PRÁCTICA CICLO DE POTENCIA DE GAS (BRAYTON)

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL ``FRANCISCO DE MIRANDA ÁREA DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL, MECÁNICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA. LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA PRÁCTICA CICLO DE POTENCIA DE GAS (BRAYTON) PERIODO III-200

2 Introducción De los posibles medios utilizables para la producción de potencia mecánica los equipos de turbinas son, por muchos aspectos, entre los más satisfactorios. En particular las 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 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 día de los equipos de potencia hidroeléctricos producen un significativo porcentaje de la energía eléctrica globalmente utilizada a nivel mundial. El desarrollo de equipos de turbina de gas estacionarios ha iniciado de modo eficaz poco antes de la segunda guerra mundial, pero el desarrollo de equipos de turbinas de gas se ha rápidamente dirigido hacia los turborreactores para la propulsión aérea. Los equipos de turbina de gas iniciaron competir con éxito en otros campos solo después de la mitad de los años cincuenta, pero desde entonces los mismo han tenido un siempre mayor impacto en una amplio campo de aplicaciones.

3 Objetivo general. Evaluar una planta de potencia con Turbina a gas bajo la teoría del ciclo Brayton. Objetivo específicos. a. Determinar las potencia del sistema turbo-compresor y turbina de potencia bajo un proceso isentrópico. b. Evaluar el ciclo de bajo la teoría de aire estándar frío. c. Determinar las potencia del sistema turbo-compresor y turbina de potencia real. d. Evaluar el ciclo real de potencia de turbina a gas. e. Determinar el rendimiento adiabático del sistema turbo-compresor y turbina de potencia f. Determinar la potencia eléctrica del alternador. g. Determinar el rendimiento del alternador Equipos y materiales a utilizar. a. Banco didáctico de turbina de gas Biarbol TD-200. b. Cronómetro. Datos Requeridos. Ubicación de los equipos principales de la planta de turbina de gas. Funciones de cada equipo. Adquisición de magnitudes de las propiedades termodinámicas arrojadas por el sistema de instrumentación y control de la planta. Procedimiento. Se realizará una descripción de la planta y del funcionamiento de cada elemento que lo componen, el alumno tomará nota de lo expuesto por el profesor. Una vez puesta en marcha la planta el alumno deberá anotar los datos en la tabla anexa de las propiedades termodinámicas necesarias

4 siguiendo las instrucciones del profesor y de esta forma poder 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: Encender de la bomba de aceite de lubricación. Alimentar con agua de enfriamiento la bomba de lubricación. Cerrar pomo de control de carga del alternador de la turbina de potencia. Cerrar admisión de aire ambiental y abrir admisión de aire forzado. Encender ventilador de aire forzado. Al llegar a RPM en el turbocompresor, suministrar el combustible (Gas propano) a una presión de,2 bar y un flujo másico de 0.4 g/seg. Aumentar gradualmente el flujo de gas hasta llegar a rpm del turbocompresor para liberar la turbina de potencia y transferir potencia al alternador (sin sobrepasar rpm de la turbina de potencia). Aumentar nuevamente el flujo masivo hasta llegar a y rpm del turbocompresor. Apagar ventilador de aire forzado. Variar la carga en el alternador para observar la reacción de los distintos dispositivos que componen la planta debido a la manipulación de las variables. Anotar los datos en la tabla anexa de las propiedades termodinámicas. 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.

5 Cálculos a realizar Después de haber observado el funcionamiento de la planta y con los datos obtenidos del sistema de instrumentación de la misma se deberán realizar los debidos cálculos para determinar lo siguiente: - El rendimiento térmico de un ciclo Brayton ideal. - El rendimiento térmico de un ciclo Brayton real. - Eficiencias adiabáticas en la turbina de potencia y el turbocompresor. - Potencia del alternador. - Eficiencia del alternador. - Diagrama temperatura entropía para comparar las características del ciclo ideal y del ciclo real. 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. 8 7

6 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 U. Manómetro diferencial t. Indicadores de temperatura p. Indicadores de presión

7 Fecha: Condiciones ambientales: Condiciones lubricante: Pa: (bar) T: (ºC) Ta: (ºC) P: (bar) V (v) I (A) Presion (bar) P4 P5 P7 P8 Flujo másico g./seg. RPM T. de potencia RPM TC. T (ºC) T2 (ºC) T3 (ºC) T4 (ºC) T5 (ºC) Δh (mm) Observaciones:

8 Esquema Termodinámico de la Planta de Gas: V, I P 5, T 5 Alternador T.P. W TP P 4, T 4 P, T W T T. C. W C P 3, T 3 C.C. P 2, T 2 m b, P b 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.

9 Análisis de cálculo: Cálculo de potencia del sistema turbo-compresor: W W T T m m T CP 3 4 T T m c CP 2 a a b Cálculo de la turbina de potencia: W T T m m TP CP 4 5 a b Cálculo del flujo de calor suministrado: Q T 2 T T m m CP 3 2 a b Determinación de flujo másico de aire ( m a ): m a 0,0027 h Kg / seg 3 :densidad del aire en la seccion de medida del manómetro [ Kg / m ] h :lectura, en mm, de un manometro diferencia l de agua ( agua 000 Kg / m 3 ) Determinación de flujo másico de combustible ( m b ): m m tb m tb b bl bl 0 Kg / seg to, 58 m bl : Flujo másico leído en el instrumento. tb : Factor de corrección para un valor de presión en la alimentación empleado (ver anexo) A continuación serán adaptadas las siguientes expresiones analíticas para el cálculo de las capacidades térmicas específicas: Capacidad térmica media a presión constante del aire: Tmax Tmin 6 C P 0, KJ / Kg. K 2

10 C P Capacidad térmica media a presión constante de los gases quemados: st st 0,909 0, Donde, : es la relación aire-combustible real m a m b T max T 2 min 0 6 KJ / Kg. K st : Es la relación aire combustible estequiométrica que para el propano tiene un valor de 5,6745. T máx y T mín : temperaturas máximas y mínimas de los fluidos en los respectivos campos de aplicación para la capacidad térmica media. Potencia del alternador: P alt V I Rendimiento del alternador: alt P W alt T 2útil La W TP útil 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. W TP útil W TP 0,92 Rendimiento adiabático del compresor y turbina. W Ideal W comp al W turb Re Re al W Ideal Rendimiento del ciclo: ciclo W Q neta sum W t W Q tp T 2 W c

11 Cálculos para el ciclo ideal: Las transformaciones ideales de expansión y de compresiones son unas adiabáticas reversibles (isentrópicas) para la turbina y el compresor, respectivamente: k k 4 3 β T T k k 2 β T T β: es la relación de compresión igual en valor a la relación de expansión. Asuma criterios en la aplicación de las temperaturas.

12 TABLA DE CORRECCION DEL CAUDAL DE COMBUSTIBLE EN FUNCION DEL GAS PROPANO

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