Combustió i Turbomàquines Tèrmiques

ENGINYERIA INDUSTRIAL
COMBUSTIÓ
TURBOMÀQUINES
TÈRMIQUES
i
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25113 Combustió i Turbomàquines Tèrmiques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A. d edata 8/06/05
1
Crèdits: 6 ( 3 teoria + 3 pràctiques)
Crèdits ECTS: 4,8
Tipus
Coordinador: RAMON CARRERAS PLANELLS (carreras@mmt.upc.edu)
Altres Professors: ANGEL COMAS (comas@mmt.upc.edu)
Departament: Màquines i Motors Tèrmics
Presentació
Coneixements previs
Termodinàmica. Enginyeria Tèrmica i de Fluids.
Camps professionals
Enginyeria termoenergètica. Combustió industrial. Predicció i minimització de l’emissió contaminants
produïts per la combustió. Plantes de cogeneració. Plantes de potència basades en turbines de vapor
i de gas.
Relació amb altres assignatures
Aprofundiment en els aspectes de disseny i de funcionament de les turbomàquines tèrmiques
tractades a l’assignatura Enginyeria Tèrmica i de Fluids. Aplicacions de conceptes tractats a
Termodinàmica i a Termotècnia.
Objectius generals
Aprendre a modelitzar sistemes de combustió amb diferents graus d’aproximació i des d’una vessant
essencialment termoquímica i energètica. Aplicar alguns dels conceptes a l’anàlisi i diagnosi del
disseny i del comportament de turbomàquines tèrmiques.
Temari
Mòdul 1 : Els reactius el combustible i l’aire atmosfèric
Tema 1.1: Composició de l’aire atmosfèric. Aire estàndar i aire real. Expressions útils per
expressar la composició de l’aire sec i de l’aire humit. L’aire com a comburent. Conseqüències
de la altitud. (1h)
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25113 Combustió i Turbomàquines Tèrmiques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A. d edata 8/06/05
2
Tema 1.2: Combustibles. Classificació dels combustibles industrials (A, B, C, D). Propietats
físiques i termoquímiques dels combustibles: Composició, densitat, volatilitat, viscositat, poder
calorífic. Especificacions de Gasoli, Fueloli, Gasolina, Gasos de 1ª,2ª i 3ª família. Criteris
d’intercanviabilitat de gasos. Biocombustibles. (2h)
Mòdul 2 ; Combustió
Tema 2.1 Introducció a l’estudi de la combustió: La combustió en el marc de les transformacions
energètiques. Maneres de tractar la combustió: Estequiometria, energètica, cinètica, mecànica i
dinàmica. (1h)
Tema 2.2 La reacció de combustió. Procés de referència i processos generals de mescles riques
i pobres. Factor d’aire. Aplicacions a la predicció i a la diagnosi.
Combustió amb aire humit. Combustió amb recirculació de gasos d’escapament, combustió amb
aire enriquit. Altres comburents. Resolució de problemes de combustió completa amb Programa i
amb full de càlcul. Fonament dels mètodes gràfics.
Diagnosi amb analitzadors.
Aspectes mediambientals: Emissions de CO2 i de SO2 d’una central tèrmica en funció del
combustible cremat. (2h)
Tema 2.3 Energètica de la combustió (I)
Repas d’alguns conceptes per a la termoquímica de la combustió: Entalpies. Estats estàndard de
referència en termoquímica. Poders calorífics superior i inferior.
Aspectes mediambientals: Emissions específiques de CO2 (kg/kJ) de diferents combustibles.
Funció U(T) y H(T) d’un gas ideal. Conveni termoquímic a l’escala de entalpía. Entalpía de una
mescla de gasos ideals.
Bases de dades de propietats termodinàmiques i termoquímques d’interès en combustió NISTJANAF. Ajustos polinòmics "NASA". Estimació de propietats amb les fòrmules de Benson
d’additivitat de propietats de grups moleculars. Programa THERGAS. Activitat web: Cercar
propietats termoquímiques en el "webbook" i a d’altres pàgines (2h)
Tema 2.4 Energètica de la combustió (II)
La funció S(T) d’un gas ideal. La entropia d’una mescla de gasos. Aplicació a la determinació de
la entropia de l’aire o d’uns productes de combustió.
Constant d’equilibri de formació Kpf i la seva utilitat. Constants d’equilibri Kp i la seva obtenció a
partir de les Kp de formació o a partir de la energia lliure de reacció. (1h)
Tema 2.5 Aspectes tèrmics de la combustió
Criteris tècnics per avaluar un sistema combustible - motor de combustió. Consumo específic de
combustible. Relació amb el rendiment tèrmic (efectiu). Interpretació del concepte de rendiment
efectiu y dels seus límits. El motor adiabàtic ? (1h)
La combustió adiabàtica com procés de referència. Temperatura adiabàtica de combustió
completa. Exemples d’aplicació: Combustió tècnica amb excés d’aire. Alliberant hipòtesi:
Combustió no adiabàtica . Combustió "incompleta": Reaccions dels productes de combustió y
dissociacions. Selecció d’espècies. Equilibri químic i composició d’equilibri a una temperatura y
pressió dada. Plantejament del sistema de equacions per a l’obtenció de la composició de
equilibri. (1h)
Diagrames entàlpics: entalpia de reactius i entalpía de productes en funció de la temperatura i el
seu ús conceptual. Temperatura Adiabàtica de Combustió en Equilibri. Tècniques de resolució i
algorismes de càlculo. Exemple introductori: Resolución de un sistema O/H y de un sistema N/H.
(1h)
Resolució de problemes complexes amb programaris: IVTANTHERMO, REAL, EQS4WIN i Gaseq
(1h).
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25113 Combustió i Turbomàquines Tèrmiques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A. d edata 8/06/05
3
Uso de l’entropía en el càlcul de processos de referència de compressió/expansió de mescles
reactives. Expansió congelada (frozen) vs. expansió desplaçant (shifting)
Expansió real: Situacions de no equilibri controlades por la cinètica química. 1h
Total tema 2,5: 5h
Problema de síntesi: Estudi de l’operació del motor principal del “Space Shuttle”.
Tema 2.6 La cinètica química i els productes de combustió
Combustió en equilibri vs. combustió controlada por la cinètica química.
Repàs de conceptes bàsics de cinètica química: Velocitat de reacció. Molecularitat i ordre de
reacció. Velocitat de reacció en funció de las concentracions i en funció de las pressions parcials.
Constant de velocitat y temperatura de reacció. Coordenada de reacció y energia d’activació.
Equacions de velocitat de reacció. Mecanismes de reacció: reacciones elementals simultànies y
consecutives. Programari NIST kinetics i IBM.
Aplicació 1. Combustió d’H2 i de CO. 2. Combustió del metà.
Cinètica química aplicada a l’estudi de la gènesis i a l’emissió de contaminants en processos de
combustió.
Aplicació 2. Emissions d’ òxids de nitrogen. NO tèrmic. NO del combustible. NO brusc. (“prompt”).
Mecanisme de formació del NO tèrmic. Model de Zeldovich ampliat. Resolució numèrica:
Programa CINETICA NO. Anàlisi de los resultats. Situació de la cinètica del NO en las
condiciones inicials. Situació de la cinètica en condiciones d’equilibri.
Estratègies per a la minimització de l’emissió d’òxids de nitrogen: Aplicació a motors de
combustió interna, turbines de gas i cremadors. Ús de catalitzadors.
Combustions d’hidrocarburs/aire i simplificació mitjançant equacions globals. (3h)
Tema 2.7 Estats transitoris: Ignició i extinció
Ignició espontània i ignició provocada. Anàlisi de la ignició tèrmica. Mode (criteri) d’ignició tèrmica.
Límits d’inflamabilitat. Ignició per guspira. Ignició par reacció en cadena. Extinció de flames. (1h)
Tema 2.8 Aspectes mecànics de la combustió.
Fenomenologia de les flames de gasos premesclats i flames de difusió.
Flames premesclades: modelització de la velocitat laminar de flama. Teoria tèrmica. Dependència
amb temperatura, pressió, dosificació i diluents. Determinació experimental (tècniques de
laboratori).
Flames turbulentes. Estabilitat de la flama.
Combustió heterogènia de gotes de combustible, combustió de sòlids vaporitzables. Exemples
d’aplicació. (2h)
Tema 2.10 Equips
Exemples i descripció de cambres de combustió tancades i cambres de combustió obertes.
Cremadors. (1h)
Mòdul 3 ; Turbines de gas
Tema 3.1 Diferències entre cicles ideals de Brayton i els cicles reals de les turbines de gas.
Procediments per la correcció de les discrepàncies. Rendiments isoentròpics i politròpics de
compressors i turbines. Optimització dels cicles reals.
Predicció de la dosificació necessària de combustible.
Us de programaris: “GasTurbine”, “BraytonCycle”, etc. (2h)
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25113 Combustió i Turbomàquines Tèrmiques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A. d edata 8/06/05
4
Tema 3.2 Elements característics de las turbines de gas 1. Cambres de combustió i el seu
dimensionat. Estabilització de la flama. Caiguda de pressió. Pèrdues. Qualitat d’actuació.
Intensitat energètica. (1h)
Tema 3.3 Elements característics de las turbines de gas 2. Disseny tèrmic dels aleps i de la
seva refrigeració. (1h)
Tema 3.4 Optimització d’un esglaonament. Ús de programari. (2h)
Tema 3.5 Aprofitament dels gasos d’escapament de les turbines de gas. Combustió
sequencial, cogeneració i cicles combinats. (1h)
Mòdul 4 ; Turbines de vapor
Tema 4.1 Turbines de vapor de contrapressió de fluxe axial monoetapa i multitapa. Roda
“Curtis”. Estudi d’un esglaonament de turbina axial amb pèrdues. (2h)
Tema 4.2 Dimensionat i disseny d les toveres i dels aleps. Aleps torsionats. (1h)
Tema 4.3 Avantprojecte de turbina de vapor multiesglaonada. (3h)
Objectius específics dels mòduls
n
Mòdul 1 Conèixer les propietats d’interès termoquímic de l’aire i dels combustibles comercials i
el concepte d’especificacions tècniques dels combustibles en relació amb la seva aplicació.
n
Mòdul 2 Donar les bases dels processos de combustió de referència. Conèixer les hipòtesi de
treball de cada procés de referència i com es van alliberant per abordar els problemes més
generals. Establir les interaccions entre el procés de combustió i l’equip que l’aprofita
energèticament. Deduir comportament a partir de l’anàlisi paramètrica.
n
Mòdul 3 Ampliar els conceptes que es van introduir en assignatures que han tractat les
màquines tèrmiques com a sistemes ideals per obtenir resultats mes propers a la realitat.
Conèixer i aprendre utilitzar programaris per a poder fer simulacions de plantes basades amb
turbina de vapor.
n
Mòdul 4 Ampliar els conceptes que es van introduir en assignatures que han tractat les
màquines tèrmiques com a sistemes ideals per obtenir resultats mes propers a la realitat. Relació
entre la fluidodinàmica i el disseny geomètric i del punt d’operació de les turbines de gas.
Coneixer l’ús de programaris específics.
Metodologia de treball
Es treballen a classe els diferents mòduls i es reforcen els coneixements amb la resolució i discussió
de casos pràctics. S’intenta fer la classe participativa.
Sessions teoria, problemes
Classes magistrals acompanyades de sistemes de projecció (Transparències, powerpoint, videos,
etc.) on es van alternant les bases teòriques amb la resolució numèrica de problemes pràctics.
S’aborden problemes més extensos orientats a la recapitulació. Es proposen treballs a realitzar pels
alumnes, eventualment en grups.
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25113 Combustió i Turbomàquines Tèrmiques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A. d edata 8/06/05
5
Pràctiques, laboratoris
L’assignatura contempla diferents tipus d’activitats pràctiques: a) Resolució guiada de problemes. b)
resolució de casos amb el suport d’aplicatius informatics. c) demostracions de laboratori (presa de
dades i obtenció de resultats).
n Pràctica 1: Propietats físiques de combustibles. Determinació de volatilitat d’una gasolina ASTM
D-86 i Reid. Viscositat d’un oli.
n Pràctica 2: Determinació del poder calorífic d’un combustible.
n Pràctica 3: Anàlisi dels gasos de combustió d’un cremador acoblat a una caldera. Diagnosi del
funcionament.
n Practica 4: Programes informàtics: IVTANTHERMO, REAL, Equil. Resolució de casos reals.
n Pràctica 5: Programes informàtics de cinètica química aplicada a la combustió.
n Pràctica 6: Càlculs de cicles reals de turbines de gas. Programes GasTurbine i Thermoptim.
n Practica 7. Disseny d’esglaonament de turbina de gas. Programes FIPSI, Cascade, etc. de Lewis.
n Pràctica 7. Avantprojecte de turbina de vapor.
Mòdul
Mòdul 1: Els reactius el combustible i l’aire atmosfèric.
Mòdul 2: Combustió
Mòdul 3: Turbines de gas
Mòdul 4: Turbines de vapor
Temps
d’estudi
3h
Temps
total
6h
18 h
36 h
54 h
7h
6h
18 h
15 h
25 h
21 h
Temps de
Classe
3h
Importància i dificultat dels mòduls
Els mòduls 1 i 2 són autosuficients. El mòdul 2 proporciona els coneixements necessaris per al
tractament de la combustió controlada a les cambres de combustió de les turbines a gas. El mòdul 4
és autosuficient i permet entrar en aspectes de disseny geomètric i mecànic dels aleps no tractats a
les turbines de gas.
Materials
Es proporcionen els texts de la majoria dels temes amb còpia en format pdf i en paper.
Es proporcionen els programaris o el lloc per a la seva obtenció.
Els texts font més rellevants es presenten a classe.
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25113 Combustió i Turbomàquines Tèrmiques. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A. d edata 8/06/05
6
Bibliografia bàsica
Stephen R. Turns. An introduction to combustion, McGraw Hill (1996).
J. Chomiak Combustion A study in theory fact and aplication. Abacus Press (1990)
G. Borman i K W. Ragland .Combustion Engineering. Mc Graw Hill (1998)
R.I. Lewis Turbomachinery Performance Analysis. Arnold (1996)
F. Dietzel. Dampfturbinen Hanser (1980)
Cohen et al. Gas Turbines. Longman
Avaluació
L’avaluació es farà fonamentant-se en una primera avaluació a1N1p del mòdul 1 i 2 i una segona
avaluació a2N2p dels mòduls 3 i 4. Aquestes proves seran escrites (tipus problemes) realitzades
individualment amb material de consulta, calculadora, etc. Les dues tindran igual pes: a1= a2 = 0,4.
L’alumnat també presentarà un treball personal consistent en la resolució d’un exercici pràctic
proposat a3Nep que es resoldrà fent ús d’un dels programes informàtics tractats a l’assignatura.
N f = 0,4 N1p + 0,4 N2p + 0,2 Nep
Nf : Nota final
N1p : Nota 1r parcial (mòduls 1 i 2)
N1p : Nota 2n parcial (mòduls 3 i 4)
Nep : Nota exercicis pràctics