viavilidad de una turbina a gas
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implemetacion de una turbina a gas para una maquina trituradoraTRANSCRIPT
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERA MECNICA ENERGA
ESCUELA PROFECIONAL DE INGENIERIA MECANICA
VIABILIDAD DE USAR UNA TURBINA A GAS PARA
MOVER EL EJE DE UN MOLINO DESGARRADOR DE
PLSTICO PARA APROBECHAR LOS GASES DE SALIDA
EN EL PROCESO DE FUNDICION DE PLSTICO
AUTORES:
SANTOS TICONA , PIERO MANUEL LLANOS OJEDA , ARTHUR ORTIZ ORTIZ , CARLOS COSI MAMANI , JORGE EDUARDO CAMPOS SALAS , OSCAR ANDRE ESPEJO PARIONA , LUIS CESAR ANCHANTE BARRIENTOS , KENY
BELLAVISTA - CALLAO
JULIO 2015
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SUMARIO
SUMARIO ....................................................................................................................................................... 2
RESUMEN....................................................................................................................................................... 4
INTRODUCCION ............................................................................................................................................. 5
CAPITULO I ..................................................................................................................................................... 6
I. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACION ............................................................................................ 6
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................................... 6
1.2. FORMULACION DEL PROBLEMA ........................................................................................................... 6
1.2.1. Problema General ..................................................................................................................... 6
1.2.2. Problema Especfico .................................................................................................................. 6
1.3. OBJETIVO DE LA INVESTIGACION ......................................................................................................... 6
1.3.1. Objetivo general: ...................................................................................................................... 6
1.3.2. Objetivos especficos: ................................................................................................................ 7
1.4. JUSTIFICACIN ..................................................................................................................................... 7
1.4.1. Propsito de la investigacin .................................................................................................... 7
1.4.2. Conveniencia del estudio .......................................................................................................... 7
1.4.3. Aportes sociales ........................................................................................................................ 7
1.5. IMPORTANCIA ...................................................................................................................................... 7
CAPITULO II .................................................................................................................................................... 8
II. MARCO TEORICO ................................................................................................................................. 8
2.1. ANTECEDENTES DEL ESTUDIO .............................................................................................................. 8
2.1.1. Evolucin de la turbina a gas .................................................................................................... 8
2.1.2. Molino Triturador de Plstico CORIMA ................................................................................... 15
2.2. REFERENCIA TEORICA CONCEPTUAL .................................................................................................. 17
2.2.1. Descripcin de una turbina a gas ............................................................................................ 17
2.2.3. Componentes principales de la turbina a gas ......................................................................... 19
2.2.4. Ciclo Brayton ideal simple ....................................................................................................... 31
2.2.5. Aplicaciones del Ciclo Brayton ................................................................................................ 33
2.2.6. Ciclo Ideal Brayton Conceptos Matemticos .......................................................................... 37
2.2.7. Planta De Generacin De Turbina De Gas Sencilla Incluyendo Un Compresor Y Una Turbina
Reales ...................................................................................................................................... 41
2.2.8. Ciclo Joule Brayton con Recuperacin .................................................................................. 43
2.2.9. Plantas Generadoras Recuperadoras con Turbina de Gas Compresor y Recuperador Real y
Cada De Presin y en Intercambiadores de Calor .................................................................. 46
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CAPITULO III ................................................................................................................................................. 51
III. VARIABLES E HIPOTESIS..................................................................................................................... 51
3.1. VARIABLES DE LA INVESTIGACION...................................................................................................... 51
3.1.1. Variable Dependiente ............................................................................................................. 51
3.1.2. Variables Independientes ........................................................................................................ 51
3.2. HIPOTESIS GENERAL ........................................................................................................................... 51
3.3. LIMITACIONES .................................................................................................................................... 51
CAPITULO IV ................................................................................................................................................ 52
IV. METODOLOGIA ................................................................................................................................. 52
4.1. TIPO DE INVESTIGACION .................................................................................................................... 52
4.2. DISEO DE LA INVESTIGACION ........................................................................................................... 52
4.3. POBLACION Y MUESTRA ..................................................................................................................... 52
4.4. TECNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS ................................................................ 52
4.5. PROCESAMINETO ESTADISTICO Y ANALISIS DE DATOS ...................................................................... 53
CAPITULO V ................................................................................................................................................. 55
V. RESULTADOS ..................................................................................................................................... 55
CAPITULO VI ................................................................................................................................................ 56
VI. DISCUSIN DE RESULTADOS ............................................................................................................. 56
CAPITULO VII ............................................................................................................................................... 57
VII. CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 57
CAPITULO VIII .............................................................................................................................................. 58
VIII. RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 58
CAPITULO IX ................................................................................................................................................. 59
IX. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .......................................................................................................... 59
CAPITULO X .................................................................................................................................................. 60
ANEXOS ....................................................................................................................................................... 60
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RESUMEN
El estudio realizado busca hacer un anlisis en la factibilidad al colocar una
turbina a gas para mover el eje de un molino desgarrador de plstico
especficamente de la marca CORIMA el cual es movido habitualmente por un
motor elctrico.
Para lo cual haremos uso de los conocimientos adquiridos en el curso de
Termodinmica II, especficamente enfocndonos en el Ciclo Joule Brayton que
es el que usan las turbinas a gas.
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INTRODUCCION
Tenemos conocimiento de todos los equipos de este tipo usan motores elctricos
para mover el eje de las cuchillas que desgarran el plstico, por lo cual quisimos
implementar una turbina a gas que desempee el mismo trabajo y aprovechar los
gases restantes para distintos propsitos como por ejemplo para el proceso de
fundicin del plstico o quizs para calentamiento de agua y coccin de
alimentos.
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CAPITULO I
I. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACION
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Tenemos las especificaciones tcnicas de un molino desgarrador de plstico y
sabemos que los equipos de este tipo usan motores elctricos para mover el eje
de las cuchillas que desgarran el plstico, por lo cual quisimos implementar una
turbina a gas que desempee el mismo trabajo y aprovechar los gases restantes
para distintos propsitos como por ejemplo para el proceso de fundicin del
plstico o quizs para calentamiento de agua y coccin de alimentos, por lo cual
debemos averiguar las caractersticas que debera tener la turbina a gas que
reemplace dicho motor elctrico.
1.2. FORMULACION DEL PROBLEMA
Habiendo expuesto nuestra problemtica pasaremos a plantear nuestro problema
general y nuestro problema especfico.
1.2.1. Problema General
Cules son las caractersticas que debe tener una turbina a gas que reemplace el
motor elctrico del molino de plstico?
1.2.2. Problema Especfico
Cul es la potencia del molino desgarrador de plstico?
Cul es la relacin aire combustible en la cmara de combustin?
1.3. OBJETIVO DE LA INVESTIGACION
1.3.1. Objetivo general:
Conocer la viabilidad de reemplazar el motor elctrico de una
desgarradora de plstico marca CORIMA por una turbina a gas.
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1.3.2. Objetivos especficos:
Contrastar conceptos tericos y prcticos adquiridos en el curso de
Termodinmica II para la solucin de nuestro problema.
Dimensionar las caractersticas de la turbina a gas para mover el molino.
1.4. JUSTIFICACIN
1.4.1. Propsito de la investigacin
Reemplazar el motor elctrico de un molino por una turbina a gas.
1.4.2. Conveniencia del estudio
Con la investigacin realizada se busca dar la importancia debida a las
formulas del Ciclo Joule Brayton vistas en el curso de Termodinmica II.
1.4.3. Aportes sociales
Si es factible usar un turbina a gas para mover el eje del triturador de
plstico esto podra disminuir costos en cuanto a uso de electricidad y si
se logra aprovechar los gases restantes de la turbina tambin podra
disminuir costos de insumos para calentamiento en distintos sectores, un
ejemplo podra ser en un comedor, lo cual disminuira los gastos en
compra de gas por ejemplo.
Esto a su vez genera un impacto social directo ya que contribuye a la disminucin
de gastos para reciclaje de plsticos.
1.5. IMPORTANCIA
Debido a que el gas natural es tan barato la industria busca que implementarla
en sus procesos, es por esto que hacemos esta investigacin para saber si es
factible implementar una turbina a gas para reemplazar un motor elctrico y
aprovechar los gases restantes para otros propsitos.
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CAPITULO II
II. MARCO TEORICO
2.1. ANTECEDENTES DEL ESTUDIO
2.1.1. Evolucin de la turbina a gas
Inventos que le permitiesen satisfacer sus necesidades bsicas y que al mismo
tiempo le proveyesen comodidad, lo ayud a conquistar las ciencias; y ahora,
luego de siglos de descubrimientos, podemos apreciar muchsimos de sus frutos.
Desde tiempos muy antiguos, la curiosidad del hombre y su consecuente afn
por descubrir lo que lo rodea lo llev a diferenciarse del resto de seres que
habitan el planeta. En tal sentido, su bsqueda por mejorar su calidad de vida,
mediante
En esta primera parte del Captulo 1 se explorarn las formas que este invento,
la turbina a gas, fue tomando; desde hace miles de aos cuando fue concebida
como una simple idea por Hern de Alejandra y su eolpila; hasta ahora, como
una mquina compleja capaz de generar potencias altsimas y ser empleada para
diversos usos de los cuales dependemos da a da, como lo son la electricidad, o
el transporte masivo areo.
2.1.1.1. Del 130 A.C. hasta finales del Siglo XIX
A pesar de los enormes avances alcanzados en los ltimos 50 aos, es
muy importante analizar la forma en la que la turbina a gas fue
concebida y, por ende, recalcar lo que dicta la historia: la turbina a gas
naci junto con la turbina a vapor, de una misma vertiente de ideas.
Fueron el tiempo y los desarrollos tecnolgicos propios de cada una de
ellas los que las diferenciaron (Giampaolo, 2006, p. 1).
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Ilustracin 1. Eolpila de Hern de Alejandra (130 A.C.)
(Fuente: Knight's American Mechanical Dictionary. 1876)
La historia se inicia en el 130 A.C., con la turbina a reaccin a vapor
de Hern de Alejandra, ms conocida como la eolpila (Soares, 2007,
p. 36). Posteriormente, en 1550, Leonardo Da Vinci crea su molino a
humo y luego en 1629 Giovanni Branca, en Italia, crea la turbina de
impulso a vapor (Giampaolo, 2006, p. 1), tal como se puede ver en la
Ilustracin 2.
Ilustracin 2. Turbina de impulso a vapor de Giovanni Branca (1629)
(Fuente: The Steam Engine Explained and Illustrated. Dionysius Lardner, 1840)
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Pero la historia seala que, como se mencion previamente, las ideas
de la turbina a gas y a vapor fueron concebidas simultneamente: en
1791, la patente de John Barber de turbina a vapor describe la
utilizacin de otros fluidos o gases como posibles fuentes de energa
(Giampaolo, 2006, p. 1). De este modo, Barber invent lo que vendra
a ser una turbina a gas, que consista en carbn caliente que generaba
gas, mezclado con aire, comprimido y luego quemado. Esta mezcla
produca un chorro a alta velocidad que incida directamente sobre
cuchillas radiales situadas en el borde de una turbina circular
(Ilustracin 3). Desafortunadamente, la idea de Barber y las de sus
antecesores no escaparon a ser solo eso y estos inventos nunca vieron
la luz como equipos de trabajo hasta finales del siglo XIX (Giampaolo,
2006, p. 1).
Ilustracin 3. Turbina a gas de Barber (1791) (Fuente: patente de John Barber, dibujada por l mismo)
En los siguientes casi cien aos se desarrollaron numerosas ideas, pero
todas ellas tambin fueron intentos fallidos dado que no pudieron ser
convertidas en equipos de trabajo. Sin embargo, algunas de estas
fueron los pilares para el desarrollo que vendra posteriormente. Por
ejemplo, en 1808, John Dumball dise lo que sera una turbina multi-
etapa. Lo que le falt para concretar lo que hoy conocemos como una
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turbina de flujo axial, fueron las etapas fijas o estacionarias que giran
al flujo entre cada etapa; ya que su diseo solo albergaba los rotores
con labes mviles (Giampaolo, 2006, p. 2). Posteriormente, en 1837,
en Pars, Bresson tuvo la idea de utilizar ventiladores para ingresar aire
comprimido a la cmara de combustin, donde era mezclado con el
combustible gaseoso y luego quemado. Se agregaba aire a los
productos de combustin para enfriarlos y luego eran conducidos a los
labes de la turbina. Esta idea sera, en el futuro, la base para el
enfriamiento del aire y el mayor aprovechamiento de los gases
calientes (Giampaolo, 2006, p. 2). Fernimough, en Inglaterra, en 1850,
sugiri una turbina que utilizara una mezcla de vapor y gas, donde el
aire era impulsado a travs de una parrilla con carbn caliente mientras
se le rociaba agua a los gases calientes. Sus ideas seran, luego, la base
para la inyeccin de agua que se utiliza para el aumento de la potencia,
y posteriormente, el control de los NOx (Giampaolo, 2006, p. 2).
En 1872 el Dr. Stolze combin las ideas de Barber y Dumball y
desarroll el primer compresor axial impulsado por una turbina axial.
El diseo consista en un compresor de flujo axial multi-etapa, una sola
cmara de combustin, una turbina axial tambin multi-etapa y,
finalmente, un regenerador que empleaba los gases de combustin para
calentar el aire que sala del compresor. Esta mquina fue probada por
4 aos pero nunca funcion exitosamente (Giampaolo, 2006, p. 2).
No fue hasta 1884 que la patente de Sir Charles Parsons de una turbina
a reaccin a gas y a vapor, junto con la aplicacin de Charles de Laval,
en 1888, de las ideas de Giovanni Branca para una turbina de impulso
a vapor, que se logr un equipo que funcionara correctamente
(Giampaolo, 2006, p. 3). En los aos siguientes, en particular entre
1895 y 1896 se disearon muchas variaciones de forma de la turbina
de impulso, entre quienes podemos destacar A. C. Rateau, Chales
Curtis, y el Dr. Zoelly. La experiencia adquirida en el desarrollo de
turbinas a vapor fue directamente empleada en el desarrollo de turbinas
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a gas (Giampaolo, 2006, p. 3). Ya a finales del S. XIX se haban creado
equipos que funcionaban correctamente.
Ilustracin 4. Turbina de impulso de De Laval (1888)
(Fuente: Electrical Installations. (Vol. III ed.). pp. p. 41,fig. 29. Kennedy Rankin, 1903)
2.1.1.2. Primera mitad del Siglo XX
En 1903, Rene Armengaud y Charles Lemale construyeron y probaron
satisfactoriamente una turbina a gas utilizando el compresor rotativo
de Rateau y la turbina a vapor de velocidad compuesta de Curtis
(Giampaolo, 2006, p. 3). Ambos construyeron y probaron varias
turbinas a gas experimentales. Inicialmente, utilizaron una turbina a
vapor De Laval de 25 HP, impulsada por gases comprimidos de una
cmara de combustin, que era alimentada por un compresor. La
turbina y el compresor alcanzaban velocidades de 4000 rpm, y como
otro ejemplo de uso temprano de inyeccin de vapor, las temperaturas
eran mantenidas inyectando vapor en el inicio de las toberas de la
turbina (Giampaolo, 2006, p. 4).
En el cambio de siglo, se integraba el enfriamiento de los labes de la
turbina al diseo de la misma. Por necesidad, estos primeros
diseadores de la turbina a gas tuvieron que utilizar la inyeccin de
agua, vapor y aire interno para reducir los efectos de la temperatura en
la cmara de combustin, toberas de la turbina y labes de la turbina
(Giampaolo, 2006, p. 4).
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Posteriormente, Brown Bovery & Co. construy una turbina a gas de
500 HP, con un compresor centrfugo de tres etapas, cada etapa con 25
impulsores en serie. Este compresor centrfugo, diseado
especialmente para su uso con turbinas a gas, fue modelado a partir del
diseo de A. C. Rateau. De acuerdo a Giampaolo, resulta difcil poder
mirar atrs y diferenciar si estos pioneros estaban mejorando sus
turbinas a vapor con el uso de gas caliente, o si lo hacan a sus turbinas
a gas con el uso de vapor. Lo que s est claro, es que sus ideas han
prevalecido a travs del tiempo y son vigentes en el operar de las
turbinas a gas de hoy (2006, p. 4).
En 1905, Brown Bovery construy la primera unidad de turbina a gas
y compresor, la cual fue instalada en una refinera en Filadelfia,
Estados Unidos. Esta tena una potencia de 5300 kW, de los cuales
solo 900 kW eran para generar electricidad y el resto para gas a
presin. Esta misma empresa tambin construy la primera turbina a
gas diseada exclusivamente para la generacin de electricidad.
Instalada en Neuchatel, Suiza, esta turbina que generaba 4000 kW
consista en un compresor de flujo axial que comprima aire hasta
aproximadamente 345 kPa, y los entregaba a una sola cmara de
combustin y que luego impulsaba a una turbina a reaccin multi-etapa
(Giampaolo, 2006, p. 5). A continuacin, se muestra en la Ilustracin
5 un esquema de la unidad en cuestin.
Ilustracin 5. Primera turbina de Brown Boveri de 4000 kW, exclusiva para la
generacin de electricidad
(Fuente: Archivos de ASME)
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2.1.1.3. Utilizacin de Turbinas a Gas Como Motores de
Aviacin
A diferencia de las turbinas a gas estacionarias, que comenzaron a
ganar prestigio (en general gracias a sus mejoras en rendimiento y
eficiencia), el desarrollo de las turbinas a gas como motores de
aviacin se vio obstruido numerosas veces.
Recin en 1937, con fondos de Power Jets Ltd., el motor de Whittle
fue construido por la empresa British Thompson-Houston Co. y fue
probado exitosamente. Esta unidad construida consista en un
compresor centrfugo de doble entrada y una turbina axial de una sola
etapa (Giampaolo, 2006, p. 6).
A lo largo de los aos de la Segunda Guerra Mundial, varios cambios
en el diseo de la turbina fueron realizados: turbinas axiales y radiales,
flujos directos o invertidos en la cmara de combustin, y, ms
notablemente, en los compresores axiales. La relacin de presin de
los compresores axiales fue incrementndose sustancialmente con el
pasar de los aos: en los inicios, es decir 1900, la relacin era de 2,5:1;
en 1940, ascendi a 5:1; ya para 1960 se elevaba a 15:1 y hoy en da
alcanza relaciones de ms de 40:1. Asimismo, desde la Segunda
Guerra Mundial, se realizaron mejoras en los motores a propulsin a
chorro en aeronaves, mejoras que fueron transferidas a las turbinas a
gas estacionarias (Giampaolo, 2006, p. 7) y (tesis propuesta de
metodologa para el anlisis Exegtico de una turbina a gas de
ciclo simple)
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2.1.2. Molino Triturador de Plstico CORIMA
Descripcin
Desgarrador especial para Mazacotas de plstico
Potencia motor principal de 200KW.
Anchura trituracin 1000 mm. x 1000mm
Rotor triturador con dados de cuchillas( n cuchillas 50)
4 Cuchillas de bancada
Centralita hidrulica de 5,5 cv
1 Pistn para el pisador de material
Boca de almacn entrada de material 1000x1000
Tamiz con dimetro segn cliente.
Rosca de salida Cuadro elctrico
Interruptor general
Arrancador electrnico
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Equipo programador personalizado
Indicacin de consumo
Indicaciones de giro del rotor
Mandos de manual y automtico
Mdulo seguridad
Paro de emergencia
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2.2. REFERENCIA TEORICA CONCEPTUAL
2.2.1. Descripcin de una turbina a gas
Los desarrollos tecnolgicos alcanzados en las turbinas a gas hacen
que, para los diversos usos de esta, existan equipos con caractersticas
puntuales que les permiten desarrollar las actividades para las que
fueron diseadas con gran eficiencia.
La primera gran diferencia que se debe tener en cuenta con las turbinas
a gas, est entre las turbinas generadoras de potencia (o de uso
industrial), que son aquellas que generan potencia en el eje, para luego
generar electricidad; y las de uso areo (utilizadas como propulsin en
aeronaves). Si bien es cierto que ambas provienen de un mismo
concepto, hoy en da cada una tiene peculiaridades que las diferencian
notoriamente de las otras.
Sin embargo, antes de seguir escarbando en estas diversas
particularidades que se pueden encontrar en las distintas turbinas a gas,
resulta imprescindible detenerse en este punto e indicar lo siguiente:
dado que esta tesis consiste en realizar la metodologa para el anlisis
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exegtico de una turbina a gas, es importante puntualizar que la turbina
a analizar es la turbina ubicada en el Laboratorio de Energa de la
Universidad. Dado que es de uso instructivo, esta turbina es
comparativamente simple en cuanto a su funcionamiento y
complejidad, y obedece a un ciclo termodinmico simple. Mayores
detalles de la turbina en cuestin se explicarn posteriormente; pero lo
importante a destacar aqu es que la descripcin que se realizar en
este apartado sobre turbinas a gas comprende solo los componentes
necesarios para conocer el hardware de la misma y poder realizar los
anlisis necesarios entendiendo plenamente cmo funciona esta Para
comenzar con esta descripcin de los componentes de la misma,
resulta de gran ayuda entender primero el ciclo termodinmico que
llevan a cabo las turbinas a gas. Este, consecuentemente, explica el
porqu de cada componente (tesis: PROPUESTA DE
METODOLOGA PARA EL ANLISIS EXERGTICO DE
UNA TURBINA A GAS DE CICLO SIMPLE).
2.2.2. VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS
a) Muy buena relacin potencia vs. peso y tamao.
b) Bajo costo de instalacin.
c) Rpida puesta en servicio.
d) Es una mquina rotante (no tiene movimientos complejos como son
los movimientos roto alternativos de los motores de combustin
interna)
e) Al ser una mquina rotante el equilibrado de la misma es
prcticamente perfecto y simple, a diferencia de mquinas con
movimiento alternativos.
f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de
combustin interna)
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g) Menores prdidas por rozamiento al tener menores piezas en
movimiento.
h) Sistema de lubricacin ms simple por lo expresado anteriormente.
(Ing. JORGE FELIX FERNANDEZ CICLO YOULE BRAYTON
pag.3)
2.2.3. Componentes principales de la turbina a gas
En general, las turbinas a gas tienen mdulos de ingreso y escape.
Asimismo, las turbinas a gas grandes y modernas suelen poseer
compresores del tipo axial. Por el contrario, las pequeas suelen operar
con compresores de tipo centrfugo (Soares, 2007, p. 122).
En las turbinas de tipo axial, cada etapa proporciona una oportunidad
para incrementar la relacin de presin (RP), y si bien una sola etapa
de un compresor axial no ofrece la misma RP que uno centrfugo del
mismo dimetro, un compresor axial multi-etapa s logra RP mucho
ms altas (y con ello mayor flujo msico que significa ms potencia)
que uno centrfugo (Soares, 2007, p. 122).
Por otro lado, muchos compresores pueden tener un mdulo de baja
presin (BP o CBP) y uno de alta presin (AP o CAP). Del mismo
modo, la turbina tiene mdulos correspondientes para BP (turbina de
BP, o TBP) y AP (turbina de AP, TAP). De este modo, el CBP y la
TBP operarn en un mismo eje a una misma velocidad; mientras que
el CAP y la TAP operarn en un eje ms corto, que a la vez es
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concntrico y envuelve al eje de los mdulos de BP. Este eje ms corto,
correspondiente a los mdulos de AP tiene una velocidad mayor que
el de los otros mdulos. Tambin existen turbinas con tres mdulos
diferentes, llamados de baja, intermedia y alta presin. Este concepto
modular permite que los mdulos sean reemplazados o reparados sin
necesidad de poner toda la turbina fuera de servicio (Soares, 2007, p.
122).
Sin ms prembulo, a continuacin se explican los principales
componentes de la turbina a gas. Estos son, como se vio en la
explicacin del ciclo termodinmico:
El compresor
La cmara de combustin
La turbina.
2.2.3.1. El compresor
El proceso de compresin del aire es realizado por el compresor.
Existen dos tipos bsicos de compresores: los de flujo centrfugo y los
de flujo axial. Ambos son directamente impulsados por la turbina y
usualmente estn conectados al eje de la misma.
El compresor centrfugo es una unidad de una o dos etapas, que utiliza
un solo impulsor (rara vez dos) para acelerar el aire y un difusor para
producir el adecuado incremento de presin. Por otro lado, el
compresor axial es una unidad multi-etapa que emplea hileras
alternativas de labes giratorios (rotor) y labes estacionarios (estator);
estos aceleran y difunden el aire hasta que el aumento de presin
requerido es logrado (Soares, 2007, p. 125).
Muy aparte de las ventajas y desventajas de cada tipo, el compresor
centrfugo es ms robusto que el compresor axial; as como ms fcil
de desarrollar y de fabricar. Sin embargo, el compresor axial consume
mucho ms aire que un compresor centrfugo con la misma rea frontal
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(para ingreso de aire) y puede ser diseado para alcanzar RP mucho
mayores. Dado que el flujo de aire es un factor importante para
determinar la cantidad de empuje desarrollada por la turbina, podemos
concluir que una turbina a gas con compresor axial dar ms empuje
que una con compresor centrfugo con la misma rea frontal (Soares,
2007, p. 125).
Otra forma de justificar la necesidad de tener altas RP, es mediante el
consumo especfico de combustible. Conforme aumenta la RP,
disminuye el consumo especfico de combustible; esto lo podemos
apreciar en la figura siguiente (Soares, 2007, p. 125):
Consumo especfico de combustible vs relacin de presiones
(Fuente: Gas Turbines: A handbook of air, land and sea applications.
Claire Soares, p. 125)
El compresor de flujo centrfugo
Dado que la turbina a la cual realizaremos el anlisis exergtico tiene
un compresor de flujo centrfugo, nos detendremos en este tipo de
compresor para explicarlo un poco ms a detalle.
Como ya se mencion, el compresor centrfugo posee un impulsor de
una o dos caras que opera en una sola etapa; y ocasionalmente, dos
impulsores de una sola cara que operan en dos etapas. El impulsor est
apoyado en una carcasa que a la vez contiene un anillo de labes
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difusores. A continuacin, se detallarn algunos puntos importantes
acerca de este componente (Soares, 2007, p. 125).
El principio de funcionamiento del compresor se fundamenta en el
impulsor, el cual gira a gran velocidad y es impulsado por la turbina.
El aire es inducido continuamente hacia el centro del mismo, donde la
accin centrfuga hace que el fluido se dirija radialmente hacia afuera,
a lo largo de los labes del impulsor hasta el extremo del mismo,
acelerando as al aire y tambin causando que se ocasione un
incremento en su presin. La entrada de la turbina a gas puede poseer
labes que le den turbulencia inicial al aire que ingresa al compresor.
El aire, luego de atravesar el impulsor, ingresa a la seccin del difusor,
donde conductos forman toberas divergentes que convierten casi toda
la energa cintica en energa de presin (Soares, 2007, pp. 125-126).
Esto se puede apreciar en la siguiente figura.
Dada la necesidad de maximizar el flujo de aire y el aumento en la
presin a travs del compresor, se necesita que el impulsor gire a altas
velocidades. Por tal motivo, de acuerdo a Soares, los impulsores estn
diseados para girar a velocidades de hasta 488 m/s (2007, p. 126).
Por otro lado, para mantener alta la eficiencia del compresor, resulta
imprescindible prevenir la prdida excesiva de aire entre el impulsor y
la carcasa. Para minimizar estas prdidas, se procede a reducir al
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mximo los espacios libres entre estos dos elementos (Soares, 2007, p.
126).
El impulsor
El impulsor consiste en un disco forjado con labes integrados,
radialmente dispuestos, en una o ambas caras del mismo, formando as
conductos convergentes en conjuncin con la carcasa. Los labes del
impulsor pueden ser inclinados hacia un lado; sin embargo, por
facilidades de fabricacin, estos suelen ser radiales y rectos (Soares,
2007, p. 126). Esto lo podemos apreciar en la siguiente figura.
Por otro lado, dado que el aire ingresa al impulsor en sentido axial, se
curvan los labes en el centro del mismo y en el sentido de giro, para
facilitar el ingreso del aire a los ductos del impulsor que se encuentra
girando. Dicho detalle de puede apreciar tambin en la figura. Estas
partes curvas pueden ser ntegras a los labes radiales o formadas
separadamente para facilitar la fabricacin y hacerla ms precisa
(Soares, 2007, p. 126).
Rotores de compresores
centrfugos
El difusor
El difusor puede ser una parte integral de la carcasa del compresor o bien una
parte fijada separadamente. En cada tramo, este consiste en una serie de labes
dispuestos de forma tangencial al impulsor. Los conductos entre los labes son
divergentes con la finalidad de convertir la energa cintica en energa de
-
24
presin. Asimismo, los bordes internos de los labes estn alineados en la
direccin del flujo de aire que sale por el impulsor (Soares, 2007, pp. 126-127).
Esto lo podemos apreciar en la siguiente ilustracin.
Flujo de aire a la entrada del
difusor
2.2.3.2. La cmara de combustin
La cmara de combustin cumple la labor de quemar grandes cantidades de
combustible, suministradas por boquillas que pulverizan el combustible, con
extensos volmenes de aire, suministrados por el compresor; y liberar el calor
de manera tal que el aire sea expandido y acelerado para resultar en un chorro
fluido de gas caliente, a las condiciones que requiere la turbina (Soares, 2007, p.
134).
Esta difcil tarea debe ser cumplida con las mnimas prdidas de presin y la
mxima liberacin de calor posible en el limitado espacio disponible (Soares,
2007, p. 134). Dependiendo de la temperatura que se desea alcanzar, se ingresa
una determinada cantidad de aire y de combustible. Sin embargo, los materiales
con los cuales se construyen los labes de las turbinas y las toberas suelen limitar
las temperaturas mximas admisibles, en un rango que va desde los 850C hasta
los 1700C (Soares, 2007, p. 135). Cabe recalcar que pasado el proceso de
compresin, el aire ya ha alcanzado temperaturas entre los 200C y 550C, por
lo que el proceso de combustin debe suministrar el incremento de temperatura
restante de 650-1150C (Soares, 2007, p. 135).
-
25
Cmara de combustin antigua
A continuacin, se describen algunos puntos importantes acerca de las cmaras
de combustin de las turbinas a gas.
El proceso de combustin
El aire que viene del compresor ingresa a velocidades alrededor de los 150 m/s,
pero dado que esta velocidad es muy alta como para originar la combustin, lo
primero que debe hacer la cmara de combustin es diseminar el aire
(desacelerarlo e incrementar su presin esttica). Al pasar por este subproceso,
el aire alcanza velocidades cercanas a los 25 m/s; pero aun as, el aire a esta
velocidad apagara cualquier intento de generar una llama. En tal sentido, existe
una regin de velocidad axial baja dentro de la cmara de combustin, con la
finalidad que la flama permanezca encendida a todo lo largo del rango de
condiciones de operacin de la turbina (Soares, 2007, p. 135).
En condiciones de operacin normal, la relacin aire/combustible (Rac) oscila
entre 45:1 y 130:1. Sin embargo, para combustibles como el kerosene, esta
relacin es de 15:1 para que este pueda combustionar eficientemente. Por ello,
la combustin debe realizarse solamente con una porcin del aire que ingresa en
la cmara. La zona donde se realiza la combustin se llama zona primaria de
combustin (Soares, 2007, pp. 135-136). Para lograr las Rac mencionadas,
existe un tubo para la llama (flame tube) donde hay dispositivos que miden la
distribucin del flujo de aire en toda la cmara de combustin.
-
26
El suministro de combustible
Existen dos mtodos principales para suministrar el combustible. El ms comn
es la inyeccin de combustible finamente pulverizado al flujo recirculante de aire
a travs de boquillas pulverizadoras. El segundo mtodo consiste en la pre-
vaporizacin del combustible antes que este ingrese a la cmara de combustin
(Soares, 2007, p. 136).
En el mtodo de la vaporizacin, el combustible es inyectado de tubos
alimentadores a tubos vaporizadores, que se encuentran ubicados dentro del tubo
para la llama. Estos tubos cambian la direccin del combustible en 180, y
mientras estos se calientan por la combustin, el combustible se vaporiza antes
de ingresar al tubo de la llama (Soares, 2007, p. 136
Tipos de cmaras de combustin
Se utilizan principalmente tres tipos de cmaras de combustin para las turbinas
a gas. Estas son: la cmara mltiple, la cmara tubo-anular y la cmara anular
(Soares, 2007, p. 137). A continuacin, se explican brevemente algunas de ellas.
La cmara de combustin mltiple se utiliza en turbinas a gas que cuentan con
compresores centrfugos o en turbinas a gas antiguas con compresor axial
(Soares, 2007, p. 138). Aqu, las cmaras estn dispuestas alrededor del equipo,
como se aprecia en la figura siguiente. Cada una de estas recibe el aire del
compresor dentro de s, el cual conducido a travs de ductos.
-
27
Asimismo, cada cmara tiene un tubo para llama (flame tube) interno, alrededor
del cual hay una carcasa para contener aire. El aire ingresa a los tubos para llama
y tambin transita entre el tubo y la carcasa mencionada. Adems, todos los tubos
para llama estn interconectados con la finalidad que operen a la misma presin
y que se permita a la combustin propagarse entre los tubos para llama durante
el arranque de la turbina (Soares, 2007, p. 138).
Por otro lado, la cmara de combustin tubo-anular, es el puente que une la
transicin entre la cmara mltiple y la cmara anular. Aqu, un determinado
nmero de tubos para llama son dispuestos en una carcasa para aire comn
(Soares, 2007, p. 138). El flujo de aire es similar al de cmara mltiple.
Finalmente, la cmara de combustin anular consiste en un nico tubo para
llama, de forma completamente anular, que est contenido dentro de una carcasa
interior y exterior. El flujo de aire a travs de los tubos para llama se asemeja a
los mencionados previamente; con la cmara abierta por el frente al compresor
y por atrs con las toberas de la turbina (Soares, 2007, p. 139).
La principal ventaja de este tipo de cmara es que es ms pequea que los otros
tipos de cmaras, lo que se traduce en menos peso y menos costo de produccin.
Otra ventaja es la eliminacin de problemas de propagacin en la combustin de
cmara a cmara (Soares, 2007, p. 139).
-
28
2.2.3.3. La turbina
La turbina tiene la labor de proveer la potencia necesaria para impulsar el
compresor y accesorios, y en el caso de las turbinas a gas generadoras de
potencia, de proveer potencia en el eje. Esto lo logra mediante la extraccin de
energa de los gases que provienen del sistema de combustin al expandirlos a
menores presiones y temperaturas. En este proceso estn envueltos altos
esfuerzos, dado que para una operacin eficiente, los extremos de los labes de
la turbina deben tener velocidades superiores a los 450 m/s. Por otro lado, el flujo
de gas que ingresa a la turbina por lo general tiene temperaturas que oscilan entre
los 850 y los 1700, y puede alcanzar velocidades por encima de los 760 m/s
(Soares, 2007, p. 155).
Para producir el torque motriz, la turbina puede contar con varias etapas; cada
una con una hilera de labes estacionarios que forman toberas gua y una hilera
con labes mviles. El nmero de etapas depende de la relacin entre la potencia
requerida del flujo de gases, la velocidad angular en la que esta se debe producir
y el dimetro permitido para la turbina (Soares, 2007, p. 155).
Asimismo, el nmero de ejes, y por ello el nmero de turbinas, est directamente
relacionado con la RPM requerida. Para altas RPM, se suelen utilizar dos ejes,
donde uno conduce la TBP y el CBP, y el otro conduce la TAP y el CAP.
Asimismo, cuando se quiere contar con velocidades ptimas en el eje conductor,
se suelen tener turbinas libres. Esto quiere decir que su eje es mecnicamente
independiente de otros ejes de turbinas o compresores. En la siguiente
-
29
ilustracin, mostramos una turbina libre. Se puede apreciar claramente que el eje
de la turbina solo est conectado con un eje de salida para transmitir torque (por
ende potencia) (Soares, 2007, p. 155).
Por otro lado, es importante mencionar las relaciones entre las velocidades en la
turbina y cmo estas se traducen en el incremento del tamao del equipo. De este
modo, la velocidad promedio de un labe de la turbina tiene un efecto
considerable en la mxima eficiencia posible a la salida de una determinada
etapa (Soares, 2007, p. 155). Asimismo, el esfuerzo que se da en el disco de la
turbina se incrementa de forma cuadrtica al incremento de la velocidad; por
ello, para mantener los mismos niveles de esfuerzo a velocidades mayores, el
grosor de la seccin, y por ende el peso, deben ser incrementados
desproporcionalmente. En consecuencia, de acuerdo a Soares, el diseo final es
un arreglo entre la eficiencia y el peso (2007, p. 155).
El diseo de los labes con forma de toberas gua y de los conductos formados
entre los labes de la turbina se basa ampliamente en aspectos aerodinmicos; y
para obtener eficiencias ptimas, compatibles con el diseo del compresor y del
sistema de combustin, los labes con forma de toberas gua y los labes de la
turbina tienen formas aerodinmicas bsicas (Soares, 2007, p. 156).
Cabe resaltar que existen tres tipos principales de turbinas: de impulso, de
reaccin y una combinacin de ambas, llamadas de impulso-reaccin (Soares,
2007, p. 156).
-
30
En las turbinas de impulso, la cada total de la presin ocurre a lo largo de cada
etapa de labes fijos con forma de toberas gua; donde, dada su forma de tobera
convergente, la velocidad del gas se incrementa mientras que la presin se
reduce. Luego, el gas es dirigido hacia los labes mviles, los cuales
experimentan una fuerza que los impulsa causada por el impacto del gas en los
labes (Soares, 2007, p. 156).
En las turbinas de reaccin, los labes fijos con forma de toberas gua estn
diseados para cambiar la direccin del flujo de los gases sin alterar la presin
de los mismos. Los conductos convergentes de los labes mviles experimentan
una fuerza resultante de la expansin y aceleracin de los gases (Soares, 2007,
p. 156). Pero por lo general, las turbinas a gas no utilizan solo turbinas a impulso
o solo turbinas a reaccin. En realidad, suele ser una combinacin de ambas. La
proporcin en que se utiliza cada tipo de turbina est relacionada en gran parte
al tipo de equipo en el cual la turbina va a operar. A grandes rasgos, se puede
decir que la relacin suele ser 50-50 (Soares, 2007, p. 156). Se puede apreciar
un ejemplo de los tipos de turbina en la imagen siguiente.
Transferencia de energa de los gases a la turbina: El funcionamiento de la
turbina depende de la transferencia de energa entre los gases de combustin y
la turbina, pero esta combustin nunca se realiza completamente debido a
prdidas termodinmicas y mecnicas (Soares, 2007, p. 156).
Cuando el gas se expande luego del proceso de combustin, fuerza su camino
hacia las toberas de la turbina para salir; donde, debido a su forma convergente,
-
31
se acelera hasta casi la velocidad del sonido, y debido a su temperatura, esta
velocidad bordea los 760 m/s. Al mismo tiempo, se le da a los gases un pequeo
giro en la direccin de la rotacin de los labes de la turbina, para esto se
emplean los labes fijos con forma de toberas gua (Soares, 2007, p. 158).
Al impactar contra los labes mviles y durante la reaccin posterior a travs de
los mismos, la energa es absorbida, causando que la turbina gire a altas
velocidades proveyendo la potencia para impulsar el eje de la turbina y el
compresor (Soares, 2007, p. 158).
2.2.4. Ciclo Brayton ideal simple
El ciclo Brayton describe el ciclo termodinmico que lleva su nombre.
A continuacin mostramos los diagramas correspondientes a Presin
vs Volumen y Temperatura vs Entropa:
Ilustracin 6. Diagramas P-V y T-s del ciclo Brayton
La toma de aire se realiza a presin atmosfrica
12: Compresin isoentrpica del gas. Se realiza la
compresin del gas en un compresor isoentrpico. En la realidad,
la relacin de presiones (RP) del compresor se encuentra
comnmente entre 15 y 25, para turbinas generadoras (es un poco
mayor en las usadas para aeronaves); y la temperatura en este
proceso se incrementa hasta los 400-465.
-
32
23: Ingreso de calor. Se da a presin constante. Aqu, se le
suministra calor al proceso. En la realidad, este proceso de
ingreso de calor corresponde a la cmara de combustin, donde
se quema combustible y se alcanza temperaturas de 1370-1427
(en un ciclo real).
34: Expansin isoentrpica del gas. El gas calentado se
expande en una turbina isoentrpica. En la realidad, este proceso
consta de dos etapas importantes: primero, el gas con alta
entalpa pasa a travs de la tobera previa a la turbina, donde
alcanza grandes velocidades, y segundo, el gas impulsa los
labes del rotor de la turbina y los hace girar.
41: Liberacin de calor. En el ciclo ideal, se asume que el gas
expandido alcanza nuevamente las condiciones ideales del punto (1) a
presin constante y el ciclo se repite. Sin embargo, en realidad el gas
que atraviesa la turbina es el escape de la cmara de combustin; en
otras palabras, son los gases de combustin. Por tal motivo, estos no
se reutilizan en el sentido que vuelven a ingresar al compresor y repiten
el proceso cclicamente. La forma en la que estos se aprovechan
principalmente es mediante el uso de intercambiadores de calor para
realizar ciclos combinados (ciclos que cuentan con una turbina a gas y
una a vapor, donde los gases de escape permiten generar el vapor) y
en la cogeneracin (se genera electricidad y alguna otra fuente de
energa, como vapor para determinados procesos industriales.
(FRANCIS F. HUANG)
-
33
2.2.5. Aplicaciones del Ciclo Brayton
Aviacin militar: Para helicpteros, aviones de combate o caza
bombarderos, aviones de despegue vertical (Harrier V/tol y V/stol) En este
caso se buscan turbinas con temperaturas de admisin ms elevada para
lograr ms altas velocidades y despegues verticales.
Harrier V/ Stol (Short Take off- Landing)
Aviacin comercial: Se utilizan aviones de turbina de chorro (turbo-jet)
y de turbina de hlice (turbo-fan). En las aerolneas de carga se emplean
turbinas de gran potencia.
Tuberas para transmisin de gas: Es de las industrias que ms utilizan
turbinas de gas. Las turbinas de gas han sido instaladas para impulsar
compresores en medidas superiores a 22500 KW (300 HP). Esta es una
aplicacin excelente ya que el gas natural es un combustible ideal y se
requiere una gran cantidad de fuerza motriz.
-
34
Transporte: En barcos, la alta potencia especfica de las turbinas de gas
permite realizar diseos de altas velocidades. Esto es muy til para barcos
tipo containers, botes moto-torpedo y grandes barcos de guerra. Tambin
se usan en ferrocarriles, en locomotoras de carga y trenes ligeros de
pasajeros, pero solo en los ltimos ha representado un cambio
significativo.
Aeromodelismo: Actualmente se construyen pequeas turbinas de gas
que impulsan aeromodelos a control remoto. Estas se han vuelto las
favoritas de los seguidores de este hobby ya que le brindan al modelo una
gran velocidad y potencia, mejorando su rendimiento y versatilidad.
-
35
Generacin elctrica: Las compaas de servicios elctricos las utilizan
para cargas pico de trabajo en primer lugar. Los costos de instalacin y
operacin, siempre que se usen combustibles refinados, son favorables
para trabajos intermitentes. Los motores de aviacin adaptados para este
servicio disponen de un rpido arranque, aproximadamente dos minutos
para arrancar a plena carga. se han instalado plantas de potencia a carga
pico arriba de 150 MW con un solo generador.
En Trenes de Turbinas a Gas
Un tren de la turbina de gas es un tren de pasajeros que utiliza uno o ms
turbinas de gas como su principal fuente de poder. Pocos trenes de
pasajeros utilizan este sistema hoy en da, aunque ha habido un prototipo
reciente construido por Bombardier Transportation .
Una turbina de gas ofrece algunas ventajas sobre un motor de pistn. Hay
pocas partes mviles, disminuyendo la necesidad de lubricacin y
potencialmente reduciendo los costos de mantenimiento, y la relacin
potencia-peso es mucho mayor. Una turbina de una potencia de salida
dada es tambin fsicamente ms pequeo que un motor de pistn
igualmente poderoso, a menudo permitiendo que el coche de la energa
para dar cabida a los pasajeros o de carga, as. Sin embargo, la potencia
de salida de una turbina y la eficiencia tanto caen dramticamente con
-
36
velocidad de rotacin, a diferencia de un motor de pistn, que tiene una
curva de potencia relativamente plana.
El tren de Turbo en Kingston, Ontario, Canad.
Experimental locomotora JetTrain de Bombardier gira por Amrica del Norte en un intento de
principios de los aos 2000 para elevar el perfil pblico de la tecnologa.
-
37
2.2.6. Ciclo Ideal Brayton Conceptos Matemticos
En la grfica observamos que el proceso 1-2 es adiabtico
Tenemos : = 12 = (2 1)
Luego el proceso 3-4 tambin es adiabtico
Por lo tanto : = 34 = (4 3)
Si : = 1
Obtenemos: = 1 (43)
(21) que es la ecuacin de la eficiencia
Para un ciclo adiabtico se cumple que:
1
2 = (
1
2)
1
y
3
4 = (
3
4)
1
Como P2 = P3 Y P1 = P4
Obtenemos:
= 1 1
2= 1
4
3
= 1 1
1
Donde rp es la relacin de presiones P2/P1
Podemos observar que la eficiencia esta en relacin de las presiones
= (2 1) (4 3)
-
38
= 3(1 1
1
) 1(1
1)
Esta ultima ecuacin nos indica que el trabajo neto desarrollado esta en funcin
de la relacin de presiones. Para hallar el trabajo mximo, el ciclo debe operar
con la razn de presin optima, la cual se obtiene derivando la ecuacin del
trabajo neto en funcin de rp .
Obtenemos: () = (3
1)
2(1)
Donde T3 y T1 son las temperaturas mximas y mnimas del ciclo, debido a los
avances en relacin a los materiales, la temperatura mxima est limitada a unos
1000C y la segunda est limitada por la temperatura atmosfrica.( FRANCIS F.
HUANG)
TIPOS DE CICLOS JOULE BRAYTON
Se han desarrollado 2 tipos de plantas generadoras que utilizan turbinas de gas
basndose en el ciclo Brayton las plantas que operan segn un ciclo cerrado
toma el calor de una fuente externa y se rechaza tambin a un sumidero externo,
este ciclo es de gran utilidad en las plantas de energa nuclear.
En plantas que trabajan con ciclo abierto, la energa proviene del combustible
que se inyecta en la cmara de combustin.
-
39
Ejemplo
Una planta termoelctrica que opera con un ciclo estndar de aire de Brayton
debe seguir las siguientes especificaciones:
Temperatura mxima del ciclo : 1150
Temperatura mnima del ciclo : 300
Presin mxima del ciclo : 505 Kpa
Presin mnima del ciclo : 101 Kpa
Determine
a) La eficiencia trmica del ciclo
b) El trabajo del compresor
c) El trabajo de la turbina
d) El gasto de aire por cada Kw de potencia desarrollada
a) = 1 1
1
=505
101 = 5
Reemplazando: = 1 1
51
= 0.369
-
40
b) El trabajo del compresor
= (4 1) 1 = 4 (14
)
1
T1= 475K
= 1.0038(300 475) = 175.7
c) trabajo desarrollado por la turbina
= (2 3)
3 =2
1
3 = 726
= 1.0038(1150 726) = 425,6
d) Wneto = + Wneto = 425,6 175,7
Wneto = 249,9
Parta 1 kW de potencia desarrollada
=3600
=
3600
249,9
/
/ = 14.4
En este ejemplo podemos observar que el trabajo neto depende de las eficiencias
de la turbina y la compresora, puesto que una parte sustancial del trabajo
desarrollado por la turbina va a ser consumida por la compresora.
-
41
2.2.7. Planta De Generacin De Turbina De Gas Sencilla Incluyendo
Un Compresor Y Una Turbina Reales
Debido a que el ciclo de potencia con turbina de gas es muy sensible a las
deficiencias del compresor y la turbina, resulta de inters examinar el efecto que
tiene sobre el ciclo la compresin y la expansin irreversibles que se llevan a
cabo en una planta generadora real.
La eficiencia trmica por el ciclo est dada por:
=
= ( 23 )( 14 )
21
=
( )( 24
)[1 1
1
] 1
[
(1 )/1]
24
[1+
(1 )/1
]
-
42
Existen posibilidades varias en la realizacin de una planta con turbinas a gas
que si bien tienen la desventaja de reducir, aquello que representa un gran mrito
de la turbina a gas que es su simplicidad, tiende a mejorar su eficiencia.
Una de estas posibilidades es la que pasamos a mostrar a continuacin y que
presenta las siguientes caractersticas.
- Compresin en dos etapas con refrigeracin intermedia
- Expansin en dos etapas con recalentamiento intermedio
- Regeneracin aprovechando los gases que salen de la turbina de baja
presin.
APLICACIONES:
La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental ya utilizan motores
de turbinas de gas para propulsin y para la regeneracin de energa elctrica.
Tambin han sido aplicadas a vehculos pero en la actualidad solo existe un
proyecto, como el Volvo ECC (hibrido elctrico- turbina de gas).( FRANCIS F.
HUANG)
-
43
2.2.8. Ciclo Joule Brayton con Recuperacin
El objeto de fabricar un recuperador es para mejorar la eficiencia del ciclo
sencillo para una turbina de gas, calentando el aire que sale del compresor con
el gas de escape de la turbina mediante un cambiador de calor, anteriormente
mencionado.
Segn la figura se puede observar un ciclo Brayton con recuperacin perfecta;
en este caso ideal, el calor es absorbido por el aire que sale del compresor es
idntico al calor que ceden los gases de escape de la turbina. Se tiene para el
ciclo:
CICLO BRAYTON CON RECUPERACION PERFECTO
= (2 3) (1 4)
= 52 = (2 5)
Pero en el caso de recuperacin perfecta, T5=T3 se tiene:
= (2 3)
-
44
Por lo que la eficiencia del ciclo queda:
=(2 3) (1 4)
(2 3)
= 1 4(
14
1)
2(1 32
)
= 1 4(
14
1 1)
2(1 32
1 )
Pero, p1=p2 y p4=p3, por lo que:
= 1 42
(14
)1
Se observa de la formula mostrada que la eficiencia mejora; sin embargo, en la
prctica este aparato (recuperador) resulta costoso, voluminoso y pesado. Estos
factores deben tener en cuenta al decidir el empleo de este dispositivo. Tambin
es necesario recalcar que en la prctica no es posible obtener una recuperacin
perfecta, lo cual se traduce en que la temperatura del aire que entra a la cmara
de combustin es menor que la temperatura de los gases de escape de la turbina
y este proceso se define como efectividad de un recuperador a la relacin.
( FRANCIS F. HUANG)
-
45
CICLO BRAYTON CON RECUPERACION PARCIAL
=7 13 1
Donde el numerador es el calor que en realidad se transmite y el denominador es
el calor mximo terico que se podra transmitir. Reduciendo la formula anterior,
podemos expresarla de la siguiente manera:
=7 13 1
-
46
2.2.9. Plantas Generadoras Recuperadoras con Turbina de Gas
Compresor y Recuperador Real y Cada De Presin y en
Intercambiadores de Calor
En esta seccin veremos el efecto que tienen las irreversibilidades en el
compresor, turbina y recuperador, y las cadas de presin en el intercambiador
de calor.
Considerando la cmara de combustin como un calentador de aire y asumiendo
un comportamiento de gas ideal con calores especficos constantes, podemos
considerar:
= 4
[
(1)/ 1]
Donde:
= trabajo del compresor
= eficiencia del compresor
= razn de compresin del ciclo
4= temperatura de entrada al compresor
La razn de expansin 2/3 en la turbina se expresa en trminos de .
Utilizando el concepto de cada relativa de presin y factor de cada de presin:
7 = 171
2 = 727
-
47
8 = 383
17= factor de cada de presin en el lado frio del recuperador
72= factor de cada de presin en el calentador de aire
38= factor de cada de presin en el lado caliente del recuperador
Los factores de cada estn definidos por:
= 1
=cada relativa de presin
7
1
2
7
8
3= 177238
23
= (177238)18
= (177238)
Para
= 2 [1 1
(177238)(1)/
]
= trabajo de la turbina
= eficiencia de la turbina
2= temperatura de entrada a la turbina
= 2 [1 1
(177238)(1)/
] 4
[
(1)/ 1]
Dividiendo entre 4
4
= 24
[1 1
(177238)(1)/
] 1
[
(1)/ 1]
-
48
4= potencia especifica desarrollada por el ciclo
Derivando la ecuacin con respecto a e igualando a cero, podemos encontrar
el valor de ptimo.
() = [(24
)
]
2(1)
= (177238)(1)/
El () es independiente de la efectividad del recuperador y es usado para
obtener la potencia mxima en un ciclo simple de potencia con turbina de gas.
= 12 = (2 7) .(1)
La efectividad del recuprador esta dado por:
=7 13 1
7 = 1 + (3 1) ..(2)
Para el trabajo del compresor:
1 = 4 +4
[
(1)/ 1] (3)
Para el trabajo de la turbina:
3 = 2 2 [1 1
(177238)(1)/] ..(4)
Usando (1), (2), (3) y (4);
-
49
= 2 4 [1 +
(1) 1
]
{2 [1 (1 1
(1)
)]
4 [1 +
(1) 1
]}
Dividiendo entre 4
4
=24
[1 +
(1) 1
]
{24
[1 (1 1
(1)
)] [1 +
(1) 1
]}
4= calor especifico agregado al ciclo
Siendo dependiente de la efectividad del recuperador.
Derivando con respecto a e igualando a cero.
() = [ + 2 4
2]
(1)
Donde:
= [(1 ) [
24
1]
+
24
(2 1)
] (177238)
(1)/
=2 (
24
) (1 2)
-
50
= (24
) (1 ) (1 24
) +(
24
) (2 1)
Grafica de la eficiencia trmica del ciclo como funcin de la razn de
presiones para:
= 1.4
= 0.9
= 0.9
177238 = 0.9
En la grfica podemos apreciar que para una razn de compresin
relativamente baja y para un recuperador muy efectivo se puede
alcanzar eficiencias trmicas muy altas con un rango de temperaturas
muy amplio. (FRANCIS F. HUANG)
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51
CAPITULO III
III. VARIABLES E HIPOTESIS
3.1. VARIABLES DE LA INVESTIGACION
3.1.1. Variable Dependiente
Viabilidad del cambio del motor elctrico por una turbina a gas para
mover el eje del desgarrador de plsticos marca CORIMA.
3.1.2. Variables Independientes
Eficiencia del ciclo.
Disponibilidad en el mercado de la turbina a gas requerida.
3.2. HIPOTESIS GENERAL
Debido a lo ya expuesto suponemos que es factible que podamos
reemplazar el motor elctrico del desgarrador de plstico marca
CORIMA por una turbina a gas con la idea de aprovechar los gases de
salida para el proceso de fundicin del plstico.
3.3. LIMITACIONES
Debido a lo costoso que es adquirir una turbina para hacer la
comprobacin de nuestros resultados, esta tesis ser de carcter
terico.
Por el mismo motivo asumiremos varios datos como son la
relacin de compresin, temperatura de entrada y salida, la
potencia de salida de la turbina al igual que las eficiencias.
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52
CAPITULO IV
IV. METODOLOGIA
4.1. TIPO DE INVESTIGACION
Esta investigacin es del tipo descriptiva pues seala los atributos que
debe tener la turbina a gas que reemplace el motor elctrico.
4.2. DISEO DE LA INVESTIGACION
Para esta investigacin aremos el anlisis terico de la factibilidad de
reemplazar el motor elctrico del triturador por una turbina a gas,
aprovechando datos obtenidos de la pgina de la empresa espaola
CORIMA.
4.3. POBLACION Y MUESTRA
Debido a que hablamos del reemplazo de un motor elctrico por una
turbina a gas nuestra muestra el motor elctrico que vamos a
reemplazar y nuestra poblacin seria la diversidad de turbinas a gas
obtenidas de catlogos.
4.4. TECNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS
La tcnica para la recoleccin de datos es el manejo de informacin
bibliogrfica, conocimientos adquiridos en el curso de
termodinmicaII e informacin recopilada de la red.
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53
4.5. PROCESAMINETO ESTADISTICO Y ANALISIS DE DATOS
DATOS ASUMIDOS:
1= 4 = 100KPa
Relacin de compresin= 4
Temperatura 1 = 25 c = 298 k
Temperatura 2 es optima
Potencia de salida de la turbina = 200Kw
Eficiencia de la combustin = 95%
Eficiencia adiabtica del compresor = 95%
Eficiencia adiabtica de la turbina = 95%
= 1,0035
( 2
1 )
1
= 2
1 2 = 442, 83 K
:
Para que 2 sea optima :
3
1 = 2 X = 3
-
54
= 1.22 3 = 539,81 K
4
3 = (
4
3 )
1
4 = 363,27 K
= + = (1 +
).
= ..(3 - 4).
= (1 +
). ..(3 - 4). (1)
(3 - 2) =
.. . (2)
1,0035 (539,81 - 442, 83) =
.55530
. 0.9
= 0.0018
REEMPLAZANDO EN ( 1)
= 200
0.95
( 1 +
) X X (3 4) = 1.19
Hallando el trabajo del compresor:
=(2 1)
= 182.05
Calculamos la eficiencia del ciclo:
=
=200 182.05
115.81
= 0.155 15.5%
-
55
CAPITULO V
V. RESULTADOS
Para el presente estudio se opt por analizar un ciclo JOULE BRAYTON simple
del cual obtuvimos los siguientes resultados.
Potencia de la turbina es de 200 KW
Potencia del compresor obtenida es de 182.05 KW
La eficiencia del ciclo obtenido es de 15.5%
La temperatura de salida de los gases es menor a la temperatura de fusin
del polietileno (130C).
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56
CAPITULO VI
VI. DISCUSIN DE RESULTADOS
Los resultados arrojados no eran el deseado para hacer factible el
reemplazo del motor elctrico por la turbina.
la potencia de la turbina requers es relativamente muy baja debido a que
en el mercado encontramos turbinas de potencias de salida a partir de
4MW el cual nos da un primer indicativo de que no es viable conseguir
esta turbina salvo que sea a pedido lo cual incrementa costos.
La eficiencia del ciclo es de 15.5% el cual nos indica que las perdidas
trmicas en la turbina es bastante considerable, por lo que esto nos da un
segundo indicativo de que no es viable.
Con la temperatura de salida es de 130C y es muy baja difcil usarla para
el proceso de fundicin de plsticos debido a que el punto de fusin del
plstico PET es de 250 a 260 C
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57
CAPITULO VII
VII. CONCLUSIONES
Debido a que usamos datos iniciales asumidos los resultados pueden
presentar margen de error.
No se pudo realizar ensayos reales de por lo cual estos datos conforman
una base terica preliminar para un futuro ensayo practico.
Podemos concluir que basado en los datos hallados la implementacin de
una turbina para la desgarradora de plstico no es recomendable ya que
una turbina con dichas caractersticas no es estndar y no es fcil de
encontrar a la venta en el mercado salvo que se haga a pedido lo cual
genera un incremento de costos y tiempo, asimismo los gases de salida no
se podran utilizar para la fusin de polietileno, usado en la industria de
envases plsticos, por lo cual no incrementara los beneficios al ser
comparado con un motor elctrico que brinde la misma potencia.
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58
CAPITULO VIII
VIII. RECOMENDACIONES
Recomendamos que el cambio de un motor elctrico por una turbina a gas para
los fines propuestos en esta tesis no es viable, debido a que la potencia para
mover el eje es muy baja relativamente para una turbina a gas, puesto que en
catlogos encontramos turbinas desde 4MW y para mover el eje de esta mquina
necesitamos solo 200 KW lo cual implicara una turbina muy pequea la cual
tendra demasiada perdida trmica y no se aprovechara de manera eficiente la
quema de combustible.
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CAPITULO IX
IX. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
INGENIERIA TERMODINAMICA
AUTOR: FRANCIS F. HUANG
GAS TURBINE HANDBOOK
AUTOR: GIAMPAOLO 2006
CICLO BRAYTON TURBINAS A GAS
AUTOR: ING. JORGE FELIX FERNANDEZ
TERMODINAMICA
AUTOR: KENNET WARK
TESIS: PROPUESTA DE METODOLOGA PARA EL ANLISIS
EXERGTICO DE UNA TURBINA A GAS DE CICLO SIMPLE
AUTOR: Ral Alberto Morales Delgado
(PONTIFICIA UNIVERCIDAD CATOLICA DEL PERU)
http://www.corima.info/es/17153/Desgarrador-de-plastico
http://w5.siemens.com/spain/web/es/energy/oil_gas/pages/turbinas_gas_
1.aspx
https://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gas
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CAPITULO X
ANEXOS