Ciclos Termodinamicos 53556k

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad “Ticomán” INGENIERIA AERONAUTICA

¿Cómo aumentar la eficiencia termodinámica de una turbina de gas, mediante la combinación de ciclos termodinámicas? IINFORME PRESENTADO POR:

Lindero Huerta Jorge Luis

27 de Febrero de 2014

Revisión de la literatura 1. http://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/123456789/1449/IME_066.pdf?sequence=1

2. http://energiadoblecero.com/definiciones/ciclos-termodinamicos/ciclo-brayton Termodinámica, Yunus A. Cengel, Micheael A. Boles

3. http://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/123456789/1449/IME_066.pdf?sequence=1

Primera fuente.

Turbina de gas.

Ilustración 1 diagrama de una turbina de gas

Una turbina de gas, es una turbo máquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbo máquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí. Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que éstos son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas. La operación básica de la turbina de gas es similar a la máquina de vapor, excepto que en lugar de agua se usa el aire. El aire fresco de la atmósfera fluye a través

de un compresor que lo eleva a una alta presión. Luego se añade energía dispersando combustible en el mismo y quemándolo de modo que la combustión genera un flujo de alta temperatura. Este gas de alta temperatura y presión entra a una turbina, donde se expande disminuyendo hasta la presión de salida, produciendo el movimiento del eje durante el proceso. El trabajo de este eje de la turbina es mover el compresor y otros dispositivos como generadores eléctricos que pueden estar acoplados. La energía que no se usa para el trabajo sale en forma de gases, por lo cual tendrán o una alta temperatura o una alta velocidad. El propósito de la turbina determina el diseño que maximiza esta forma de energía. Las turbinas de gas se usan para darle potencia a aeronaves, trenes, barcos, generadores eléctricos, e incluso tanques.

Tipos de turbina de gas. Las turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energía química contenida en un combustible en energía mecánica, ya sea para su aprovechamiento energético o como fuerza de impulso de aviones, automóviles o barcos. En este artículo prestaremos atención a su papel como productor comercial de electricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologías renovables. Pueden clasificarse según el origen de su desarrollo, por el diseño de su cámara de combustión y por su número de ejes. Turbina de gas Aero derivadas: Provienen del diseño de turbinas de para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la producción de energía eléctrica en plantas industriales o como micro turbinas. Sus principales características son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan con una gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica como en otros tipos de turbinas de gas. Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal. Su compacto diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven a cabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo. Turbina de gas industrial: La evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad, buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas ni arranques continuos. Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

Turbina de cámara de combustión tipo silo: En estos diseños la cámara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta. Su diseño no está muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales. Turbina de cámara de combustión anular: En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado al rededor del eje. Tiene un único tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga, aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que en cámaras tubo anulares. Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas Aero derivadas. Turbina de cámara de combustión tubo anular: Una serie de tubos distribuidos al rededor del eje de forma uniforme conforman este diseño de cámara de combustión. Cada una posee un único inyector y bujía. Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Además si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. La pieza de transición, que es la que recoge todos los gases de combustión para dirigirlos a la turbina de expansión, es una parte delicada de la instalación. Esta tecnología es utilizada en sus diseños por Mitsubishi y General Electric. Turbina mono eje: El compresor, turbina de expansión y generador giran de forma solidaria con un único eje de rotación. La velocidad de giro es en la inmensa mayoría de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador eléctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica. Turbina multieje: La turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda sección comparte eje con el generador, aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad. Esta tecnología es utilizada en Aero derivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.

Segunda fuente. Tipos de ciclos que existen y su funcionamiento. Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos en los que un sistema parte de una situación inicial y tras aplicar dichos procesos regrese al estado inicial. Como procesos termodinámicos se conoce a la variación de las propiedades termodinámicas del sistema (presión, entropía, volumen, entalpía y temperatura) desde un estado inicial a un estado final. Al realizar un ciclo completo, la variación de la energía interna debe ser nula por lo tanto el calor transferido por el sistema debe de ser igual al trabajo realizado por el sistema (como dicta la primera ley de la termodinámica). Lo importante es que gracias a esta propiedad se puede obtener trabajo de un sistema mediante un aporte calorífico. Si el rendimiento fuese perfecto todo el calor que se suministra se podría transformar en calor, pero esto no es así ya que hay pérdidas de calor.

Ciclo Brayton.

Ilustración 2 diagrama del ciclo Brayton

Se utilizan en turbinas de gas en donde los procesos tanto de compresión como de expansión suceden en maquinaria rotativa. Las turbinas de gas general mente operan en ciclos abiertos. Se introduce aire fresco en condiciones ambientales dentro del compresor, donde su temperatura y presión se eleva. El aire de alta

presión sigue hacia la cámara de combustión, donde el combustible se quema a presión constante. Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, produciendo potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia afuera, causando que el ciclo se clasifique como ciclo abierto. El ciclo de turbina de gas abierto descrito anterior mente puede moldearse como ciclo cerrado, empleando las suposiciones de aire estándar. En este caso el proceso de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por uno de adición de calor a presión constante desde una fuente externa, mientras que el proceso de escape se remplaza por el rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. Es un ciclo termodinámico que usa como fluido de trabajo un gas y que consiste en cuatro etapas: 1. Compresión adiabática e isentrópica. Se comprime el fluido con un compresor sin que haya intercambio de calor con el entorno. Se produce un aumento de la temperatura y de la entalpía. 2. Calentamiento isobárico. El fluido obtiene calor por la combustión del propio gas en la cámara de combustión por lo que aumenta enormemente su temperatura y lo hace a presión constante. 3. Expansión adiabática e isentrópica. El gas a alta presión y alta temperatura es expandido en una turbina de tal forma que somos capaces de obtener trabajo. Esta expansión (disminución de la presión) se realiza de forma que el gas no transfiera calor con el exterior e idealmente no varíe su entropía, por lo que disminuye la temperatura del gas. 4. Enfriamiento isobárico. En esta etapa el gas es enfriado en o con el ambiente a presión constante. Realmente esta etapa no se da pues es un ciclo abierto y se vierte el fluido al ambiente y se inyecta nuevo al ciclo. Del ciclo Brayton se obtiene trabajo que puede ser usado para generar electricidad. Este ciclo se usa mayoritariamente en las turbinas de gas. Como el gas a la salida de la turbina sigue estando a una temperatura relativamente elevada se puede usar para iniciar un ciclo de Rankine calentando a través de un intercambiador de calor agua por ejemplo, evaporándola, para posteriormente expandir ese vapor en una turbina y obtener potencia nuevamente. Al hecho de aprovechar el calor del gas de salida se le llama ciclo combinado, y lo que se consigue es aumentar el rendimiento energético aumentando la cantidad de trabajo total que se obtiene de la quema del combustible inicial.

Ciclo de Carnot El ciclo Carnot es el más eficiente de los ciclos que operan entre dos límites específicos de temperatura. Así es natural considerar primero a este ciclo como un proceso de ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. Considere un ciclo de Carnot de flujo estacionario ejecutando dentro de la curva de saturación de una sustancia pura. El flujo se calienta de manera reversible e isentrópicamente en una caldera ( Proceso 1-2): se expande isentrópicamente en una turbina ( Proceso 2-3); se condensa reversiblemente e isentrópicamente en un condensador ( Proceso 3-4) y se condensa de manera isentrópica mediante un compresor hasta su estado inicial ( Proceso 4-1) El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico reversible que usa un gas perfecto y que consta de cuatro etapas: 1. Expansión isoterma. En la situación inicial el gas se encuentra a la máxima presión, mínimo volumen y la máxima temperatura dada por el foco caliente. En o con el foco, el gas se expande (disminuyendo la presión y aumentando el volumen) de forma isoterma (temperatura constante) por lo que se absorbe calor de la fuente. 2. Expansión adiabática. Se aísla térmicamente el recipiente que contiene el gas (por ello no existe transferencia de calor con el exterior) así que continúa expandiéndose pero en esta etapa se consigue además que el gas disminuya su temperatura. 3. Compresión isoterma. En esta etapa se comprime el gas (aumentando presión y disminuyendo el volumen que éste ocupa) manteniendo constante la temperatura. Dada esta situación el gas cede calor al foco frío. 4. Compresión adiabática. Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. Una máquina térmica que utilice el ciclo de Carnot se denomina máquina de Carnot y al ser reversible puede funcionar como motor produciendo trabajo o como frigorífico si realiza el ciclo en sentido inverso de forma que al aportar trabajo al sistema éste pueda transferir calor del foco frío al caliente. Ciclo de Rankine. El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico en el que se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo. Como otros ciclos termodinámicos, la máxima eficiencia termodinámica es dada por el cálculo de máxima eficiencia del Ciclo de Carnot. Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

El ciclo Rankine es un ciclo de planta de fuerza que opera con vapor. Esta es el producido en una caldera de alta presión para luego ser llevado a una turbina donde produce energía cinética. Existen algunas mejoras del ciclo como agregar sobrecalentatadores a la salida de la caldera que permite obtener un vapor sobrecalentado para que entre a la turbina y aumentar así el rendimiento del ciclo.

Ilustración 3 diagrama del ciclo Rankine

1-2. Compresión isentrópica en una bomba. 2-3. Adición de calor a presión constante en una caldera. 3-4. Expansión isentrópica en una turbina. 4-1.Rechazo de calor a presión constante.

Ilustración 4 diagrama T-s

El agua entra a la bomba en el estado 1 como liquido saturado y se condensa hasta la presión de operación de la caldera. La temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresión isentrópica debido a una ligera disminución en el volumen específico del agua. La distancia vertical de los estados 1 y 2 en el diagrama T-s se exagera de manera considerable para mayor claridad.

Tercera fuente. Ciclos termodinámicos combinados. Un ciclo combinado es un sistema termodinámico que comprende dos o más ciclos de potencia, cada uno usando un fluido de trabajo diferente. Combinando dos ciclos de potencia independientes puede resultar en mayor eficiencia que operando cada ciclo independientemente. Para alcanzar mayor eficiencia que cualquiera de los ciclos operando independientemente, los dos ciclos deben intercambiar energía. El ciclo Brayton para turbinas de gas y el ciclo Rankine para turbinas de vapor son dos ciclos que se complementan uno al otro para formar ciclos combinados eficientes. El ciclo Brayton tiene una fuente a alta temperatura y desecha calor a una temperatura tal que puede ser fuente de energía o suplemento de la fuente de energía para el ciclo Rankine en un ciclo combinado. Los fluidos de trabajo más usados para ciclos combinados son aire y vapor. Otros fluidos de trabajo (fluidos orgánicos, vapor de potasio, vapor de mercurio y otros) han sido aplicados en una escala limitada. Los ciclos combinados de vapor y aire han alcanzado aplicación comercial muy amplia debido a que: 

 

alta eficiencia térmica es alcanzada porque los dos ciclos son termodinámicamente complementarios, puesto que calor es desechado por el ciclo Brayton a un nivel de temperatura que puede ser luego usado en el sistema de vapor con el ciclo Rankine. los dos fluidos de trabajo son aire y agua los cuales son disponibles en abundancia, son baratos y no son tóxicos y el equipo para estos dos ciclos viene siendo producido por muchos fabricantes.

El ciclo combinado gas-vapor Es la variante más difundida y significativa, consiste en el acoplamiento de una turbina de gas con un ciclo de vapor de agua, en el cual el calor entrante en el ciclo de vapor es obtenido por recuperación térmica efectuada a los productos de combustión descargados por la turbina de gas. En esta esquematización se distingue muy bien el rol del ciclo "superior" de gas, que opera a la temperatura más elevada, y del ciclo "inferior" de vapor, sobrepuesto al anterior, que utiliza el calor descargado al nivel termodinámicamente inferior.

Ilustración 5 Esquema simplificado de un ciclo combinado sin combustión suplementaria

En el esquema anterior, el más simple e inmediato, es caracterizado por una separación física neta entre el gas y el vapor, constituida por la pared de tubos de la caldera de recuperación, y por tanto excluye cualquier interacción y mezcla entre los dos fluidos. No está presente introducción alguna de calor del exterior sino sólo aquella de la turbina de gas misma: este ciclo viene llamado "unfired", no siendo prevista combustión alguna que interese directamente al ciclo de vapor. El ciclo de potencia de turbinas de gas. El ciclo Brayton Las turbinas a gas operan en un ciclo abierto. El aire que entra al compresor aumenta de presión, luego pasa al combustor donde se efectúa la ignición o quema del combustible, y este proceso eleva la temperatura de los gases producto de la combustión, los cuales entran luego a la turbina en donde se expanden . Realizando trabajo. Por último tales gases salen de la máquina y escapan a la atmósfera.

Ilustración 6 Disposiciones de sistemas con turbina de gas: a) ciclo abierto, b) ciclo cerrado

El ciclo Brayton estándar de aire es el ciclo ideal para una turbina de gas como sistema cerrado. En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una fuente externa y el proceso de escape se reemplaza por uno de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. Está integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1 - 2 Compresión isentrópica (en un compresor). 2 - 3 Adición de calor a presión constante. 3 - 4 Expansión isentrópica (en una turbina). 4 - 1 Rechazo de calor a presión constante.

Los diagramas T-s y P-v de un ciclo Brayton ideal. Se debe tener en cuenta que los cuatro procesos del ciclo Brayton se ejecutan en dispositivos de flujo permanente.

Ilustración 7 diagramas T-s y P-v de un ciclo Brayton ideal

La eficiencia de un ciclo Brayton ideal depende de la relación de presiones de la turbina de gas "rp" según la siguiente expresión:

Se observa que la eficiencia aumenta con este parámetro, lo que es válido también en el caso para las turbinas de gas reales. El comportamiento de este parámetro.

Ilustración 8 Eficiencia térmica de un ciclo Brayton ideal como una función de la relación de presiones

Por otro lado, la temperatura más alta en el ciclo se presenta al final del proceso de combustión (estado 3) y está limitada por la temperatura máxima que los álabes de la turbina pueden soportar. Esto limita también la relación de presiones del ciclo. Para una temperatura de entrada fija de la turbina, la salida de trabajo neto del ciclo aumenta con la relación de presiones, alcanza un máximo y después empieza a disminuir. En consecuencia debe haber un compromiso entre la relación de presión y la salida de trabajo neto. En muchos diseños comunes la relación de presiones varía de 11 a 16. El ciclo Rankine.

El ciclo Rankine se ilustra en la figura 1.8 en los planos pv y Ts. El vapor sale de la caldera, por ejemplo, en el estado 1, es conducido a la máquina sin pérdidas (ciclo ideal), se expande isentrópicamente en la turbina de vapor ideal hasta el estado 2, y pasa luego al condensador. El agua de circulación condensa el vapor a líquido saturado en 3, desde donde se bombea isentrópicamente al generador de vapor en el estado de líquido comprimido a sub-enfriado. Por lo general entra al economizador del generador de vapor antes de ingresar al tambor de la caldera. Observe el proceso irreversible de mezcla de agua fría a la temperatura con el agua caliente de la caldera a la temperatura t4=t1. El líquido comprimido en B se calienta hasta la saturación en 4, después de lo cual se convierte en vapor saturado al llegar a 1, y se repite el ciclo. Si el vapor se sobrecalienta antes de que salga del generador, el ciclo Rankine correspondiente sería e-f-3-B-4-e.

Ilustración 9 diagramas T-s y P-v de un ciclo Brayton ideal

El ciclo ideal Rankine no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto por los siguientes cuatro procesos: 1 - 2 Compresión isentrópica en una bomba. 2 - 3 Adición de calor a presión constante en una caldera. 3 - 4 Expansión isentrópica en una turbina. 4 - 1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador. Se debe tener en cuenta que los cuatro procesos del ciclo Brayton se ejecutan en dispositivos de flujo permanente. Una poderosa ventaja de los sistemas cíclicos de dos fases es que el fluido que se impulsa desde baja presión hasta alta presión está en la fase líquida, y el costo de bombear un líquido es considerablemente menor que el de comprimir y manejar una sustancia gaseosa.

El ciclo ideal Rankine de recalentamiento. La mejora en la eficiencia térmica de un ciclo Rankine por el uso de expansión de vapor sobrecalentado se observa en el apartado anterior. Desafortunadamente, la expansión completa en un ciclo Rankine desde la entrada hasta la salida (proceso a-b-c, normalmente no ocurre y el vapor no permanece siempre seco; tarde o temprano el punto de estado debe cruzar a la región bifásica (húmeda) para aprovechar la baja presión de salida.

Ilustración 10 diagramas T-s de un ciclo Brayton ideal de recalentamiento

Si en el punto b, se recalienta el vapor saturado (con frecuencia se dice más concretamente que se sobrecalienta a su temperatura inicial de entrada, en vez de la región húmeda en c, la expansión subsiguiente d-e-f cruzará hasta la región húmeda. Un menor periodo de expansión en la región bifásica e-f, en comparación con b-c, en la cual no se aprovecha el recalentamiento. Una regla empírica para un buen diseño, indica que debe mantenerse el límite de humedad del vapor en la descarga de la máquina en no más del 15% (de líquido), punto. La temperatura de recalentamiento es muy cercana o igual a la temperatura de entrada a la turbina. Recuerde que el único propósito del ciclo de recalentamiento es reducir el contenido de humedad del vapor en las etapas finales del proceso de expansión. Si hubiera materiales que soportaran temperaturas tan altas, no habría necesidad del ciclo de recalentamiento. Una ventaja adicional del recalentamiento está en la

mayor energía que se obtiene a partir de cada unidad de masa de sustancia operante que pasa por la máquina. Debido a dicho efecto, cada unidad de masa de operante produce más trabajo por la adición de la energía de resobrecalentamiento.

Desviación de los ciclos de potencia de vapor reales respecto de los ideales

Desviación del ciclo de turbina de gas real del ideal

Los ciclos de turbina de gas reales difieren del ciclo de Brayton ideal por varias razones. Por un lado, cierta disminución de presión durante los procesos de adición y rechazo de calor es inevitable. Más importante, la entrada de trabajo real al compresor será mayor y la salida de trabajo real de la turbina será menor debido a irreversibilidades como la fricción y las condiciones de operación de no cuasiequilibrio de estos dispositivos. Sin embargo, la desviación del comportamiento real del compresor y la turbina respecto del comportamiento isentrópico idealizado puede explicarse con precisión, si se utilizan las eficiencias adiabáticas de la turbina y el compresor, definidas como:

Donde los estados 2a y 4a son los estados de salida reales del compresor y turbina, respectivamente, y 2s y 4s son los estados correspondientes para el caso isentrópico.

Ilustración 11 diagramas T-s de un ciclo Brayton real

Desviación del ciclo de potencia vapor real del ideal El ciclo de potencia de vapor real difiere del ciclo ideal Rankine, debido a las irreversibilidades en diversos componentes. La fricción del fluido y las pérdidas de calor indeseables hacia los alrededores son las dos fuentes más comunes de irreversibilidades. La fricción del fluido ocasiona caídas de presión en la caldera, el condensador y las tuberías entre diversos componentes. Como consecuencia, el vapor sale de la caldera a una presión un poco menor. Además, la presión en la entrada de la turbina es un poco menor que la de la salida de la caldera debido a la caída de presión en los tubos conectores. La caída de presión en el condensador usualmente es muy pequeña. Para compensar estas caídas de presión, el agua debe bombearse a una presión más alta que la que el ciclo ideal requiere. Para ello es necesario una bomba más grande y una entrada de trabajo superior a la bomba.

Ilustración 12 diagramas T-s de un ciclo Brayton real

La otra fuente de irreversibilidad es la pérdida térmica del vapor hacia los alrededores cuando este fluye por varios componentes. Para mantener el mismo nivel de salida neta de trabajo, es necesario transferir más calor al vapor que está en la caldera para compensar esas pérdidas térmicas indeseables. Como consecuencia la eficiencia del ciclo disminuye. De particular importancia son las irreversibilidades que suceden dentro de la bomba y la turbina. Una bomba requiere una entrada de trabajo mayor y una turbina produce una salida de trabajo más pequeña como consecuencia de las irreversibilidades. En condiciones ideales, el flujo por estos dispositivos es isentrópico. La desviación de las bombas y turbinas reales de las isentrópicas se compensa exactamente empleando las eficiencias adiabáticas, definidas como:

Propiedades y ventajas del ciclo combinado Entre las propiedades y ventajas de esta moderna técnica de instalaciones de centrales térmicas tenemos a continuación: Gran flexibilidad en el uso de combustibles Las centrales de ciclo combinado presentan una gran flexibilidad respecto al combustible debido a que pueden utilizar prácticamente todos los combustibles líquidos y gaseosos, es decir tienen la capacidad de utilizar una variedad de combustibles que van desde el gas natural, diésel Nº2, hasta el gas de carbón. Gas natural: combustible ideal en grandes cantidades Una razón importante del éxito de las instalaciones de ciclo combinado se debe al gas natural, combustible disponible en grandes cantidades en muchos lugares del mundo. El gas natural es el término genérico aplicado a la mezcla de hidrocarburos en fase gaseosa que ocurre en acumulaciones subterráneas naturales, denominadas reservorios. El metano (CH4) es su principal componente, aunque su composición puede incluir cantidades variables de otros hidrocarburos y de sustancias que nos son hidrocarburos. El gas natural es tratado en plantas donde se separan el gas seco y los líquidos del gas natural, mediante procesos de refrigeración y de presión. Desde el punto de vista técnico el gas seco es el combustible ideal para las turbinas a gas, ya que por carecer de contaminantes (azufre, sodio y/o vanadio), es el único combustible hidrocarburo capaz de impactar los álabes de las turbinas de gas sin crear problemas metalúrgicos. Similarmente desde el punto de vista ecológico, el gas se constituye en el combustible ideal ya que conlleva las más reducidas emisiones contaminantes; de hecho no hay SO2 y la emisión de CO2 es la mitad de la que sería emitida al medio ambiente si se empleara petróleo residual y tres veces menor cuando se le compara con la cantidad emitida si se empleara carbón mineral. Otro atractivo desde el, punto de vista de la ingeniería es que una termoeléctrica de ciclo combinado de gran capacidad alcanza las más alta eficiencia térmica en el uso del combustible y tiene mucha menor dimensión que una carbo-eléctrica. Se resumen las ventajas del gas seco respecto a otros combustibles.

Otros arreglos del ciclo combinado Ciclos con post-combustión Los gases descargados por la turbina de gas se prestan a sufrir un posterior proceso de combustión, si acaso se considera necesario, el cual es conveniente efectuar al ingreso de la caldera de recuperación, mediante una serie de quemadores ubicados antes de la sección de intercambio térmico de la caldera. Este proceso es posible gracias al contenido de oxígeno todavía elevado en los gases de escape del orden del 12 a 16% en volumen (si no hay inyección significante de vapor o de agua en la turbina de gas), a causa del abundante contenido de aire con el cual tiene lugar la combustión en la turbina de gas. La combustión así efectuada es conocida como "post-combustión" (en inglés "firing suplementary" o también "duct burning"): tal práctica es bien conocida en el campo aeronáutico, donde, en los motores militares, viene usada (preferentemente por breve periodo) con el fin de aumentar la potencia a costo de un fuerte aumento del consumo de combustible.

Ilustración 13 Esquema conceptual del ciclo combinado

En el ámbito del ciclo combinado puede ser interesante efectuar la postcombustión para aumentar la producción de vapor en la caldera por recuperación y consiguientemente la potencia de la turbina de vapor. El ciclo combinado resultante viene llamado "fired", en contraposición con el ciclo "unfired" hasta ahora considerado. El interés sobre la práctica de la post-combustión es valorado del hecho que el rendimiento térmico de esta operación definido como:

Es extremadamente elevado e incluso resulta superior a la unidad. La motivación de este aparente contrasentido termodinámico es comprensible, en términos cualitativos. En efecto en la producción de vapor, la línea de enfriamiento Del gas rota en torno al punto pinch11, o sea se puede obtener una menor temperatura en la chimenea si se parte de un nivel térmico más elevado y producir por tanto una mayor cantidad de vapor de iguales características termodinámicas. En otras palabras, no sólo se recupera enteramente el calor adicional introducido (suponiendo que la combustión sea completa, pero esto es en general garantizado por el alto contenido de oxígeno existente), sino que se mejora la recuperación térmica de la corriente gaseosa originaria.

Ilustración 14 Diagrama cualitativo de ña recuperación térmica de un generador de vapor por recuperación de calor

Generadores de vapor por recuperación de calor para turbinas de gas pueden ser clasificados en tres amplias categorías, dependiendo de la temperatura de combustión. La tabla anterior nos da una idea de la capacidad de generación de vapor de cada tipo. En este caso aire adicional no ha sido necesario para combustión para cualquiera de los tres tipos, ya que el oxígeno contenido en la corriente de gases es suficiente. Si hay inyección de vapor o de agua en la turbina de gas aire adicional algunas veces referido como aumento de aire puede ser

solicitado. Para tener una idea de la magnitud de vapor generado se tiene por ejemplo que si el flujo de gases de escape de una turbina de gas es de 70000 kg/h a 500 ºC, con este se puede generar de 9000 a 12000 kg/h aproximadamente de vapor saturado de 20 a 40 bar en el modo sin post combustión. Si combustión suplementaria es introducida, la generación de vapor puede ser fácilmente doblada. Si combustión total es hecha, el vapor producido podría ser cuadriplicado.

Ilustración 15 Generación de vapor y temperaturas

Sin encendido

La aplicación más simple de generadores de vapor por recuperación de calor es el uso de una unidad sin encendido en los gases de escape de la turbina de gas. Esta se aplica cuando los requerimientos de la planta de vapor son tales que la energía contenida en los gases de escape es suficiente para satisfacer esta demanda. Temperaturas típicas de los gases de combustión que entran al generador de vapor por recuperación de calor oscilan entre 400 y 600 ºC, dependiendo de la turbina de gas empleada. Rangos característicos de condiciones de vapor van desde 5 bar saturado, hasta valores tan altos como 100 bar y 520 ºC sobrecalentado. Temperaturas de vapor son usualmente 20 a 50 ºC por debajo de la temperatura de los gases de escape de la turbina. El generador de vapor por recuperación de calor sin encendido es un intercambiador de calor tipo convectivo. La cubierta es internamente aislada con 4 a 5 pulgadas de fibra mineral o aislante y es protegido de la corriente de gases calientes por un revestimiento de acero inoxidable o acero al carbón, el cual es diseñado para expandir el plano de la cubierta. Material de menor grado de revestimiento es usado en regiones de menor temperatura del gas.

En general unidades sin encendido pueden ser económicamente diseñadas para recuperar aproximadamente el 92 % de la energía contenida en los gases de escape de la turbina disponibles para generación de vapor. Niveles de funcionamiento más altos son posibles, sin embargo, el incremento del costo de la superficie de transferencia de calor debe ser evaluado frente a la energía adicional recuperada para establecer si los costos más altos son justificados. Esta unidad es comúnmente aplicada para generación de potencia eléctrica y tiene el mínimo costo por unidad de capacidad de generación de potencia .respecto a los demás sistemas. Con encendido suplementario El oxígeno contenido en gases de escape de la turbina de gas permite quemar combustible suplementario para incrementar las razones de producción de vapor respecto a una unidad sin encendido. El sistema quemador de los gases de escape de la turbina de gas es usualmente diseñado para aumentar la temperatura de los gases de escape hasta valores de 800 a 1000 ºC aproximadamente. El límite 1000 ºC es fijado por el diseño de la cubierta, la cual consiste de varias capas de aislante resistentes a altas temperaturas al interior de la cubierta, la cual es protegida de los gases calientes por un adecuado material de revestimiento de alto grado de aleación. Materiales de revestimiento sea cual fuere su grado empiezan a afectarse por encima de 1000 ºC. Puesto que los gases de escape de la turbina de gas son esencialmente aire de combustión precalentado, el consumo de combustible del generador de vapor por recuperación de calor con encendido suplementario es menor que aquel requerido por un caldero convencional alimentado por aire a temperatura ambiente que suministre la misma cantidad de incremento en generación de vapor. El consumo de combustible del generador de vapor por recuperación de calor para una unidad con encendido suplementario, con una temperatura en promedio de los gases de escape de la turbina de 700 ºC entrando a la unidad sería aproximadamente de 10 a 20 % menor que para un caldero convencional de potencia alimentado por petróleo (88 % eficiencia en base al poder calorífico superior) suministrando la misma cantidad de incremento en producción de vapor. El generador de vapor por recuperación de calor con encendido suplementario no difiere mucho en concepto del diseño de una unidad sin encendido, excepto por el tamaño del cilindro de vapor y otras superficies de transferencia de calor y componentes adicionales para manejar la mayor generación de vapor. Este tipo de diseño es básicamente un intercambiador de calor tipo convectivo similar a la unidad sin encendido. El quemador en una unidad con encendidos

suplementarios está localizado entre el sobrecalentado y el evaporador debido a consideraciones de diseño. La aplicación más general de estas unidades es para generación de potencia y vapor para plantas de proceso u otros requerimientos de energía térmica, pero su popularidad ha decrecido porque los ciclos combinados con unidades sin encendido son más económicos y alcanzan mayor eficiencia con menor costo instalado.

Con transformación en un ciclo combinado "unfired" Se trata de una intervención radical, destinada a aumentar drásticamente la potencialidad de la instalación. La intervención consiste en la completa sustitución de la caldera y de la línea de alimentación existente con una caldera de recuperación típica de un ciclo combinado "unfired". La instalación a vapor existente es por tanto transformada en la sección de recuperación de un ciclo combinado, que reutiliza el turboalternador, el condensador, los equipos auxiliares y el subsistema eléctrico. El esquema de esta configuración. El incremento de la potencia de la instalación es del orden de 180-220%, siendo en un ciclo combinado la potencia de la turbina de vapor más o menos la mitad de aquella de gas. Una operación similar de repotenciación necesita de inversión y de tiempo de realización notables, en relación a la importancia de la intervención, ya que como sabemos se trata de triplicar las potencia de la instalación.

Ilustración 16 Repotenciación de central a vapor con turbina de gas: esquema de transformación de ciclo combinado

Marco Teórico Antes de profundizar con el tema de los ciclos termodinámicos combinados empleados en las turbinas de gas, es necesario conocer algo de su historia como se empezaron a emplear, quienes fueron los pioneros de usar estas turbinas, el por qué, etc. Por ello se redactara una breve reseña de la historia de las turbinas de gas. Los antecedentes de las turbinas de vapor, se remontan en el siglo XlX con las turbinas de De Laval en 1883, primera turbina de gas y Pearsons en 1884 el cual implemento la primera turbina de reacción de varios escalonamientos. Casi desde sus orígenes se observaron sus ventajas que su aplicación presenta en el campo de la generación de energía eléctrica. La turbina de Pearsons se puso a prueba para observar que tan eficiente es, se conecta a turbogenerador que proporcionaba una buena potencia, por lo que su empleo en grupos estacionarios fue un éxito. Su utilización en ciclos combinados gas-vapor, se deriva del excelente acoplamiento térmico que existe con el ciclo de turbina de gas en los rangos actuales de temperatura y trabajo. El desarrollo de los ciclos termodinámicos combinados gas- vapor está ligado fundamentalmente al avance tecnológico de las turbinas de gas, siendo la teoría del científico Griffith en 1926, que permitió una mejor comprensión de los fenómenos que tienen lugar en las maquinas térmicas, en la construcción de los alabes con menores perdidas y el aumento de los rendimientos de los compresores empleados . Su desarrollo tuvo un impulso en la segunda guerra mundial y la aplicación del turbo reactor al campo de la aviación, esta idea de implementa en la aviación los turborreactores, fue el científico Von O hain en 1935, aunque casi de forma inmediata se empezó a utiliza r en aplicaciones estacionarias. Hoy en día los altos rendimientos alcanzados, junto con las bajas emisiones de gas natural han favorecido su empleo en las centrales de ciclos combinados gas-vapor. Tecnológicamente la aportación de calor puede efectuarse mediante un proceso de combustión en el interior de la

máquina, en lo que se denomina la cámara de combustión de la turbina de gas caliente y a presión combinado con un proceso externo. Por otra parte hay que mencionar las partes de una turbina de gas, y cuál es la función de cada una de estas partes.

Ilustración 17 turbina de gas

Se explicara el funcionamiento de cada una de las partes que compone una turbina de gas. Tobera: Es un dispositivo que incrementa la velocidad de un fluido expensas de la presión.

a

Difusor: Es un dispositivo desacelerarlo.

al

que incrementa

la presión

de un fluido

Compresor: Son dispositivos que incrementan la presión del fluido Turbina: Dispositivo que produce potencia. Para comprender más sobre este tema de los ciclos termodinámicos combinados se debe de mencionar cada ciclo termodinámico que existe, así como su función, como operan, su rendimiento actual, el trabajo que realiza, etc. Se denomina ciclo termodinámico a cualquier proceso en el cual parte

de un sistema inicial tras ser aplicados varios procesos de cambio de temperatura y presión. Como se mencionó en las fuentes anteriores el ciclo Carnot es uno de los ciclos más eficientes el cual opera en dos líneas de temperatura. Así que se debe considerar a este ciclo como ciclo ideal para centrales eléctricas de vapor, pero el ciclo Carnot no es un modelo apropiado para los ciclos de potencia. El ciclo Rankine es el más utilizado en las turbinas de gas los cuales estas turbinas de gas se consideran como ciclos abiertos, en la cual su temperatura y su presión aumenta, es por ello que este trabajo se centraliza en cómo aumentar su eficiencia para poder hacer más eficiente a la turbina, y poder analizar el cómo disminuir el consumo de combustible sin variar la potencia y que no haya un cambio de presiones y temperatura tan drásticamente, el cual nos lleve al colapso del sistema, es por ello la importancia de los ciclos combinados, ya que con ello, nos ayudar a elegir que ciclos trabajan con más precisión , para que podamos aumentar la potencia de cualquier turbina variando su eficiencia en cada etapa sin perder demasiado trabajo. Algunos fenómenos que se deben de considerar para que trabaje en condiciones óptimas la turbina, es la fricción del flujo el cual ocasiona caídas de presión en la caldera, el condensador, entre otros componentes en un ciclo Rankine ideal. Por lo que el vapor sale a una presión menor por lo que genera que la presión a la entrada de turbina sea más baja que la salida de la caldera, otras de las cosas irreversibles son las pérdidas de calor del vapor cuando este pasa por varios componentes, para que la salida neta de trabajo siga manteniéndose es necesario transferir más calor a la caldera para que se pueda compensar las perdías de calor en el sistema. El fluido de trabajo que se usa predominantemente en los ciclos de potencia de vapor es el agua. Este líquido es el mejor fluido de trabajo disponible en la actualidad, pero está lejos del ser el ideal. Ahora bien no es posible cambiar el comportamiento del agua en la parte del ciclo correspondiente a temperaturas altas, pero si se puede sustituir con un fluido más adecuado que nos pueda dar mejor trabajo al sistema.

El resultado en un ciclo de potencia que en realidad es una combinación de dos ciclos, uno en alta temperatura y otro en baja. Este Tipo de ciclos se le denomina ciclos binarios. Con lo mencionado anterior mente se puede definir un ciclo combinado como el comportamiento de dos ciclos combinados termodinámicos individuales, uno que opera a una temperatura y el otro que emplea con menores temperaturas de trabajo. El calor expulsado por estos ciclos para el proceso de generación de trabajo neto en el ciclo de alta temperatura se aprovecha en su mayor parte en un intercambiador de calor para producir un ciclo termodinámico de baja temperatura.

Ilustración 18 diagrama de ciclo combinado

Esta idea de combina ciclos que operen a alta temperatura con otro ciclo de temperatura de trabajo. Los ciclos Brayton y Rankine los cuales trabajan con fluidos diferentes gas y agua-vapor. El ciclo que trabaja con aire gas de combustión (Brayton) este ciclo opera a mayores temperaturas que el ciclo de fluido agua-vapor (Rankine) y ambos están acolados por el intercambiador de calor de gases que es la caldera de recuperación de calor. La unión de estos ciclos termodinámicos conduce generalmente a la obtención de un rendimiento global superior a los rendimientos termodinámicos individuales.

Ilustración 20 ciclo Brayton

Ilustración 19 ciclo Rankine

Para obtener dicho rendimiento de un ciclo termodinámico combinado es importante conocer el cálculo del rendimiento de una turbina de gas adiabática por lo tanto:

El rendimiento adiabático de una turbina de gas se define como:

Simplificando tenemos:

Por lo tanto tenemos que el rendimiento adiabático queda expresado en la siguiente forma:

Como preferencia a este rendimiento se define como:

Simplificando tenemos:

Por lo tanto tenemos expresado en la siguiente forma:

El rendimiento primeramente definido será denominado rendimiento estático y el segundo rendimiento total, haciendo la referencia con temperaturas estáticas y totales. El rendimiento total es de manejo más cómodo y proporciona fórmulas más sencillas. En todo caso ambos rendimientos, sobre todo en las turbinas de los turborreactores en el escalón de una o varias ya que una turbina no es solamente una maquina destinada a producir una energía específica. También es usado el rendimiento politrópico:

La constante de toda la transformación, proporciona la relación:

Entonces dado también por la expresión:

Ya con lo mencionado antes se puede expresar el rendimiento de los ciclos termodinámicos combinados.

La expresión del rendimiento del ciclo térmico de alta temperatura viene dado por la siguiente expresión.

Las variables a usar son: =Calor aportado en forma de combustible en el ciclo de turbina de gas. = Calor residual del ciclo de alta turbina de gas. = Calor aportado al ciclo de baja turbina de vapor. = Calor residual de baja turbina de vapor. = Trabajo neto de ciclo de turbina de gas. = Trabajo Neto del ciclo de baja turbina de vapor.

Ilustración 21 Esquema térmico básico y flujos de energía de un ciclo combinado gasvapor

Y para el ciclo de baja temperatura.

El rendimiento de la caldera de recuperación de se expresa de la siguiente manera.

Tenemos que:

Por lo tanto la ecuación del rendimiento de la caldera queda de la siguiente manera:

Y el rendimiento del ciclo combinado e está dado por las siguientes relaciones:

La ecuación del rendimiento de ciclo combinado también se expresa de la siguiente manera

Agrupando términos tenemos que:

Por lo tanto la ecuación del rendimiento térmico de un ciclo combinado queda expresada de la siguiente manera:

Estas expresiones que justifican la importancia del rendimiento del ciclo combinado que tiene el proceso de recuperación de calor y el acoplamiento térmico entre los ciclos.

En el caso de un ciclo combinado de gas-vapor se puede comprobar que la eficiencia en general, puede mejora aumentando las temperaturas, es decir aumentando la temperatura de trabajo en las turbinas y reduciendo las temperaturas y presiones a la cual se produce el calor en la cámara de combustión. También puede aumentarse la eficiencia optimizando el proceso para reducir las pérdidas que compone un ciclo combinado y disminuyendo los saltos de temperatura que se presenten entre los gases de salida de la turbina de gas y el ciclo de gas-vapor en la caldera de recuperación, este último se puede conseguir aumentando los niveles de presión en la caldera, recalentando el vapor, e introduciendo presión critica en el ciclo Rankine y de los elementos individuales que lo componen viene dado por la expresión:

Dónde: Es el trabajo producido en la turbina de gas. El trabajo producido en la turbina de vapor. El calor aportado en la cama ra de combustión de la turbina de gas. Es el calor aportado a la caldera en los quemadores de combustión.