Ciclos de potencia combinados de gas y vapor
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Lianne Colpas Barraza
Edwin Peralta Hernández
Francisco Sorzano JiménezUniversidad del Atlántico
Ciclos combinadosA principios del siglo xx en 1925 se desarrollo la idea de obtener trabajo con la combinación de dos ciclos de Rankine: uno con fluido motor mercurio y otro con agua. Fue sin embargo el pleno desarrollo de las turbinas de gas como el elemento productor de potencia y el acoplamiento de estas en un ciclo de Rankine agua-vapor lo que ha permitido el desarrollo de los ciclos combinados que se conocen hoy en día.
La justificación de los ciclos
combinados reside en que, desde
un punto de vista tecnológico,
resulta difícil conseguir un ciclo
termodinámico que trabaje entre
las temperaturas medias de los
focos calientes y frio usuales. Es
por ello, que se acude al
acoplamiento de dos ciclos: uno
especializado en la producción de
trabajo con alta eficiencia en
rangos altos de temperaturas de
trabajo(Brayton) y otro para
temperaturas medias-
bajas(Rankine).
¿Qué es un ciclo combinado? Es un ciclo de potencia que se basa
en una planta típica de ciclo combinado de una turbina de vapor y otro de una turbina de gas. El calor no utilizado por uno de los ciclos se emplea como fuente de calor del otro. De esta forma los gases calientes de escape del ciclo de turbinas de gas entregan la energía necesaria para el funcionamiento del ciclo de vapor acoplado. Esta configuración permite un muy eficiente empleo del combustible.
La energía obtenida en las centrales
eléctricas de ciclos combinados puede ser
utilizada, además de la generación eléctrica,
para calefacción a distancia y para la
obtención de vapor de proceso.
Funcionamiento
En primer lugar el aire es comprimido a alta presión en el compresor, pasando a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible.
A continuación, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje.
Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional.
A continuación, los gases de combustión pasan
por la turbina de gas donde se expansionan y
su energía calorífica se transforma en energía
mecánica, transmitiéndolo al eje.
Actualmente la tendencia es acoplar la
turbina de gas y la turbina de vapor a un
mismo eje, de manera que accionan
conjuntamente un mismo generador eléctrico.
Ventajas del Ciclo Combinado
Flexibilidad. La central puede operar a
plena carga o cargas parciales, hasta un
mínimo de aproximadamente el 45% de la
potencia máxima.
Eficiencia elevada. El ciclo combinado
proporciona mayor eficiencia por un margen
más amplio de potencias.
Sus emisiones son más bajas que en las
centrales térmicas convencionales.
Bajo consumo de agua de refrigeración.
Ahorro energético en forma de combustible
EJERCICIO
ɳc = 80%= 0.80
ɳt = 85%= 0.85
rp = 8 (relación de presiones)
TURBINA DE GAS (BRAYTON)
Compresor:
T1 = 300k (entrada)
h1 = 300.19 kJ/kg Pr1 = 1.386
[Tabla A-17]
Pr2 = 11.10
h2 = 544.35 kJ/kg
T2 = 540k (salida)[Tabla A-17]
Turbina:
T3 = 1300k (entrada)
h3 = 1395.97 kJ/kg Pr3 = 330.9 [Tabla A-17]
Pr4 = 41.36
Interpolando: [Tabla A-17]
Pr T (k) h (kJ/kg)
43.35 780
41.36 T4
39.27 760
h4 = 789.37 kJ/kg T4 = 770.24k (salida)
Wcomp,entrada = h2 – h1 = 244.16 kJ/kg TRABAJO
Wturb,salida = h3 – h4 = 606.60 kJ/kg IDEAL
Trabajo real: Wc,entrada = Wideal / ɳc = (244.16 kJ/kg)/ (0.80)
Wc,entrada = 305.2 kJ/kg
Wt,salida = Wideal * ɳs = ( 606.6 kJ/kg) * (0.85)
Wt,salida = 515.61 kJ/kg
Wc,ent = h2’ - h1 h2’ = 605.39 kJ/kg
Interpolando: [Tabla A-17]
T (k) h (kJ/kg)
600 607.02
T2’ 605.39
590 596.52
T2’ = 598 k (temperatura real de salida del compresor)
Wt,sal = h3 – h4’ h4’ = 880.36 kJ/kg
Interpolando: [Tabla A-17]
T (k) h (kJ/kg)
860 888.27
T4’ 880.36
840 866.08
T4’ = 853 k (temperatura real de salida de la turbina)
h5’ = h@450k = 451.8 kJ/kg [Tabla A-17]
qentrada = h3 – h2’ =(1395.97 – 605.39) kJ/kg = 790.58 kJ/kg
Wneto = Wt,sal - Wc,ent = 210.41 kJ/kg
ɳtermico = Wneto / qentrada = 0.266 = 26.6%
CICLO DE VAPOR IDEAL (RANKINE):
P3 = 7 Mpa T3 = 500 ºC h3 = 3411.4 kJ/kg [Tabla A-6]
P2 = 5 Kpa T2 = 33 ºC h2 = 144.78 kJ/kg
[Tabla A-4 y A-5]
ɳtermico = 40.8% = 0.408 Wneto = 1331.4 kJ/kg
BALANCE DE ENERGIA (INTERCAMBIADOR DE CALOR)
Eentrada - Esalida = ∆Esistema
Eentrada = Esalida
ṁgas* h4’ + ṁvapor* h2 = ṁgas* h5’ + ṁvapor* h3
Wneto = Wneto, gas + y.Wneto, vapor
Wneto = (210.41 kJ/kg de gas) + (0.131 kg de vapor/kg de
gas)*(1331.4 kJ/kg de vapor)
Wneto = 384.8 kJ/kg de gas
ɳtermico = Wneto / qentrada = (384,08 / 790,58) kJ/kg
ɳtermico = 0.487 = 48.7%