Optimización de Ciclos Combinados: Rendimiento y Eficiencia Energética
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Ciclo Combinado: Optimización del Rendimiento
Análisis detallado del rendimiento y la eficiencia en ciclos combinados, incluyendo cálculos de potencia y consideraciones termodinámicas.
Análisis del Ciclo de Vapor
Gasto de vapor: 11.68 kg/s. Rendimiento de la bomba: 0.85. Condiciones ambientales: 1 bar y 300 K. Relación de compresión: 6. Temperatura del compresor: 550.69 K. Rendimiento de la turbina de gas (TG): 0.85. Gasto de aire: 79.83 kg/s. Poder calorífico del combustible: 42000 KJ/kg.
a) Potencia y Rendimiento del Ciclo de Vapor
h4 ≈ h3 + wb
wb = (Pmayor - Pmenor) * 105 / (ρ * nb) = (40 - 0.8) * 105 / (1000 * 0.85) = 4.61 KJ/kg
h4 = 391.66 + 4.61 = 396.27 KJ/kg
N = Wtv - Wb = mv * ((h1 - h2) - 4.61) = 11.68 * ((3360 - 2672) - 4.61) = 7981.99 KW
ncv = Ncv / Qvapor caldera = 7981.99 / (mv * (h1 - h4)) = 0.2305 * 100 = 23.05%
b) Temperatura de los Gases a la Entrada de la Caldera
Temperatura de salida: 200°C. Gasto de aire muy superior al de combustible.
h = Cp * T
Tg = 473 K
mv * (h1 - h4) = (maire + mfuel) * ((Td - Tg) * Cp)
11.68 * (3360 - 396.27) = (79.83 + 0) * ((Td - 473) * 1.004)
c) Gasto de Combustible, Potencia y Rendimiento del Ciclo de Gas
ntg = (Cp * (Tc - Td)) / (Cp * (Tc - Tds))
Tds = Tc * (Pds / Pc)(ϒ-1)/ϒ
0.85 = (1.004 * (Tc - 904.848)) / (1.004 * (Tc - (Tc * (1/6)(1.4-1)/1.4)))
Tds ≈ 1372.15 K
Ncg = (Wtg - Wc) * m = ((ma + mf) * (Tc - Td) * Cp) - (ma * (Td - Ta) * Cp)
Ncg = (79.83 * (1372.22 - 904.898) * 1.004) - (79.83 * (550.69 - 300) * 1.004) = 17362.907 KW
ncg = Ncg / Qcg = 17362.907 / (Cp * ma * (Tc - Tb)) = 17362.907 / (1.004 * 79.83 * (1372.22 - 550.69)) ≈ 0.2636 * 100 = 26.36%
mf * Hp = ((Tc - Tb) * Cp) * (ma + mf)
mf * 42000 = ((1372.22 - 550.69) * 1.004) * (79.83 + 0)
mf ≈ 1.56 kg/s
d) Potencia y Rendimiento del Ciclo Combinado
Ncc = Ncg + Ncv = 17362.907 + 7981.99 = 25344.89 KW
n = Ncc / Qcc = 25344.89 / (mf * Hp) = 25344.89 / (1.56 * 42000) ≈ 0.386 = 38.6%
e) Temperatura en los Puntos e y f
ma * cp * (Td - Te) = mv * (h1 - h6)
79.83 * 1.004 * (904.89 - Te) = 11.68 * (3360 - 2801.4)
ma * cp * (Tf - Tg) = mv * (h5 - h4)
79.83 * 1.004 * (Tf - 473) = 11.68 * (1087.3 - 396.27)
Análisis Adicional del Ciclo Combinado
Potencia efectiva: 5906 kW. Velocidad: 14000 rpm. Rendimiento efectivo: 30.5%. Relación de compresión: 12.7. Flujo de aire: 21.5 kg/s. Temperatura de entrada a la turbina: 1176°C. Temperatura de gases de escape: 565°C. Presión de trabajo: 120 bar y 450°C en la entrada de la turbina, 0.1 bar en el condensador. Rendimiento isentrópico: 87%. Entalpía específica del vapor a la entrada de la turbina: 3220 KJ/kg y a la salida: 2005 KJ/kg.
A) Gasto de Gases en la Caldera y Gasto de Vapor
ncv = Ncv / (mf * Hc)
mf = 590.6 / (0.305 * 45000) ≈ 0.4303 kg/s
mg = ma + mf = 21.5 + 0.4303 ≈ 21.93 kg/s
Puntos: 2: 0.1 bar, 45.81°C; 4-5: 120 bar, 324.8°C; 1: 450°C; a: 565°C
qv = qg
mv * (h1 - h4) = mg * Cp * (Ta - Tc)
mv = (mg * Cp * (Ta - Tc)) / (h1 - h4) = (21.93 * 1 * (838 - 597.8)) / (3220 - 1491.3) ≈ 3.047 kg/s
h4 = 1491.3 KJ/kg (con 120 bar)
Tb = Ta - (mv * (h1 - h5)) / (mg * Cp) = 838 - (3.047 * (3220 - 2684.9)) / (21.93 * 1) ≈ 763.6°C
h5 = 2684.9 KJ/kg (a 120 bar)
Td = Ta - (mv * (h1 - h3)) / (mg * Cp) = 838 - (3.047 * (3220 - 203.7)) / (21.93 * 1) ≈ 418.9°C
h2’ = 191.83 KJ/kg
Wb = (120 - 0.1) * 105 / 1000 ≈ 11.99 KJ/kg
h3 = h2’ + Wb = 191.83 + 11.99 ≈ 203.7 KJ/kg
b) Potencia del Ciclo de la Turbina de Vapor y Ciclo Combinado
Rendimiento de la instalación suponiendo un rendimiento mecánico del 90% en la turbina de vapor:
N’tv = mv * Wtv = mv * ntv * (h1 - h2s) = 3.047 * 0.87 * (3220 - 2005) ≈ 3220.83 KW
Nt = nm * N’Tv = 0.9 * 3220.83 ≈ 2898.9 KW
Ncc = Ntv + Ntc - Nb = 2898.9 + 5906 - (3.047 * 11.99) ≈ 8768.366 KW
ncc = Ncc / Qcc = 8768.366 / (0.4303 * 45000) ≈ 0.4528 = 45.28%
Turbina de Gas: Ciclo Simple de Brayton
Condiciones: 1 bar y 27°C. Temperatura de salida del compresor: 712.2 K. Relación de compresión: 15. Rendimiento isentrópico del compresor: 0.85. Rendimiento isentrópico de la turbina: 0.9. Caudal másico del aire: 100 kg/s. Poder calorífico del combustible: 43 MJ/kg.
1. Condiciones de Entrada a la Turbina de Gas
Caudal másico del combustible: 1.6 kg/s.
mf * Hc = (ma + mf) * (hc - hb)
Tc ≈ 1389.4 K
2. Condiciones de Salida de la Turbina
Tds = Tc * (Pd / Pc)(y-1)/y ≈ 640.89 K
nst = (hc - hd) / (hc - hds) = 0.9
hd ≈ 715.73 K
3. Potencia Neta y Rendimiento de la Turbina de Gas
Wtg = (ma + mf) * (hc - hd) - ma * (hb - ha) ≈ 27220 KW
ntg = Wtg / (mf * Hc) ≈ 0.396
4. Entalpía en el Punto 4
Condiciones: 50 bar, 348.87 K. Rendimiento isentrópico de la bomba: 0.85.
wbideal = v * Δp = h4s - h3
nsb = (h4s - h3) / (h4 - h3) = 0.85
h4 ≈ 323.42 KJ/kg
5. Gasto Másico de Vapor Máximo en la Caldera
(ma + mf) * cp * (Td - Tf) = mvap * (h1 - h5)
mvap ≈ 8.665 kg/s
6. Trabajo Neto y Rendimiento del Ciclo de Vapor
Gasto másico real: 8 kg/s.
wneto = wturb - wb = (h1 - h2) – (h4 - h3) ≈ 844.16 KJ/kg
qcald = (h1 - h4) ≈ 2926.58 KJ/kg
ntv = wneto / qcald ≈ 0.2884
7. Rendimiento del Ciclo Combinado
n = (Wtg + wtv) / (mf * Hc) ≈ 0.4938
Turbina de Vapor con Calentador
Se extrae el 10% del vapor de la turbina a 40 bar y 400°C. Balance en el calentador para determinar las condiciones del agua a la entrada de la caldera (entalpía y temperatura). El fluido entra al calentador a 100 bar y 40°C.
h7 = 3213.6 KJ/Kg (Tabla de vapor sobrecalentado)
h4 = 176.38 KJ/Kg (Tabla de líquido subenfriado)
h8 = 1087.3 KJ/Kg (Tabla de agua saturada)
0.1 * h7 + h4 = h5 + 0.1 * h8
h5 = (0.1 * 3213.6) + 176.38 - (0.1 * 1087.3) ≈ 389.01 KJ/kg
La temperatura estará entre 80 y 100°C.