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Guia de Máquinas térmicas- FIUBA

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Ignacio Oubiña

Academic year: 2023

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(1)

Máquinas térmicas

“Ciclo” Brayton

Introducción a la Ingeniería Química (76.46)

Tema 07 – Ejercicio 05 Ciclo Brayton

Diagrama T-s

Balance de Masa y Energía c/Reacción Química Estado estacionario

(2)

Intro turbinas de gas (TG)

Cámara de combustión

Compresor Turbina

𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

2

1

3

4

(3)

Fotos

(4)

Fotos – Compresor

(5)

Fotos – Cámara de combustión

Cámara de combustión

(6)

Fotos - Turbina

(7)

Fotos – Eje completo

(8)

Análisis de balances

Cámara de combustión

Compresor Turbina

𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑊 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 + 𝑊 𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

2

1

3

4 𝑚 3 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 + 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑊 𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 1 − 𝑖 2 𝑊 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = 𝑚 3 𝑖 3 − 𝑖 4

𝑖 1 < 𝑖 2 𝑖 3 > 𝑖 4

𝑚 3 > 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 3 − 𝑖 4 ≫ 𝑖 1 − 𝑖 2

𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜 > 0

𝑊 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 ≫ 𝑊 𝑐𝑜𝑚𝑝

(9)

Modelo matemático

• Asumimos que por el circuito solamente va a circular aire.

• Porque el T-s es solo de aire

(10)

Modelo matemático

• Asumimos que por el circuito solamente va a circular aire.

• Porque el T-s es solo de aire

• Vamos a inventarnos una cámara de combustión ficticia no adiabática donde se queme el combustible con un aire ficticio, y el calor resultante de esa

combustión es lo que elevará la entalpía del aire del circuito

(11)

Modelo matemático

• Asumimos que por el circuito solamente va a circular aire.

• Porque el T-s es solo de aire

• Vamos a inventarnos una cámara de combustión ficticia no adiabática donde se queme el combustible con un aire ficticio, y el calor resultante de esa

combustión es lo que elevará la entalpía del aire del circuito

𝑊 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = 𝑚 3 𝑖 3 − 𝑖 4

• Para compensar esta perdida de potencia del modelo vamos a modelar la cámara de combustión ficticia tal que:

• Combustible y aire ficticio entran a 25 °C

• Se desestima la corriente másica de salida SALVO POR LOS EXCESOS DE AIRE RESPECTO AL ESTEQUIOMETRICO

• Ese exceso que tengamos a la salida estará a la misma temperatura que el aire que entrará a la turbina

(12)

Modelo matemático

Intercambiador de calor

Compresor Turbina

𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

2

1

3

4 Cámara de combustión ficticia

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑒𝑥𝑐

T = 25 °C

T = T3

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑛 𝑆𝑗 𝑖 𝑆𝑗 − 𝑖 𝑅𝑒𝑓𝑗 − 𝑛 𝐸𝑗 𝑖 𝐸𝑗 − 𝑖 𝑅𝑒𝑓𝑗 + 𝑛 𝑅𝑒𝑎𝑐∆𝐻𝑅0

𝑛 𝑆𝑗 𝑖 𝑆𝑗 − 𝑖 𝑅𝑒𝑓𝑗 = 𝑛 𝑆𝑗 𝑖 𝑆𝑗 − 𝑖 𝑅𝑒𝑓𝑗

𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜

+ 𝑛 𝑆𝑗 𝑖 𝑆𝑗 − 𝑖 𝑅𝑒𝑓𝑗

𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜

(13)

Modelo matemático

Intercambiador de calor

Compresor Turbina

𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

2

1

3

4 Cámara de combustión ficticia

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑒𝑥𝑐

T = 25 °C

T = T3

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑛 𝑆𝑗 𝑖 𝑆𝑗 − 𝑖 𝑅𝑒𝑓𝑗

𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜

+ 𝑛 𝑅𝑒𝑎𝑐∆𝐻𝑅0

(14)

Ejercicio 5 - Enunciado

(15)

Ejercicio 5 - Datos

𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

2

1

3

4 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒𝑒𝑥𝑐

T = 25 °C

T = T3

𝑃1 = 1 𝑎𝑡𝑚𝑎 𝑇1 = 27 ℃

𝑃2 = 4 𝑎𝑡𝑚𝑎 𝑃3 = 4 𝑎𝑡𝑚𝑎

𝑇3 = 800 ℃

𝑃4 = 1 𝑎𝑡𝑚𝑎 𝑇2 = ?

𝑇4 = ?

(16)

Ejercicio 5 – Evolucion en T-s

Balance de energía en el compresor 𝑊 𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 1 − 𝑖 2

𝑊 𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 1 − 𝑖 2 𝑊 𝑐𝑜𝑚𝑝

𝑊 𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 1 − 𝑖 2

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 1 − 𝑖 2 = 𝜂 𝑖 1 = 122 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 2 = 159 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 1 − 𝑖 1 − 𝑖 2

𝜂 = 𝑖 2

𝜂 = 0,85

𝑖 2 = 165 𝑘𝑐𝑎𝑙

1 𝑘𝑔

2*

2

(17)

Ejercicio 5 – Evolucion en T-s

Nuestro aire ahora, según nuestro modelo, atraviesa un

intercambiador de calor en el cual desestimamos la caída de presión.

1 2*

2

3

(18)

Ejercicio 5 – Evolucion en T-s

Balance de energía en la turbina 𝑊 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 3 − 𝑖 4

𝑊 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 3 − 𝑖 4 𝑊 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎

𝑊 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 3 − 𝑖 4

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 3 − 𝑖 4 = 𝜂 𝑖 3 = 310 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 4 = 225 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 3 − 𝑖 3 − 𝑖 4 𝜂 = 𝑖 4

𝜂 = 0,85

𝑖 4 = 240 𝑘𝑐𝑎𝑙

1 𝑘𝑔

2*

2

3

4*

4

(19)

Ejercicio 5 – Enunciado

(20)

Ejercicio 5 – Balance en camara ficticia

Balance de energía en la cámara de combustión del modelo

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑛 𝑆𝑗 𝑖 𝑆𝑗 − 𝑖 𝑅𝑒𝑓𝑗

𝑒𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜

+ 𝑛 𝑅𝑒𝑎𝑐∆𝐻𝑅0

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑛 𝑅𝑒𝑎𝑐∆𝐻𝑅0

Balance de energía en el intercambiador de calor del modelo 𝑄 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 3 − 𝑖 2

𝑄 𝑐𝑜𝑚𝑏 = −𝑄

𝑛 𝑅𝑒𝑎𝑐∆𝐻𝑅0= 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 2 − 𝑖 3

∆𝐻𝑅0

𝑖 2 − 𝑖 3 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑛 𝑐𝑜𝑚𝑏

∆𝐻𝑅0

𝑖 2 − 𝑖 3 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏

∆𝐻𝑅0

𝑖 2 − 𝑖 3 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

Poder calorífico inferior del metano 𝑃𝐶𝐼 = −802400 𝐾𝐽

𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑃𝐶𝐼 = −192000 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 16 𝐾𝑔

𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑖 2 = 165 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 3 = 310 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 83

(21)

Ejercicio 5 – Pendientes

(22)

Ejercicio 5 – Rendimiento

𝜂𝑡𝑔 = 𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑄

𝜂𝑡𝑔 = 𝑊 𝑐𝑜𝑚𝑝 + 𝑊 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 𝑄

𝜂𝑡𝑔 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 1 − 𝑖 2 + 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 3 − 𝑖 4

−𝑛 𝑐𝑜𝑚𝑏∆𝐻𝑅0

𝜂𝑡𝑔 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑖 1 − 𝑖 2 + 𝑖 3 − 𝑖 4 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 −∆𝐻𝑅0

𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 𝜂𝑡𝑔 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑖 1 − 𝑖 2 + 𝑖 3 − 𝑖 4

−∆𝐻𝑅0 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑖 1 = 122 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑖 2 = 165 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 3 = 310 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 4 = 240 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

𝑃𝐶𝐼 = −192000 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 16 𝐾𝑔

𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 83 𝜂𝑡𝑔 = 0,187

(23)

Ejercicio 5 – Pendientes

(24)

Ejercicio 5 – Análisis de rendimientos

Compresor

1

𝑖 1 − 𝑖 1 − 𝑖 2

𝜂 = 𝑖 2 𝑖 1 = 122 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 2 = 171 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 2 = 180 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 Turbina

𝑖 3 − 𝑖 3 − 𝑖 4 𝜂 = 𝑖 4 𝑖 3 = 310 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 4 = 205 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 4 = 220 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

(25)

Ejercicio 5 – Análisis de rendimientos

1

𝑖 2 = 180 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑖 3 = 310 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

Cámara de combustión

∆𝐻𝑅0

𝑖 2 − 𝑖 3 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑃𝐶𝐼 = −192000 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 16 𝐾𝑔

𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 92

(26)

Ejercicio 5 – Análisis de rendimientos

1

𝑖 2 = 180 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔

𝑖 3 = 310 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 Rendimiento de la TG

𝑃𝐶𝐼 = −192000 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 16 𝐾𝑔

𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 92

𝜂𝑡𝑔 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑖 1 − 𝑖 2 + 𝑖 3 − 𝑖 4

−∆𝐻𝑅0 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑖 1 = 122 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

𝑖 4 = 220 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔

𝜂𝑡𝑔 = 0,245

(27)

Ejercicio 5 – Pendientes

(28)

Ejercicio 5 – Análisis de rendimientos

1

Turbina

𝑖 3 − 𝑖 3 − 𝑖 4 𝜂 = 𝑖 4 𝑖 3 = 335 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 4 = 240 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 𝑖 4 = 255 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

(29)

Ejercicio 5 – Análisis de rendimientos

1

𝑖 3 = 335 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑖 2 = 165 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

Cámara de combustión

∆𝐻𝑅0

𝑖 2 − 𝑖 3 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑃𝐶𝐼 = −192000 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 16 𝐾𝑔

𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 70

(30)

Ejercicio 5 – Análisis de rendimientos

1

𝑖 3 = 335 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑖 2 = 165 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

Rendimiento de la TG

𝑃𝐶𝐼 = −192000 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 16 𝐾𝑔

𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 70 𝑖 1 = 122 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

𝑖 4 = 255 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔

𝜂𝑡𝑔 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑖 1 − 𝑖 2 + 𝑖 3 − 𝑖 4

−∆𝐻𝑅0 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 𝜂𝑡𝑔 = 0,215

(31)

Ejercicio 5 – Pendientes

𝜂𝑡𝑔 = 0,215 𝜂𝑡𝑔 = 0,245

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 70 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 92

(32)

Diapositiva 9 – Ejercicio 5

(33)

Ejercicio 5 - Economizador

𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

2

1

3

4 𝑃1 = 1 𝑎𝑡𝑚𝑎

𝑇1 = 27 ℃

𝑃2 = 4 𝑎𝑡𝑚𝑎 𝑃3 = 4 𝑎𝑡𝑚𝑎

𝑇3 = 800 ℃

𝑃4 = 1 𝑎𝑡𝑚𝑎 𝑇2 = 200 ℃

𝑇4 = 450 ℃ 5

𝑃5 = 1 𝑎𝑡𝑚𝑎 𝑇5 = ?

6 𝑇6 = ?

0 = 𝑚 𝑒 𝑖 2 + 𝑖 4 − 𝑚 𝑠 𝑖 6 + 𝑖 5 Balance de energía en el pre calentador

𝑖 2 + 𝑖 4 = 𝑖 6 + 𝑖 5 En el caso de un

intercambiador infinito lo mejor que

podremos conseguir es 𝑇2 = 𝑇5 o 𝑇6 = 𝑇4

(34)

Ejercicio 5 – Economizador en Ts

1 2

3

6 4

5

Como puede verse en el T-s, para esas temperaturas, las isoentálpicas son también isotermas, por lo tanto si se igualan las temperaturas se igualan las entalpías, por ende concluimos lo siguiente

𝑖 2 + 𝑖 4 = 𝑖 6 + 𝑖 5 𝑖 2 = 𝑖 5 ↔ 𝑖 6 = 𝑖 4

(35)

Ejercicio 5 – Economizador en Ts

1 2

3

6 4

5

𝑖 6 = 240 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑖 3 = 310 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

Cámara de combustión

∆𝐻𝑅0

𝑖 2 − 𝑖 3 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑃𝐶𝐼 = −192000 𝐾𝑐𝑎𝑙

𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 16 𝐾𝑔

𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 171

(36)

Ejercicio 5 – Economizador en Ts

1 2

3

6 4

5

𝑖 3 = 310 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 𝑖 2 = 165 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

Rendimiento de la TG

𝑃𝐶𝐼 = −192000 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 = 16 𝐾𝑔

𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 171 𝑖 1 = 122 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔

𝑖 4 = 240 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔

𝜂𝑡𝑔 = 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑖 1 − 𝑖 2 + 𝑖 3 − 𝑖 4

−∆𝐻𝑅0 𝑀𝑟𝑐𝑜𝑚𝑏 𝜂𝑡𝑔 = 0,385

(37)

¡Muchas Gracias!

Referencias

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