CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN
En las máquinas de turbinas de gas la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suele ser considerablemente mayor que la del aire que sale del compresor. Por Por lo tanto, el aire de alta presión que sale del compresor puede calentarse transfriéndole calor desde los gases de escape calientes mediante un intercambiador de calor a contraujo, el cual se conoce también como regenerador o recuperador. recuperador. Un esquema de la máquina de turbina de gas que usa un regenerador, así como el diagrama Tm uestran en las fguras, respectiamente. s del nueo ciclo se muestran !a efciencia térmica del ciclo "rayton aumenta como resultado de la regeneración, ya que la porción de energía e nergía de los gases de escape que normalmente se libera #acia los l os alrededores a#ora se usa para precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Esto a su e$ disminuye los requerimientos de entrada de calor %y por ende de combustible& para la misma salida de trabajo neto. 'bsere, sin embargo, que el uso de un regenerador sólo se recomienda cuando la temperatura de escape de la turbina es más alta que la temperatura de salida del compresor. compresor. (e otro modo, el calor uirá en la dirección inersa %hacia los gases de escape& y la efciencia se reducirá. Esta situación se encuentra en las máquinas de turbina de gas que operan con relaciones de presión muy altas. !a temperatura más alta que ocurre dentro del regenerador es T ), ), que es la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina y entran al regenerador. "ajo ninguna condición el aire ai re puede precalentarse en el regenerador #asta una temperatura superior a este alor. alor. El aire normalmente sale del regenerador a una temperatura menor, T *. *. En el caso límite %ideal&, el aire sale del regenerador a la temperatura de entrada de los gases de escape T ). ). +uponga que el regenerador está bien aislado y que cualquier cambio en las energías cinética y potencial es e s insignifcante, las transerencias de calor
reales y má-imas de los gases de escape #acia el aire pueden e-presarse como
Y
El alcance al que un regenerador se apro-ima a un regenerador ideal se llama eicacia o eectiidad y se deine como
Cuando se utilizan las suposiciones de aire estándar frío, ésta se reduce a
(iagrama /0s de un ciclo "rayton con regeneración.
Un regenerador con una efcacia más alta obiamente a#orrará una gran cantidad de combustible porque precalentará el aire a una temperatura más eleada antes de la combustión. +in embargo, lograr una mayor efcacia requiere el uso de un regenerador más grande, lo que implica un precio superior y causa una caída de presión más grande. Por lo tanto, el uso de un regenerador con una efcacia muy alta no puede justifcarse económicamente a menos que los a#orros en costos de combustible superen los gastos adicionales inolucrados. !a mayoría de los regeneradores utili$ados en la práctica tienen efcacias por debajo de 1.2*. "ajo las suposiciones de aire estándar río, la efciencia térmica de un ciclo "rayton ideal con regeneración es
Por consiguiente, la efciencia térmica de un ciclo "rayton con regeneración depende de la relación entre las temperaturas mínima y má-ima, así como de la relación de presión. !a efciencia térmica se grafca en la fgura 30)1 para diersas relaciones de presión, así como para relaciones de temperatura mínima a má-ima. En dic#a fgura se muestra que la regeneración es más eectia con relaciones de presión ineriores y bajas relaciones de temperatura mínima a má-ima.
Efciencia térmica de un ciclo "rayton ideal con y sin regeneración.
454!' "678/'9 4'9 59/E6E9:657;5E9/', 6E47!E9/7;5E9/' 8 6E es decir, usando compresión en etapas m?ltiples con interenriamiento. 4uando el n?mero de etapas aumenta, el proceso de compresión se apro-ima al proceso isotérmico a la temperatura de entrada del compresor y el trabajo de compresión disminuye
(e igual modo, la salida de trabajo de una turbina que opera entre dos nieles de presión aumenta al e-pandir el gas en etapas y recalentarlo entre éstas> es decir, si se utili$a e-pansión en m?ltiples etapas con recalentamiento. Esto se llea a cabo sin que se elee la temperatura má-ima en el ciclo. 4uando aumenta el n?mero de etapas, el proceso de
e-pansión se apro-ima al proceso isotérmico. El argumento anterior se basa en un principio simple@ el trabajo de compresión o e-pansión de ujo estacionario es proporcional al olumen específco del uido. Por lo tanto, el olumen específco del uido de trabajo debe ser lo más bajo posible durante un proceso de compresión y lo más alto posible durante un proceso de e-pansión. Esto es precisamente lo que logran el interenriamiento y el recalentamiento. !a combustión en las turbinas de gas ocurre com?nmente con cuatro eces la cantidad requerida de aire para la completa combustión, para eitar temperaturas e-cesias. Por lo tanto, los gases de escape son ricos en o-ígeno y el recalentamiento puede lograrse sencillamente rociando combustible adicional en los gases de escape entre dos estados de e-pansión. El uido de trabajo sale del compresor a una temperatura menor, mientras que de la turbina lo #ace a una temperatura más alta, cuando se usa interenriamiento y recalentamiento. Esto #ace que la regeneración sea más atractia dado que e-iste un mayor potencial para reali$arla. /ambién, los gases que salen del compresor pueden calentarse a una temperatura más alta antes de que entren a la cámara de combustión debido a la temperatura más eleada del escape de la turbina.
En la fgura anterior, se presentan un esquema del arreglo ísico y el diagrama /0s de un ciclo de turbina de gas de dos etapas con interenriamiento, recalentamiento y regeneración. El gas entra a la primera etapa del compresor en el estado A, se comprime de modo isentrópico #asta una presión intermedia PB> se enría a presión constante #asta el estado C %/C D /A&, y se comprime isentrópicamente en la segunda etapa #asta la presión fnal P). En el estado ) el gas entra al regenerador, donde se calienta #asta /* a presión constante. En un regenerador ideal, el gas saldrá de éste a la temperatura del escape de la turbina, es decir, /* D /3. El proceso de adición de calor %o combustión& primario toma lugar entre los estados * y . El gas entra a la primera etapa de la turbina en el estado y
se e-pande isentrópicamente #asta el F, donde entra al recalentador. 7#í se recalienta a presión constante #asta el estado 2 %/2 D /&, donde pasa a la segunda etapa de la turbina. El gas sale de la turbina en el estado 3 y entra al regenerador, donde se enría #asta el estado A1 a presión constante. El ciclo se completa cuando el gas se enría #asta el estado inicial %o al purgar los gases de escape&. En el capítulo F se demostró que la entrada de trabajo en un compresor de dos etapas se minimi$a cuando se mantienen relaciones de presión iguales en cada etapa. Puede demostrarse que este procedimiento también ma-imi$a la salida de trabajo de la turbina. 7sí, para el mejor desempeGo tenemos
En el análisis de los ciclos reales de turbina de gas, las irreersibilidades que están presentes dentro del compresor, la turbina y el regenerador, así como las caídas de presión en los intercambiadores de calor, deben ser consideradas. !a relación del trabajo de retroceso de un ciclo de turbina de gas mejora debido al interenriamiento y el recalentamiento. +in embargo, esto no signifca que la efciencia térmica también mejorará. El #ec#o es que el interenriamiento y el recalentamiento siempre disminuirán la efciencia térmica a menos que estén acompaGados de la regeneración. Esto se debe a que el interenriamiento disminuye la temperatura promedio a la cual se aGade el calor, y el recalentamiento aumenta la temperatura promedio a la cual el calor se rec#a$a. Esto es eidente en la fgura.
Por lo tanto, en centrales eléctricas de turbina de gas, el interenriamiento y el recalentamiento se utili$an siempre en conjunción con la regeneración. +i el n?mero de etapas de compresión y e-pansión aumenta, el ciclo ideal de turbina de gas con interenriamiento, recalentamiento y regeneración se apro-ima al ciclo Ericsson, como se ilustra en la fgura,
y la efciencia térmica se apro-imará al límite teórico %la efciencia de 4arnot&. +in embargo, la contribución de cada etapa adicional a la efciencia térmica es cada e$ menor y el uso de más de dos o tres etapas no puede ser justifcado económicamente.
"5"!5'<67:H7 I
/ermodinámica Fma ed. 8unes 7. 4engel, ;ic#ael 7. "oles
I
/ermodinámica Bda ed. Jan Kylen
I
LLL.p#ysicsacademy.com