PRÁCTICA CICLO DE POTENCIA A GAS (BRAYTON)

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

``FRANCISCO DE MIRANDA´´

ÁREA DE TECNOLOGÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA.

PRÁCTICA

CICLO DE POTENCIA A GAS (BRAYTON)

Profesores de laboratorio:

Coordinador:

Ing. Gelys Guanipa R

Ing. Elier García.

Ing. Josmery Sánchez

Ing. Joan Rodríguez.

Ing. Gregório Bermúdez.

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2

INTRODUCCIÓN

De los posibles medios utilizables para la producción de potencia mecánica, los equipos de turbinas se encuentran dentro del rango de los más satisfactorios. En particular la ausencia de movimiento alternativo y de fricción mecánica entre los varios órganos de la máquina, implica reducidos problemas de equilibrio dinámico, un consumo de aceite lubricante excepcionalmente bajo, y por consiguiente mayor fiabilidad. Los primeros equipos de turbina que han explotado estas intrínsecas ventajas han sido los hidráulicos que emplean el agua como fluido motor, y aún hoy en día los equipos de potencia hidroeléctricos producen un significativo porcentaje de la energía eléctrica globalmente utilizada a nivel mundial.

El desarrollo de equipos de turbinas a gas estacionarios, inició de modo eficaz poco antes de la segunda guerra mundial, pero este se ha expandido hacia el uso de los turborreactores para la propulsión aérea. Así mismo iniciaron competir con éxito en otros campos solo después de la mitad de los años cincuenta, desde entonces han tenido mayor impacto en un amplio campo de aplicaciones.

RESUMEN

CICLO IDEAL DE TURBINA A GAS

El ciclo más simple de funcionamiento de una turbina de presión constante, conocido como ciclo Joule o ciclo Brayton, esta representado en las figuras 1 y 2 y está constituido de la siguiente forma:

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

- Una fase de calentamiento a presión constante (2-3) que aumenta la temperatura y por tanto el volumen másico del gas.

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

Fig. 1 Fig. 2

expa

nsión

1

2

3

4 compre

sión

T

S

0 expa

nsión

1

2

3

4 compre

sión

P

V

0

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3

El ciclo representado es el ciclo ideal de referencia para las transformaciones que efectivamente se originan en el equipo de turbina de gas. Las causas que conlleva a la desviación del funcionamiento real del ciclo se examinarán en la práctica; se observa, que la masa del gas es variable, a diferencia de las consideraciones teóricas. En la práctica la inexactitud que se cumple considerando el ciclo de masa constante es pequeña porque la cantidad de combustible añadida al aire (no es más del 2%); en la ejecución de los cálculos habrá que tenerlo en cuenta.

EQUIPOS DE TURBINA DE GAS

Los aparatos necesarios para realizar el ciclo simple previamente considerado son esencialmente: un compresor, un combustor y un turboexpansor. La disposición mecánica de estos aparatos en el equipo está determinada por la posible subdivisión de las transformaciones termodinámicas en uno o más cuerpos, tanto con el objeto de mejorar el ciclo base desde el punto de vista de rendimiento y/o trabajo másico, como para obtener una idónea respuesta del equipo desde el punto de vista del ejercicio de carga variable. La energía producida por la expansión de los gases quemados es, en parte, utilizada para el accionamiento del turbocompresor, mientras que la restante está destinada a suministrar la potencia útil a diferentes maquinarias.

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

Turborreactor, o turbochorro, que se compone de una toma dinámica, un compresor, axial o centrifugo o mixto, una o más cámaras de combustión, una turbina de mando del compresor y una tobera. En este último componente la energía térmica poseída por los gases quemados a la salida del la turbina de mando es transformada en energía cinética del chorro. La expulsión de los gases a elevada velocidad genera un empuje, que puede ser determinado en base al principio de la cantidad de movimiento. Este tipo de equipo es aplicado en los motores de reacción para la propulsión de aviones civiles o militares.

Turbina de gas monoárbol. En este tipo de equipo la expansión se realiza en un único cuerpo y la potencia útil en parte es utilizada por el turbocompresor. Aunque mecánicamente simple, presenta una característica de regulación poco satisfactoria pues el número de revoluciones del compresor está vinculado al de la turbina.

Turbina de gas biárbol. Nace de la exigencia de tener una regulación del turbocompresor independiente del número de revoluciones impuesto por el utilizador del equipo. El compresor está ensamblado en el árbol de la turbina de alta presión mientras que la turbina de baja presión está ensamblada en un segundo árbol mecánicamente independiente del primero y acciona el dispositivo utilizador del equipo. El primer grupo es denominado generador del gas, mientras que la segunda turbina se denomina turbina de potencia.

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4

En esta turbina de potencia puede (por un dado número de revoluciones nc del compresor y relativa de la turbina) funcionar con un amplio número de revoluciones nTP, con posibilidad de elegir el de rendimiento óptimo, o viceversa, a paridad de número de revoluciones nTP (dispositivo utilizador representado por ej. por un alternador) permitir una regulación del grupo generador de gas variando el número de revoluciones nc, con mejor característica de regulación con respecto al caso del equipo monoárbol.

El equipo T200D a utilizar en la práctica sigue este último esquema y el dispositivo utilizador está representado por el generador eléctrico.

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

OBJETIVO ESPECÍFICOS.

a. Determinar las potencias del sistema turbo-compresor y turbina de potencia bajo un proceso isentrópico y en condiciones reales de operación.

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

c. Determinar la potencia eléctrica y rendimiento del alternador.

CÁLCULOS A REALIZAR

Después de haber observado el funcionamiento de la planta y con los datos obtenidos del sistema de instrumentación, se deberán realizar los debidos cálculos para determinar lo siguiente:

- Eficiencias adiabáticas en la turbina de potencia y el turbocompresor. - El rendimiento térmico de un ciclo Brayton ideal.

- Diagrama Temperatura - Entropía para comparar las características del ciclo ideal. - El rendimiento térmico de un ciclo Brayton real.

- Potencia y Eficiencia del alternador.

- Comparación gráfica de los Rendimientos Ideal y Real en función de las Relaciones de Presión.

Recuerda: Realizar tus Cálculos Reales e ideales en el Sistema Internacional, y con Temperaturas y Presiones Absolutas.

EVALUACIÓN:

Evaluación inter-laboratorio………..20% Informe……….……….…50% Examen post-laboratorio………...30%

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5

EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR.

a. Banco didáctico de turbina de gas Biarbol T200D.

DATOS REQUERIDOS.

Ubicación de los equipos principales de la planta de turbina de gas (Figura 3) Funciones de cada equipo (Procedimiento).

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

PROCEDIMIENTO.

Se realizará una descripción de la planta y del funcionamiento de la misma, el estudiante tomará nota de lo expuesto por el profesor. Una vez puesta en marcha la planta y estabilizada las condiciones de operación, deberá anotar los datos en la tabla anexa (Tabla 1) de las variables necesarias y de esta forma llevar a cabo los cálculos requeridos para el cumplimiento de los objetivos de la experiencia.

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

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

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

3. Cerrar pomo de control de carga del alternador (3) de la turbina de potencia. 4. Cerrar admisión de aire ambiental y abrir admisión de aire forzado (4). 5. Encender ventilador de aire forzado (5).

6. Al llegar a 7.000 RPM en el turbocompresor, suministrar el combustible (Gas propano) a una presión de 1,2 bar y un flujo másico de 0.4 g/seg (6).

7. Aumentar gradualmente el flujo de gas (7) hasta llegar a 22.000 – 30.000 rpm del turbocompresor para liberar la turbina de potencia y transferir potencia al alternador (sin sobrepasar 23.000 rpm de la turbina de potencia E).

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

9. Apagar ventilador de aire forzado A.

10. Variar la carga en el alternador (3) para observar la reacción de los distintos dispositivos que componen la planta debido a la manipulación de las variables.

11. Anotar las magnitudes arrojadas por el sistema de instrumentación y control de la planta en la tabla anexa (Tabla 1).

12. Llevar a cabo los cálculos requeridos para el cumplimiento de los objetivos de la práctica, utilizando las ecuaciones del ciclo de potencia de gas Brayton, suministradas en la práctica y las que por conocimiento previo se posee por la teoría.

(6)

6 Alternador

V, I

T.P.

T.

C. C.C.

m

b,

P

b

W

C

W

TP

W

T Pa Ta Pmáx

P5

P

a

, T

5 ESQUEMA TERMODINÁMICO DE LA PLANTA DE GAS, PARA CÁLCULO IDEAL.

PANEL FRONTAL DE LA PLANTA.

La figura a continuación es un diagrama que muestra cómo están distribuidos los distintos equipos e instrumentos que componen la planta.

Fig.3

Leyenda.

A. Ventilador auxiliar B. Filtro entrada aire C. Turbocompresor con indicador de revoluciones D. Cámara de combustión E. Turbina de potencia con indicador de revoluciones

F. Alternador con indicador de corriente y tensión G. Depósito de aceite y circuito lubricante H. Termóstato de seguridad I. Medidor de flujo de gas J. Manómetro diferencial K. Indicadores de temperatura L. Indicadores de presión

7 8 5 3-4 Aceite T1 T2 T3 T4 T5 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

(7)

7

Condiciones ambientales: Condiciones lubricante:

Pa:………

(bar)

T:…………

(ºC)

Ta:………

(ºC)

P:………… (bar)

TABLA 1

Observaciones:__________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

Fecha (v) V (A) I Presiones másico Flujo

g./seg. RPM T. de potencia RPM TC. (ºC) T1 (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) T5 (mm) Δh P4

(8)

8 ANÁLISIS DE CÁLCULO BAJO CONDICIONES REALES:

Cálculo de potencia del sistema turbo-compresor:

)

(

*

)

(

*

`

₃

₄

_a

_b

T

C

p

T

m

W



)

(

*

)

(

*

₂

₁

_a

c

Cp

T

m

W



Cálculo de la turbina de potencia:

)

(

*

)

(

*

`

₄

₅

_a

_b

TP

C

p

T

m

W



Cálculo del flujo de calor suministrado:

)

(

*

)

(

*

`

₃

₂

2 a

b

T

C

p

T

m

Q



Determinación de flujo másico de aire (

m



_a):

)

/

(

06 ,

46 h

Kg

seg

m



_a ) / 00 8 ( alcohol de l diferencia manometro un de mm, en lectura, : ] / [ manómetro del medida de seccion la en aire del densidad : 3 3 m Kg h m Kg alcohol

Determinación de flujo másico de combustible (

m



_b):

)

/

(

10

1

581 ,

1

10

1

3

m

3

Kg

seg

m

_bl tb to tb bl b



bl

m



: Flujo másico leído en el instrumento.

tb: Factor de corrección para un valor de presión en la alimentación del combustible empleado (ver Tabla 2)

A continuación serán adaptadas las siguientes expresiones analíticas para el cálculo de las capacidades térmicas específicas:

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

)

.

/

(

10

1

2 )

(

105

976 ,

0 T

max

T

min 6

KJ

Kg

K

C

_P

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9

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

)

.

/

(

10

1

2 )

(

1

75

239

1

042 ,

0

909 ,

0 T

max

T

min 6

KJ

Kg

K

C

_P st st Donde,

: es la relación aire-combustible real

b a

m



st : Es la relación aire combustible estequiométrica que para el propano tiene un valor de 15,6745. Tmáx y Tmín: temperaturas máximas y mínimas de los fluidos en los respectivos campos de aplicación para la capacidad térmica media.

Potencia del alternador:

I

V

P

_alt

Rendimiento del alternador:

útil T alt alt

W

P

2



La

W



_TP_útiles la potencia útil de la turbina de potencia tomando en cuenta las perdidas mecánicas. Para el caso de la turbina el valor es 0,92.

92 ,

0

TP útil TP

W



Rendimiento adiabático del compresor y turbina.

al

Ideal

comp

W

_W

Re



Ideal

al

turb

_W

W

_



_Re

Rendimiento del ciclo:

2

)

(

T c tP t sum neta ciclo

Q

W

Q

W



CÁLCULOS PARA EL CICLO IDEAL:

Las transformaciones ideales de expansión y de compresiones son adiabáticas reversibles (isentrópicas) para la turbina y el compresor, respectivamente:

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10

1 )

(

1 )

(

₂ ₁ ₃ ₄

k

T

kR

w

k

T

kR

w

_comp _turb

)

(

T

₃

T

₂

C

q

_comb _p k 1 k 4 3

_β

T

k 1 k 2

_β

T

1

Donde:

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

CONSIDERACIONES A EMPLEAR EN EL CICLO IDEAL. Analice el ciclo bajo sistema de aire estándar frío.

Asuma criterios en la selección de las temperaturas de entrada y salida de los procesos. Ecuación a emplearse en el proceso de compresión y expansión bajo procesos isentrópicos.

Ó en función de la relación de presión, en el proceso de compresión será:

En el proceso de expansión (Turbo-Compresor):

Ahora: ¡Deduce la Ecuación en función de la relación de presión, para la turbina de potencia! Calor suministrado en la Cámara de Combustión a Presión constante (Presión máxima en el ciclo real)

El flujo másico del aire, es constante a la entrada y salida de cada equipo. El aire entra y sale en condiciones puras.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA.

Kenneth Wark, Donald E. Richards. TERMODINAMICA, Sexta Edicion, Editorial McGraw Hill. Yunus A. Çengel, Michael A. Boles. TERMODINAMICA, Quinta Edicion, Editorial McGraw Hill.

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