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Ciclo diésel: problema con la solución

Ciclo diésel: problema con la solución

Supongamos el ciclo Diesel, que es uno de los ciclos termodinámicos más comunes que se pueden encontrar en los motores de automóviles . Uno de los parámetros clave de tales motores es el cambio en los volúmenes entre el punto muerto superior (TDC) y el punto muerto inferior (BDC). La relación de estos volúmenes ( V ₁ / V ₂ ) se conoce como la relación de compresión . También la relación de corte V ₃ / V ₂ , que es la relación de volúmenes al final y al inicio de la fase de combustión.

En este ejemplo, supongamos el ciclo Diesel con una relación de compresión de CR = 20: 1 y una relación de corte α = 2. El aire está a 100 kPa = 1 bar, 20 ° C (293 K) y el volumen de la cámara es 500 cm³ antes de la carrera de compresión.

• Capacidad calorífica específica a presión constante del aire a presión atmosférica y temperatura ambiente: c _p = 1,01 kJ / kgK.
• Capacidad calorífica específica a volumen constante de aire a presión atmosférica y temperatura ambiente: c _v = 0.718 kJ / kgK.
• κ = c _p / c _v = 1.4

Calcular:

1. la masa de aire de admisión
2. la temperatura T ₂
3. la presión p ₂
4. la temperatura T ₃
5. la cantidad de calor agregado al quemar la mezcla de combustible y aire
6. la eficiencia térmica de este ciclo
7. el eurodiputado

Solución:

1)

Al comienzo de los cálculos tenemos que determinar la cantidad de gas en el cilindro antes de la carrera de compresión. Usando la ley de los gases ideales, podemos encontrar la masa:

pV = mR _específico T

dónde:

• p es la presión absoluta del gas
• m es la masa de sustancia
• T es la temperatura absoluta
• V es el volumen
• R _específica es la constante de gas específica, igual a la constante de gas universal dividida por la masa molar (M) del gas o mezcla. Para aire seco R _específico = 287.1 J.kg ^-1 .K ^-1 .

Por lo tanto

m = p ₁ V ₁ / R _específico T ₁ = (100000 × 500 × ^10-6 ) / (287.1 × 293) = 5.95 × 10 ^-4 kg

2)

En este problema se conocen todos los volúmenes:

• V ₁ = V ₄ = V _máx = 500 × 10 ^-6 m ³ (0.5l)
• V ₂ = V _min = V _max / CR = 25 × 10 ^-6 m ³

Tenga en cuenta que (V _max – V _min ) x número de cilindros = desplazamiento total del motor

Dado que el proceso es adiabático, podemos usar la siguiente relación p, V, T para procesos adiabáticos:

así

T ₂ = T ₁ . CR ^{κ – 1} = 293. 20 ^0.4 = 971 K

3)

Nuevamente, podemos usar la ley de los gases ideales para encontrar la presión al final de la carrera de compresión como:

p ₂ = mR _específico T ₂ / V ₂ = 5.95 × 10 ^-4 x 287.1 x 971/25 × 10 ^-6 = 6635000 Pa = 66.35 bar

4)

Como el proceso 2 → 3 ocurre a presión constante, la ecuación de estado de gas ideal da

T ₃ = (V ₃ / V ₂ ) x T ₂ = 1942 K

Para calcular la cantidad de calor agregado al quemar la mezcla de combustible y aire, _agregue Q , tenemos que usar la primera ley de la termodinámica para el proceso isobárico, que establece:

Q _add = mc _p (T ₃ – T ₂ ) = 5.95 × 10 ^-4 x 1010 x 971 = 583.5 J

5)

Eficiencia térmica para este ciclo Diesel:

Como se dedujo en la sección anterior, la eficiencia térmica del ciclo Diesel es una función de la relación de compresión, la relación de corte y κ:

dónde

• η _Diesel es la máxima eficiencia térmica de un ciclo Diesel
• α es la relación de corte V ₃ / V ₂ (es decir, la relación de volúmenes al final y al inicio de la fase de combustión)
• CR es la relación de compresión
• κ = c _p / c _v = 1.4

Para este ejemplo:

η _Diesel = 0.6467 = 64.7%

6)

El MEP se definió como:

En esta ecuación, el volumen de desplazamiento es igual a V _max – V _min . El trabajo neto para un ciclo se puede calcular utilizando el calor agregado y la eficiencia térmica:

W _net = Q _add . η _Otto = 583.5 x 0.6467 = 377.3 J

MEP = 377.3 / ( 500 × ^10-6 – 25 × 10 ^-6 ) = 794.3 kPa = 7.943 bar

Comparación de ciclos diésel reales e ideales

En este artículo se muestra un ciclo Diesel ideal en el que hay muchos supuestos que difieren del ciclo Diesel real . Las principales diferencias entre el motor Diesel real e ideal aparecen en la figura. En realidad, el ciclo ideal no ocurre y hay muchas pérdidas asociadas con cada proceso. Para un ciclo real, la forma del diagrama pV es similar al ideal, pero el área (trabajo) encerrada por el diagrama pV es siempre menor que el valor ideal. El ciclo ideal de Diesel se basa en los siguientes supuestos:

• Ciclo cerrado : la mayor diferencia entre los dos diagramas es la simplificación de las carreras de admisión y escape en el ciclo ideal. En la carrera de escape, el calor Q _{a cabo} se expulsa al medio ambiente (en un motor real, el gas sale del motor y se sustituye por una nueva mezcla de aire y combustible).
• Adición de calor isobárico . En motores reales, la adición de calor nunca es isobárica.
• Sin transferencia de calor
  • Compresión: el gas se comprime adiabáticamente del estado 1 al estado 2. En los motores reales, siempre hay algunas ineficiencias que reducen la eficiencia térmica.
  • Expansión. El gas se expande adiabáticamente desde el estado 3 al estado 4.
• Combustión completa de la mezcla.
• Sin trabajo de bombeo . El trabajo de bombeo es la diferencia entre el trabajo realizado durante la carrera de escape y el trabajo realizado durante la carrera de admisión. En ciclos reales, hay una diferencia de presión entre las presiones de escape y de entrada.
• Sin pérdida por purga . La pérdida por purga es causada por la apertura temprana de las válvulas de escape. Esto da como resultado una pérdida de producción de trabajo durante la carrera de expansión.
• Sin pérdidas por golpe . La pérdida por soplado es causada por la fuga de gases comprimidos a través de anillos de pistón y otras grietas.
• Sin pérdidas por fricción .

Estas suposiciones y pérdidas simplificadoras conducen al hecho de que el área cerrada (trabajo) del diagrama pV para un motor real es significativamente menor que el tamaño del área (trabajo) encerrada en el diagrama pV del ciclo ideal. En otras palabras, el ciclo ideal del motor sobreestimará el trabajo neto y, si los motores funcionan a la misma velocidad, una mayor potencia producida por el motor real en aproximadamente un 20% (de manera similar al caso del motor Otto).

Viaje de la turbina

Cada turbina de vapor también cuenta con reguladores de emergencia que entran en acción bajo condiciones específicas. En general, un apagado no planificado o de emergencia de una turbina se conoce como un ” viaje de la turbina “. La señal de disparo de la turbina inicia el cierre rápido de todas las válvulas de entrada de vapor  (por ejemplo, válvulas de cierre de la turbina – TSV) para bloquear el flujo de vapor a través de la turbina.

El evento de disparo de la turbina es un transitorio postulado estándar, que debe analizarse en el Informe de análisis de seguridad (SAR) para centrales nucleares.

En un evento de disparo de la turbina, un mal funcionamiento de un sistema de turbina o reactor hace que la turbina se desconecte de la línea deteniendo abruptamente el flujo de vapor hacia la turbina. Las causas comunes de un viaje de turbina son, por ejemplo:

• la velocidad del eje de la turbina aumenta más allá del valor específico (p. ej., 110%) – velocidad excesiva de la turbina
• El equilibrio de la turbina se ve alterado o debido a las altas vibraciones.
• falla del sistema de lubricación
• bajo vacío en el condensador
• viaje manual de turbina de emergencia

Después de un disparo de la turbina, el reactor generalmente se dispara directamente desde una señal derivada del sistema. Por otro lado, el sistema de protección del reactor inicia una señal de disparo de la turbina cuando se produce el disparo del reactor. Dado que aún queda energía en el sistema de suministro de vapor nuclear (NSSS), el sistema de derivación automática de la turbina acomodará el exceso de generación de vapor.

Desde bombas de agua de alimentación hasta generador de vapor

El sistema de bombas de agua de alimentación generalmente contiene tres líneas paralelas ( 3 × 50% ) de bombas de agua de alimentación con cabezales de succión y descarga comunes. Cada bomba de agua de alimentación consiste en el refuerzo y la bomba principal de agua de alimentación . Las bombas de agua de alimentación (generalmente accionadas por turbinas de vapor) aumentan la presión del condensado (~ 1MPa) a la presión en el generador de vapor (~ 6.5MPa).

Las bombas de refuerzo proporcionan la presión de succión de la bomba de agua de alimentación principal requerida. Estas bombas (ambas bombas de agua de alimentación) son normalmente bombas de alta presión (generalmente del tipo de bomba centrífuga ) que toman succión del tanque de almacenamiento de agua del desaireador, que está montado directamente debajo del desaireador, y suministran las bombas de agua de alimentación principales. La descarga de agua de las bombas de agua de alimentación fluye a través de los calentadores de agua de alimentación de alta presión , ingresa a la contención y luego fluye hacia los generadores de vapor .

El flujo de agua de alimentación a cada generador de vapor se controla mediante válvulas reguladoras de agua de alimentación ( FRV ) en cada línea de agua de alimentación. El regulador se controla automáticamente por el nivel del generador de vapor, el flujo de vapor y el flujo de agua de alimentación.

Los calentadores de agua de alimentación de alta presión se calientan por extracción de vapor de la turbina de alta presión, HP Turbine. Los drenajes de los calentadores de agua de alimentación de alta presión generalmente se dirigen al desaireador.

El agua de alimentación ( agua 230 ° C; 446 ° F; 6,5MPa ) se bombea al generador de vapor a través de la entrada del agua de alimentación. En el generador de vapor se calienta el agua de alimentación (circuito secundario) desde ~ 230 ° C 446 ° F hasta el punto de ebullición de ese fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El agua de alimentación se evapora y el vapor presurizado ( vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) sale del generador de vapor a través de la salida de vapor y continúa hacia la turbina de vapor, completando así el ciclo.

Desde bombas de condensado hasta bombas de agua de alimentación: regeneración de calor

El condensado de las bombas de condensado luego pasa a través de varias etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión , en los que la temperatura del condensado aumenta por la transferencia de calor del vapor extraído de las turbinas de baja presión. Por lo general, hay tres o cuatro etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión conectados en la cascada. El condensado sale de los calentadores de agua de alimentación a baja presión a aproximadamente p = 1 MPa, t = 150 ° C y entra al desaireador.. El sistema principal de condensado también contiene un sistema mecánico de purificación de condensado para eliminar impurezas. Los calentadores de agua de alimentación son autorregulables. Significa que cuanto mayor es el flujo de agua de alimentación, mayor es la tasa de absorción de calor del vapor y mayor es el flujo de vapor de extracción.

Hay válvulas de retención en las líneas de extracción de vapor entre los calentadores de agua de alimentación y la turbina. Estas válvulas antirretorno evitan el flujo inverso de vapor o agua en caso de disparo de la turbina, lo que provoca una disminución rápida de la presión dentro de la turbina. Cualquier agua que ingrese a la turbina de esta manera podría causar graves daños a los álabes de la turbina.

Del condensador a las bombas de condensado – Condensación

El condensador principal condensa el vapor de escape de las etapas de baja presión de la turbina principal y también del sistema de descarga de vapor. El vapor agotado se condensa al pasar sobre tubos que contienen agua del sistema de enfriamiento.

La presión dentro del condensador viene dada por la temperatura del aire ambiente (es decir, la temperatura del agua en el sistema de enfriamiento) y por eyectores de vapor o bombas de vacío , que extraen los gases (no condensables) del condensador de superficie y los expulsan a la atmósfera.

La presión de condensador más baja posible es la presión de saturación correspondiente a la temperatura ambiente (por ejemplo, presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C ). Tenga en cuenta que siempre hay una diferencia de temperatura entre (alrededor de ΔT = 14 ° C ) la temperatura del condensador y la temperatura ambiente, que se origina en el tamaño finito y la eficiencia de los condensadores. Como ninguno de los dos condensadores es un intercambiador de calor 100% eficiente, siempre hay una diferencia de temperatura entre la temperatura de saturación (lado secundario) y la temperatura del refrigerante en el sistema de enfriamiento. Además, existe una ineficiencia en el diseño, que disminuye la eficiencia general de la turbina. Idealmente, el vapor extraído al condensador no tendría subenfriamiento. Pero los condensadores reales están diseñados para subenfriar el líquido unos pocos grados centígrados para evitar la cavitación por succión en las bombas de condensado. Pero, este subenfriamiento aumenta la ineficiencia del ciclo, porque se necesita más energía para recalentar el agua.

El objetivo de mantener la presión de escape de turbina práctica más baja es una razón principal para incluir el condensador en una central térmica. El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor, lo que resulta en un aumento significativo en el trabajo neto y la eficiencia térmica. Pero también este parámetro (presión del condensador) tiene sus límites de ingeniería:

• Disminuir la presión de escape de la turbina disminuye la calidad del vapor (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados ​​a las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad .
• Disminuir la presión de escape de la turbina aumenta significativamente el volumen específico de vapor extraído, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor.

En una turbina de vapor húmedo típica , el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Tenga en cuenta que la presión dentro del condensador también depende de las condiciones atmosféricas ambientales:

• temperatura del aire, presión y humedad en caso de enfriamiento a la atmósfera
• temperatura del agua y caudal en caso de enfriamiento en un río o mar

Un aumento en la temperatura ambiente provoca un aumento proporcional en la presión del vapor agotado ( ΔT = 14 ° C suele ser una constante), por lo tanto, la eficiencia térmica del sistema de conversión de energía disminuye. En otras palabras, la salida eléctrica de una planta de energía puede variar con las condiciones ambientales , mientras que la energía térmica permanece constante.

El vapor condensado (ahora llamado condensado) se recoge en el pozo del condensador. La fuente de agua caliente del condensador también proporciona una capacidad de almacenamiento de agua, que se requiere para fines operativos como la distribución del agua de alimentación. El condensado (líquido saturado o ligeramente subenfriado) se entrega a la bomba de condensado y luego se bombea mediante bombas de condensado al desaireador a través del sistema de calentamiento del agua de alimentación. Las bombas de condensado aumentan la presión generalmente a aproximadamente p = 1-2 MPa. Por lo general, hay cuatro bombas centrífugas de condensado de un tercio de capacidad con cabezales de succión y descarga comunes. Normalmente hay tres bombas en funcionamiento con una en la copia de seguridad.

Esquema de una turbina de vapor de un PWR típico de 3000MWth.

De las válvulas de turbina al condensador: expansión

Estas líneas principales de vapor están unidas de forma cruzada (por ejemplo, a través de un tubo colector de vapor) cerca de la turbina para garantizar que la diferencia de presión entre cualquiera de los generadores de vapor no exceda el valor específico, manteniendo así el equilibrio del sistema y asegurando la eliminación uniforme del calor del sistema de refrigeración del reactor ( RCS). El vapor fluye a través de las válvulas principales de aislamiento de la línea de vapor (MSIV), que son muy importantes desde el punto de vista de la seguridad, hacia la turbina de alta presión. Directamente en la entrada de la turbina de vapor, hay válvulas de mariposa de ventanilla y válvulas de control . El control de la turbina se logra variando estas aberturas de las válvulas de la turbina. En caso de un viaje de turbina, el suministro de vapor debe aislarse muy rápidamente, generalmente en una fracción de segundo, por lo que las válvulas de cierre deben funcionar de manera rápida y confiable.

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) de un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (MSR – punto D). El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan producirse en las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad.. El alto contenido de gotas de agua puede causar el impacto rápido y la erosión de las cuchillas que ocurre cuando el agua condensada se lanza sobre las cuchillas. Para evitar esto, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina. El vapor libre de humedad se sobrecalienta mediante el vapor de extracción de la etapa de alta presión de la turbina y el vapor directamente de las líneas de vapor principales.

El vapor de calefacción se condensa en los tubos y se drena al sistema de agua de alimentación. El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado luego se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Las etapas de alta y baja presión de la turbina generalmente están en el mismo eje para impulsar un generador común, pero tienen casos separados. El generador principal produce energía eléctrica, que se suministra a la red eléctrica.

Esquema de una turbina de vapor de un PWR típico de 3000MWth.

De la caldera a las líneas principales de vapor – Evaporación

El sistema de conversión de potencia de PWR típico  comienza en los generadores de vapor  (caldera) en sus lados de la carcasa. Los generadores de vapor son intercambiadores de calor utilizados para convertir el agua de alimentación en vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . El agua de alimentación (circuito secundario) se calienta desde ~ 230 ° C 500 ° F (fluido precalentado por regeneradores) hasta el punto de ebullición de ese fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El calor se transfiere a través de las paredes de estos tubos al refrigerante secundario de baja presión ubicado en el lado secundario del intercambiador donde el refrigerante se evapora a vapor presurizado ( vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa). El vapor saturado sale del generador de vapor a través de una salida de vapor y continúa hacia las líneas principales de vapor y más allá hacia la turbina de vapor .

Estas líneas principales de vapor están unidas de forma cruzada (por ejemplo, a través de un tubo colector de vapor) cerca de la turbina para garantizar que la diferencia de presión entre cualquiera de los generadores de vapor no exceda el valor específico, manteniendo así el equilibrio del sistema y asegurando la eliminación uniforme del calor del sistema de refrigeración del reactor ( RCS). El vapor fluye a través de las válvulas principales de aislamiento de la línea de vapor (MSIV), que son muy importantes desde el punto de vista de la seguridad, hacia la turbina de alta presión. Directamente en la entrada de la turbina de vapor, hay válvulas de mariposa de ventanilla y válvulas de control . El control de la turbina se logra variando estas aberturas de las válvulas de la turbina. En caso de un viaje de turbina, el suministro de vapor debe aislarse muy rápidamente, generalmente en una fracción de segundo, por lo que las válvulas de cierre deben funcionar de manera rápida y confiable.