CAPÍTULO 2plantas térmicas a gas

INTRODUCCIÓN

Este capítulo es similar al del ciclo Rankine, con la diferencia que el portador de energías es el AIRE, Este ciclo Joule - Brayton tiene la ventaja de producir bastante potencia con poco peso de las máquinas, El inconveniente es el alto consumo de combustible comparándolo con el ciclo Rankine y los motores de combustión interna.

13.1 CENTRALES TÉRMICAS A GAS (ciclo joule-brayton )

Definición:Este es el sistema en el que el aire atmosférico entra continuamente en el compresor donde se comprime hasta alta presión, el aire entra entonces en la cámara de combustión donde se mescla con el combustible y se produce la combustión que da lugar a los productos de combustión a elevada temperatura. Los productos de combustión se expanden en la turbina y a continuación se descargan al medio ambiente Parte de la potencia desarrollada en la turbina se utiliza en el compresor y la restante se utiliza para generar electricidad o para otras aplicaciones ………………………………………………………….Moran chapiro

Definición:se utilizan como centrales de reserva, es decir para sustituir total o parcialmente a las centrales hidráulicas o térmicas de base en el caso de escasez de agua o de avería. Para centrales de potencias unitarias de 10 a 25 MW son más convenientes las centrales térmicas de gas que las centrales de vapor o que las centrales con grupos motor diésel-alternador.. En las zonas donde hay escasez de agua y existen próximos yacimientos de gas natural se suelen utilizar centrales con turbinas de gas como centrales de base……

…………………………………facultad de ing mecánica de la universidad de cantabria

Definición:usualmente operan en un ciclo abierto, utilizando aire fresco en condiciones ambientales se introduce 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. Luego los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), lo que provoca que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto…. ……………………………………………………Rincón del vago

Los ciclos de las turbinas de gas se clasifican en ciclos abiertos y cerrados, según los gases de la turbina sean evacuados directamente a la atmósfera o se recirculen haciéndolos pasaral compresor a través de un intercambiador de calor.

13.1 CENTRALES TÉRMICAS A GAS (ciclo joule-brayton )

-Turbina a Gas.-Central Térmica a Gas.

Procesos:

1-2 : Compresión Adiabática.2-3 : Calentamiento Isobárico.3-4 : Expansión Adiabática.4-1 : Enfriamiento Isobárico (se asume).

Procesos:

1-2 : Compresión Adiabática.2-3 : Calentamiento Isobárico.3-4 : Expansión Adiabática.4-1 : Enfriamiento Isobárico (se asume).

Eficiencia del Ciclo:

A

B

)32(

)14(

)32(

)14()32(

)32(

)21(t)43(t

sum

tth

Q

Q1

Q

Q1

Q

QQ

Q

WW

Q

W

13.2 .- CICLO JOULE - BRAYTON IDEAL

DIAGRAMA T - s CICLO JOULE - BRAYTON REAL

Turbinas según el tipo de ciclo

13.3 Compresores

Aproximadamente adiabática.Los compresores sirven para dar el flujo de masa m , y elevar la presión en gases !!

)( 12)21( hhmWt

Como h = Cp T, entonces

Wt 12 = m Cp (T2 - T1)

la entropía de un sistema adiabático siempre tiene que aumentar

1.COMPRESOR:

1

2

k

1k

1

2

1

2

12

12sc

P

PRP

P

P

T

T

TT

TT

TIPOS DE COMPRESORES:

COMPRESORES ROTATORIOS Y CENTRIFUGOS

13.4.- Cámaras de Combustión

CAMARAS DE COMBUSTIÓN:

De toda la energía liberada por la combustión del combustible en la Cámara de Combustión se aprovecha sólo una parte, la que recibe la sustancia de trabajo (aire), es decir Q23. Las pérdidas se expresan mediante:

PC: Poder Calorífico del Combustible en kJ/kg.

PCm

Q

Q

Q

c

)32(

c

sumcc

Cámara de Combustión

• Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación.

• Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustión. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes productos a la circulación de los gases de escape.

Quemador

COMBUSTI BLES Poder Calorífico Peso Específico

Petróleo Crudo 11507 kcal/ kg 0.7450 kg/ l Gas natural Asociado 273.9 kcal/ PC 1.0 Gas licuado 11833 kcal/ kg 0.5500 kg/ l Gasolina de Aviación 11667 kcal/ kg 0.7500 kg/ l Gasolina Automotriz 11667 kcal/ kg 0.7000 kg/ l J et Fuel 11284 kcal/ kg 0.8400 kg/ l Kerosene 11237 kcal/ kg 0.7980 kg/ l Diesel/ Gas oil 11055 kcal/ kg 0.8000 kg/ l Fuel Oil 11137 kcal/ kg 0.8500 kg/ l No energético 11507 kcal/ kg 0.8100 kg/ l Electricidad 860 kcal/ kWh 1.0 Leña (Altiplano) 3500 kcal/ kg 1.0 Leña (Tierras bajas) 3000 kcal/ kg 1.0 Residuos Animales 2760 kcal/ kg 1.0 Bagazo 1800 kcal/ kg 1.0 Carbón Vegetal (Doméstico)

6500 kcal/ kg 1.0

Carbón Vegetal (Fundición)

7000 kcal/ kg 1.0

13.5.- Turbinas a gas

1.TURBINA A GAS:

k

1k

4

3

4

3

43

43st

P

P

T

T

TT

TT

Wt 34 = m Cp (T 3 - T4)

FRICCION EN LOS EJES DE GIRO:En las turbinas, el trabajo de expansión del gas es entregado al eje. Este al girar, pierde energía por fricción en los apoyos. Esta pérdida de fricción se expresa mediante:

Eficiencia Mecánica:

1.GENERADOR ELECTRICO:

En la transformación de la energía eléctrica se pierde una pequeña cantidad de energía. Esta se expresa mediante:

t

mec

mec

W

T

técnico Trabajo

eje el en Trabajo

T

VIgen

Esquema de una Turbina a Gas de eje único:

T r a b a j o ú t i l p r o d u c i d o ( W E = V I ) P é r d i d a s n o c a l c u l a b l e s

C a l o r T o t a l e n t r e g a d o ( Q c ) 1 0 0 %

R E N D I M I E N T O D E L A P L A N T A :

- P é r d i d a s t o t a l e s e n l a P l a n t a : S e e x p r e s a m e d i a n t e l a E f i c i e n c i a d e l a P l a n t a .

D I A G R A M A D E S A N K E Y

PCmQ :donde

Q

VI

T

VI

W

T

Q

Q

Q

W

Q

VI

entregado total Calor

producido útil Trabajo

CC

CtC

)32(

)32(

tPlanta

externos

genmcc

ciclo

thPlanta

C

Planta

PCm

VI

cPlanta

P L A N T A

T E R M I C A

C a l o r p e r d i d o e n l o s g a s e s d e e s c a p e

C a l o r p e r d i d o e n e l c o n d e n s a d o r

13.6 Mejoras al Ciclo teórico

Ciclo con Regeneración

6352

p

6352

TTTT :Entonces

Ideal)(Gas Tch :Además

hmhmhmhm :Ley imeraPr

-CON RECALENTAMIENTO:

Conforme aumenta la Relaciòn de Presiones Rp, el rendimiento tambièn aumenta pero llega a un maximo y vuelve a disminuir. Por lo tanto existirá un valor de Rp òptimo que lo podemos obtener operando varias veces, o utilizando el SOFTWARE de Termodinàmica.

Aquí se puede observar que el área crece con Rp y después baja.

Ciclo con Recalentamiento

En este caso se mejora el área y el rendimiento total mejora.

Compresores de varias etapasEs bueno tomar compresores de varias etapas pues se logra que el aire no se sobrecaliente, y también que la potencia total sea menor.solamente que hay que refrigerar entre etapa y etapa

PLANTAS TERMICAS CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

Principales entradas y salidas de una central de ciclo combinado. [Santiago GarcíaGarrido, Operación y mantenimiento de centrales de ciclo combinado]

Ciclos combinados gas-vapor con diferentes niveles de presión y temperatura devapor

Los principales parámetros que contribuyen a definir de forma más eficiente el cicloagua-vapor son:- Presión de vapor- Temperatura de vapor- Pinch point- Approach temperatura- Caída de presión en el sobrecalentador- Caída de presión en el economizador- Temperatura del agua de alimentación

Ciclo combinado con un nivel de presión. [Santiago Sabugal García,Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]

Ciclo combinado con dos niveles de presión. [Santiago Sabugal García,Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]

Ciclo combinado con tres niveles de presión. [Santiago Sabugal García,Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo

combinado, teoría y proyecto]

Ciclo combinado con recalentamiento. [Santiago Sabugal García, FlorentinoGómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría

y proyecto]

Ciclo combinado con dos niveles de presión y recalentamiento. [SantiagoSabugal García, Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y

proyecto]

Figura 4.20. Ciclo combinado gas-vapor en configuración 1 x 1 multieje. [Santiago Sabugal García,Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]

Ciclo combinado gas-vapor en configuración 1 x 1 con monoeje. [Santiago SabugalGarcía, Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]

Ciclo combinado gas-vapor en configuración 1 x 1 con monoeje. [Santiago SabugalGarcía, Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]

Ciclo combinado gas-vapor en configuración 2 x 1. [Santiago Sabugal García,Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]

Ciclo combinado gas-vapor en configuración 3 x 1. [Santiago Sabugal García,Florentino Gómez Moñux, Centrales térmicas de ciclo combinado, teoría y proyecto]

Central de gasificación integrada con ciclo combinado. [www.unesa.es]

13.8.- Ciclos Binarios