Ciclo de Gas

8/10/2019 Ciclo de Gas

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ING. ELECTROMECÁNICAEsp. Mantenimiento industrial

Máquinas y equipos térmicos llCatedrático: Ing. Gonzalo Reyes Alon

U 2 Ciclo de Gas

Alumnos:Reyes Ríos Flor Citlaly.Reyes López Clemente.

Velázquez Morales Leonel.Candelaria Chávez Cesar Augusto.

06 – oc



Unidad 2.Ciclo de gas.

2.1 Ciclo Brayton Ideal.

2.2 Ciclo Brayton Real.

2.3 Turbinas De Gas.

2.4 Ciclo Brayton Con Regeneración.

2.5 Ciclo Brayton Con Interenfriamiento.

2.6 Ciclo Brayton Con Recalentamiento.

2.7 Eficiencia.



Competencia general.

Realizar la evaluación energética, el balance térmicode los diferentes motores de combustión interna y de losciclos de vapor, ciclos de gas, ciclos combinadoscompresores, así como su selección y fundamentospara su mantenimiento.



2.1 Ciclo Brayton ideal.El ciclo Brayton se representa en la figura 4-1 en los planos pv y Ts. Los números en lfigura 4-1 se corresponden con los de la figura 1-13. los procesos todos reversibles,como en cualquier ciclo, que integran este ciclo son:1-2 Compresión. Se realiza en el compresor.

2-3 Adición de calor isobárica. Se realiza en la cámara de combustión.

3-4 Expansión. Se realiza en la unidad-TG.

4-1 Cesión de calor isobárica. Se realiza en la atmosfera (en el ciclo abierto).



En el ciclo ideal tampoco hay perdidas de presión en los conductos ni perdidas decalor por radiación al exterior.

El ciclo abierto de TG no es estrictamente un ciclo realizado por un mismo fluido, porqueel gas que evoluciona no es el mismo antes y después de la cámara de combustión: enel proceso de compresión 1-2 de la figura 4-1 la sustancia es aire: mientras que en elproceso de expansión 3-4 después de la cámara de combustión la sustancia es airemas productos de la combustión.



La única diferencia esencial entre en el ciclo Rankine y el Brayton es que en el ciclode Rankine hay cambios de fase liquido a gas, teniendo lugar la compresión en la

fase liquida y la expansión de la fase gaseosa, siendo el trabajo de compresiónmínimo. Lo contrario sucede en la TG en que el trabajo de compresión se realiza lomismo que el de expansión en fase gaseosa y absorbe un par importante deltrabajo de la turbina: por tanto, el trabajo neto es menor.



La figura muestra un arreglo típico de los componentes de una turbina de gaspara avión o motor a reacción.



1.- Para la compresión 1-2 ℎ ℎ =

2.- Para la combustión 2-3 ℎ ℎ = .

3.- Para la expansión de la turbina 3-4ℎ ℎ =

El área encerrada en el diagrama P-V será el trabajo neto del ciclo

= + O bien:

= ℎ ℎ + ℎ ℎ

El área encerrada n el diagrama T-S será el calor neto agregado al ciclo.

= +

Este calor también puede identificarse por:=



Si se supone que un gas perfecto es el medio de trabajo, la eficienciatermodinámica quedara reducida de:

= 100

A:

= 11

( )( ) 100

Donde rp es la relacion de presión



Ejemplo:Una turbina de gas funciona con una relacion de presiones de 15:1, las condiciones de entradason 14.7 psia y 60 ᵒF. Se requiere que el motor entregue 1000HP cuando funciona de acuerdo con un ciclo Bracon aire estándar, con gas perfecto y calores específicos constantes. Si la temperatura máxima admisible en el motor

es de 2500ᵒR Calcular las presiones y temperaturas en los cuatro estados, la relacion de flujo de masa de airerequerida y los flujos de adición y rechazo de calor.

Para el ciclo Brayton ideal, con una relacion de presiones de 15:1 determinaremos la eficiencia térmica con laecuación mencionada con anterioridad, suponiendo una k= 1.399

= 11

15

.

.= 53.8%

Ahora bien, el flujo de calor agregado será :

= =1000

.538 = 1858.7 = 1314 /

El flujo de calor rechazado es:= = 1000 1858.7 = 858.7 = 607.05



Teniendo como dato la presión y temperatura del estado 1 (punto inicial)P1= 14.7psia ; T1=60 ᵒF = 520ᵒR

Para obtener el estado 2

= = 15 14.7 = 220.5

= ( )/

= 520° 15.. = 1125.7°

La temperatura máxima deberá estar en el estado 3, por lo tanto:= 2500° ; = = 220.5 .

En el estado 4:

= = 14.7 ; =

( )/

= 1154.8°

Ahora se puede determinar el flujo de aire con:= = ( )

Usando la primera:

= ( ) =1314 /

(0.2404 ∗ )(2500° 1125.7° )= 3.977



2.2 Ciclo Brayton real.

En el ciclo abierto real entra el aire en el TC a una temperatura de unos 20°C y secalienta en la compresión hasta unos 200 a 300°C, saliendo de la cámara decombustión los gases en dirección a la turbina a una temperatura de 700 a1300°C, donde se expansionan y finalmente salen los gases de escape a unatemperatura comprendida normalmente entre 400 y 500°C.

El ciclo de Brayton, o ciclo básico real de las TG teniendo menor rendimiento que

el ciclo de Brayton ideal debido a que todos los procesos reales son irreversibles.



En la figura 4-4 se representan tanto en plano pv como en Ts con línea de trazos elciclo real y con línea continua el ciclo ideal.

1. El punto 1 corresponde al estado del aire atmosférico, y es el mismo punto en cicloreal e ideal.

2. Las líneas de trazos 2-3 y 1-4 no son isobáricas < porque en el condu

el compresor y la turbina, incluyendo la cámara de combustión, hay una perdidade presión.

3. El proceso real de expansión en la turbina no es isentrópico; sino que la entropíaaumenta, siendo 4 el punto de salida de la turbina en vez del punto 4s indicadotambién en la figura. La entropía aumenta > teniendo en cueperdidas internas, el trabajo desarrollado por la turbina llamado trabajo interno esmenor que el trabajo ideal.



2.3 Turbinas de gas.

Las turbinas de gas son equiposcapaces de transformar laenergía química contenida enun combustible en energíamecánica, ya sea para suaprovechamiento energético ocomo fuerza de impulso deaviones, automóviles obarcos. Pueden clasificarsesegún el origen de su desarrollo,por el diseño de su cámara decombustión y por su número deejes.



Partes principales de una turbinade gas.



Fabricantes y capacidades deturbinas de gas.

Modelo CiclóMF-61 50/60 Hz 6MW

MF-111 50/60 Hz 15MW

MF-221 50/60 Hz 30MW

M251 50/60 Hz 37MW

M501D 60Hz 114MW

M701D 50Hz 144MW

M501F 60Hz 185MW

M501G 60Hz 254MW

M701F 50Hz 270MW

M701G 50Hz 334MW



Modelo CiclóSGT-100 50/60 Hz 5.4 MW

SGT-200 50/60 Hz 6.75 MW

SGT-300 50/60 Hz 7.90 MW

SGT-400 50/60 Hz 12.90 MW

SGT-500 50/60 Hz 19.10 MW

SGT-600 50/60 Hz 24.77 MWSGT-700 50/60 Hz 31.21 MW

SGT-750 50/60 Hz 35.93 MW

SGT-800 50/60 Hz 47 MW



Turbina de gas industriales

La evolución de su diseño se haorientado siempre a la producción deelectricidad, buscándose grandespotencias y largos periodos deoperación a máxima carga sinparadas ni arranques continuos.

Su potencia de diseño puede llegar alos 500 MW, moviendo grandescantidades de aire a bajasvelocidades, que puedenaprovecharse en posterioresaplicaciones de cogeneración.



Turbina monoeje El compresor, turbina deexpansión y generador giran deforma solidaria con un único ejede rotación. La velocidad degiro es en la inmensa mayoría delos casos de 3000 rpm, forzadopor la frecuencia que debetener el rotor del generadoreléctrico al verter a la redgeneral (50 Hz). Es el diseñousual en las grandes turbinascomerciales de generacióneléctrica.



Turbina multieje La turbina de expansión se encuentradividida en 2 secciones, la primera oturbina de alta presión, se encuentraunida al compresor axial al queproporciona la potencia necesariapara su funcionamiento. La segundasección comparte eje con elgenerador, aprovechándose laenergía transmitida en la generaciónde electricidad. Esta tecnología esutilizada en aeroderivadas y turbinasde pequeña potencia, y ofrece unmejor comportamiento frente avariaciones de carga.



Compresor: Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicadapara cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Su diseño esprincipalmente axial y necesita un gran número de etapas.

El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dosposibilidades.

Turbinas monoeje : El compresor siempre gira a la misma velocidad, que vienedada por el generador, y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. Eltrabajo para comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga máxima

como si trabajamos a cargas más bajas, y por lo tanto producimos menospotencia.

Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor esindependiente del generador, la velocidad de rotación del compresor puederegularse para una admisión adecuada de aire para cada momento.



Cámara de combustión: A pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen undiseño general similar.Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la potenciaque podamos desarrollar en nuestra turbina. Están diseñadas mediante una doble

cámara:

Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, yel comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde lacámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y sucombustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce unamayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y

antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto delaire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen lasestructuras y equipos posteriores.

Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente delcompresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar lospaneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de

forma adecuada.



Turbina de expansión: Está diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases decombustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional.Todas sus etapas son por lo tanto de reacción, y deben generar la suficiente

energía para alimentar al compresor y otra aplicación como generación deenergía.

Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por unacorona de alabes con un adecuado diseño aerodinámico, que son losencargados de hacer girar el rotor al que están unidos solidariamente. Ademásde estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos a la

carcasa, y cuya misión es re-direccionar el aire de salida de la cámara decombustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente.

Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altastemperaturas, además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor losatraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados alo largo de toda su superficie.



Carcasa: La carcasa protege y aísla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3secciones longitudinales:

Carcasa del compresor : Está compuesta por una única capa para soporte de losalabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de laturbina de gas.

Carcasa de la cámara de combustión: Tiene múltiples capas, para prottérmica, mecánica y distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el

aire en la combustión.

Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una intde sujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire derefrigeración por el interior de los alabes. Debe también de proveer proteccióntérmica frente al exterior.

O d l bi d



Otros componentes de la turbina de gas: Casa de filtros: Se encarga del filtrado del aire de admisión que se introduce alcompresor, se componen de 2 primeras fases de filtrado grosero, y una última confiltro de luz del orden de las 5 micras. Cojinetes: Pueden ser radiales o según sujeten el desplazamiento axial o el provocado por el giro del eje.

Sistema de lubricación: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandesturbinas de generación eléctrica, su misión es tanto el refrigerar como manteneruna película de aceite entre los mecanismos en contacto.

Recinto acústico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su funciónes aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido.Debe contar con un sistema contraincendios y de ventilación.

Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, conuna cimentación propia para que no se transmitan las vibraciones.

Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulic(normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no estaen funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o porexpansión térmica, en parada.



2.4 Ciclo Brayton con regeneración.

El ciclo regenerativo de Brayton de figura 18-1 se ha añadido al esquema un

recuperador de gases de escape o regulador R. Los gases salen de la turbina T a unatemperatura mayor que la temperatura que tiene aire a la salida del comestos gases se les hace salir a la atmosfera a través de un intercambiador de calor,llamado regenerador o recuperador RE los gases de escape se enfrían, cediendocalor al aire que sale del compresor que experimenta un precalentamiento antes depasar a la cámara de combustión CC.



Ciclo regenerativo ideal.

El ciclo regenerativo ideal se representa en el plano Ts de la figura.

Idealmente los gases que salen de la turbina después de una expansión a.i seenfrían hasta la temperatura ´ = que es la temperatura del aire a la salida compresor, después de una compresión, cediendo en el regenerador por unacantidad de calor.



Aplicando las ecuaciones del flujo de energía estable a loscomponentes, obtenemos los siguiente:

1.- para el compresor. ℎ ℎ =

2.- Para el regenerador. ℎ ℎ = ℎ ℎ 3.- Para el combustor. ℎ ℎ =

4.- Para la turbina. ℎ ℎ =

Entonces puede determinar la eficiencia termodinámica con:

= = :∗100



Ahora bien, si suponemos un gas perfecto con calores específicosconstantes, podremos sustituir ℎ = , para obtener

= : * 100

O si bien, T3=T5,

= 1 * 100

esto se puede modificar con algo de operaciones algebraicas, paraobtener

= 1 − ∗ 100 = 1−

∗ 100

Donde

=21 =

45

21 =

45



Ejemplo:Una turbina de gas regerativa reversible usa 1.0 Kg/s de aire. Surelación de presiones en operación es 15:1 y las condiciones en laentrada del compresor son 101kPa de presión y 17 C. Si el escape de laturbina está a 700K, calcular lo siguiente, con análisis para aireestándar, suponiendo un comportamiento de gas perfecto.

a) Eficiencia termodinámica.

b) Potencia producida.

c) Calor agregado y rechazado.

) Calcularemos la eficiencia sin embargo primero se debe calcular a



a) Calcularemos la eficiencia, sin embargo primero se debe calcular aT4

=−

=−

Entonces se puede sustituir en lasecuaciones de eficiencia, y obtener

= 1 ∗ 100 = 1 ∗ 100 = 58.5%

Observe que la eficiencia de una turbina de gas con ciclo BraytonSimple, trabajando con la misma relación de presiones es

= 1 − ∗ 100 = 53.9%



B) La potencia desarrollada puede calcularse con la siguiente ecuación.

Wkciclo= Cp(T4-T5+T1-T2)

Y 4 = 5−

= (700 k) ( 15. )= 1519 k

Igual manera a T2

2 = 1−

= (290 k) ( 15. )= 629 k

Entonces

Wkciclo= (1.007 kJ/kg*K) (1519 k – 700 k +290 k – 629 k) =48



C) El calor agregado

q agr = (W k CICLO / )* 100

= (483 KJ/ kg / 58.5 % *100 = 826 KJ /kg.

Calor rechazado puede calcularse con el balance:

q rech = W K ciclo – q agr = 483 KJ/kg – 825 KJ/kg

= - 342 KJ/Kg



Ciclo regenerativo real.El ciclo regenerativo real se representa en el plano en la figura. Los compresión y expansión son a.i. y la eficiencia del regenerador no es igual a 1. el gassale del compresor en el punto 2 después del regenerador hasta el punto 2´´ con elcalor cedido por los gases, que salen de la turbina en el punto 4 después de unaexpansión real , enfriándose los gases hasta el punto 4´´.

Real

Ideal

2 5 Ci l B i f i i



2.5 Ciclo Brayton con interenfriamiento

La compresión isotérmica es prácticamente irrealizable. Sin embargo, la compresióncon refrigeración intermedia (interenfriamiento) permite en gran parte obtener lasventajas de un ciclo ideal.La compresión puede realizarse en dos etapas, refrigerando el aire después de laprimera etapa, o en general entre n etapas, utilizando n-1 refrigeradoresintermedios.



El proceso se muestra en el plano Ts.El aire entra al compresor C1 de bajapresión a P1 y t1.Se comprime hasta una presiónintermedia PrLlegando al compresor de alta C2alcanza la presión final P2En 2 ” salida del aire del regenerador.Si 2” coincide con 2 (ciclo noregenerativo)En 4 ” salida del gas (aire mas productosde combustión) a la salida delregeneradorSi T4”=T 4 (no regenerativo)



2.6 Ciclo Brayton Con Recalentamiento.

Para aprovechar en parte las ventajas del ciclo ideal, se utiliza la expansión endos turbinas, recalentando el gas a la salida de la primera en una segundacámara de combustión.En estos ciclos con recalentamiento intermedio de las TG, pueden utilizarse trescámaras de combustión, o incluso mas, pero lo mas común es emplearsolamente 2

En la figura 18-15 puede verse el esquema del ciclo abierto regenerativo con una



En la figura 18-15 puede verse el esquema del ciclo abierto regenerativo con unasola etapa de recalentamiento y dos cámaras de combustión y en la figura 18-6el proceso real de este ciclo en el plano ts, teniendo en cuenta las perdidasinternas del compresor y en las turbinas; pero sin tener en cuenta las perdidas depresión en los conducto e intercambiadores de calor.

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