UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL ``FRANCISCO DE MIRANDA´´

ÁREA DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA.

PRÁCTICA 3

Profesores de laboratorio: Ing. Gelys Guanipa R Ing. Elier García. Ing. Josmery Sánchez Ing. Joan Rodriguez

Ultima modific: Marzo de 2015

INTRODUCCIÓN

De los posibles medios utilizables para la producción de potencia mecánica, las turbinas se

encuentran dentro del rango de los más satisfactorios. En particular la ausencia de movimiento

alternativo y de fricción mecánica entre los varios órganos de la máquina, implica reducidos

problemas de equilibrio dinámico, un consumo de aceite lubricante excepcionalmente bajo, y

por consiguiente mayor fiabilidad. Los primeros equipos de turbina que han explotado estas

intrínsecas ventajas han sido los hidráulicos que emplean el agua como fluido motor, y aún hoy

en día los equipos de potencia hidroeléctricos producen un significativo porcentaje de la

energía eléctrica globalmente utilizada a nivel mundial.

El desarrollo de equipos de turbinas a gas estacionarios, inició de modo eficaz poco antes de la

segunda guerra mundial, pero este se ha expandido hacia el uso de los turborreactores para

la propulsión aérea. Así mismo iniciaron competir con éxito en otros campos solo después de la

mitad de los años cincuenta, desde entonces han tenido mayor impacto en un amplio campo de

aplicaciones.

RESUMEN

CICLO IDEAL DE TURBINA A GAS

El ciclo más simple de funcionamiento de una turbina de presión constante, conocido como

ciclo Joule o ciclo Brayton, está representado en las figuras 1 y 2 y está constituido de la

siguiente forma:

- Una fase de compresión (1-2) que lleva el gas desde la presión de aspiración a la

presión de admisión de la turbina;

- Una fase de calentamiento a presión constante (2-3) que aumenta la temperatura y por

tanto el volumen másico del gas.

- Una fase de expansión en la turbina (3-4) que vuelve el gas a la presión inicial del ciclo.

Fig. 1 Fig. 2

expan

sión

1

2

3

4

com

pre

sión

T

S 0

expan

sión

1

2 3

4

com

pre

sión

P

V 0

El ciclo representado es el ciclo ideal de referencia para las transformaciones que

efectivamente se originan en el equipo de turbina de gas. Las causas que conlleva a la

desviación del funcionamiento real del ciclo se examinarán en la práctica; se observa, que la

masa del gas es variable, a diferencia de las consideraciones teóricas. En la práctica la

inexactitud que se cumple considerando el ciclo de masa constante es pequeña porque la

cantidad de combustible añadida al aire (no es más del 2%); en la ejecución de los cálculos

habrá que tenerlo en cuenta.

EQUIPOS DE TURBINA DE GAS

Los aparatos necesarios para realizar el ciclo simple previamente considerado son

esencialmente: un compresor, un combustor y un turboexpansor. La disposición mecánica de

estos aparatos en el equipo está determinada por la posible subdivisión de las

transformaciones termodinámicas en uno o más cuerpos, tanto con el objeto de mejorar el ciclo

base desde el punto de vista de rendimiento y/o trabajo másico, como para obtener una idónea

respuesta del equipo desde el punto de vista del ejercicio de carga variable. La energía

producida por la expansión de los gases quemados es, en parte, utilizada para el

accionamiento del turbocompresor, mientras que la restante está destinada a suministrar la

potencia útil a diferentes maquinarias.

Se puede distinguir los siguientes esquemas de utilización de la energía disponible:

Turborreactor, o turbochorro, que se compone de una toma dinámica, un compresor, axial o

centrifugo o mixto, una o más cámaras de combustión, una turbina de mando del compresor y

una tobera. En este último componente la energía térmica poseída por los gases quemados a

la salida del la turbina de mando es transformada en energía cinética del chorro. La expulsión

de los gases a elevada velocidad genera un empuje, que puede ser determinado en base al

principio de la cantidad de movimiento. Este tipo de equipo es aplicado en los motores de

reacción para la propulsión de aviones civiles o militares.

Turbina de gas monoárbol. En este tipo de equipo la expansión se realiza en un único cuerpo

y la potencia útil en parte es utilizada por el turbocompresor. Aunque mecánicamente es

simple, presenta una característica de regulación poco satisfactoria pues el número de

revoluciones del compresor está vinculado al de la turbina.

Turbina de gas biárbol. Nace de la exigencia de tener una regulación del turbocompresor

independiente del número de revoluciones impuesto por el utilizador del equipo. El compresor

está ensamblado en el árbol de la turbina de alta presión mientras que la turbina de baja

presión está ensamblada en un segundo árbol mecánicamente independiente del primero y

acciona el dispositivo utilizador del equipo. El primer grupo es denominado generador del gas,

mientras que la segunda turbina se denomina turbina de potencia.

En esta turbina de potencia puede (por un dado número de revoluciones nc del compresor y

relativa de la turbina) funcionar con un amplio número de revoluciones nTP, con posibilidad de

elegir el de rendimiento óptimo, o viceversa, a paridad de número de revoluciones nTP

(dispositivo utilizador representado por ej. por un alternador) permitir una regulación del grupo

generador de gas variando el número de revoluciones nc, con mejor característica de

regulación con respecto al caso del equipo monoárbol.

El equipo T200D a utilizar en la práctica sigue este último esquema y el dispositivo utilizador

está representado por el generador eléctrico.

OBJETIVOS: Evaluar una planta de potencia de turbina de gas bajo el ciclo Brayton.

OBJETIVO ESPECÍFICOS.

a. Determinar las potencias del sistema turbo-compresor y turbina de potencia

bajo un proceso isentrópico y en condiciones reales de operación.

b. Determinar el rendimiento de la turbina a gas bajo un proceso isentrópico y en

condiciones reales de operación.

c. Determinar la potencia eléctrica y rendimiento del alternador.

CÁLCULOS A REALIZAR

Después de haber observado el funcionamiento de la planta y con los datos obtenidos del

sistema de instrumentación, se deberán realizar los debidos cálculos para determinar lo

siguiente:

- Eficiencias adiabáticas en la turbina de potencia y el turbocompresor.

- El rendimiento térmico de un ciclo Brayton ideal.

- Diagrama Temperatura - Entropía para comparar las características del ciclo ideal.

- El rendimiento térmico de un ciclo Brayton real.

- Potencia y Eficiencia del alternador.

- Comparación gráfica de los rendimientos ideal y real en función de las relaciones de

presión.

Recuerda: Realizar tus cálculos reales e ideales en el Sistema Internacional, y con

temperaturas y presiones absolutas.

EVALUACIÓN:

Informe…………………………………….…………60%

Examen post-laboratorio…………………………...40%

EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR.

a. Banco didáctico de turbina de gas Biarbol T200D de doble eje.

DATOS REQUERIDOS.

Ubicación de los equipos principales de la planta de turbina de gas (Figura 3)

Funciones de cada equipo (Procedimiento).

Adquisición de magnitudes arrojadas por el sistema de instrumentación y control de la

planta.

PROCEDIMIENTO.

Se realizará una descripción de la planta y del funcionamiento de la misma, el estudiante

tomará nota de lo expuesto por el profesor. Una vez puesta en marcha la planta y estabilizada

las condiciones de operación, deberá anotar los datos en la tabla anexa (Tabla 1) de las

variables necesarias y de esta forma llevar a cabo los cálculos requeridos para el cumplimiento

de los objetivos de la experiencia.

Pasos para la puesta en marcha de la planta y para la recolección de datos (ver también panel

frontal):

1. Encender la bomba de aceite de lubricación (1’).

2. Alimentar con agua de enfriamiento la bomba de lubricación (2’).

3. Cerrar pomo de control de carga del alternador (3’) de la turbina de potencia.

4. Cerrar admisión de aire ambiental y abrir admisión de aire forzado (4’).

5. Encender ventilador de aire forzado (5’).

6. Al llegar a 7.000 RPM en el turbocompresor, suministrar el combustible (Gas propano)

a una presión de 1,2 bar y un flujo másico de 0.4 g/seg (6’).

7. Aumentar gradualmente el flujo de gas (7’) hasta llegar a 22.000 – 30.000 rpm del

turbocompresor para liberar la turbina de potencia y transferir potencia al alternador

(sin sobrepasar 23.000 rpm de la turbina de potencia E).

8. Aumentar nuevamente el flujo másico (7’) hasta llegar a 40.000 y 45.000 rpm del

turbocompresor.

9. Apagar ventilador de aire forzado A.

10. Variar la carga en el alternador (3’) para observar la reacción de los distintos

dispositivos que componen la planta debido a la manipulación de las variables.

11. Anotar las magnitudes arrojadas por el sistema de instrumentación y control de la

planta en la tabla anexa (Tabla 1).

12. Llevar a cabo los cálculos requeridos para el cumplimiento de los objetivos de la

práctica, utilizando las ecuaciones del ciclo de potencia de gas Brayton, suministradas

en la práctica y las que por conocimiento previo se posee de la teoría.

Alternador

V, I

T.P.

T. C.

C.C.

mb,Pb

WC

WTP

WT

P1≈Patm

T1≈Tamb

ma

Pmáx

P5=Patm (Gases al ambiente) T5

Esquema del ciclo termodinámico

P4, T4

P3, T3 P2, T2

PANEL FRONTAL DE LA PLANTA.

La figura a continuación es un diagrama que muestra cómo están distribuidos los distintos

equipos e instrumentos que componen la planta.

Fig.3

Leyenda.

A. Ventilador auxiliar B. Filtro entrada aire C. Turbocompresor con indicador de revoluciones D. Cámara de combustión E. Turbina de potencia con indicador de revoluciones F. Alternador con indicador de corriente y tensión G. Depósito de aceite y circuito lubricante H. Termóstato de seguridad I. Medidor de flujo de gas J. Manómetro diferencial K. Indicadores de temperatura L. Indicadores de presión

6 7 4 2-3

Aceite

T1

T2,P2

T3 P3

T4

T5

3’

P(4)

(5)

1’

2’

4’

5’

6’ 7’

Fecha:…/……/…… Condiciones ambientales: Secc:___ Pa:……… (bar)

Ta:……… (ºC) TABLA 1

Observaciones:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

V

(v)

I

(A)

Presion

(bar)

Flujo

másico

g/seg.

RPM T. de

potencia

RPM

TC.

T1

(ºC)

T2

(ºC)

T3

(ºC)

T4

(ºC)

T5

(ºC)

Δh

(mm)

P1 P2 P3 P4(mbar) P5 P6 P7

Pa Pa

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

a. Ciclo ideal.

Para llevar el análisis a un nivel manejable, se utilizan las siguientes aproximaciones conocidas como

suposiciones de aire estándart:

1. El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y

siempre se comporta como gas ideal.

2. Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles.

3. El proceso de combustión es sustituido por un proceso de adición de calor desde una

fuente externa.

4. El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que regresa el

fluido de trabajo a su estado inicial.

Aplique todas las idealizaciones posibles, dentro de las que se destacan las más relevantes:

Capacidad especifica constante (aire frio estandart).

Tanto el proceso de compresión como el de expansión son adiabáticos reversibles, por lo que

se considera isoentrópico (S=Ctte)

Suministro de calor a presión constante

Salida de calor a presión constante

Procesos de flujo estable

De esta manera podemos emplear la ecuación de la eficiencia para el ciclo Brayton

simple:

Aplicando la ecuación general de la primera ley a través de los balances de energía

en cada dispositivo, podemos conseguir la energía presente en cada uno de ellos,

bien sea calor o trabajo, ya que la energía cinética y potencial es despreciable en este

tipo de dispositivos:

PC eehwq

hw

hq

cc

ctbta

ient

ineto

Braytontq

www

q

w

,

,

,

iP

iipiP

BraytontTTC

TTCTTC

23

5443

,

Nótese que pueden aplicarse las relaciones isoentópicas siguientes, para determinar las temperaturas

ideales requeridas:

k

1k

2 i βT

T

1;

k

1k

4 i

3 βT

T y

k

1k

5 i

4 βT

T

β: es la relación de compresión igual en valor a la relación de expansión, es decir:

4

3

1

2

P

P

P

Pβ

b. Ciclo real o experimental:

Rendimiento del ciclo:

2,

,

T

ctPt

rsum

rneta

cicloQ

WWW

Q

W

Cálculo de potencia del sistema turbo-compresor:

baPT mmTTCW 43

aPc mTTCW 12

Cálculo de la turbina de potencia:

baPTP mmTTCW 54

Cálculo del flujo de calor suministrado:

baPT mmTTCQ 232

Determinación de flujo masico de aire ( am ):

Donde:

h: leído en el manómetro diferencial en mm

: densidad del alcohol etilico= 0,8kg/dm3

Esta ecuación empírica, suministrada por el fabricante nos permite obtener el flujo másico en las

unidades señaladas, siempre y cuando las variables se utilicen en las unidades especificadas. En la

hrKghma /06,46

misma fue considerado el coeficiente experimental de salida, coeficiente experimental de influencia de

la compresibilidad y el área de la sección mínima de estrangulamiento.

Determinación de flujo masico de combustible ( bm ):

segKgmmm tb

bl

to

tb

blb /101581,1

101 33

blm : Flujo másico leído en el instrumento.

tb : Factor de corrección para un valor de presión en la alimentación del combustible empleado (ver

tabla 2)

A continuación serán adaptadas las siguientes expresiones analíticas para el cálculo de las

capacidades térmicas específicas:

Capacidad térmica másica media a presión constante del aire, a la temperatura media de

aplicación:

KKgKJTT

CP ./1012

105976,0 6minmax

Capacidad térmica másica media a presión constante de los gases quemados, a la temperatura

media de aplicación:

KKgKJTT

C stst

P ./10121

175239

1

1042,0909,0 6minmax

Donde,

: es la relación aire-combustible real

b

a

m

m

st : Es la relación aire combustible estequiométrica que para el propano tiene un valor de 15,6745.

Tmáx y Tmín: temperaturas máximas y mínimas de los fluidos en los respectivos campos de aplicación

para la capacidad térmica media.

Potencia del alternador:

IVPalt

Rendimiento del alternador:

útilT

altalt

W

P

2

La útilTPW es la potencia útil de la turbina de potencia tomando en cuenta las pérdidas mecánicas. Para

el caso de la turbina el valor es 0,92.

92,0TPútilTP WW

Rendimiento adiabático del compresor y turbina.

Una vez ejecutado el cálculo ideal y real, se puede calcular las desviaciones a través de las eficiencias isoentrópicas del compresor y la turbina:

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA.

TERMODINAMICA, Kenneth Wark, Donald E. Richards. Sexta Edicion, Editorial McGraw Hill.

TERMODINAMICA, Yunus A. Çengel, Michael A. Boles. Quinta Edicion, Editorial McGraw Hill.

r

i

r

iC

W

W

w

w*

*

12

12

hh

hh

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*

*

i

r

i

rT

W

W

w

w

i

rT

hh

hh

43

43

Tabla de corrección del caudal de combustible en función de la presión del gas

propano

Tabla 2.Fuente. Apéndice manual operativo de la Turbina a Gas Doble eje. T200D de

la UNEFM

Presión (bar) Factor de corrección

1.0 1.414

1.1 1.449

1.2 1.483

1.3 1.516

1.4 1.549

1.5 1.581

1.6 1.612

1.7 1.643

1.8 1.673

1.9 1.702

2.0 1.732

2.1 1.760

2.2 1.788

2.3 1.816

2.4 1.843

2.5 1.876

2.6 1.897

2.7 1.923

2.8 1.949

2.9 1.974

3.0 2.0

3.1 2.024

3.2 2.049

3.3 2.073

3.4 2.097

3.5 2.121

3.6 2.144

3.7 2.167

3.8 2.190

3.9 2.213

4.0 2.236