Fuente: Foto Propia
Una turbina es una maquina térmica que transforma la energía química contenida en un combustible en energía mecánica esa energía mecánica habitualmente la tenemos en un eje, en ese eje se puede conectar un generador eléctrico, una bomba para aprovechar esa energía mecánica que a producido la turbina de gas.
</divEsquema de una turbina de gas
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En la imagen tenemos una turbina de gas de doble eje, que consta de compresor, cámara de combustión, turbina generadora de alta y turbina generadora de baja. Además para vencer la inercia en el estado de reposo de la turbina de gas, esta posee un ventilador centrífugo que funciona como sistema auxiliar de arranque, obteniéndose ciclo de funcionamiento sin el compresor, hasta obtener las condiciones mínimas de sostenimiento.
Los objetivos de este post son
- Conocer la eficiencia del compresor.
- Conocer la eficiencia de la turbina.
- Determinar la eficiencia térmica del sistema.
- Determinar la potencia neta producida en la turbina de gas.
- Obtener el flujo másico de combustible.
- Determinar el flujo másico de aire.
- Determinar la energía suministrada al sistema.
Antes de comenzar tenemos que saber que el ciclo termodinámico para una turbina de gas es el ciclo Brayton La eficiencia del ciclo de Brayton es una función de la relación de presión isentrópica. La eficiencia del ciclo Brayton se puede definir de la siguiente manera:
La eficiencia del ciclo Brayton es, por lo tanto, una función de la relación de presión isentrópica. El hecho de que la eficiencia aumente con la relación de presión se vera reflejada en diagrama T-s (temperatura-entropía). .
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El diagrama de la izquierda llamado p-v que es un diagrama de presión-volumen es una de la manera mas fácil ver el comportamiento visual en los cambios de la presión y el volumen y el otro diagrama de la derecha llamado t-s se observa como aumenta la eficiencia del ciclo.
La turbina de gas real difiere con el ciclo ideal Brayton debido al compresor, la turbina, en la caída de presión del flujo de la cámara de combustión. Eso quiere decir que para estudiar algunas turbomáquinas se emplea de dos forma, una con el ciclo ideal y el otro el ciclo real ya que existen muchos cambios significativos como por ejemplo en el cual se tienen pérdidas en un ciclo real que no influyen en el ciclo ideal.
Tenemos que la eficiencia del compresor y la turbina se define de esta manera para un ciclo real.
n comp. = (h2 – h1) / (h2 S - h1)
n turb. = (h3 – h4S) / (h3 - h4)
Parte de atrás de la turbina de gas
Fuente: Foto Propia
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La turbina se puede clasificar en abiertas o cerradas. Las de tipos abiertas son cuando todo el fluido de trabajo ( el aire y los productos de la combustión ) pasa de una sola vez a través de la maquina y la tipos cerrado es cuando el fluido de trabajo, el calor trabaja de manera continua como un ciclo.
Simbología
Temperaturas
T1= temperatura del medio ambiente.
T2=Temperatura del aire a la salida del compresor.
T3=Temperatura en la cámara de combustión.
T4=Temperatura a la salida de la turbina de gas.
T5=Temperatura a la entrada de la turbina de potencia.
Presiones Manométricas
P1= presión atmosférica de la carcasa (Bar).
P2=Presión a la salida del compresor (Bar).
P3=P2-(P2-P3) Presión en la cámara de combustión.
P4=presión a la salida de la turbina de gas (Bar).
Velocidades
N1=Velocidad de rotación de la turbina gas (rpm)
N2=Velocidad de rotación de la turbina de potencia (rpm)
Eléctricos
V= Voltaje producido por la turbina de potencia (volt)
Procedimiento
Se basa en tomar las mediciones de presión y temperatura a la entrada y salida de cada uno de los componentes del sistema (compresor, cámara de combustión, turbina).
El procedimiento es el siguiente:
Se da inicio al sistema, venciendo la inercia a través del sistema auxiliar de arranque, hasta obtener las condiciones mínimas del sostenimiento del ciclo.
Se inyecta combustible al sistema.
Se toman las mediciones de presión y temperatura.
mc = 1,6 g/s = 0,0016 Kg/s
Revoluciones eje de alta = 1000 Rpm.
Revoluciones eje de baja = 240 Rpm.
Potencia obtenida:
V = 30 V.
A = 15 A.
Flujo de aire = cte (columna de aire)
ma = 977,6 g/s = 0,9766 Kg/s
CICLO IDEAL
QH = h3 – h2
QH = ma Cpaire (T3 - T2)
QH = 688,95 KJ/s
Para el compresor:
s2 = s1
wc = h2 – h1
Wc = ma Cpaire (T2 - T1)
Wc = 8,82 KJ/s
Para la turbina:
S3 = s4
wt = h3 – h4
Wt = ma Cpaire (T3– T4)
Wt = 173,38 KJ/s
Potencia neta:
Wn = Wt - Wc
Wn = 164,56 KJ/s
Eficiencia térmica del sistema:
nt = Wn / QH
nt = 23,88%
CICLO REAL
QH = h3 – h2S
QH = ma Cpaire (T3 - T2S)
QH = 637,01 KJ/s
Para el compresor:
s2S = s1
wc = h2S – h1
Wc = ma Cpaire (T2S - T1)
Wc = 60,76 KJ/s
Para la turbina:
S3 = s4S
wt = h3 – h4S
Wt = ma Cpaire (T3– T4S)
Wt = 98 KJ/s
Potencia neta:
Wn = Wt - Wc nWn = 37,24 KJ/s
Eficiencia térmica del sistema:
nt = Wn / QH
nt = 6%
n comp. = (h2 – h1) / (h2S - h1)
n comp. = 15%
n turb. = (h3 – h4S) / (h3 - h4)
n turb. = 56,5%
Gráfica del ciclo ideal y real
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Aquí tenemos los datos arrojado con un ciclo idea y el otro con un ciclo real
Análisis de Resultados
Se puede observar de la tabla anterior que en el ciclo ideal se requiere aproximadamente 26% del trabajo de la turbina para mover el compresor y 74% se entrega como trabajo neto. En la turbina real se requiere del 62% del trabajo de la turbina para mover el compresor y se entrega como trabajo neto el 38%.
Por otra parte, se evidencia como las irregularidades presentes en el ciclo real disminuyen el trabajo de la turbina y aumentan el trabajo del compresor.
Conclusión
Los datos experimentales conseguidos para cada uno de los ciclos de la turbina de gas, real e ideal, han sido comparados, obteniéndose de esta manera las siguientes afirmaciones del presente post:
1.-La turbina de gas real difiere del ciclo ideal principalmente debido a las irregularidades en el compresor,la turbina y a la caída de presión en la cámara combustión.
2.-El efecto de las pérdidas es requerir una mayor cantidad de trabajo de compresión a partir de una menor cantidad de trabajo de la turbina.
3.-El trabajo neto disminuye a medida que disminuyen las eficiencias.
Referencias Bibliográficas
1.-Van Wylen (2002). Fundamentos de Termodinámica. 2da. Edición
Editorial Limusa. México. 397 pp.
2.-Wark, Kenneth y Donald E. Richards (2001). Termodinámica. 6ta. Edición.
Mc Graw-Hill / Interamericana de España. Madrid. 560 pp
