BOLETÍN DE PROBLEMAS · PROCESOS ENERGÉTICOS · 2º MINAS Ciclos de turbina de gas
4.1. Una turbina de gas industrial funciona según el ciclo ideal Brayton. Presión y temperatura atmosféricas 1 bar y 12°C; relación de presiones e=5. La combustión se regula de manera que la temperatura a la entrada de la turbina se mantiene a 650°C. Se supondrá que el fluido de trabajo en todo el ciclo es aire. Determinar: Determinar: a) Los valores de p, v y T en los cuatro puntos fundamentales del ciclo. b) Trabajo neto del ciclo. c) Rendimiento térmico del ciclo. Si a la turbina de gas se le añade un regenerador, que se supondrá funciona idealmente con la máxima eficiencia, permaneciendo los cuatro puntos principales del diagrama invariables, calcular: d) Calor intercambiado y calor adicionado y cedido al exterior. e) Rendimiento térmico del ciclo regenerativo. R: b) 174,5 kJ/kg c) 36,86%
d) 131,75; 341,65; 167,15 kJ/kg
e) 51,08%
4.2. La instalación de la figura, está formada por un compresor de doble etapa que alimenta a una turbina de gas. El compresor, que opera en estado estacionario, comprime 10 m 3/min de aire desde 1 bar y 300 K, hasta 10 bar. Un refrigerador entre las dos etapas, enfría el aire hasta 300 K a presión constante de 3 bar. Las etapas de compresión tienen un rendimiento isoentrópico del 85%. La entrada a la turbina es de 1300 K y tiene un rendimiento isoentrópico del 87%, siendo la efectividad del regenerador del 80%. Calcular: a) Rendimiento térmico. b) Calor absorbido en kW. c) Potencia neta desarrollada. R: a) 44,5%
1
C
2
b) 118,3
3
c) 52,6 kW.
C
4
8
5
6
Caldera
T
7
Regenerador 4.3. La instalación de la figura aprovecha el calor procedente de un caudal de humos a alta temperatura, disponiendo para ello de dos ciclos termodinámicos con las siguientes características: (A) Fluido de trabajo, aire: p1 = 1 bar, t 1 = 20°C, p2 = 7 bar, t3 = 800°C, t5 = 40°C. Puntos 1-2-3-4-5. (B) Fluido de trabajo, agua: t6 = t8 = 600°C, p6 = 120 bar, p8 = 30 bar, p9 = 0,029824 bar. Puntos 6-7-8-9-10-11-12. Puntos 10 y 12: líquido saturado.
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Despreciando el trabajo en la bomba, calcular: a) Diagramas T-s para el agua y el aire. b) Relación entre los flujos másicos de aire y agua. c) Rendimiento térmico global de la instalación. d) Potencia obtenida si el calor absorbido total Q 1 es de 1 MW. R: b) 4,53
c) 57,4%
d) 574 kW
Q1
Humo C
T 2
3
A
1
T
4
6
T 7
8
B
12
9
Q2´
5
11
10
Q2´´
4.4. Una turbina de gas funciona según el ciclo Brayton, utilizando un regenerador para aprovechar la alta temperatura de los gases de escape, y siendo la temperatura del aire que se precalienta en el mismo de 600ºC. El compresor funciona en dos etapas con un rendimiento del 92% según la relación óptima de presiones. La turbina también funciona en dos etapas pero con un rendimiento del 94% y siendo la presión intermedia de 5 bar. Las condiciones de entrada del aire de admisión en el compresor son de 1 bar y 20ºC, y las condiciones de entrada de los gases de combustión en la turbina son de 16 bar y 1200ºC. Tanto en la refrigeración como en el calentamiento intermedio se alcanzan los valores máximos. Calcular, tomando el calor específico del aire como c p=1,004 kJ·kg-1·K-1, tanto el rendimiento del regenerador como el rendimiento térmico del ciclo. R: a) 82,6%
b) 59,7%
4.5. En un ciclo Brayton regenerativo, se comprime aire en dos etapas desde una presión y temperatura iniciales de 1 bar y 27ºC, respectivamente, hasta 16 bar según la relación óptima de presiones y siendo la refrigeración intermedia entre ambas etapas máxima. A continuación,
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el aire comprimido se recalienta en el regenerador –absorbiendo calor de los gases de escapehasta una temperatura de 347ºC, entrando posteriormente en la cámara de combustión, donde los gases de combustión salen con una temperatura máxima de 927ºC. Éstos se expansionan en una primera etapa hasta una presión de 2,4 bar, recalentándose después hasta una temperatura de 577ºC. Sabiendo que tanto la compresión en dos etapas como la expansión en dos etapas son isoentrópicas, determinar: a) b) c)
Rendimiento del regenerador. Calor cedido en el ciclo, en kJ/kg. Relación de acoplamiento.
Si el proceso de compresión se realizara ahora en 6 etapas según un proceso politrópico de exponente n=1,5 y con rendimiento isoentrópico del 85%. Determinar: d) e) Datos:
Potencia consumida por este nuevo compresor, en MW, para un flujo másico de 100 kg/s. Calor específico de recalentamiento en cada una de las etapas de compresión. cP=1,004 kJ/kg·K; R: a) 80,6%
b) 334,6
R=0,287 kJ/kg·K c) 42,3%
d) 30,36 MW
e) 8,4
