El 4to Congreso Internacional Corporación Universidad Industrial UNINDUD 2012

Transcripción

1 El 4to Congreso Internacional Corporación Universidad Industrial UNINDUD 2012 Eficiencia Termodinámica de la turbina a gas usada en motores de aviación Brito Sauvanell, Angel Luis 1 ; Vicet Delis, Reynier 1 ; Linett Martínez, Edelis 2 1 Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Oriente. Ave de las Americas y Casero Santiago de Cuba. reynier.vicet@fim.uo.edu.cu 2 Facultad de IngenieriaMecanica, Universidad Tecnológica de Panama. Panama. edelis.martinez@gmail.com RESUMEN: El presente trabajo desarrolla las diferencias dependencias entre la eficiencia termodinámica de una turbina a gas y los 4 puntos termodinámicos característicos del ciclo Brayton. De ellos se aprecia la influencia de los parámetros del gas a la entrada y salida de los equipos: compresor, combustor y la propia turbina en la eficiencia de la instalación. El trabajo concluye que la temperatura de los gases a la salida del combustor (entrada de la turbina a gas) limitada por las propiedades termo físicas de los materiales constructivos usados en la turbina provoca el aumento de la eficiencia en cuanto ella aumenta, de modo inverso con el aumento de la relación de compresión y la temperatura a la salida del compresor y de igual forma con el aumento de la temperatura de los gases a la salida de la turbina hasta el valor T2=T4 se puede alcanzar un valor de la eficiencia de 65 %. Palabra clave: eficiencia termodinámica, parámetros termodinámicos, turbina a gas Key words: thermodynamically efficiency, thermodynamically parameters, gas turbine. INTRODUCCION:

2 Con el aparecimiento de las turbinas de vapor, los motores de pistón a vapor prácticamente dejaron de utilizarse, sin embargo es necesario señalar que aun existe la opinión de especialistas sobre la posibilidad del uso de estos en calidad de motor para el transporte. En el desarrollo de las turbinasa vapor se pasó a niveles de temperaturasmas altas y correspondientemente elevar su rendimiento y productividad. A finales del siglo XIX y comienzos del XX en las condiciones del desarrollo intensivo de la técnica el uso de la turbina a vapor realizó un cambio a la necesidad de los motores para barcos y en la energética. Un poco después apareció una nueva solicitud tecnológica la aviación, la cual también esta fuertemente necesitada de motores potentes y ligeros.la turbina de vapor en este caso no podía constituir una alternativa satisfactoria: Las grandes masas, altos consumos de agua y de combustible, la necesidad de que el vapor trabaje tanto al ritmo de variación de la frecuencia de rotación definió la tecnología como no adecuado para la aviación. Estas exigencias y otros problemas definieron a la turbina a gas de alta velocidad como la técnico y económicamente mas adecuada para ser usadas como motor en la aviación. Se hicieron experimentos para usar la turbina a gas en calidad de motores para el transporte. Los procesos que ocurren en las turbinas a gas se diferencian sustancialmente de los que ocurren en la turbina a vapor. Analicemos el ciclo termodinámicode la turbina a gas y después las especificaciones sobre su influencia en el medio ambiente. El aire previamente se comprime y al mezclarsecon el combustible se combustiona. El gas saliente caliente se expansiona, pasando por uno o varios escalones de la turbina a gas. Estas turbinas tienen en común con las turbinas a vapor, la misma construcción pero se diferencian de ellas por sus dimensiones y los materiales de construcción. El primer paso de la turbina a gas sirve como impulsión del compresor. Los siguientes pasos transforman la energía mecánica la que es usada para la producción de energía eléctrica o para las turboelicesde los motores de aviación, para la rotación de una propela. En el motor turbo reactor la diferencia entre la cantidad de movimiento del aire ala entrada del compresor y la cantidad de movimiento de los gases que tienen alta velocidad a la salida de la turbina constituye una carga reactiva. Para analizar el trabajo en la turbina a gas, construyamos su ciclo teórico. (figura1). Este ciclo lleva el nombre de ciclo Brayton. Figura 2 Representación del ciclo Brayton en un VP

3 Proceso a-b compresión adiabático (isoentropico). Después le sigue calentamiento a presión constante b-c. La compresión del gas calentado hasta alta temperatura, se expansiona en una turbina (proceso c-d) en el punto d la temperatura del gas es superior, que al punto a pero la presión es igual. En un ciclo cerrado, después le Figura 1 Esquema de una turbina a gas de combustión (ciclo Brayton). 5 sigue el enfriamiento hasta Ta y el proceso se repite. En el ciclo abierto, la atmosfera juega el papel de fuente de enfriamiento para el proceso isobárico de enfriamiento d-a. El rendimiento termodinamico así como para otros tipos de motores: (1) Por cuanto el suministro y la extracción del calor se realizan por la isobara, para el calculo del rendimiento podía haber sido como para el ciclo de Rankine pasando a la entalpia. Sin embargo es mas interesante analizar de inmediato la diferencia del rendimiento de las temperaturas consideradas que el calor especifico C p de la sustancia de trabajo es constante, escribamos: (2) (3) La expresión para el rendimiento en este caso asume la siguiente forma: (4) La presión en los puntos a,b,c,d en el diagrama relacionado a las relaciones: (5) Si consideramos que la sustancia de trabajo del gas es idel entonces la temperaturas en estos puntos estarán relacionados de la siguiente forma:

4 (6) Utilizando estas relaciones obtenemos la expresión para el rendimiento termodinamico dependiente sola de la temperatura: (7) Como regla, para este motor la relación Td y Pc/pd son conocidas y Tc es posible considerar por la ecuación de estado del gas ideal. METODOLOGIA DE CÁLCULO. En la figura 1, supongamos que el combustor se transforma en un intercambiado de calor, y admitamos que la cantidad de calor añadida a presión constante desde un depósito exterior sea igual al calor que se desprende en la combustión. Entonces, consideremos que el gas expulsado en 4 pase por otro cambiador de valor, por medio del cual el calor sea transmitido al sumidero. El gas es enfriado a su temperatura inicial original, vuelve a entrar en el compresor en 1 y se inicia el ciclo de nuevo. Este es un ciclo cerrado. Si la sustancia de trabajo es una masa constante de aire, entonces se trata del ciclo estándar de aire equivalente, representado en los planos VP y ST de la figura 2 y 3. En el ciclo ideal, la compresión a-b y la expansión c-d son isoentrópicas, el suministro de calor, b- c, y su rechazo o desechado, d-e son a presión constante (y también de flujo estacionario o constante, con ). Admitamos que los calores específicos sean constantes al final tenemos: Tc-Tb) (KJ/kg) (8) Td-Ta) (KJ/kg) (9) = Para hacer un análisis simple sea C pb,c =C pd,a =C p y hallaremos: + = (Tc-Tb+Ta-Td) (kj/kg) (11) Figura 3 Representación del ciclo Brayton en un SP = (12 )

5 = (12b ) que es el rendimiento térmico. Esta ecuación puede disponerse en diversas de diferentes formas a partir de la aplicación de los procesos conocidos en la termodinámica. ANALISIS DE RESULTADOS. El uso de calentamiento regenerativo para el enfriamiento por etapas en el compresor puede asegurar el aumento del rendimiento hasta 65 % 2. Es mas fácil obtener un aumento del rendimiento del ciclo con gas que para las turbinas a vapor para la misma potencia. Esto explica por qué la temperatura del gas a la entrada de las Turbinas puede ser tan alta (Fig.4). El valor de la temperatura máxima permisible de la sustancia de trabajo define el parámetro del cual depende el Figura 4 Curva de variación de la eficiencia termodinámica de una turbina a gas por la temperatura de los gases a la entrada de la turbina T 3. rendimiento de todas las maquinas térmicas 1,2,3,4,5 (en el caso estudiado 71 % ). En el ciclo de alta presión de las turbinas de vapor y gas la temperatura máxima permisible esta limitada por la resistencia de los materiales constructivos. La temperatura de salida de los gases de la cámara de combustión viene limitada por la resistencia mecánica de los álabes de la turbina, que tienen que soportar elevadas temperaturas de trabajo, del orden de 850 C para las turbinas industriales (sin álabes refrigerados), pudiendo llegar a alcanzar los 1000 C, en las turbinas modernas, (álabes refrigerados en los primeros escalonamientos), y 1200 C en las turbinas de gas de aviación.

6 La distribución de temperaturas a la salida de la cámara de combustión, debe ser lo más uniforme posible, lo que presenta ciertas ventajas, por cuanto se evitan sobrecalentamientos locales de los álabes, pudiendo ser la temperatura media de entrada en la turbina más elevada, con el consiguiente aumento de su potencia específica. Como las tensiones mecánicas en los álabes decrecen con el radio, puede resultar interesante que la distribución de temperaturas aumente con el radio. La limitación de las tensiones térmicas, (proporcionales a la relación entre el coeficiente de dilatación y el coeficiente de conductividad térmica), durante el régimen transitorio, implica un aumento rápido de las temperaturas, por lo que no siempre permiten utilizar aceros aleados al cromo, molibdeno, vanadio o los aceros inoxidables utilizados en la construcción de las turbinas de vapor, ya que en algunas de sus partes es necesario emplear aleaciones refractarias que tienen un campo de resistencia más amplio. En el caso particular para un gas ideal, con k=1,4, para Tc =820 o C y la relación de presión 5:1 obtenemos Td=415 o C y el rendimiento igual a 37 %. Si la temperatura es igual a 21 o C entonces para el ciclo Carnot es este intervalo de temperaturas se obtiene un rendimiento 73 %. Esto significa que el Figura 5 Variación del rendimiento termodinámico al variar la relación de compresión. Figura 6 Dependencia de la eficiencia termodinámica de la temperatura de los gases en el escape de la turbina a gas.

7 rendimiento del ciclo Brayton esta mas lejos de la posibilidad máxima. Sobre esto es necesario aun considerar que fue analizado el ciclo teórico que no considera con las pérdidas de presión y de calor las perdidas mecánicas en el compresor de la turbina y las irreversibilidades de los procesos. Los indicadores económicos de las turbinas a gas pueden ser mejorados utilizando el mismo método que para las turbinas de vapor. El calentamiento regenerativo del aire (o sea su calentamiento, a cuenta del calor entregado por los gases de salida, antes de su mezcla con el combustible) (Fig. 1,2,3) permite aumentar T 4 y T 3. En este caso T 4 se mantiene constante. Como regla, esto asegura un aumento sustancial del rendimiento. Para T 2 =T 4 y valores de los parámetros analizados en este trabajo el rendimiento aumenta hasta 65 % (Fig 6). Es conocido, que el trabajo en la compresión del gas depende de su temperatura mientras menor sea la temperatura del gas, menor es el trabajo consumido del compresor, por eso para el aumento del rendimiento del compresor se realiza en varias etapas (Fig. 5). En la figura 7 se muestra las curvas de variación de diferentes parámetros termodinámica, como la entalpia de los gases a la entrada de la turbina (curva superior), la relación de compresión r k (curva inferior) y la eficiencia termodinámica de la turbina a gas. En la figura se aprecia como el aumento de la relación de compresión y h2 la eficiencia disminuye debido al alto consumo de energía en el compresor. CONCLUSIONES. 1. La temperatura máxima que alcanza los gases en el ciclo de turbina a gas es a la salida del combustor (entrada de la turbina a gas) T3. De esto depende el valor de la eficiencia de la instalación pero esta limitado por las propiedades termofísicas de loa materiales constructivos usados en la turbina. 2. Uno de los parámetros que debe ser observado en el diseño de la instalación de turbina a gas es la relación de compresión P1/P2. Este parámetro depende de la T 2 y con el aumento disminuye la eficiencia termodinámica de la instalación. 3. La eficiencia termodinámica para las condiciones estudiadas en este trabajo y T2=T4 aumenta hasta el valor de 65 %.

8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 1. Faires, V. M. TERMODINAMICA. Edición Revolucionaria. La Habana. Cuba. 1969, pag. 2. D. Devins Energy: Its physical impact on the environment. JOHN WILEY and SONS. New York pag. 3. Octave Levinspiel Termodinamica amistosa para engenheiros. Editorial Edgard Blucher Ltda. 323 pag. 4. B.I. Krutova TIEPLOTEJNICA Moscu. Mashinostraenia pag. 5. Pedro Fernandez Diez. Turbina de gas. Departamento de Ingeniería Electrica y Energética. Universidad de Cantabria. (Documentos digitales). LISTADO DE FGURAS: 1. Figura 1. Esquema de una turbina a gas de combustión (ciclo Brayton). Pag. 3.} 2. Figura 2. Representación del ciclo Brayton en un diagrama vp. Pag Figura 3. Representación del ciclo Brayton en un diagrama sp. Pag Figura 4. Curva de variación de la eficiencia termodinámica de una turbina a gas vs la temperatura de los gases a la entrada de la turbina. Pag. 5. Figura 5. Variación de la eficiencia de la turbina a gas con la variación de la entropía h2, y la relación de compresión. 6. Dependencia de la eficiencia termodinámica de la temperatura de los gases en el escape de la turbina a gas. 7. Figura 7. Variación de la eficiencia de la turbina a gas con la variación de la entropía h2 y la relación de compresión P1/P2.