prÁctica ciclo de potencia de aire (brayton) · ciclo de potencia de aire (brayton) profesores de...
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL ``FRANCISCO DE MIRANDA´´
ÁREA DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA.
PRÁCTICA
CICLO DE POTENCIA DE AIRE (BRAYTON)
Profesores de laboratorio: Coordinador: Ing. Elier Garcia Ing. Gelys Guanipa. Ing. Josmery Sánchez Ing. Isaac Hernandez. Ing. Gregório Bermúdez.
Última modificación: Febrero del 2012
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
expan
sión
1
2
3
4
com
pre
sión
T
S 0
expan
sión
1
2 3
4
com
pre
sión
P
V 0
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 es baja (no es más del 2%); en la ejecución de los
cálculos habrá que tenerlo en cuenta.
A continuación, se define primero lo que es un ciclo abierto, al inicio el aire se comprime en
forma adiabática en compresor rotatorio axial o centrifugo, el aire entra a una cámara de
combustión donde se inyecta y quema combustible a presión constante, los productos de esta
combustión luego se expanden en una turbina hasta alcanza la presión ambiente de los
alrededores.
Los ciclos de las turbinas de gas reales son abiertos ya que debe introducirse aire
continuamente.
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.
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%
EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR.
a. Banco didáctico de turbina de gas Biarbol T200D de doble eje.
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 que se posee por la teoría.
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)
Alternador
V, I
T.P.
T. C.
C.C.
mb, Pb
WC
WTP
WT
Pa Ta
Pmáx
P5, T4
Pa, T5
ESQUEMA TERMODINÁMICO DE LA PLANTA DE GAS, PARA CÁLCULO IDEAL.
Fecha:…………… Condiciones ambientales: Condiciones lubricante: Pa:……… (bar) T:………… (ºC)
Ta:……… (ºC) P:………… (bar) TABLA 1
Observaciones:__________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________
V (v)
I (A)
Presion (bar)
Flujo másico
g./seg.
RPM T. de potencia
RPM TC. T1 (ºC)
T2 (ºC)
T3 (ºC)
T4 (ºC)
T5 (ºC)
Δh (mm)
P4 P5 P7 P8
ANÁLISIS DE CÁLCULO BAJO CONDICIONES REALES:
Cálculo de potencia del sistema turbo-compresor:
baPT mmTTCW 43
aPc mTTCW 12
Cálculo de la turbina de potencia:
baPTP mmTTCW 54
Cálculo del flujo de calor suministrado:
baPT mmTTCQ 232
Determinación de flujo masico de aire ( am ):
)/ 008( alcohol de ldiferencia manometroun de mm,en lectura, :
]/[ manómetro del medida deseccion laen aire del densidad :
/06,46
3
3
mKgh
mKg
segKghm
alcohol
a
Determinación de flujo masico de combustible ( bm ):
segKgmmm tbbl
to
tbblb /
,
33 1015811
101
blm : 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 media a presión constante del aire, a la temperatura media de
aplicación:
KKgKJTT
CP ./1012
105976,0 6minmax
Capacidad térmica másica media a presión constante de los gases quemados, a la temperatura
media de aplicación:
KKgKJTT
C stst
P ./10121
175239
1
1042,0909,0 6minmax
Donde,
: es la relación aire-combustible real b
a
m
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:
IVPalt
Rendimiento del alternador:
útilT
altalt
W
P
2
La útilTPW es 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.
92,0TPútilTP WW
Rendimiento adiabático del compresor y turbina.
al
Idealcomp
W
W
Re
Ideal
alturb
W
W
Re
Rendimiento del ciclo:
2T
ctPt
sum
neta
cicloQ
WWW
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:
k
1k
4
3 βT
T
k
1k
2 βT
T
1
1
)(
1
)( 4312
k
TTkRw
k
TTkRw turbcomp
)( 23 TTCq pcomb
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 aplicación de las temperaturas.
Ecuación a emplearse en el proceso de compresión y expansión bajo procesos isentrópicos.
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.
TERMODINAMICA, Kenneth Wark, Donald E. Richards. Sexta Edicion, Editorial McGraw Hill.
TERMODINAMICA, Yunus A. Çengel, Michael A. Boles. Quinta Edicion, Editorial McGraw Hill.
Tabla de corrección del caudal de combustible en función de la presión del gas
propano
Tabla 2.
Fuente. Apéndice Manual Operativo de la Turbina a Gas Doble eje. T200D
Presión (bar) Factor de corrección
1.0 1.414
1.1 1.449
1.2 1.483
1.3 1.516
1.4 1.549
1.5 1.581
1.6 1.612
1.7 1.643
1.8 1.673
1.9 1.702
2.0 1.732
2.1 1.760
2.2 1.788
2.3 1.816
2.4 1.843
2.5 1.876
2.6 1.897
2.7 1.923
2.8 1.949
2.9 1.974
3.0 2.0
3.1 2.024
3.2 2.049
3.3 2.073
3.4 2.097
3.5 2.121
3.6 2.144
3.7 2.167
3.8 2.190
3.9 2.213
4.0 2.236