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
Intro turbinas de gas (TG)
Cámara de combustión
Compresor Turbina
𝑊 𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒
2
1
3
4
Fotos
Fotos – Compresor
Fotos – Cámara de combustión
Cámara de combustión
Fotos - Turbina
Fotos – Eje completo
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
Modelo matemático
• Asumimos que por el circuito solamente va a circular aire.
• Porque el T-s es solo de aire
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
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
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
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
Ejercicio 5 - Enunciado
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 = ?
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
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
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
Ejercicio 5 – Enunciado
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
Ejercicio 5 – Pendientes
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
Ejercicio 5 – Pendientes
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
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
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
Ejercicio 5 – Pendientes
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
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
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
Ejercicio 5 – Pendientes
𝜂𝑡𝑔 = 0,215 𝜂𝑡𝑔 = 0,245
𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 70 𝑚 𝑎𝑖𝑟𝑒
𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏 ≅ 92
Diapositiva 9 – Ejercicio 5
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
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
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
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