,s,

b



T

t

,e,

b



1

b

RAC

h





I

I

b

cb

m

RAC

m



Pérdida de carga:

,s

1 2

,e, e, ,e

cte.

cte. ·

t b

1

t

t b b t b

T

p

FPC

p

p

T















_

 



_



_

_

2 ,e, ,e, ,e,

·

·

2 3%

2

·

b t b g

t

t b b t b

m

T

R

p

FPC

p

A p







_

_

_

_{ }









icf

m



m



icc

icc

icf

m

m



,



b

m



m



bd

m

b

I

bd

m



b

m



cb

m



,e,

,s,

,s,

,e,

,e,

,s,

,s,

,e,

(

) (

)

(

)

ln

(

)

t

icc

t

icf

t

icc

t

icf

lm

t

icc

t

icf

t

icc

t

icf

T

T

T

T

T

T

T

T

T











_



CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura

3. Configuraciones, procesos y modelos

4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Gasto másico (

), Relación de presiones total a total (

P

_tt

_,

_e

),

Rendimiento (

𝜂

_𝑒

), Régimen de giro (

n

_e

)

Tobera propulsiva (

p

):

Gasto másico ( ), Coeficiente de presión (

𝐶𝑝𝑟

_𝑝

), Rendimiento (

h

_p

)

W

_e



,s

,e



,

·

·

e

 

Q

m h

e

t



h

t



m

e



fl e

W

Balance de energía (rotor +estátor):

0

Rendimiento isentrópico, total a total (de uso directo, pero se usará el politrópico como

parámetro básico):

,e

,

,s

t

tt e

t

p

p

P 

,

,e

,s

, ,

,

,e

,s,

fl e

t

t

t

e

fl e i

t i

t

t

i

T

T

h

h

T

T



h

















,s

,e

1

,

1

· 1

· 1

t

t

e

tt e

T

T

_



h

_



















_



_



_

_



_

_P

_











,

,e

1

,

1

· ·

· 1

fl e

p

e

t

tt e

c

T

_





h

_











_



_



_P









,e

,s



·

eje

 

Q

m

p

h

t



h

t



W

Balance de energía:

h

t

,e



h

t

,s



T

t

,e



T

t

,s

1

1

e

s

t

,e

·

t

,e

t

,s

·

t

,s

t

,e

t

,s

s

s

T p

T p

p

p













 







Balance de entropía (caso ideal):

Coeficiente de presión:

0

0

Hipótesis de flujo unidimensional:

m

p





e

V A

e

e





s s

V A

s

Rendimiento de la tobera propulsiva

(efectos viscosos en capas límite y

desprendimientos):

e

s

e

m



p

m



p

m



97

,

0

85

,

0

1

,

,

,

2

,

'

,

,







































e

s

s

e

t

s

t

e

t

i

s

s

s

e

t

s

e

t

p

A

A

p

p

p

p

V

V

T

T

T

T



h

1

2

1

2

2

,



























e

s

e

e

p

e

e

t

s

e

p

V

V

V

p

p

p

p

p

Cpr



CICLOS DE TURBINAS DE

GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura

3. Configuraciones, procesos y modelos

4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

componentes 6. Ciclos húmedos 7. Tipos de TGs 8. Operación de TGs 9. Conclusiones 10.Anexos 11.Ejercicios 12.Autoevaluación 13. Bibliografía

Autores:

P.A. Rodríguez

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MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Turbinas de potencia:

Obviamos a partir de ahora el subíndice

_fl

por claridad.

•

Potencia neta:

•

Rendimiento energético:

•

Trabajo específico al eje:

•

Consumo Específico:

•

Coeficiente de potencia:

•

Relación de trabajos:

Turborreactores

[4]

:

•

Relación de derivación (bypass ratio):

•

Empuje:

•

Rendimiento propulsivo:

•

Rendimiento térmico:

•

Rendimiento global:

e

c

TG

cb

h











Q

W

W

eje

eje

m





W

·

·

eje





e





c





m

e



e





m

c



c

W

W

W

1

·

cb

eje

ic

TG

m

C

L

h







W

e

c

eje

CPOT















e

c

r







b

b

caliente

frio

r

m

m

m

m

m

b











_





1

¿

?



m

₁

m



·

V

₉

m

·

V

₈

m

₁

·

V

₁

E









_b





_b











2



1

1

2

8

2

9

1

2

1

1

·

·

·

·

V

m

V

m

V

m

m

V

E

b

b

pr



_

_

_

_

_

_

_

h













2

2











1

₁

2

2

2

1

2

1

9

1

8

1

₂

₁

₉

₈

₁

₁

·

_b

·

_b

·

_·

_·

_·

b

b

t

cb

cb

E V

m

m

V

V

m V

V

_m

_{m V}

_{m V}

_{m V}

h























Q



Q

1

·

·

g

pr

t

cb

E V

h



h h





Q

Potencia

propulsiva

·

cb



m L

cb

ic



Q



b

m



CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura

3. Configuraciones, procesos y modelos

4. Ciclos reversibles 5. Rendimiento de

componentes 6. Ciclos húmedos 7. Tipos de TGs 8. Operación de TGs 9. Conclusiones 10.Anexos 11.Ejercicios 12.Autoevaluación 13. Bibliografía

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

T

s

p

₁

=

p

₄

p

₂

=

p

₃

1

2

3

4

4

3

1

2

p

p

p

p

_



P





1

4

3

1

2



P







T

T

T

T

r

_t

1





r

_t



T

_max

T

_min

•

Relación de presiones:

•

Límite de temperaturas:

•

Relación de temperaturas:

Parámetros de actuaciones:

•

Rendimiento energético:

•

Trabajo específico:

•

Potencia:

•

Consumo Específico:

•

Coeficiente de potencia:

•

Relación de trabajos:

1

1

1

1

1

CBE

_r

t

r



_

h

   

_

P

_

_{ }

_

3

4

2

1

·

eje

e

c

c

p

T

T

T

T



  

 



_









_



3

4

 

2

1



·

· ·

eje



m

a



eje



m c

a

p





T



T



T



T





W

1

·

r

cb

eje

i

CBE

m

C

L

h





W

e

1

c

c

t

eje

e

c

t

r

CPOT

r







 























t

e

c

r

r





3

₄

1

2

cb

a

m



A partir de ahora se obvia el

subíndice

t

por claridad, habiéndose

de aplicar la adecuada.

1

3

min

max

T

T

T

T

_





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1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Parámetros de actuaciones:



Rendimiento y trabajo específico:

max



,

1

1

r

max

CBE



h



 

,

_max

t

r

_





0

6

12

18

24

30

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

h

_B

_

_{max 4}

( )

h

_B

_

_{max 6}

( )

h

_B

( )

P



_n

(

P

,

8

)

10

6

J

kg



_n

(

P

,

6

)

10

6

J

kg



_n

(

P

,

4

)

10

6

J

kg



_n

(

P

,

2

)

10

6

J

kg

P

max 4

( )

P

max 6

( )

P

2, 4, 6, 8





Trabajo específico

eje:



_eje

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

0

0

6

12

18

24

30

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

 P

(

,

6

)

que

(

P

,

8

)

10

6

J

kg

que

(

P

,

6

)

10

6

J

kg

que

(

P

,

4

)

10

6

J

kg

que

(

P

,

2

)

10

6

J

kg

P



Relación de cogeneración (



) y Calor útil:

q

_ue



c

_p

·



T

₄



T

_ch



2, 4, 6, 8





CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

0

0

6

12

18

24

30

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

200

400

600

800

1 10



3

1.2 10



3

1.4 10



3

1.6 10



3

1.8 10



3

2 10



3

 P

(

,

6

)

T4

(

P

,

8

)

K

T4

(

P

,

6

)

K

T4

(

P

,

4

)

K

T4

(

P

,

2

)

K

P

Parámetros de actuaciones:



Relación de cogeneración (



) y Temperatura de escape (

𝑇

₄

):

2, 4, 6, 8





CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

𝑇

𝑠

𝑝

₁

=

𝑝

₅

=

𝑝

6

𝑝

₂

=

𝑝

₃

=

𝑝

₄

1

2

4

5

1

3

6

𝑇

₃

=

𝑇

₅

y

𝑇

₂

=

𝑇

₆

para

𝜀

_𝑖𝑐

= 1

𝑇

₅

> 𝑇

₃

y

𝑇

₆

> 𝑇

₂

para

𝜀

_𝑖𝑐

< 1

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA







h

t

e

c

CBEX

r

r



1





1



0

6

12

18

24

30

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Relación de presiones []

R

en

di

m

ie

nt

o

[

]

CBE

h

Límite para la

regeneración:

1

,

t max

max

r







 P







2

1

max

















_







P



2

5

t max

,

t

,

_max

T



T



r







r

_

CBEX:

1

6

2

3

4

5

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

0

6

12

18

24

30

0

80

160

240

320

400

480

560

640

720

800

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

T6

( )

P

K

queR

( )

P

10

6

J

kg













P



6



ue

p

ch

Temperatura y energía del gas de escape

(no dependen de



):

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

300

720

1.14 10



3

1.56 10



3

1.98 10



3

2.4 10



3

700

800

900

1 10



3

1.1 10



3

1.2 10



3

1.3 10



3

1.4 10



3

1.5 10



3

1.6 10



3

1.7 10



3

1.2

1.25

1.3

1.35

1.4

Cpa Ta

 

J

kg K



Cva Ta

 

J

kg K





_{a Ta}

 

Ta

4

2

3

1

,

,

d

d

T

T

eje

e

c

t e

t c

p

p

T

T

h

h

c

T

T

c

T

T



   

 

 









3

2

,

d

T

b

t b

p

T

q

 

h





c

T

T

Procesos isoentrópicos en compresor y turbina,

Cap.5 de turbomaquinaria

:

2

1

,

0

d

·ln( )

T

p

g a

T

c

T

T

R

T







P

4

3

,

1

0

d

·ln

T

p

g a

T

c

T

T

R

T

 





_{ }

P

 



Balances de energía:

Propiedades del aire:

CICLOS DE TURBINAS DE

GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

El rendimiento del ciclo ideal

(reversible) depende

principalmente de

P

.

0

6

12

18

24

30

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

h

_Bv

(

P

,

8

)

h

_Bv

(

P

,

6

)

h

_Bv

(

P

,

4

)

h

_Bv

(

P

,

2

)

P

2, 4, 6, 8





0

6

12

18

24

30

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4



_nv

(

P

,

8

)

106J kg K



_nv

(

P

,

6

)

106J kg K



_nv

(

P

,

4

)

106J kg K



_nv

(

P

,

2

)

106J kg K

P

Trabajo específico:



_CBEr

Rendimiento:

h

_CBEr

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Parámetros de actuaciones:



Trabajo específico :



Rendimiento

energético :

4, 8





0

6

12

18

24

30

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

h

_B

( )

P

h

_Bv

(

P

,

8

)

h

_Bv

(

P

,

4

)

P

8





cte.

p

c



var .

p

c



cte.

p

c



var .

p

c



0

6

12

18

24

30

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4



_n

(

P

,

8

)

106J kg



_nv

(

P

,

8

)

106J kg K

P

Trabajo específico:



_CBEr

Rendimiento:

h

_CBEr

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos

4. Ciclos reversibles

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

3

₄

1

2

𝑇

𝑠

𝑝

₁

= 𝑝

₄

𝑝

₂

= 𝑝

₃

1

2

3

4

𝑇

_𝑚𝑎𝑥

𝑇

_𝑚𝑖𝑛

4

3

1

2

p

p

p

p

_



P





1

4

3

1

2



P







T

T

T

T

r

_t

3

1

max

min

T

T

T

T







1





r

_t



•

Relación de presiones:

•

Límite de temperaturas:

•

Relación de temperaturas:

2’

_4’

Los parámetros básicos se definen como en CBE reversible

Rendimiento isoentrópico y trabajo específico de una máquina compresora:

Obviando

, ,

,

₂

₁

,

2'

1

t

fl c s

t s

c

fl c

t

h

_T

_T

h

T

T



h

















_















_P

_







c

c

T

T

h





1

1

·

1

1

'

2













_P

_



·

·



1

1

1

,





h



_c

c

p

c

fl

T

c

Rendimiento isoentrópico y trabajo específico de una máquina expansora:

,

3

4'

, ,

,

3

4

fl e

t

e

fl e s

t s

h

T

T

h

T

T



h

















_































P







_





h

₁

3

'

4

1

1

·

1

·

e

e

T

T

















P





_





h



_,

·

·

₃

·

1

1

₁

e

e

p

e

fl

c

T

CICLOS DE TURBINAS DE GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos 4. Ciclos reversibles

5. Rendimiento de componentes

Autores:

P.A. Rodríguez

A. Lecuona

R. Ventas

MOTORES DE

COMBUSTIÓN

INTERNA

Parámetros de actuaciones:

•

Parámetros de “irreversibilidad”:

•

Rendimiento del ciclo irreversible:

•

Trabajo específico del ciclo irreversible :

i

,

,

_4'

₁

3

2'

1

eje

fl e

fl c

CBE

b

b

T

T

q

q

T

T







h







 









i

1

1

·

_t

t

CBE

t

r

r

r



h

























 



i

,

,

,

·

3

4'

2'

1

eje CBE

fl e

fl c

c

p

T

T

T

T













_









_



_nCBE

_i

p

·

1

· 1

1

·



_t



c

t

c T

r

r





h







_



_







Para unos valores fijados de los parámetros



y



de “irreversibilidad” (i.e.

𝜂

_𝑐

,

𝜂

_𝑒

y



están

fijados), existen valores óptimos de

𝑟

_𝑡

y por tanto de

Π

:

Máximo rendimiento:

Máximo trabajo específico:







i

·

· 1

1

t CBE max

r

_h



  



 









 

i

cte.

cte.

d

0

d

CBE

t

r





h







i

t CBE max

r

_





i

cte.

cte.

d

0

d

c

nCBE

t

r



h









El rendimiento del

ciclo irreversible

depende de



→

T

_max



h

h





_e

·

_c

·





1



h

_c

·







1



CICLOS DE TURBINAS DE

GAS

1. Objetivos 2. Nomenclatura 3. Configuraciones,

procesos y modelos 4. Ciclos reversibles

5. Rendimiento de componentes