INGENIERÍA TÉRMICA
TEMA 6. INGENIERÍA TÉRMICA. Tema 6. Ciclos de potencia de gas.
Ingeniería en Tecnologías Industriales
CICLOS DE POTENCIA DE GAS CICLO BRAYTON: EL CICLO IDEAL DE LAS TURBINAS DE GAS Hoy día sólo usado en aquellas turbinas de gas donde la compresión y expansión se dan en dispositivos rotativos. Normalmente operan en un ciclo abierto. aumentan P y T.
Este aire a alta P entra en la cámara de combustión donde se quema el combustible a P=cte.
Estos
gases a alta temperatura entran en la turbina, donde se expanden hasta presión atmosférica realizando un trabajo.
Ciclo abierto en turbinas de gas.
Los gases de escape abandonan la turbina. CICLO ABIERTO
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS El ciclo abierto se puede modelar como un ciclo cerrado (bajo suposiciones de aire estándar) en el que: El proceso de combustión se sustituye por un proceso de adción de calor a P=cte desde una fuente externa. El
proceso de escape se sustituye por un proceso de rechazo de calor a P=cte hacia el aire ambiente.
CICLO IDEAL BRAYTON
1-2 Compresión isoentrópica (en compresor) 2-3 Adición de calor a P constante 3-4 Expansión isoentrópica (en turbina) 4-1 Rechazo de calor a P constante
Ciclo cerrado en turbinas de gas. INGENERÍA TÉRMICA | Tema 6. Ciclos de potencia de gas
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS Todos los procesos se ejecutan en dispositivos de flujo estacionario Ecuaciones de FLUJO ESTACIONARIO Si se desprecian términos de energía cinética y potencial, el balance de energía se expresa:
Transferencia de calor al fluido de trabajo:
Transferencia de calor desde el fluido de trabajo:
Rendimiento térmico (bajo suposiciones aire frío estándar):
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS Como los procesos 1-2 y 3-4 son isoentrópicos y se cumple P 2=P3 y P4=P1:
Relación de presión
En un ciclo Brayton ideal la eficiencia térmica aumenta cuanto mayor es la relación de presión y mayor K tenga el fluido. Esto es cierto también para un ciclo Brayton real.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS La
temperatura máxima del ciclo (al final de la combustión , T3), está limitada por la máxima temperatura que soportan los álabes de la turbina. Esto limita el r p que puede utilizarse.
Para
una T3 dada, el trabajo neto de salida aumen a a aumen ar a rp as a egar a un máximo y luego decrece. Se llega a un compromiso y se manejan normalmente valores rp entre 11 y 16. El aire en turbinas de gas:
Oxidante necesario para la combustión.
Actúa de refrigerante manteniendo la T de varios componentes dentro de los márgenes de seguridad.
Suelen usarse AC≥50.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS Para
el análisis del ciclo, el tratar los gases de escape como aire no lleva a un error significativo.
Asumir
un flujo de aire constante lleva a resultados conservativos para idealizar el ciclo abierto de turbinas de gas. El
flujo de masa a través de la turbina es la suma del flujo másico de a través del compresor más el flujo másico de combustible.
Las dos aplicaciones pincipales de turbina de gas:
Propulsión aeroespacial.
Generación de energía eléctrica. Plantas estacionarias de generación de energía eléctrica Plantas combinadas con plantas de potencia de vapor. Plantas de potencia nuclear (otros gases más seleccionados: He, etc)
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS Las dos aplicaciones pincipales de turbina de gas: Propulsión aeroespacial. La turbina de gas produce suficiente potencia para alimentar el compresor y un pequeño generador (equipos auxiliares). Los humos de escape salen a una elevada velocidad y producen el empuje necesario para impulsar la aeronave.
. Centrales eléctricas estacionarias (unidades independientes) Plantas combinadas con plantas de potencia de vapor (lado de alta temperatura) Centrales nucleares de ciclo cerrado (otros gases: He, etc)
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS En centrales eléctricas de turbina de gas:
Las turbinas utilizadas en centrales de turbina de gas son de mayor tamaño que las de centrales de turbina de vapor que poseen igual salida de potencia neta.
Relación de trabajo de retroceso : relación entre el trabajo del compresor y el trabajo de la turbina.
Suelen tener valores altos (más del 50%). Gran diferencia con las centrales eléctricas de vapor (% bajos).
otas nava es occ enta es: motores e tur nas e gas para propulsión y para generación de E.eléctrica.
Mayor potencia (para mismo tamaño y peso que diesel o turbina de vapor), alta confiabilidad y larga vida.
Alto consumo de combustible para turbinas de gas que operan en ciclos sencillos: sistemas combinados diesel (baja potencia y crucero de forma eficiente) con turbinas de gas (cuando requieren altas velocidades.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS DESARROLLO DE TURBINAS DE GAS Primer desarrollo en 1930 Gran crecimiento y progreso. Las primeras con bajas eficiencias (bajas eficiencias del compresor, de la turbina y bajas T de entrada a la turbina por limitaciones metalúrgicas) USO LIMITADO
Esfuerzos por mejorar eficiencia del ciclo
Incrementar las temperaturas de entrada (o de quemado) de la turbina. (540ºC----1425ºC)
Incremento de las eficiencias de los componentes de la turbomaquinaria (turbinas, compresores).----- Diseños mejorados aerodinámicos con mínimas pérdidas.
Adición de modificaciones al ciclo básico (interenfriamiento, regeneracion y recalentamiento)----- Mayores costos (compromiso con la disminución en los costos de combustible). INGENERÍA TÉRMICA | Tema 6. Ciclos de potencia de gas
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS DESARROLLO DE TURBINAS DE GAS
Incrementar las temperaturas de entrada (o de quemado) de la turbina. (540ºC----1425ºC)
Desarrollo de nuevos materiales Técnicas de enfriamiento (revestimiento aspas de turbina con capas cerámicas y enfriamiento con aire de descarga del compresor. Aumento de la temperatura de combustión (compensar efecto de enfriar el aire de enfriamiento)
Aumento de la cantidad de NOx (ozono, smog…) Utilización de vapor como refrigerante (transferencia de calor más eficiente que el aire). Se aumentó la T entrada a la turbina en 200ºF sin incrementar la T de combustión. INGENERÍA TÉRMICA | Tema 6. Ciclos de potencia de gas
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS Ejercicio 1. Ciclo Brayton ideal
Una central eléctrica de turbina de gas que opera en un ciclo Brayton ideal tiene una relación de presión de 8. La temperatura del gas es de 300K en la entrada del compresor y de 1300K en la entrada de la turbina. Utilice las suposiciones de aire estándar y determine: a) La temperatura del gas a la salida del compresor y de la turbina. b) Relación del trabajo de retroceso. c) La eficiencia térmica.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS DESVIACIÓN DE LOS CICLOS REALES DE TURBINAS DE GAS EN COMPARACIÓN CON LOS IDEALIZADOS Desviaciones
por irreversibilidades :
1. Caídas de presión en los procesos de adición y rechazo de calor. 2. Pérdidas de calor. 3. Entrada de trabajo real al compresor será mayor. 4. Salida de trabajo real de la turbina será menor
Eficiencia isoentrópica del compresor
Eficiencia isoentrópica de la turbina
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS Ejercicio 2. Ciclo Brayton real
Una central eléctrica de turbina de gas que opera en un ciclo Brayton real tiene una relación de presión de 8. La temperatura del gas es de 300K en la entrada del compresor y de 1300K en la entrada de la turbina. Suponga una eficiencia del compresor del 80% y una eficiencia de la turbina del 85%. Utilice las suposiciones de aire estándar y determine: a) Relación del trabajo de retroceso. b) La eficiencia térmica. c) La temperatura de salida de la turbina .
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN En motores de turbina de gas, la T 4 de salida del gas de la turbina es considerablemente mayor que la T 2 del aire a la salida del compresor. Este aire a alta presión que sale del compresor puede calentarse mediante los gases de escape calientes en un intercambiador de calor a contraflujo (Regenerador o La eficiencia térmica del ciclo Brayton se mejora con la regeneración porque se consume menos combustible para la misma salida de trabajo.
Diagrama T-s diagram de ciclo Brayton cycle con regeneración.
En motores de turbina de gas con relaciones de presión muy altas se consigue el efecto inverso y se pierde eficiencia. Motor de turbina de gas con regeneración INGENERÍA TÉRMICA | Tema 6. Ciclos de potencia de gas
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS Si regenerador bien aislado y Ec≅0 y Ep≅0 Caso real. El aire que sale del regenerador sale a menos de T� Caso ideal. El aire que sale del regenerador sale a T�
Eficacia del regenerador Eficacia del regenerador bajo suposiciones de AIRE FRÍO ESTÁNDAR
Diagrama T-s diagram de ciclo Brayton cycle con regeneración.
La eficiencia térmica depende de la relación entre la mínima y la máxima temperatura así como de la relación de presiones.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS
Un regenerador con alta eficacia ahorrará gran cantidad de combustible.
Regenerador más grande (mayor costo y mayores pérdidas de carga)
Eficiencia térmica de un ciclo ideal Brayton con y sin regeneración.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS Ejercicio 3. Ciclo Brayton con regeneración
Determine la eficiencia térmica de una turbina de gas que opera en un ciclo Brayton real tiene una relación de presión de 8. La temperatura del gas es de 300K en la entrada del compresor y de 1300K en la entrada de la turbina. Suponga una eficiencia del compresor del 80% y una eficiencia de la turbina del 85%. Se instala un regenerador que tiene una eficacia del 80%. Utilice las suposiciones de aire estándar.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN El
trabajo neto en un motor de turbina de gas es la diferencia entre la salida de trabajo de la turbina y la entrada de trabajo en el compresor.
El
trabajo de compresión de un gas entre dos presiones determinadas puede disminuirse si se realiza en etapas y enfriando el gas entre éstas.
COMPRESIÓN EN ETAPAS MÚLTIPLES CON INTERENFRIAMIENTO Cuando nº etapas aumenta: proceso de compresión isotermo a la T de entrada del compresor y el trabajo de compresión disminuye La
salida de trabajo de una turbina que opera entre dos presiones, aumenta al realizar la expansión en etapas y recalentar entre éstas. EXPANSIÓN EN ETAPAS MÚLTIPLES CON RECALENTAMIENTO Cuando nº etapas aumenta: proceso de expansión isotermo.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS
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El trabajo de expansión o compresión de flujo estable es proporcional al volumen específico del fluido. Éste debe ser el más bajo posible en compresión y lo más alto posible en expansión. Rociando combustible adicional en los gases de escape entre dos procesos de expansión. Como la combustión suele darse con 4 veces la cantidad de aire requerida (en turbinas de gas), los gases son muy ricos en O 2.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS El fluido de trabajo sale a una temperatura menos del compresor y a una T más alta de la turbina: Regeneración mas atractiva. Los gases a la salida del compresor pueden calentarse a una T mayor antes de entrar a la cámara de combustión.
Motor de turbina de gas con 2 etapas de compresión con interenfriamiento, 2 etapas de expansión con recalentamiento y regeneración. Esquema físico y diagrama T-s �
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS A
medida que aumenta el número de etapas de compresión/expansión, el ciclo de turbina de gas con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración se aproxima al ciclo Ericsson.
La
eficiencia térmica se aproxima al límite teórico (eficiencia de Carnot). Al ser la contribución de cada etapa adicional a la eficiencia menor ---- Necesario justificar económicamente el nº de etapas óptimo.
La entrada de trabajo en un compresor de dos etapas se minimiza cuando se mantienen relaciones de presión iguales en cada etapa (idem para maximizar la salida de trabajo en una turbina de dos etapas)
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS
Análisis de ciclos reales de turbina de gas. Hay que considerar:
Irreversibilidades (compresor, turbina, regenerador).
Pérdidas de carga en los intercambiadores de calor.
La
relación del trabajo de retroceso mejora con el interenfriamiento y recalentamiento pero ambos disminuyen la eficiencia térmica de la turbina de gas a menos que se acompañen de un proceso de regeneración CENTRALES ELÉCTRICAS DE TURBINAS DE GAS.
El interenfriamiento disminuye la T promedio a la que se añade calor.
El recalentamiento aumenta la T promedio a la que se rechaza calor.
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CICLOS DE POTENCIA DE GAS Ejercicio 4. Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración
Un ciclo de turbina de gas con dos etapas de compresión y otras dos de expansión tiene una relación de presión total de 8. En cada etapa del compresor entra aire a 300K y en cada etapa de la turbina entra a 1300K. Determine la relación de trabajo de retrocesoy la eficiencia térmica de este ciclo de turbina de gas, suponiendo que: a) No hay regeneradores. b) Hay un regenerador ideal con eficacia del 100%. Compare los resultados con los del ejercicio 1.
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