CICLOS DE POTENCIA CON TURBINAS A GAS

En los ciclos reales, el fluido de trabajo consiste principalmente de aire, más

los productos de la combustión como el dióxido de carbono y el vapor de

agua.

Como el gas predominante es aire, sobre todo en los ciclos de las turbinas de

gas, es conveniente examinar los ciclos de trabajo con gas en relación a un

ciclo con aire normal.

Un ciclo con aire normal es un ciclo idealizado que se basa en las siguientes

aproximaciones:

a. El fluido de trabajo se identifica exclusivamente como aire durante todo

el ciclo y el aire se comporta como un gas ideal.

b. Cualquier proceso de combustión que ocurriese en la práctica, se

sustituye por un proceso de suministro de calor proveniente de una

fuente externa.

c. Se usa un proceso de desecho o eliminación de calor hacia los

alrededores para restaurar el aire a su estado inicial y completar el

ciclo.

d. Otra condición adicional que se puede imponer en el estudio, es

considerar los calores específicos CP y CV constantes y medidos a la

temperatura ambiente.

e. Este punto de vista se usa con mucha frecuencia, aunque sus resultados

numéricos pueden ser considerablemente distintos de los que se

obtendrían tomando en cuenta calores específicos variables.

f. La enorme variación de la temperatura en la mayoría de los ciclos de

trabajo con gases, altera considerablemente los valores de CP y

CV durante el ciclo.

g. En la práctica sería deseable emplear información adicional acerca de

los gases reales que se producen en la combustión de los hidrocarburos

mezclados con el aire.

CICLO BRAYTON

En el análisis de los ciclos de turbinas de gas, conviene comenzar usando un

ciclo con aire normal. Un ciclo de turbinas de gas con aire normal y de

compresión y expansión isentrópicas se llama ciclo Brayton

El ciclo Brayton es el ciclo ideal aplicado a las plantas de potencia con turbinas

a gas. Teóricamente está compuesto por cuatro procesos reversibles: Dos

procesos isobáricos y dos procesos isentrópicos.

1-2: Compresión isentrópica en un compresor (WC)

2-3: Adición de calor a presión constante (QA)

3-4: Expansión isentrópica en una turbina (WT)

4-1: Rechazo de calor a presión constante (QB)

En un ciclo de una turbina de gas, se usa distinta maquinaria para los diversos

procesos del ciclo.

Inicialmente el aire se comprime adiabáticamente en un compresor rotatorio

axial o centrífugo.

Al final de este proceso, el aire entra a una cámara de combustión en la que el

combustible se inyecta y se quema a presión constante.

Los productos de la combustión se expanden después al pasar por una

turbina, hasta que llegan a la presión de los alrededores.

Un ciclo compuesto de estos tres pasos recibe el nombre de ciclo abierto,

porque el ciclo no se completa en realidad.

Los ciclos de las turbinas de gas reales son ciclos abiertos, porque

continuamente se debe alimentar aire nuevo al compresor

BALANCE ENERGETICO

Aplicando la primera ley para flujo estable (procesos FEES) a cada uno de los

procesos se puede determinar tanto el calor como el trabajo transferido

durante el ciclo.

Los procesos de 1-2 y 3-4 son isentrópicos y P2 = P3 y P4 = P1. Por tanto:

Para el proceso de calentamiento de 2 a 3

; KJ/kg

; KW

Para el proceso de enfriamiento de 4 a 1

; KJ/kg

; KW

En el compresor, proceso 1 - 2

); KJ/kg

; KW

Para la turbina; proceso 3-4

); KJ/kg;

; KW

La eficiencia térmica del ciclo Brayton

Pero

; que al reemplazar en la expresión anterior, resulta:

EFICIENCIA ADIABÁTICA DE LOS DISPOSITIVOS DE TRABAJO

El rendimiento real del dispositivo que produce trabajo (turbina) o del que lo recibe

(compresor), está descrito por una eficiencia adiabática o eficiencia isentrópica.

Se define la eficiencia adiabática de la turbina

Aplicando la notación de la Figura en la que el subíndice r representa la

condición a la salida real y el subíndice i representa el estado de salida

isentrópico, se expresa la ecuación de la eficiencia como:

Proceso real e isentrópico para una turbina Suponiendo calor específico constante:

Si se conoce la eficiencia de la turbina, se puede hallar el valor de la

temperatura real a la salida de la turbina.

Para el compresor, se define la eficiencia adiabática del compresor como:

En la Figura se puede observar tanto el proceso real como el proceso

isentrópico de un compresor adiabático.

Proceso real e isentrópico para un compresor.

Suponiendo calor específico constante:

Si se conoce el valor de la eficiencia del compresor, se puede hallar la temperatura de salida del compresor.

PROBLEMAS

1. En un ciclo Brayton con aire estándar; el aire entra al compresor a 0,1 MPa y

15°C. La presión a la salida del compresor es de 1 MPa, y la temperatura

máxima del ciclo es de 1100°C. Determine:

a. La presión y temperatura de cada punto del ciclo

b. El WC; el WT y la eficiencia del ciclo.

2. Resuelva el problema anterior considerando una eficiencia isentrópica de 80%

para el compresor y de 85% para la turbina; y que hay una caída de presión

entre el compresor y la turbina de 15 kPa.

3. Una planta generadora de energía con turbina a gas funciona en un ciclo Joule

Brayton abierto. El aire hace su ingreso al compresor a 1200 kPa y 310 K, la

relación de presiones es de 10 a 1 y la relación aire combustible es de 60 kg

de aire / kg de combustible. El poder calorífico del combustible es de 40 000

kJ/kg. Determine:

a. La máxima temperatura; en K

b. La eficiencia del ciclo; en %

4. En una planta de turbina de gas el aire entra al compresor a 27°C y 0,1 MPa.

Se comprime hasta 0,8 MPa con una eficiencia de isentrópica de 80%. La

máxima temperatura del ciclo es de 1300 K. La expansión en la turbina tiene

una eficiencia isentrópica de 80%. La planta genera 1 MW de potencia neta.

Para el aire considere los siguientes datos: k = 1.4, Cp = 1.0035 kJ/kg.K;

Determine:

a. La eficiencia de la planta, en %

b. El flujo másico de aire, en kg/s

c. Realice el diagrama T-s para el ciclo

5. La relación de presión a través del compresor en un ciclo Brayton es de 4 a 1.

La presión del aire a la entrada del compresor es de 100 kPa y la temperatura

es 15°C. La temperatura máxima del ciclo es de 850°C. El flujo másico de aire

es de 10 kg/s. Determine

a. la potencia del compresor,

b. la potencia de la turbina y

c. la eficiencia térmica

6. En un ciclo Brayton simple de aire normal se tiene una relación de presiones

de 12, una temperatura a la entrada del compresor de 300 K y una

temperatura a la entrada de la turbina de 1000 K. Suponiendo que tanto el

compresor como la turbina tienen una eficiencia isentrópica de 100%

Determine:

a. El flujo másico requerido de aire para una salida de potencia neta de

30 MW; Considere los calores específicos constantes a temperatura

ambiente.

b. La relación de trabajos del compresor respecto de la turbina

c. La eficiencia térmica del ciclo.