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CICLO DE POTENCIA COMBINADO
Un ciclo de turbina de gas toma 20 kg/s de aire ambiente a 15ºC, lo comprime hasta 1200 kPa y lo calienta en una cámara de combustión hasta 1200ºC. Los gases que salen de la turbina calientan el vapor de un ciclo de Rankine y salen del cambiador de calor (caldera) a 100ºC. La bomba del ciclo de Rankine opera entre la presión de baja de 10 kPa y la presión de alta de 6 MPa. Sabiendo que la eficacia isoentrópica de las turbinas de gas y vapor es del 85% y la del compresor 80%, se pide:
(a) Representar de forma aproximada en un diagrama T-S el ciclo de turbina de gas propuesto (b) Calcular la potencia neta desarrollada por la turbina de gas (kW) (c) Determinar el flujo de calor suministrado a la cámara de combustión (kW)
Se sabe que la turbina de vapor trabaja de forma adecuada con un contenido de agua que no supere el 10%. En estas condiciones:
(d) Determinar el grado de sobrecalentamiento del vapor de agua que sale de la caldera en función del título del vapor que sale de la turbina (e) Calcular la potencia desarrollada por la turbina de vapor (kW) en función del grado de sobrecalentamiento del vapor que sale de la caldera (f) Determinar el flujo másico de vapor de agua que sale de la caldera (kg/s) en función del grado de sobrecalentamiento (g) Calcular el rendimiento térmico del ciclo combinado en función del grado de sobrecalentamiento (h) A la vista de los resultados de los apartados anteriores justificar cual sería el grado de sobrecalentamiento óptimo y representar en el diagrama T-S del agua el ciclo de Rankine para esas condiciones de operación (i) Determinar el rendimiento térmico que se obtendría si el ciclo de turbina de gas se utilizase individualmente (j) Determinar el rendimiento térmico del ciclo de Rankine si se emplease de forma individual sabiendo que el flujo de calor suministrado a la caldera es 9500 kW
CICLO DE TURBINA DE GAS
m (^) aire = 20 kg/s
Cpaire = (^) 1 kJ/kgºC Capacidad calorífica media del aire
ESTADO 5
P 5 = (^) 101,325 kPa
T 5 = 15 ºC
ESTADO 6
P 6 = 1200 kPa
ESTADO 7
T 7 = 1200 ºC
P 7 = 1200 kPa
ηCOMP = (^) 0,
ηTURB = 0,
ESTADO 8
P 8 = 101,325 kPa
ESTADO 9
T 9 = 100 ºC
P 9 = (^) 101,325 kPa
Calculo de la T de salida de los gases de la turbina de gas (T 8 )
T 8 = 839,0 K
Calculo de la T de salida de los gases deL COMPRESOR (T 6 )
T 6 = 657,8 K
Calculo del trabajo de la turbina de gas
W (^) TG = 12683,9 kW
Calculo del trabajo del compresor de gas
W (^) CG = (^) 7392,7 kW
Potencia neta desarrollada por la turbina de gas (W (^) TG -WCG)
W (^) NETA TG = 5291,2 kW
Flujo de calor suministrado a la cámara de combustión (kW)
Q (^) SUM = 16307,3 kW
−
−
γ
γ
γ
γ
η η
1
7
8 8 7 , 7 8
7 8 ,
1
7
8 8 7
P
P
T T
T T
T T
w
w
P
P
T T
sTURB s s
real sTURB
s
−
−
,
1
5
6
6 5 6 5
6 5 ,
1
5
6 6 5
s COMP
s real
s sCOMP
s
P
P
T T
T T
T T
w
w
P
P
T T
γ
γ
γ
γ
W TG = m & aCpa ( T 7 − T 8 )
W CG = m & aCpa ( T 6 − T 5 )
W NETO , TG = WTG − W CG
Q SUM = m & aCpa ( T 7 − T 6 )
mvapor WTV WTG WOBT Q (^) SUM η (^) CICLO (kg/s) (kW) (kW) (kW) (kW) (%)
GRAFICAS
Sobrecalentamiento: Vapor saturado a 6000 kPa (Ts = 275,6ºC)
Grado de sobrecalentamiento: T 3 -T (^) s
Sob. x mvapor WTV η (ºC) (%) (kg/s) (kW) (%)
Sob. x % Aumento (ºC) (%)
A medida que aumenta el grado de sobrecalentamiento, el flujo de vapor que se obtiene disminuye ligeramente, pero la potencia obtenida en la turbina aumenta porque se incrementa más la
diferencia de entalpías (H 3 -H 4 ) y cada vez se obtiene un vapor recalentado con mayor título.
El trabajo neto desarrollado por el ciclo aumenta mientras que el calor suministrado permanece constante. Esto se traduce en una aumento del rendimiento térmico del ciclo
TÍTULO VAPOR - SOBRECALENTAMIENTO
85,
90,
95,
100,
150 200 250 300 350 400 450 500 Sobrecalentamiento (ºC)
Título vapor (%)
W TV = m & v ( H 3 − T 4 )
W NETO , TV = WTV − W BOMBA
SUM
NETOTG NETOTV CICLO
Q
W , + W ,
Sob. mvapor % Dismin. (ºC) (kg/s)
Sob. WTV % Aumento (ºC) (kW)
Sob. η % Aumento (ºC) (%)
Cálculo del rendimiento térmico del ciclo de gas y de vapor si se empleasen de forma independiente
W (^) NETA TG = 5291,2 kW W (^) NETA TV = 3045,6 kW Q (^) SUM TG = 16307,3 kW Q (^) SUM TV = 9500 kW η (^) CICLO TG = 32,4 % η (^) CICLO TV = 32,1 %
POTENCIA TV - SOBRECALENTAMIENTO
2800,
2900,
3000,
3100,
3200,
3300,
3400,
150 200 250 300 350 400 450 Sobrecalentamiento (ºC)
W
TV
(kW)
RENDIMIENTO DEL CICLO- SOBRECALENTAMIENTO
48,
50,
52,
54,
150 200 250 300 350 400 450 Sobrecalentamiento (ºC)
η CICLO
(%)
FLUJO MÁSICO VAPOR - SOBRECALENTAMIENTO
2,
2,
2,
2,
3,
3,
150 200 250 300 350 400 450 Sobrecalentamiento (ºC)
m
vapor
(kg/s)
SUM CCOMB
NETOTG TG
Q
W
,
,
CALDERA
NETOTV TV
Q
W ,
