TURBINAS DE GAS

HISTORIA DE LA TURBINA DE GAS

El ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en 150 A.C.

Hero inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de manera radial en un sólo sentido (Ver Gráfico Siguiente).

En 1232, los chinos utilizaron cohetes para asustar a los soldados enemigos.

Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Davinci dibujó un esquema de un dispositivo que rotaba debido al efecto de los gases calientes que subían por una chimenea. El dispositivo debería rotar la carne que estaba asando.

En 1629 otro italiano desarrolló un dispositivo que uso el vapor para rotar una turbina que movía maquinaria. Esta fue la primera aplicación práctica de la turbina de vapor.

En 1678 un jesuita llamado Ferdinand Verbiest construyó un modelo de un vehículo automotor que usaban vapor de agua para movilizarse.

La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés llamado John Barber. Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto del proceso.

En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales en los años 1900.

En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en los Estados Unidos para una turbina de gas. Esta fue otorgada pero generó mucha controversia.

La Compañía General Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo súper cargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo

utilizado para supercarga. Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables.

En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.

TURBINA A GAS CICLO BRAYTON

INTRODUCCION

Se puede decir que antes del año 1940 todas las máquinas térmicas deCombustión interna eran del tipo alternativo: émbolo, biela y cigüeñal.Recién, hacia el año 1940, al lograrse la fabricación de compresores rotativosde alto rendimiento, conjuntamente con los progresos realizados en el campode la metalurgia, que permitieron la fabricación de aceros refractarios capacesde resistir altas temperaturas, se posibilitó el desarrollo de las turbinas a gas.Fue durante la guerra de 1939 a 1945 que la turbina a gas alcanzó su máximaDifusión y desarrollo tecnológico

TURBINA A GAS CICLO ABIERTO SIMPLE DE UN SOLO EJE

En el año 1873 GEORGE BRAYTON (1830 – 1892) expuso el principio deFuncionamiento del ciclo que lleva su nombre que originariamente se desarrollóEmpleando una máquina de pistones con inyección de combustible, para luegoRealizarlo como ciclo abierto simple llamado turbina a gas.Si bien se le llama ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo noRealiza un ciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que egresaSon gases de combustión, o sea en un estado diferente al que se tenia cuandose inició el proceso, por eso se dice que es un “ciclo abierto”.Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas de combustión interna aFlujo continuo cuyo esquema se representa en la Fig. 1

VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS

a) Muy buena relación potencia vs. peso y tamañob) Bajo costo de instalaciónc) Rápida puesta en serviciod) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son losmovimientos roto alternativos de los motores de combustión interna)e) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamenteperfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativosf) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustióninterna)g) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimientoh) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente

DESVENTAJAS DE LA TURBINA A GAS

Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a:

1. Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura deSalida de los gases de escape por chimenea, entre 495ºC a 560 ºC2. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por elCompresor axial, en el orden de las ¾ partes, o sea un 75% de la potenciaTotal de la turbina

CLASIFICACION DE LAS TURBINAS A GAS

Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en:1. Turbinas a gas de acción2. Turbinas a gas de reacciónEn las turbinas de acción la caída total de presión de los gases de combustiónSe produce en las toberas que están ubicadas antes del/los estadios móviles y

Fijos de la misma.De esta manera se produce una transformación de energía de presión aEnergía de velocidad (energía cinética) en los gases.La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos,Permanece constante.En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gases deCombustión se produce tanto en las toberas, como en los estadios móviles yFijos que componen la misma.La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, vaDisminuyendo.

Ciclo combinado

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Se denomina ciclo combinado en la generación de energía a la co-existencia de dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión. En la propulsión de buques se denomina ciclo combinado al sistema de propulsión

Funcionamiento

En una central eléctrica el ciclo de gas genera energía eléctrica mediante una o varias turbinas de gas y el ciclo de vapor de agua lo hace mediante una o varias turbinas de vapor. El principio sobre el cual se basa es utilizar los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperación, la que alimenta a su vez de vapor a la turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo único y mucho mayores que los de una de turbina de vapor.

Consiguiendo aumentar la temperatura de entrada de los gases en la turbina de gas, se obtienen rendimientos de la turbina de gas cercanos al 60%, exactamente 57,3% en las más modernas turbinas Siemens. Este rendimiento implica una temperatura de unos 1.350 °C a la salida de los gases de la cámara de combustión. El límite actualmente es la resistencia a soportar esas temperaturas por parte de los materiales cerámicos empleados en el recubrimiento interno de las cámaras de combustión de esas turbinas.

Las centrales de ciclo combinado son, como todas ellas, contaminantes para el medio ambiente y para los seres vivos, incluidas las personas, por los gases tóxicos que expulsan al ambiente. No obstante es la que menos contamina de todas las industrias de producción

de electricidad por quema de combustible fósil. Básicamente las emisiones son de CO2. Las emisiones de NOX y SO2 son insignificantes, no contribuyendo por tanto a la formación de lluvia ácida. Dependiendo estos efluentes gaseosos del tipo de combustible que se queme en la turbina de gas.

Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo Joule y permite, por ello, mejorar la recuperación térmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuya recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda turbina de contrapresión.

En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía. Por ello se requiere la existencia de experiencias previas e "imaginación responsable" para crear procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño.

Ciclo combinado a condensación

Una variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, es el ciclo combinado a condensación que se realiza en procesos estrictamente co generativos. Se basa en una gran capacidad de regulación ante demandas de vapor muy variables.

El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración consiste en evacuar gases a través del bypass cuando la demanda de vapor es menor a la producción y utilizar la post-combustión cuando sucede lo contrario.

Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptación a la demanda de vapor, debido a una importante bajada en el rendimiento de recuperación, ya que los gases de escape mantienen prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ellos, las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes, y la planta deja de cumplir los requisitos de rendimiento.

Por el contrario, un ciclo de contrapresión y condensación permite aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la condensación del vapor que no puede usarse en el proceso, produciendo una cantidad adicional de electricidad