UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA

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1 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA LICENCIATURA EN INGENIERÍA EN ENERGÍA SEMINARIO DE PROYECTOS I y II COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS Dr. Hernando Romero Paredes Rubo Coordnador de la Lcencatura en Ingenería en Energía Apolono De los Santos Alvarado Alumno Dr. Raúl Lugo Leyte Asesor Dcembre del 003

2 DEDICATORIA A ms Padres Mamá, gracas, por todas las atencones que, me brndaste durante todo el tempo que pase en casa estudando y, a t Papá, aunque ya no estés conmgo, quero decrte que, tu fuste el prncpal motvo para la realzacón de este trabajo. A ms hermanos Lorenzo, Danel y Manuel Les doy gracas por el apoyo moral, económco y por esas palabras de alento que me ofreceron en tempos dfícles de m carrera profesonal. Agradezco a ms demás hermanos, Adrán, Pedro, Ma. Dolores, Ma. Eleazar y Celestna por la motvacón y ánmo que me brndaron para termnar ms estudos de Ingenería. Y a todas aquellas personas que de alguna manera contrbuyeron en m desarrollo profesonal. Tambén doy gracas a DIOS por darme la fuerza, voluntad y cudarme todo el tempo.

3 ÍNDICE ÍNDICE CAPÍTULO I Págna Proceso de combustón Introduccón 1 1. Composcón del are Composcón del combustble Tpos de combustbles 1.4 Tpos de combustón Conceptos fundamentales de la combustón Entalpía de formacón Entalpía de reaccón Entalpía de combustón Poder calorífco nferor y poder calorífco superor Combustón estequométrca Temperatura de gncón Temperatura de flama adabátca Relacón de equvalenca Mezcla pobre en combustble Mezcla rca en combustble Efcenca de la combustón Conclusones 36 CAPÍTULO II Cámaras de combustón de las turbnas de gas 37.1 Introduccón 37. Zonas de combustón Zona dfusora 38.. Zona de combustón Zona de mezcla 38.3 Cámaras de combustón Cámara de combustón tubular Cámara de combustón tpo camsa Cámara de combustón anular Cámara de combustón múltple tubular Cámara de combustón de slo 45.4 Conclusones 46 COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS I

4 ÍNDICE CAPÍTULO III Págna Análss de la turbna de gas medante los parámetros que ntervenen en su combustón Introduccón Análss del cclo Joule smple aberto Trabajo del compresor Trabajo de la turbna Trabajo motor Calor sumnstrado Efcenca térmca del cclo Joule smple aberto Potenca generada por la turbna de gas Consumo térmco untaro Conclusones 59 CAPÍTULO IV. Generacón de NO x y CO Introduccón Óxdos de ntrógeno Monóxdo de carbono Conclusones 68 Conclusones 69 Referencas 70 Anexo 7 COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS II

5 ÍNDICE Índce de Fguras Fgura 1.1 Entalpía de formacón del dóxdo de carbono 6 Fgura 1. Poder calorífco nferor en funcón de la masa molecular del combustble 9 Fgura 1.3 Turbna de gas 13 Fgura 1.4 Relacón are-combustble de la reaccón de combustón del metano 17 Fgura 1.5 Exceso de are requerdo para que los gases de combustón alcancen una determnada temperatura a la entrada de la turbna de gas 0 Fgura 1.6 Dagrama de la temperatura de flama adabátca y la relacón are-combustble contra la relacón de equvalenca para el gas natural 9 Fgura 1.7 Poder calorífco dsponble en funcón la relacón are-combustble real para una mezcla pobre de gas natural 30 Fgura 1.8 Temperatura de flama adabátca respecto a la relacón de equvalenca, para el gas natural a dferentes temperaturas del are a la entrada de la cámara de combustón 31 Fgura 1.9 Temperatura de flama adabátca contra la relacón are-combustble molar para el gas natural a dferentes temperaturas del are a la entrada de la cámara de combustón 3 Fgura 1.10 Temperatura de flama adabátca de algunos combustbles 33 Fgura 1.11 Poder calorífco dsponble en funcón de la relacón are-combustble para dferentes combustbles 33 Fgura 1.1 Balance de energía en la cámara de combustón 34 Fgura 1.13 Efcenca de combustón para una combustón estequométrca del gas natural 35 Fgura.1 Zonas de combustón 38 Fgura. Cámara de combustón tubular 39 COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS III

6 ÍNDICE Fgura.3 Vórtce torodal a la pulverzacón de combustble 40 Fgura.4 Cámara de combustón tpo camsa 41 Fgura.5 Cámara de combustón anular 4 Fgura.6 Cámara tpo anular de flujo drecto 43 Fgura.7 Cámara tpo anular de flujo reverso 44 Fgura.8 Cámara de combustón múltple tubular 44 Fgura.9 Cámara de combustón de slo 45 Fgura 3.1 Cclo Joule smple aberto 48 Fgura 3. Efcenca térmca en funcón del trabajo motor a dferentes relacón de presones y dferentes temperaturas de los gases de combustón a la entrada de la turbna de gas. 53 Fgura 3.3 Flujo de are respecto a la relacón de presones 55 Fgura 3.4 Flujo de combustble contra la relacón de presones 56 Fgura 3.5 Trabajo motor con relacón al flujo de combustble 56 Fgura 3.6 Efcenca térmca en funcón del flujo de are 58 Fgura 3.7 Consumo térmco untaro respecto al flujo de are 59 Fgura 4.1 Concentracón de NO x contra la relacón de presones 63 Fgura 4. Concentracón de NO x en funcón de la relacón combustble-are 64 Fgura 4.3 Concentracón de NO x con respecto al tempo de resdenca para dferentes combustbles gaseosos 65 Fgura 4.4 Concentracón de CO contra la relacón de equvalenca 66 Fgura 4.5 Concentracón de CO en relacón a la temperatura de flama adabátca del gas natural 67 COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS IV

7 ÍNDICE Fgura 4.6 Emsones de CO para dferentes combustbles en relacón a la 68 temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón Índce de Tablas Tabla 1.1 Composcón del are atmosférco 1 Tabla 1. Composcón volumétrca del gas natural 4 Tabla 1.3 Entalpía de formacón de algunos compuestos 7 Tabla 1.4 Poder calorífco de algunos combustbles 8 Tabla 1.5 Temperatura de gncón de algunos combustbles 1 Tabla 1.6 Coefcentes y entalpía de formacón de algunos combustbles 15 Tabla 1.7 Iteracón para obtener la temperatura de flama adabátca 3 Tabla 1.8 Iteracón para obtener la temperatura de los gases de combustón 5 debdo al exceso de are Tabla 1.9 Iteracón para obtener la temperatura de los gases de combustón 8 Tabla 3.1 Trabajo motor y efcenca térmca máxmos a dferente relacón 53 de presones Tabla 3. Valor máxmo y mínmo del flujo de combustble y trabajo motor 57 para cada temperatura de los gases de combustón Tabla 3.3 Valor máxmo y mínmo del flujo de are y la efcenca térmca 57 para cada temperatura de los gases de combustón Tabla 4.1 Característcas de la turbna de gas 63 COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS V

8 NOMENCLATURA NOMENCLATURA CTU consumo térmco untaro; [kj/kw h], Cp capacdad térmca específca molar a presón cte; [kj/kgmol K], Cp capacdad térmca específca a presón cte; [kj/kg K], Cv capacdad térmca específca a volumen cte; [kj/kg K], f fraccón molar de combustbles; [-], h entalpía de combustón a certa temperatura; [kj/kgmol c ], ct, h f entalpía de formacón; [kj/kgmol], h entalpía de vaporzacón; [kj/kg], fg h entalpía de un producto o reactvo; [kj/kgmol], h entalpía por undad de masa del componente ; [kj/kg], h RT, entalpía de reaccón a certa temperatura; [kj/kgmol], k relacón de capacdades térmcas, Cp Cv [-], M masa molar de un compuesto o elemento; [kg/kgmol], m masa; [kg], N número de moles; [kgmol], &m flujo másco; [kg /s], n& flujo molar del componente ; [kgmol/s], n relacón del flujo molar del componente y del [-], combustble; P potenca generada en la turbna de gas; [kw], p presón; [bar ó atm], PCI poder calorífco nferor; [kj/kg c ], PCS poder calorífco superor; [kj/kg c ], PCD poder calorífco dsponble; [kj/kg c ], q calor por undad de masa molar; [kj/kgmol], Q & flujo de calor; [kw], q sum calor sumnstrado; [kj/kg], rac relacón are combustble; [kg a /kg c ], rca relacón combustble are; [kg c /kg a ], R U constante unversal de los gases = 8.314; [= kj/kgmolk], T temperatura; [K ó C], V volumen; [m 3 ], W m trabajo motor de la turbna de gas; [kj/kg], Y fraccón molar de productos; [-], COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS VI

9 NOMENCLATURA Letras gregas α relacón are combustble molar; [kgmol a /kgmol c ], β número de moles de ntrógeno en los gases de [kgmol], combustón; χ fraccón molar de reactvos; [-], φ relacón de equvalenca; [-], η efcenca; [-], λ exceso de are; [-], π relacón de presones; [-], τ tempo de resdenca en la zona de combustón [s], ν coefcente estequométrco del elemento ; [-]. Subíndces a are, fa flama adabátca, c combustble, cc cámara de combustón, C carbono, comb combustón, comp compresón, compuesto CO, H O, CH 4, etc, elementos estables O, N, etc, f formacón, gc gases de combustón, GN gas natural, ndca elemento ó compuesto, p productos, r reactvos, real combustón con exceso de are, s estado fnal de un proceso sentrópco, SIC compresón sentrópca, SIT expansón de la turbna, stq combustón estequométrca, T temperatura del reactvo ó producto, Th térmca, Turb turbna, x número de carbonos presentes en el combustble, y número de hdrógenos presentes en el combustble, 1 estado ncal (sumdero), COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS VII

10 NOMENCLATURA estado a la entrada a la cámara de combustón, 3 estado a la entrada a la turbna de gas, 4 estado a la salda de la turbna de gas, 98 valor de la temperatura en el estado de referenca. Superíndces estado estándar: un gas deal a una presón de 1 atm y una temperatura de 5 C. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS VIII

11 RESUMEN RESUMEN La cámara de combustón es el elemento esencal en la turbna de gas, es en donde se realza la combustón del combustble con el are, producendo gases calentes a certa temperatura para envarlos a la turbna de gas y generar potenca. Debdo a la gran mportanca que tene la cámara de combustón, en el presente trabajo, se analza la combustón en la turbna de gas presentando un tratamento numérco de la combustón del gas natural; en un prncpo, se comentan los tpos de combustbles, se desarrolla una metodología para determnar la temperatura adabátca de flama en funcón de la relacón de equvalenca y la fraccón mezcla, posterormente se descrben las reaccones de combustón para una mezcla pobre y rca en combustble, se menconan las prncpales cámaras de combustón de las turbnas de gas, explcando su funconamento, se hace el análss de la turbna de gas basado en el cclo Joule smple aberto, donde se estudan a los flujos de are y de combustble, la efcenca térmca, el trabajo motor y el calor sumnstrado. Una de las consecuencas de la combustón del gas natural es la produccón de óxdos de ntrógeno y monóxdo de carbono; por esta razón se analza la generacón de NO x y CO en la turbna de gas, utlzando correlacones propuestas en la lteratura. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS IX

12 ABSTRAC ABSTRACT The combuston chamber s the essental element n the gas turbne, t s where s carred out the combuston of the fuel wth the ar, producng hot gases to certan temperature to send them to the gas turbne and to generate power. Due to the great mportance that has the combuston chamber, presently work, the combuston s analyzed n the gas turbne, presentng a numerc treatment of the combuston of the natural gas; n a prncple, t s commented the types of fuels, a methodology s developed to determne the adabatc temperature of flame n functon of the equvalence relaton and the fracton mxes, later on the combuston reactons are descrbed for a poor and rch mxture n fuel, the man combuston chambers of the gas turbnes are mentoned explanng ts operaton, the analyss of the gas turbne of s made based on the cycle open smple Joule where they are studed to the flows of ar and of fuel, the thermal effcency, the motor work and the gven heat. One of the consequences of the combuston of the natural gas s the producton of ntrogen oxdes and monoxde of carbon; for ths reason t s analyzed the generaton of NO x and CO n the gas turbne, usng correlatons proposals n the lterature. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS X

13 OBJETIVO OBJETIVO Analzar el comportamento de la turbna de gas a partr del proceso de combustón efectuado en la cámara de combustón, así como los tpos de cámaras de combustón y las emsones de óxdos de ntrógeno y monóxdo de carbono que se generan. Para el análss del NO x y CO, se busca, una correlacón y se hacen corrdas y después los resultados se nterpretan gráfcamente de acuerdo a las condcones de operacón de la turbna de gas. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS XI

14 JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN La mportanca de la temperatura de entrada a la turbna de gas en la efcenca térmca y en el trabajo motor de estas máqunas, justfca el permanente deseo de aumentarla; el desarrollo en la tecnología de materales ha permtdo elevar la temperatura a la entrada de la turbna de gas. El desarrollo de modelos matemátcos del cclo Joule (cclo termodnámco utlzado para explcar los procesos que se llevan a cabo en las turbnas de gas), son un apoyo para el análss de los parámetros mportantes de la turbna de gas, por medo de tablas de datos ó gráfcas. Este análss, permte conocer el comportamento de la turbna de gas bajo certas condcones de operacón y, es una herramenta útl para el avance tecnológco de los equpos de generacón eléctrca, lo que ha permtdo contar con altas efcencas, facldad de operacón, menores costos, evtar su desgaste prematuro y lo que es de mportanca vtal hoy en día, menor mpacto al medo ambente por las emsones de contamnantes. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS XII

15 ALCANCE ALCANCE La combustón en la turbna de gas es de gran mportanca para obtener elevadas temperaturas de entrada a la turbna de gas y producr energía eléctrca, para estudarla en el presente trabajo, es necesaro desarrollar un programa de cómputo para la smulacón de la combustón del gas natural, (estequométrca, mezcla pobre y rca en combustble, excesos de are, relacón are-combustble, relacón de equvalenca, temperatura de flama adabátca, poder calorífco nferor y las emsones de óxdos de ntrógeno y monóxdo de carbono) para dferentes temperaturas del are, flujos de combustble y flujos de are a la entrada de la cámara de combustón. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS XIII

16 INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN Aunque el uso de los gases de combustón o vapor para mover una rueda data desde la antgüedad, el precursor de la moderna turbna de gas puede ser patentada a John Barber 1791, qué utlzaba un compresor, una cámara de combustón para mpulsar una turbna. Más recente en las cámaras de combustón ocurría la combustón ntermtente en un espaco cerrado, la cuál causaba un flujo de gases que se envaba a través de una tobera para mpulsar a una turbna. No obstante la nefcenca, estos dseños perssteron porque se desarrollaron maqunas de flujo contnuo, después fueron obsoletas por la falta de conocmento en aerodnámca, por tener compresores muy nefcentes. La prmer turbna que trabajó a presón constante en la cámara de combustón fue la de Aegdus Ellng de Noruega [ref. 10]. Él comenzó a trabajar con la turbna de gas en 188, 1 años después Ellng logro producr 11 Hp de potenca neta con un compresor centrífugo de ses etapas y una turbna axal con una temperatura de entrada de 400 C. En 1905 Frenchmen Charles Lemale y René Armengaud usaron un compresor centrífugo Brown Bovar de 5 etapas (correndo a 4000 rpm, absorbendo 5 Hp, dando una relacón de presones 3/1), alta temperatura en la cámara de combustón y una turbna de dos etapas. La efcenca térmca fue 3.5%. Por 1939 la efcenca había mejorado dramátcamente, con un compresor de flujo axal y una turbna regeneratva dseñada en Hungría daba una efcenca del 1%. La prmer turbna de gas de potenca útl de General Electrc fue nstalada en los Estados Undos en El uso de turbnas de gas aerodervadas data desde 1930 y fue patentada por Frank Whttle en Inglaterra [ref. 10]. La energía es un elemento vtal en la actvdad ndustral, una de las máqunas para generarla es la turbna de gas. La turbna de gas es una máquna dseñada para extraer energía de un fludo que crcula a través de ella. Los campos de aplcacón más mportantes de las turbnas de gas ndustrales son, en la actualdad, el acconamento mecánco de generadores eléctrcos, generacón, cogeneracón de energía eléctrca y calor. Las turbnas de gas que actualmente ofertan los fabrcantes de estas máqunas son cas exclusvamente de cclo aberto, consttudo báscamente por los procesos de comprensón, combustón y expansón; la efcenca de este cclo varía entre el 30 % y el 43 %. Actualmente, utlzando turbnas de gas para cclos combnados o ben para la repotencacón de plantas térmcas, se alcanzan efcencas térmcas de alrededor del 60 %; exsten dos tpos: las turbnas dseñadas orgnalmente como ndustrales, para servco pesado y dervadas de las turbnas de gas de avacón. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS XIV

17 INTRODUCCIÓN La termodnámca es una rama de la físca que estuda los fenómenos relaconados con la energía térmca y las leyes que rgen su transformacón en otro tpo de energía. La varacón de energía térmca en un medo durante un proceso de calentamento o de enframento se obtene como el producto de la masa del medo, por su calor específco y por el salto térmco. Pero no toda la energía térmca es utlzable. En el sglo pasado se enuncó el prmer prncpo de la termodnámca o prncpo de conservacón de la energía. Puede enuncarse así: La energía no se crea n se destruye sólo se transforma o ben que la energía puede transformarse de calor en trabajo o de trabajo en calor. El segundo prncpo, enuncado en 1851 por lord Kelvn, afrma que no es posble efectuar una transformacón cuyo únco resultado sea la conversón de calor en trabajo, cuando el calor es extraído de una sola fuente a temperatura unforme. Este prncpo puede exponerse de dferentes formas. Pero la lmtacón prncpal es que la transformacón sólo puede ser posble s se toma energía de un foco calente y parte de ella se devuelve a un foco frío. La dferenca entre la energía tomada y la devuelta es la energía térmca que se ha transformado en trabajo. Es decr, sólo es aprovechable una parte de la energía tomada del foco calente. De este modo se ntroduce un concepto conocdo como la efcenca térmca de un cclo termodnámco, que es la relacón entre el trabajo obtendo (motor) y la energía térmca (calor sumnstrado) puesta en juego en el foco de mayor temperatura. La energía no aprovechada, que no ha poddo ser transformada en trabajo, se lbera en forma de calor, pero a una temperatura nferor a la real. Este segundo prncpo es la prueba de que en un cclo termodnámco no es posble volver al estado ncal. Los procesos termodnámcos naturales son rreversbles. Para recuperar la energía térmca orgnal a la temperatura orgnal sería necesaro aportar energía desde fuera del sstema. La combustón es en donde se realza la oxdacón del combustble al entrar en contacto con el are atmosférco, producendo una gran cantdad de calor; los procesos de combustón han recbdo la atencón de una gran cantdad de nvestgadores en el mundo por las emsones de contamnantes que se producen. El estudo de la combustón de hdrocarburos para analzar la produccón de contamnantes requere esencalmente de estudos cnétcos muy detallados, que tomen en cuenta especes químcas, cuyas concentracones se mden en partes por mllón o menos. Se tene como propósto, estudar la produccón de óxdos de ntrógeno y monóxdo de carbono en la combustón del gas natural, a partr de la correlacón propuesta para estos dos combustbles en la lteratura. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS XV

18 PROCESO DE COMBUSTIÓN CAPÍTULO I. PROCESO DE COMBUSTIÓN 1.1 Introduccón En este capítulo se muestra la composcón del are y la composcón de la mezcla del gas natural, se defnen los tpos de combustón, para que más adelante se explque la mezcla pobre y rca en combustble, se nombran las característcas y usos de los combustbles que conforman la mezcla de un gas natural, y la de algunos combustbles utlzados en las turbnas de gas; tambén se defnen los conceptos báscos de la combustón, tales como la entalpía de formacón, la entalpía de reaccón. Cuando se quema un hdrocarburo con are, a la entalpía de reaccón, se renombra como la entalpía de combustón, para defnr el poder calorífco del combustble; se muestran las temperaturas de gncón de algunos combustbles, se presenta el modelo matemátco para determnar la temperatura de flama adabátca, así msmo se defne la relacón are-combustble, para posterormente defnr la relacón de equvalenca. 1. Composcón del are En una base molar o de volumen, el are seco está compuesto por % de oxígeno, % de ntrógeno. Por consguente, cada mol de oxígeno que entra en una cámara de combustón será acompañado por 3.76 mol de ntrógeno (ver Tabla 1.1). Tabla 1.1. Composcón del are atmosférco Elemento % Volumen f mol O N En general, el ntrógeno es un elemento estable, que no reaccona químcamente con otras sustancas. Sn embargo, la presenca de ntrógeno nfluye de manera consderable en el resultado de un proceso de combustón, debdo a que, el ntrógeno entra a la cámara de combustón en grandes cantdades y, a temperaturas bajas y, sale a temperaturas consderablemente altas, absorbendo una gran proporcón de la energía químca lberada durante la combustón [ref. 6]. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 1

19 PROCESO DE COMBUSTIÓN 1.3 Composcón del Combustble La mayoría de los combustbles conocdos se componen prncpalmente de hdrógeno y carbono, y recben el nombre de combustbles hdrocarburos y se denotan de la sguente manera C x H y. El combustble es una sustanca que reaccona químcamente con otra sustanca (oxígeno) para producr calor; los combustbles se utlzan para calentar, para proporconar energía a los motores de combustón nterna, en las plantas termoeléctrcas se usa para mover turbnas que generan energía eléctrca y vapor, tambén se utlza como fuente drecta de energía en avones y cohetes a propulsón. Los combustbles usados en las cámaras de combustón de las turbnas de gas pueden ser líqudos (Keroseno, Metanol, acete combustble (fuel ol)) o gaseosos (gas natural); s el combustble es líqudo se nyecta en forma de spray por medo de una tobera Tpos de combustbles Keroseno o Jet Fuel : Es un líqudo transparente, algo más denso que la gasolna y menos nflamable, compuesto por hdrocarburos de dez a doce átomos de carbono, se utlza como combustble destnado a las turbnas a gas usadas en aeronáutca. Fuel-ol : Es un líqudo espeso y oscuro que se utlza para los hornos ndustrales y para calefaccón. Como su temperatura de nflamacón es elevada, es dfícl mantener su combustón, por lo cual, es necesaro calentarlo prevamente y, con frecuenca puede resultar contamnante, debdo al humo que desprende cuando las condcones de su combustón no son las adecuadas. Metano : Consttuyente prncpal del gas natural; es un combustble hdrocarburo porque está compuesto de carbono e hdrógeno, es más lgero que el are, ncoloro, nodoro e nflamable. Etano : es un hdrocarburo que a temperatura ambente es un gas nflamable, componente del gas natural; se separa del metano y se craquea (dvdr las moléculas grandes del hdrocarburo en moléculas mas pequeñas) para producr eteno (C H 4 ). Propano : combustble gaseoso que se encuentra en el crudo del petróleo, en el gas natural y como producto dervado del refnado del petróleo; reaccona a temperatura ambente al mezclarlo con cloro y exponerlo a la luz, a temperaturas más altas, arde en contacto con el are, producendo dóxdo de carbono y agua. Forma un hdrato sóldo a baja temperatura, lo que consttuye un nconvenente cuando se produce una obstruccón en las tuberías de gas natural; tambén se sumnstra lcuado, como combustble para motores, como refrgerante y como fuente de obtencón del propeno y etleno. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS

20 PROCESO DE COMBUSTIÓN Butano : Está presente en el gas natural, en el petróleo y en los gases de las refnerías; consttuye el componente más volátl de la gasolna; se transforma en butadeno, que se utlza para fabrcar caucho sntétco y pnturas de latéx. Arde con facldad al quemarse en el are. Gas Natural : Es una mezcla de hdrocarburos smples que exsten en estado gaseoso, a condcones ambentales normales de presón y temperatura. Se encuentra generalmente en depóstos subterráneos profundos formados por rocas porosas, o en domos de depóstos, naturales de petróleo crudo. Los yacmentos de petróleo cas sempre llevan asocados una certa cantdad de gas natural, que sale a la superfce junto con él, cuando se perfora un pozo (gas asocado). Sn embargo, hay pozos que proporconan solamente gas natural (gas no asocado). Éste contene elementos orgáncos mportantes como materas prmas para la ndustra petrolera y químca. Antes de emplear el gas natural como combustble se extraen los hdrocarburos más pesados, como el butano y el propano. El gas natural comercal es un combustble mportante dentro de la ndustra del país esencalmente se compone de un 95% ó más de metano, contene además pequeñas cantdades de etano, propano y otros hdrocarburos más pesados; asmsmo se encuentran presentes trazas de ntrógeno, bóxdo de carbono, ácdo sulfhídrco y agua. Propedades del gas natural Es más lgero que el are Combustón lmpa Requere gncón para la combustón No tene color n olor No es absorbente No es corrosvo Ventajas del gas natural Reduce entre 65 y 90% las emsones contamnantes de monóxdo de carbono (CO), bóxdo de carbono (CO ), partículas suspenddas totales (PST) e hdrocarburos reactvos (HC s) [ref. 5] No contene ácdo sulfhídrco (H S), plomo n benceno Tene un preco compettvo, respecto al de otros combustbles Genera menor cantdad de NO x que el combustóleo, por combustón Incrementa la efcenca de los procesos de generacón y cogeneracón de energía No forma resduos de combustón, lo que prolonga la vda útl de los equpos COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 3

21 PROCESO DE COMBUSTIÓN Gracas a sus ndscutbles ventajas ecológcas, durante las últmas décadas el uso del gas natural se ha extenddo notablemente en la ndustra y la generacón de electrcdad en Méxco. Méxco es uno de los países con mayores reservas probadas de gas natural, las cuales se calculan en 30.4 bllones de pes 3 (equvalentes a 6,080 mllones de barrles 1 de petróleo crudo), que al rtmo de produccón actual son sufcentes para satsfacer la demanda de gas natural del país durante los próxmos 30 años (ref. 5). En este estudo de la combustón, en las turbnas de gas, se consdera una mezcla de hdrocarburos como gas natural, por ser el combustble que se utlza, actualmente en centrales eléctrcas de cclo combnado, termoeléctrcas y en la ndustra mexcana, cuya composcón se muestra en la Tabla 1.. Tabla 1.. Composcón volumétrca del gas natural Componente f Metano (CH 4 ) Etano (C H 6 ) Propano (C 3 H 8 ) Butano (C 4 H 10 ) Fuente: [ref. 18] 1.4 Tpos de Combustón La combustón es una reaccón químca en la cual se oxda un combustble y se lbera una gran cantdad de energía. Con el control de la reaccón se trata de lograr el máxmo aprovechamento del calor desprenddo del combustble. El oxdante empleado con mayor frecuenca en los procesos de combustón es el are atmosférco. Combustón estequométrca. La combustón estequométrca es una reaccón deal a partr de un hdrocarburo o una mezcla de hdrocarburos, en la que, los úncos productos son N, CO y H O. El porcentaje de CO es máxmo. Combustón ncompleta. Se produce cuando se sumnstra are en cantdad nsufcente. El porcentaje de CO dsmnuye, respecto a la combustón estequométrca, pero es mayor en relacón a la combustón con exceso de are. La efcenca de combustón es nferor a la efcenca de la combustón estequométrca por efecto de la cantdad de are sumnstrada. Aparece CO en los productos de combustón. 1 1 barrl de petróleo crudo es gual a ltros. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 4

22 PROCESO DE COMBUSTIÓN Combustón con exceso de are. Se produce cuando se aporta mayor cantdad de are que en la combustón estequométrca, para que todo el carbono y el hdrógeno del combustble se convertan en CO, H O, N y O. El porcentaje de CO dsmnuye al ser dludo en un mayor flujo de are. La efcenca de combustón es nferor a la efcenca de la combustón estequométrca, por el calentamento del exceso de are hasta la temperatura de los gases de combustón. 1.5 Conceptos fundamentales de la combustón Entalpía de Formacón La entalpía de formacón es la varacón de entalpía, en la formacón de un compuesto a partr de sus elementos estables a una temperatura y a una presón estándar de referenca (5 C, 1 atm). Esta varacón de entalpía es gual al calor lberado o absorbdo durante el proceso de formacón. En base molar, el proceso de formacón se representa, de la sguente manera: h f = (1.1) h compuesto - ( ν h) elementos estables En el estado de referenca (5 C, 1 atm), se asgna el valor de cero a la entalpía de todos los elementos estables. Tales como el oxígeno, ntrógeno e hdrógeno; la entalpía de un compuesto en un estado de 5 C ( 98 K ) y 1 atm se escrbe de la sguente forma: h = h f,98 (1.) compuesto, (98, 1) De acuerdo, al prncpo de conservacón de la energía para un flujo permanente, la lberacón de calor en un proceso de combustón, es gual a la dferenca entre la entalpía de los productos y la entalpía de los reactvos, es decr: Q& n & c = q = ( n h) - ( n h) p (1.3) r n donde n = & es la relacón entre el flujo molar de componente que entra ó sale de la n& c cámara de combustón y el flujo molar del combustble. En la Fgura 1.1 se muestra como se determna el calor de formacón del CO, a partr de la combustón de 1 kgmol de carbón con 1 kgmol de oxígeno, a las condcones de 1 atm y 5 C. 1C + 1O 1CO (g) (1.4) COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 5

23 Aplcando la ec. (1.3), se tene: q = ( nco h ) ( ) CO,98 nchc,98 + no h O,98 PROCESO DE COMBUSTIÓN 1 kgmol C 5 C 1 atm Proceso de combustón 1 kgmol CO (g) 5 C 1 atm 1 kgmol O 5 C 1 atm Q& q h f 393,50 kj / kgmol n & = = = c Fgura 1.1. Entalpía de formacón del dóxdo de carbono. como el C y el O son elementos estables, y su entalpía a estas condcones (98 K y 1 atm) es cero, entonces la lberacón de calor es: q h f CO,98 = = ( n h ) CO con base a la ec.(1.4), el flujo molar del CO y el flujo molar del combustble, C (que en este caso es gual al del CO ) es gual a uno, por lo tanto n CO = 1 y de acuerdo a la ec. (1.) se tene h CO,(98,1) = h f,98, CO susttuyendo el valor de la entalpía de formacón para el CO (Tabla 1.3) h = - 393,50 kj/ kgmol f,98, CO el sgno negatvo, ndca que se está lberando calor de la reaccón químca, para la formacón del CO. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 6

24 Tabla 1.3. Entalpía de formacón de algunos compuestos Elemento o Compuesto h f,98 (kj/kgmol) Oxígeno O 0 Ntrógeno N 0 Dóxdo de Carbono CO - 393,50 Agua H O -41,80 Metano CH 4-74,900 Etano C H 6-84,740 Propano C 3 H 8-103,900 Butano C 4 H 10-16,00 Fuente: [ref. 17] PROCESO DE COMBUSTIÓN La entalpía de los compuestos de la Tabla 1.3 a una temperatura, T, dferente al estado de referenca (98 K), se determna sumando el valor dado por la ec. (1.) a la varacón de entalpía entre el estado de referenca y el estado especfcado, es decr: h T, = f, 98, + ( T 98) h h h (1.5) 1.5. Entalpía de Reaccón Cuando se efectúa una combustón completa de un combustble a una presón y temperatura dadas, el calor transferdo por kgmol de combustble se le nombra entalpía de reaccón. La entalpía de reaccón se defne como la varacón de entalpía cuando una reaccón de combustón tene lugar a una temperatura, T, su ecuacón es: n h + h h n h + h h (1.6) h RT, = ( f, 98 T 98 ) ( f, 98 T 98) p r Entalpía de Combustón La entalpía de reaccón, en un proceso de combustón, se conoce como la entalpía de combustón, y es la cantdad de calor lberado durante un proceso de combustón, cuando 1 kgmol (ó 1 kg) de combustble se quema completamente. La entalpía de reaccón, ec. (1.6), es una manera general de cómo determnar el calor lberado en una reaccón químca. Sn embargo, cuando ntervene un hdrocarburo con are u oxígeno en la reaccón químca, es convenente nombrar a la entalpía de reaccón como la entalpía de combustón, es decr: COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 7

25 h ct, = ( f, 98 T 98 ) ( f, 98 T 98) p r PROCESO DE COMBUSTIÓN n h + h h n h + h h (1.7) el valor de h T en los reactvos es evaluado a la temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón, T y, en los productos a la temperatura de flama adabátca, T fa Poder Calorífco El poder calorífco se defne como la energía lberada por el proceso de combustón, y su valor sempre es postvo (el poder calorífco de un combustble es gual al valor absoluto de la entalpía de combustón del combustble). La entalpía de combustón se ndca en base molar, mentras que los poderes calorífcos cas sempre son con base a la masa (klogramos). El poder calorífco depende del estado en que se encuentre el agua en los productos de combustón. Poder calorífco nferor (PCI) : es el calor lberado por klogramo de combustble, el agua formada en los productos de combustón está en forma de vapor. PCI = h ct, M c (1.8) Poder calorífco superor (PCS): es el calor lberado por klogramo de combustble, el agua en los productos de combustón se encuentra en estado líqudo. PCS = PCI + ( fg ) N M HO HO h HO Nc Mc (1.9) En la Tabla 1.4, se muestran los poderes calorífcos de algunos combustbles; se observa que el poder calorífco del metano es mayor con respecto a los otros combustbles. Tabla 1.4. Poder calorífco superor e nferor de algunos combustbles. Combustble M c (kg c /kgmol c ) PCS (kj/kg c ) PCI (kj/kg c ) Metano ,8 50,016 Gas Natural ,60 49,14 Etano ,901 47,489 Propano ,368 46,357 Butano ,546 45,74 Keroseno ,00 44,60 COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 8

26 PROCESO DE COMBUSTIÓN El poder calorífco nferor del gas natural en este análss se determna por la sumatora del producto de la concentracón del gas presente en la mezcla y su poder calorífco del gas, es decr, n = 1 PCI = ([ ] ) f PCI (1.8.1) Por ejemplo, utlzando los valores de los poderes calorífcos de los combustbles (Tabla 1.4) y la fraccón de combustble contenda en el gas natural (Tabla 1.) se tene: PCI [ (50,016) ] [ 0.168(47,489) ] [ (46,357) ] [ (45,74) ] = 49,678 kj / kg = GN CH4 C3H8 C4H10 Las turbnas de gas emplean como combustble gas natural o líqudos como el keroseno, en el capítulo 4 se presentan las característcas de estos combustbles. En la Fgura 1. se muestra el comportamento del poder calorífco nferor del combustble con respecto a su masa molecular, a una temperatura de referenca de 5 C; se muestra que la energía lberada al quemar gas natural es solo del % menor con respecto al metano, en cambo, para una mezcla de combustbles con mayor masa molecular (keroseno, por ejemplo) es del 11% menor con respecto al msmo metano, es decr, conforme aumenta la masa molecular del combustble, dsmnuye su poder calorífco nferor del combustble, por consguente, tambén decrece su poder calorífco superor. c Metano 100% 49,00 Gas natural 98% PCI (kj/kg c ) 47,90 46,80 Etano 95% Propano 93% T ref = 5 C 45,70 Butano 91% Keroseno 89% 44, M c (kg c /kgmol c ) Fgura 1.. Poder calorífco nferor en funcón de la masa molecular. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 9

27 PROCESO DE COMBUSTIÓN 1.6 Combustón estequométrca La reaccón de la combustón estequométrca del gas natural y el are (oxdante) que mantenen la composcón químca de las Tablas 1. y 1.1 respectvamente, es la sguente: ( fy ) ( fc xh y) + α(0.0946o N ) ( fx ) CO + H O + βn (1.10) En la ec.(1.10), f es la fraccón del combustble contenda en un mol de combustble, es decr, la suma de las f debe ser gual a 1. Susttuyendo las fraccones de los combustbles y los números de carbonos e hdrógenos presentes de cada combustble se obtene: ( ) α ( (1) () (3) (4) ) CO ( (4) (6) (8) (10) ) CH C H C H C H + (0.0946O N ) HO + βn (1.10.1) donde el 1,,3,4 en el coefcente estequométrco del CO y 4,6,8,10 en el coefcente estequométrco del H O son el número de carbonos e hdrógenos presentes en el metano, etano, propano y butano respectvamente; realzando las sumas por smple nspeccón en los productos, se observa que la composcón del gas natural es smlar al metano, debdo a que es el gas que se presenta en mayor abundanca en esta mezcla. Al hacer el balance molar en la ec.(1.10) respecto a la molécula de oxígeno se determna el coefcente, α, es decr: ( ) ( fx ) α = + ( fy ) realzando las operacones convenentes y despejando α se llega a: α = ( fx ) + ( fy ) (1.11) α es la relacón are-combustble molar rac molar ; al realzar el balance molar en la ec.(1.10) respecto a la molécula de ntrógeno se determna el coefcente, β, es decr: ( ) β = α (1.1) COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 10

28 PROCESO DE COMBUSTIÓN susttuyendo α (ec. 1.11) en la ecuacón anteror (1.1) y realzando las operacones convenentes se llega a: β = ( fx ) ( ) + fy (1.1.1) β es el número de moles de ntrógeno en los productos de combustón que depende de α. El rac másco se expresa de la sguente manera: rac αm M a masco & = (1.13) c la ecuacón anteror (1.13) se defne para 1 kgmol c. El número total de moles de los reactvos se expresa como sgue: N r = 1 + α (1.14) la ecuacón anteror (1.14), sgnfca que un mol de combustble se combna con α moles de are para efectuarse la combustón estequométrca. El análss molar de cada reactvo es; χ C H x y 1 1 = = N 1 + α r (1.15) χ O α α = = N 1+ α r (1.15.1) χ N α α = = N 1+ α r (1.15.) las ecuacones anterores (1.15, y 1.15.) ndcan la fraccón mol de combustble, oxígeno y ntrógeno presente en la combustón estequométrca. Por otra parte, el número de moles de los productos se expresa como sgue: ( fy ) ( ) (1.16) N p = fx + + β y las fraccones molares de cada producto se establecen de la sguente manera; COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 11

29 Y CO = ( fx ) N p PROCESO DE COMBUSTIÓN (1.17) Y HO = ( fy ) N p (1.17.1) Y N = β N p (1.17.) 1.7 Temperatura de Igncón La temperatura de gncón es la temperatura mínma para que empece la combustón de un combustble, en ausenca de una chspa o flama (ver Tabla 1.5). Para efectuarse la combustón en la turbna de gas se realza lo sguente: el compresor toma are del medo ambente y lo comprme hasta una presón determnada, p, aumentando la temperatura del are, desde la temperatura ambente T 1 hasta la temperatura T. El are que sale del compresor entra a la cámara de combustón por un dfusor. Éste regula el flujo de are (Fg. 1.3). Tabla 1.5. Temperatura de gncón de algunos combustbles en are a 1 atm. Combustble M (kg/kgmol) Temperatura de gncón ( C) Metano CH Etano C H Propano C 3 H Butano C 4 H Gas Natural Keroseno C 1 H Fuente: [ref. 5 y 10] En la Tabla 1.5 se observa que al aumentar el peso molecular del combustble dsmnuye su temperatura de gncón. En la Fgura 1.3 se muestra el dagrama esquemátco de la turbna de gas; las turbnas de gas son máqunas cuya característca común es que, el fludo de trabajo actúa drectamente sobre uno o varos elementos móvles montados sobre el msmo árbol motor; la accón del fludo de trabajo sobre estos elementos móvles, provoca la rotacón del eje motor. Se trata, por tanto, de motores rotatvos. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 1

30 PROCESO DE COMBUSTIÓN Las turbnas constan, esencalmente, de uno o más dstrbudores o partes fjas que recben el fludo de trabajo y lo mpulsan haca uno o más elementos móvles o álabes fjos, el árbol motor. Combustble ref = 5 C T ref Dfusor T fa Gases de combustón T T 3 Flujo prmaro Flujo secundaro Cámara de Combustón 3 Compresor Turbna de Gas Potenca Generada 1 T = 5 C 1 4 Are Fgura 1.3. Turbna de gas. 1.8 Temperatura de flama adabátca La energía lberada de una reaccón químca en una cámara de combustón se presenta de dos formas: pérdda de calor haca los alrededores y un aumento de la temperatura de los gases de combustón. La máxma temperatura que alcanzan los gases en la combustón se le conoce como temperatura de flama adabátca de la mezcla reactva. La temperatura de flama adabátca es una consderacón mportante en el dseño de las cámaras de combustón y de las turbnas de gas, al agregar un exceso de are en la zona de mezcla de la cámara de combustón (ver Fg. 1.3) se dsmnuye la temperatura T fa, a la temperatura de los gases de combustón a la entrada de la turbna de gas, T 3, la cual se lmta a las condcones metalúrgcas de los álabes de la turbna de gas. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 13

31 PROCESO DE COMBUSTIÓN La ecuacón para evaluar el calor lberado, debdo a la oxdacón del combustble por el are a una temperatura de referenca de 98 K, se defne como la suma de las entalpías de los reactvos menos la suma de las entalpías de los productos, es decr; T q = N r χc, 98 (, 98 ( ) 98) xhy f h f + CpdT + χ h f + ht h 98 N Y h ( h h )...(1.18) (, ) p f T la varacón de entalpía sensble ( ht h 98) para el are es gual al valor de la entalpía a la temperatura en el estado de referenca (98 K) menos el valor de la entalpía a la temperatura en el estado fnal, T ; el combustble se encuentra a una temperatura T ref, su estado fnal se consdera en el momento que el combustble se oxda con el are a la temperatura T (ver Fg. 1.3), la varacón de entalpía sensble del combustble ( ht h 98) se determna al ntegrar Cp dt, proponendo una correlacón del calor específco, Cp. La varacón de entalpía en los gases de combustón se obtene a la temperatura de referenca, hasta alcanzar la temperatura de flama adabátca (T fa ); reordenando la ec. (1.18) para condcones adabátcas (q = 0), resulta la ecuacón para determnar la temperatura de flama adabátca, que se expresa de la sguente manera: ( ( )) T N p Y h f, 98 + ht h fa 98 = N r χcx H f y h f, 98 + CpdT 98 χ ( )...(1.19) ( h, 98 h h98 ) + f + T En la ec. (1.19) la únca ncógnta es h Tfa de los productos, los demás térmnos de, h, son conocdos (ver anexo 1): T N p ( YCO h ) T + Y fa HOhT + Y fa N h T = N fa r χcx H y f h f, 98 + CpdT 98 + χ ( h f, 98 + ( ht h ) 98) N Y h h )...(1.0) p f (, ) COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 14

32 PROCESO DE COMBUSTIÓN Para gases deales, h = h( T), entonces, el problema es encontrar la temperatura de los productos de combustón; la temperatura correspondente al calor sensble de los productos de combustón para satsfacer la ec. (1.0) es la temperatura de flama adabátca (T fa ). La correlacón de calor específco, Cp, para el combustble se escrbe de la sguente manera: Cp R = a + bt + ct + dt 3 (1.1) u donde las constantes a,b,c,d, son característcas de cada combustble. En la Tabla 1.6 se muestran los coefcentes para dferentes combustbles y su entalpía de formacón Tabla 1.6 Coefcentes de algunos combustbles para determnar su calor específco, Cp, y la entalpía de formacón. Combustble a b c d h (kj/kgmol) f,98 CH E-08-74,831 C H E E-09-84,667 C 3 H E ,847 C 4 H E-09-14, Fuente: [ref. 17] Susttuyendo la correlacón del Cp en la ntegral que aparece en la ec. (1.18), se obtene: ntegrando, T T ref T Tref T 3 ( ) Cp dt = R a + bt + ct + dt dt T ref u 3 4 T T T Cp dt = Ru at + b + c + d 3 4 T Tref T T ref 3 4 ( T) ( T) ( T) Cp dt = Ru [( a( T) + b + c + d ) ( Tref ) ( Tref ) ( Tref ) ( at ( ref ) + b + c + d )]...(1.) 3 4 COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 15

33 PROCESO DE COMBUSTIÓN Por ejemplo, al quemar butano gaseoso (C 4 H 10 ) a una temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón de 460 C, la varacón de entalpía del butano entre 5 C y 460 C, utlzando la ec.(1.1) de Cp, y sus respectvos coefcentes termodnámcos de la Tabla 1.6 es gual a: ntegrando, Cp = T T.8E 09T R u 3 3 ( ) h = CpdT = R + T T E T dt C H 4 10, u 3 4 T T T = Ru 9.487T E evaluando los lmtes de ntegracón y el valor de la constante unversal de los gases, R u, se obtene, ( 460) ( 460) ( 460) = ( 460) E por lo tanto, 3 4 ( 5) ( 5) ( 5) 9.487( 5) E hc = 537,518 / 4H kj kgmol 10, Como un ejemplo se determna la relacón are-combustble del metano, CH 4, en su reaccón de combustón estequométrca, la cual es: CH 4 + O N CO + H O N el número de moles de are presentes en la reaccón son: [ ] () α = x + y = = 9.54 kgmola COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 16

34 PROCESO DE COMBUSTIÓN la masa molar del are se determna por la suma del producto de la fraccón por su masa molecular del elemento es decr, ( ) ( ) M = f M + f M a O O N N kg kg kg = = 8.56 kgmol kgmol kgmol O N a hay 1 kgmol c de combustble presente en la reaccón; la masa molecular de combustble es de 16 kg c /kgmol c de metano, por lo tanto, la relacón de are combustble en funcón de la masa de are y combustble presente en la reaccón es: rac kg a 9.54 kgmola 8.56 αm kgmol a a 7.46 kg = = = ( NM ) c kg 16kg c c 1kgmolc 16 kgmolc a = 17.0 kg a /kg c De acuerdo al prncpo de conservacón de la masa; la masa de los gases de combustón se determna como la suma de la masa del are y el combustble, es decr, mgc = ma + mc mgc = m = kg En la Fgura 1.4 se muestra esquemátcamente el caso anteror gc gc Gases de combustón m a m c Are 7.46 kg a Cámara de combustón kg gc m gc Combustble 16.0 kg c rac = kg a /kg c Fgura 1.4 Relacón are-combustble de la reaccón de combustón del metano en una cámara de combustón. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 17

35 PROCESO DE COMBUSTIÓN 1.9 Relacón de equvalenca La relacón de equvalenca se usa en el análss de los motores de gncón por chspa e gncón por compresón y en las turbnas de gas. Es la relacón entre las relacones de are-combustble estequométrco y real, es decr: Sí rac rac stq φ = (1.3) φ = 1 la mezcla es estequométrca φ > 1 la mezcla es rca en combustble φ < 1 la mezcla es pobre en combustble real 1.10 Mezcla Pobre en Combustble, φ < 1 Es una mezcla que requere exceso de are para poder arder, es decr, no se sumnstra el combustble sufcente para la reaccón. En general, la reaccón de combustón para una mezcla pobre en combustble o con exceso de are se defne de la sguente manera: ( fc H ) + O + N + O + N φ αφ( ) α(1 φ)( ) x y ( fy ) φ ( xf ) CO + φ H O + βφn + α(1 φ)(0.0946o N ) (1.4) la relacón are-combustble molar se escrbe como; rac molar αφ + α(1 φ) = (1.5) φ el rac másco se defne de la sguente manera; rac masco ( αφ + α(1 φ) )( ( M ) ( M )) O & = (1.6) φ ( fx ) M C + ( fy ) M H N COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 18

36 PROCESO DE COMBUSTIÓN el número total de moles de los reactvos y productos es; N N r p = φ + αφ + α(1 φ) (1.7) ( fx) ( fy ) = φ + + φβ + α(1 φ) (1.7.1) φ y el análss molar para reactvos y productos en esta reaccón es smplemente; χ C H x y φ = N r (1.8) χ χ O N ( αφ + α φ ) (1 ) = N ( αφ + α φ ) (1 ) = N r r (1.8.1) (1.8.) Y CO = φ ( fx ) N p (1.9) Y HO φ = ( fy ) N p (1.9.1) Y O α(1 φ) = N p (1.9.) Y N = ( φβ α(1 φ) ) N p (1.9.3) El exceso de are, se defne como la relacón másca entre el are utlzado y el necesaro para una reaccón estequométrca con la msma cantdad de combustble, es decr: ma λ = (1.30) m a stq COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 19

37 PROCESO DE COMBUSTIÓN el exceso de are en funcón de la relacón de equvalenca se expresa de la sguente manera; rac m stq astq φ = = (1.31) rac m real a o ben, 1 φ = (1.3) λ para expresar el porcentaje de exceso de are que se necesta en una reaccón de combustón, es necesaro, defnr el exceso de are a partr de la ec.(1.3) restando la cantdad de are requerda en una combustón estequométrca y multplcar por cen, es decr; (1 φ) λ(%) = 100 (1.33) φ s en la ecuacón anteror (1.33), φ = 1, no se tene exceso de are por lo que se dce que la combustón es estequométrca. En la Fgura 1.5, se presenta la dependenca del exceso de are que exste con la temperatura de los gases a la entrada de la turbna de gas y, se muestra que al aumentar la temperatura de los gases a la entrada de la turbna el exceso de are es menor. Esto se debe a que, a mayores temperaturas de los gases a la entrada de la turbna se requere de menos are secundaro y tercaro para enfrar a los gases hasta la temperatura deseada. 600 Exceso de are λ (%) ,100 1,350 1,600 1,850 Temperatura T 3 ( C) Fgura 1.5 Exceso de are requerdo para que los gases de combustón alcancen una determnada temperatura a la entrada de la turbna de gas. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 0

38 PROCESO DE COMBUSTIÓN Se puede hablar de alta temperatura de los gases a la entrada de la turbna, sn atrbur un valor exacto a este concepto. Es mportante precsar en el proceso de transformacón de la energía en calor, no exste teórcamente un límte máxmo; éste exste para los materales y como prmera aproxmacón se le puede relaconar con la temperatura de fusón, a la cual el estado del materal camba de sóldo a líqudo. Este parámetro no es del todo sgnfcatvo, debdo a que exsten otros fenómenos que reducen las característcas mecáncas a valores no aceptables, antes de llegar a la temperatura de fusón, entre estos esta el de fluenca, que depende de la combnacón de la temperatura, tempo de trabajo y esfuerzo. Dado que se está consderando a la temperatura del are a la salda del compresor, T, como la temperatura ncal de la combustón, y ésta depende de la relacón de presones, la cual se expresa como: p p π = (1.34) 1 Se muestra la aplcacón de la metodología al calcular, la relacón de equvalenca, la relacón are-combustble y la temperatura en una combustón estequométrca y pobre en combustble. El combustble empleado es gas natural, que representa la mezcla de dferentes combustbles gaseosos, cuya composcón químca se muestra en la Tabla 1.; las condcones del ambente son de 5 C y 1 bar, el are entra a la cámara de combustón a una temperatura de 460 C para una relacón de presones gual a 15 y una efcenca de compresón sentrópca gual a 0.8, el combustble ncalmente se encuentra a la temperatura del sumdero y se mezcla a la temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón, orgnándose así la combustón. En la combustón estequométrca, el requermento teórco de are es del 100%, el necesaro para que se efectúe una combustón completa. Por lo tanto, la relacón de equvalenca es gual a, rac stq 1.0 φ = = = 1 rac 1.0 real La reaccón químca para la combustón estequométrca del gas natural de acuerdo a la ec.(1.10) es C H +.05O N 1.137CO +.137H O N x y La relacón are-combustble molar presente en la reaccón es, rac molar kgmola = α = kgmol c COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 1

39 PROCESO DE COMBUSTIÓN el rac másco es rac masco & ( ) kg = = kg el número total de moles en los reactvos, de acuerdo a la ec.(1.14) es N r = kgmol la fraccón mol de los reactvos, presente en la combustón es a c χ χ χ C H O N x y = = = el número total de moles en los productos, de acuerdo a la ec.(1.16) es N p = kgmol la fraccón mol de los productos, presente en la combustón es Y Y Y CO HO N = = = En esta combustón (φ = 1) la temperatura de flama adabátca tene relevanca, para calcularla se emplea la ec. (1.0) obtenéndose, ( Tfa, CO Tfa, H O Tfa, N ) h h h = 1,315,319 kj esta ecuacón se resuelve de manera teratva proponendo una temperatura de las entalpías de los gases de combustón para satsfacer la gualdad, es decr COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS

40 Tabla 1.7 Iteracón para obtener la temperatura de flama adabátca. T fa Yh Tfa, p [ C] [kj],67 1,59,871,677 1,84,537,77 1,309,4? 1,315,319,777 1,333,954 PROCESO DE COMBUSTIÓN En la Tabla 1.7 se muestra que la temperatura de flama adabátca del gas natural está entre,77 C y,777 C para conocer la temperatura que satsface con la gualdad de 1,315,319 kj hay que nterpolar estos valores, resulta una temperatura de,739 C. Cuando se sumnstra un 30% de exceso de are se en la cámara de combustón el requermento teórco de are varía respecto a la estequométrca, por consguente, la relacón de equvalenca no es la msma aplcando la ec. (1.3) se tene: φ = rac rac stq real 1 = = La reaccón de combustón pobre del gas natural de acuerdo a la ec.(1.4) es gual a 0.77C H O N O N x y 0.875CO H O N O N La relacón are-combustble molar presente en la reaccón es, rac molar ( ) (1 0.77) kgmol = = kgmol a c el rac másco es rac masco & ( ( ) + ) ( ) + ( ) (1) () 1 ( ) ( ) (1 0.77) ( 16 ) ( 14 ) = = kg = 1.80 kg a c COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 3

41 PROCESO DE COMBUSTIÓN y la relacón are-combustble debdo al exceso de are es rac real = λ rac masco & (1.35) el exceso de are se determna por la ec. (1.3) para este caso es; 1 λ = = susttuyendo los valores correspondentes se tene: rac real kg a = 1.9( 1.80) = kg el número total de moles de los reactvos y productos, de acuerdo a las ec s.(1.7 y 1.7.1) es N r = kgmol; N p = 11.7 kgmol la fraccón mol para los reactvos y productos en esta reaccón de combustón es c χ χ χ C H O N x y = = = Y Y Y Y CO HO O N = = = = 0.79 La temperatura correspondente a la relacón de equvalenca (φ = 0.77), se determna de manera teratva por medo de la ec. (1.0) susttuyendo los datos conocdos en la ecuacón menconada se obtene ( Tfa, CO Tfa, H O Tfa, O Tfa, N ) h h h h = 1,064,976 kj se propone una temperatura de los productos de combustón hasta cumplrse la gualdad, es decr: COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 4

42 Tabla 1.8 Iteracón para obtener la temperatura debdo al exceso de are. T fa Yh Tfa, p [ C] [kj], ,1,7 1,00,364,77 1,043,55? 1,064,976,37 1,066,788 PROCESO DE COMBUSTIÓN En la Tabla 1.8 se muestra que la temperatura del gas natural debdo al exceso de are está entre,77 C y,37 C para conocer la temperatura que satsface con la gualdad de 1,064,976 kj hay que nterpolar estos valores, por lo tanto, la temperatura debdo al exceso del 30% de are es de,33 C. La temperatura de flama adabátca tene lugar cuando la relacón de equvalenca es gual a uno (φ = 1), para valores de φ < 1 a la temperatura de flama adabátca se renombra como la temperatura de los gases de combustón debdo al exceso de are sumnstrado en la cámara de combustón Mezcla Rca en Combustble, φ > 1 Es una mezcla en donde exste un exceso de combustble en la combustón, o ben, que no se tene el sumnstro de are sufcente para la combustón. La reaccón de combustón de un hdrocarburo para una mezcla rca en combustble está dada por: ( fy ) φ ( fc H ) + α(0.0946o ) N x y ( fx ) CO + H O + βn + + ( φ 1)...(1.36) ( fc H x y ) la relacón are combustble molar para esta mezcla se defne de la sguente manera; rac molar α = (1.37) φ donde α es el número de moles de are y φ es el número de moles de combustble, necesaros para que se efectúe la reaccón de combustón. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 5

43 PROCESO DE COMBUSTIÓN el rac másco ( ( MO) ( M N )) α rac masco & = (1.38) φ ( fx ) M C + ( fy ) M H el número total de moles de los reactvos es smplemente, N r = φ + α (1.39) y de los productos ( fy ) ( ) ( 1) (1.40) N p = fx + + β + φ entonces el análss molar para reactvos y productos en esta reaccón es; χ C H x y φ = N r (1.41) χ O α = N r (1.41.1) χ Y N CO α = N = r ( fx ) N p (1.41.) (1.4) Y HO = ( fy ) N p (1.4.1) Y N β = N p (1.4.) Y C H x y = ( φ 1) N p (1.4.3) COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 6

44 PROCESO DE COMBUSTIÓN A manera de ejemplo se calcula la relacón de equvalenca, la relacón are-combustble y la temperatura (debdo a la defcenca de are) para una mezcla rca en combustble, al quemar gas natural con 30% de defcenca de are, a una temperatura de referenca de 5 C y 1 bar de presón, la temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón es de 460 C que corresponde a una relacón de presones de 15 y una efcenca de compresón sentrópca de 0.8. Se tene una defcenca de are del 30%, y s el por cento teórco de are en la estequometría es del 100%, entonces la dferenca entre la cantdad de are en la estequometría y la defcenca de are es gual al 70%, que equvale al are teórco empleado en la combustón. La relacón de equvalenca es, 1 φ = = la reaccón de combustón rca para el gas natural de acuerdo a la ec.(1.36) es 1.43C H +.05O N 1.137CO +.137H O N C H x y x y la relacón are-combustble molar presente en la reaccón, rac molar kgmol = = kgmol a c el rac másco rac masco & ( ( ) + ( )) ( 1) ( 1) (16) (14) kg = = kg ( ) el número total de moles de los reactvos y productos, en relacón a las ec s. (1.39 y 1.40) es N r = kgmol; N p = 11.9 kgmol la fraccón mol de los reactvos y productos en esta reaccón es a c χ χ χ C H O N x y = = = Y Y Y Y CO x HO N C H = = = y = COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 7

45 PROCESO DE COMBUSTIÓN La temperatura correspondente para la relacón de equvalenca (φ = 1.43) se determna de manera teratva por medo de la ec. (1.0), susttuyendo los valores respectvos se obtene T fa hT, CO h T, H O + ht, N ( ) fa fa fa CpdT Cx Hy = T1 = 886,457 kj se propone una temperatura de los gases de combustón hasta cumplrse la gualdad, es decr: Tabla 1.9 Iteracón para obtener la temperatura de los gases de combustón. T fa Yh Tfa, p [ C] [kj] 1,67 835,495 1, ,056 1,77 884,654? 886,457 1, ,519 En la Tabla 1.9 se muestra que la temperatura de los gases de combustón está entre 1,77 C y 1,737 C, para conocer la temperatura de los gases de combustón que satsface con la gualdad de 886,457 kj hay que nterpolar estos valores, por lo tanto, la temperatura debdo a la defcenca de are del 30% es de 1,731 C. En ambos casos, la temperatura de los gases de combustón depende del valor de φ, es máxma cuando φ = 1. En la Fgura 1.6 se muestra el comportamento de la temperatura de flama adabátca y de la relacón are-combustble, con respecto a la varacón de la relacón de equvalenca. A relacones de equvalenca menores a 1, exste un exceso de are en la reaccón de combustón, por consguente, la temperatura adabátca de flama dsmnuye y el rac real aumenta; cuando la relacón de equvalenca es gual a 1, se dce que la combustón es completa, es decr, se sumnstra el 100% de are requerdo en la combustón para que los úncos productos sean CO, H O y N, además se alcanza la máxma temperatura en la reaccón de combustón (,739 C), con una relacón arecombustble gual a kg a /kg c. En una mezcla rca (φ > 1), la masa de combustble es mayor que en una mezcla pobre, lo que ocasona que el combustble no se queme completamente y aparezca en los productos de combustón, orgnando la dsmnucón de la temperatura de flama adabátca y de la relacón are-combustble. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 8

46 PROCESO DE COMBUSTIÓN Fgura 1.6 Dagrama de la temperatura de flama adabátca y la relacón are-combustble contra la relacón equvalente para el gas natural a las condcones: T ref = 5 C, T = 460 C, π = 15 y η SIC = Tambén cabe menconar, que en la Fgura 1.6 la regón de la curva relacón arecombustble (de 40 kg a /kg c hasta la ntercepcón con la curva de la temperatura de flama adabátca), no es convenente la operacón de las turbnas de gas por los apagados de flama que se presentan en esta zona. Es convenente efectuar la combustón con una mezcla pobre, debdo a que se emten menos contamnantes, en cambo, al haber defcencas de are en la combustón, no se logra quemar el combustble, lo que lleva a la generacón de contamnantes (NOx, CO, hdrocarburos, CO, etc) que reducen el tempo de operacón de la turbna de gas, debdo a que se corroe y además afectan el medo ambente. El poder calorífco nferor de un combustble es de partcular mportanca en el proceso de combustón, cuando se determna a una temperatura de referenca establecda hasta una temperatura nferor al valor de la temperatura de flama adabátca de la combustón estequométrca, se renombra como el poder calorífco dsponble (PCD) [ref. 19], que se defne para una mezcla de combustbles de la sguente manera: ( ( ) + ( ) ) ( fx ) M c + ( fy ) M H N Y h h h h PCD = p Tfa Tref T Tref (1.43) En la ec.(1.43) el valor de la temperatura de flama adabátca, para determnar la entalpía de los productos de la combustón, se obtene para cada φ (entre el ntervalo 0<φ<1). COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 9

47 PROCESO DE COMBUSTIÓN Se llama PCD a la energía dsponble contenda en 1 kg de gas natural a las condcones del proceso de combustón (por ejemplo, T = 460 C, π = 15 y una T fa =,33 C). En cambo, el poder calorífco nferor es la cantdad de calor producda por la combustón de 1 kg de gas natural a determnadas condcones de presón y temperatura (por ejemplo, 1 bar y una T ref = 5 C). Se analza el comportamento del poder calorífco dsponble con respecto a la relacón are-combustble como se muestra en la Fgura 1.7, donde se muestra que el poder calorífco dsponble dsmnuye conforme la relacón are-combustble aumenta, debdo a que se efectúa una combustón pobre del gas natural, tambén se muestra que aumenta el poder calorífco al ncrementarse la temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón. 96,000 86,000 T = 460 C PCD (kj/kg c ) 76,000 66,000 56,000 46,000 T = 43 C T = 587 C T = 68 C 36,000 6, rac real (kg (kg a /kg c ) Fgura 1.7 Poder calorífco dsponble contra la relacón are-combustble real para una mezcla pobre de gas natural a dferentes, T. En la Fgura 1.8, se observa que la temperatura de flama adabátca aumenta con el aumento de la relacón de equvalenca (combustón pobre) hasta alcanzar la máxma temperatura de flama adabátca (combustón estequométrca), y posterormente dsmnuye con el contnuo ncremento de la relacón de equvalenca. En la msma Fgura 1.8, se muestra como la temperatura de flama adabátca aumenta con el aumento de la relacón de presones y de la temperatura T, para un relacón de equvalenca dada. Con el ncremento de la temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón se logran ahorros de combustble, además se obtenen mejores benefcos de la energía calorífca de los combustbles. (por ejemplo, mayor produccón de energía eléctrca en las centrales termoeléctrcas o la utlzacón de este calor en otros procesos ndustrales). COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 30

48 PROCESO DE COMBUSTIÓN Fgura 1.8 Temperatura de flama adabátca contra la relacón de equvalenca, para el gas natural a dferentes condcones de entrada del are a la cámara de combustón. En la Fgura 1.9 se muestra el comportamento de la temperatura de flama adabátca contra la relacón are-combustble molar, se observa que al aumentar el rac molar se ncrementa la T fa hasta alcanzar su valor máxmo, posterormente dsmnuye con el contnuo aumento del rac molar, además debe observarse, que la temperatura de flama adabátca aumenta con el ncremento de la relacón de presones y la temperatura del are a la entrada de cámara de combustón a relacón are-combustble molar constante. Cabe aclarar que del lado derecho del pco de las curvas de temperatura de flama adabátca se establecen las reaccones de combustón pobre y del lado zquerdo las reaccones de combustón rca, comportamento contraro a la Fgura 1.8, donde se bosqueja la temperatura de flama adabátca contra la relacón de equvalenca. Se recuerda que para analzar estos comportamentos se mantene constante los moles de are, debdo a que el coefcente α tene el msmo valor para los tres tpos de combustón (pobre, estequométrca y rca) como se observó en los ejemplos anterores. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 31

49 PROCESO DE COMBUSTIÓN ( C) Tfa fa ( C) 3,00,950,700,450,00 1,950 1,700 1,450 1, rac molar = 10.5 π = 5, T = 587 C π = 15, T = 460 C π = 35, T = 68 C π = 5, T = 43 C rac molar (kgmol a /kgmol c ) molar Fgura 1.9 Temperatura de flama adabátca contra la relacón are-combustble molar para el gas natural a dferentes condcones de entrada en la cámara de combustón. En la Fgura 1.10, se muestra que la fraccón molar del combustble dsmnuye para combustbles más pesados (molecularmente) que el metano, caso contraro, la temperatura de flama adabátca aumenta para combustbles más pesados que el metano; tambén se muestra, que la T fa, próxma a la del gas natural es la del metano, pues este combustble se encuentra en mayor proporcón en el gas natural. En la Fgura 1.11, se presenta el comportamento del poder calorífco dsponble de varos combustbles, respecto a la relacón are-combustble masca y, se muestra que al aumentar el rac masco el poder calorífco dsponble es menor. Esto se debe a que aumenta la cantdad de are en la cámara de combustón, orgnando que dsmnuya la temperatura de flama adabátca y a su vez el poder calorífco dsponble. Tambén se observa que el poder calorífco dsponble del metano y el gas natural es mayor respecto a los otros combustbles. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 3

50 PROCESO DE COMBUSTIÓN ( C) Tfa fa ( C),140 1,910 1,680 1,450 1, ,137 C χc4h10 = χc3h8 = χ CH6 = , T fa =,118 C,13 C χ CH4 = , T fa =,064 C χ CxHy Fgura 1.10 Temperatura de flama adabátca de algunos combustbles PCD (kj/kg) 8,000 7,500 63,000 53,500 44,000 CH4 CH6 C3H8 C4H10 Gas natural 34,500 5, rac masco (kg (kg a /kg c ) Fgura 1.11 Poder calorífco dsponble contra la relacón are-combustble másca para dferentes combustbles. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 33

51 PROCESO DE COMBUSTIÓN 1.1 Efcenca de la Combustón Uno de los parámetros más mportantes para el dseño de cámaras de combustón es la efcenca de la combustón, debdo a que tene un efecto drecto en los costos de operacón de las turbnas de gas y en la emsón de gases contamnantes. La efcenca de combustón cuantfca las pérddas de calor debdas a la combustón ncompleta. En la Fgura 1.1 se muestra el balance de energía en una cámara de combustón de flujo estaconaro, la energía que entra es el trabajo de flujo de are es, h a, y la del combustble rca ( hc + PCI ). q representa la pérdda de energía que se produce debdo a la dferenca de temperaturas entre la cámara de combustón y el medo ambente, se le consdera por medo de la efcenca de combustón, la energía que sale es ( 1 + rca) h para los gases de gc combustón y la parte de energía químca ( 1 ηcomb ) rcapcd que representa el hdrocarburo no quemado en la cámara de combustón, no se converte en forma molecular, y no es radada como calor. q = 0 rca h h a ( + ) 1 rca hgc ( + PCI ) ( η ) c Cámara de combustón 1 comb rcapcd Fgura 1.1 Balance de energía en la cámara de combustón En la msma Fgura 1.1, tambén se observa que a la entrada de la cámara de combustón, el combustble contene una energía a lberar (PCI) y, cuando se realza la reaccón de combustón, antes de alcanzar la temperatura de flama adabátca, la energía dsponble en el combustble es su, PCD, por lo que es convenente manejar estos dos conceptos (defndos anterormente pág. 8 y 30) para realzar el sguente análss de la efcenca de combustón. Hacendo el balance de energía correspondente en la Fgura 1.1 se llega a la sguente ecuacón: ( ) ( 1 ) ( 1 η ) h + rca h + PCI = + rca h + rcapcd (1.44) a c gc comb despejando η comb de la ec. (1.44) se tene: ha + rca( hc + PCI ) ( 1 + rca) hgc ηcomb = 1 rcapcd (1.44.1) COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 34

52 PROCESO DE COMBUSTIÓN En la Fgura 1.13 se muestra el comportamento de la efcenca de combustón contra la temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón para una combustón estequométrca del gas natural, se observa que al aumentar la temperatura T, la efcenca de combustón se aproxma a 1; tambén se muestra que la efcenca de combustón es para una temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón de 43 C con una relacón de presones de 5 y un poder calorífco dsponble de 53,36 kj/kg c ; para una π = 15, la temperatura T equvale a 460 C y la η comb toma un valor de y un PCD de 58,498 kj/kg c, en ambos casos la relacón combustble-are es de kg c /kg a, el poder calorífco del combustble de 49,678 kj/kg c y una efcenca de compresón sentrópca de PCI = 49,678 kj/kg c η comb = T = 460 C PCD = 58,498 kj/kg c η comb η comb = T = 43 C PCD = 53,36 kj/kg c rca = kg c /kg a T ( C) Fgura 1.13 Efcenca de combustón contra la temperatura del are a la entrada de la cámara de combustón para una combustón estequométrca del gas natural. Cantdades de combustble no quemado o parcalmente quemado, aunque energétcamente sean nsgnfcantes, pueden tener graves consecuencas en térmnos de emsones contamnantes por la reaccón del oxígeno con estos nquemados. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 35

53 PROCESO DE COMBUSTIÓN 1.1 Conclusones El desarrollo teórco que nvolucra el proceso de combustón, permte conocer la relacón are-combustble que es un factor mportante en las cámaras de combustón, ya que permte determnar la temperatura de los gases de combustón que puede ser alcanzada. El análss de la temperatura con respecto al exceso de are es mportante en el cclo de la turbna de gas, porque se requere tener un control del exceso de are nyectado en la cámara, para obtener temperaturas permsbles a la entrada de la turbna de gas y así tener una mejor efcenca térmca. El gas natural se ha consttudo en un combustble atractvo para la generacón de electrcdad con alto desempeño en toda una sere de aplcacones, ofrece las mejores oportundades en térmnos de economía y reduccón del mpacto ambental. El uso del gas natural en las turbnas de gas, ha sdo para mejorar centrales termoeléctrcas exstentes, que permten alcanzar ahorros de energía consderables. Con la utlzacón de mezclas pobres en las turbnas de gas, se tene una mejor efcenca del proceso de combustón, pero tenen el pelgro de apagados de llama por excesva proporcón de are en la mezcla. Las mezclas rcas no son convenentes en nngún caso, por sus negatvas consecuencas de emsón de hdrocarburos. La cantdad de exceso de are utlzado para la combustón depende de varos factores (estado natural y físco del combustble, etc). Cabe señalar que la mejor combustón debe ser conseguda utlzando el mínmo exceso de are posble. La energía dsponble en el combustble, se aprovecha para la ejecucón de movmento de la turbna de gas para la generacón de energía eléctrca, la cual se utlza en procesos químcos, eléctrcos e lumnacón; por lo tanto, a mayor poder calorífco dsponble se ncrementa la efcenca del proceso energétco. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 36

54 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS CAPÍTULO II. CÁMARAS AS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS.1 Introduccón La cámara de combustón es un elemento dentro del cual, una mezcla de combustble y are a alta presón se queman, los gases que resultan de la reaccón del combustble con el are pasan a la turbna de gas con una temperatura unforme; el objetvo del dseño de cámaras de combustón es resstr el ncremento de la temperatura de flama adabátca, con la menor emsón de contamnantes posble, prolongar la vda útl de la cámara y bajo costo. En el presente capítulo se explca la operacón de los prncpales tpos de cámaras de combustón exstentes para turbnas de gas. Para que el proceso de combustón se desarrolle efcentemente en una turbna de gas, la cámara de combustón debe cumplr con las sguentes funcones: Pulverzacón del combustble Vaporzacón del combustble Realzacón de la mezcla combustble-are Inflamacón y combustón de la mezcla combustble-are Dlucón de los gases de combustón con are tercaro Entregar a la turbna de gas los gases de combustón con una temperatura unforme que no sobrepase los límtes de resstenca de los materales con los cuales están construdos los álabes del rotor y estator. Para cumplr con estos propóstos, el are entregado por el compresor a la cámara de combustón se dvde en dos flujos conocdos como prmaro y secundaro. El flujo prmaro es la porcón de are que se mezcla con el combustble y se quema. El flujo secundaro entra por orfcos dspuestos en las paredes de la cámara de combustón para mantenerlas frías, centrar la llama y combnarse con los gases de la combustón para dsmnur y homogenzar la temperatura del flujo que entra a la turbna.. Zonas de Combustón En las cámaras de combustón se dentfcan tres zonas: zona dfusora, zona de combustón y la zona de mezcla; a contnuacón se da una explcacón breve de cada zona, y éstas se presentan en la Fgura.1. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 37

55 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS..1 Zona Dfusora Es una zona de transcón del are entre la salda del compresor y la entrada a la cámara de combustón... Zona de combustón En esta zona se efectúa la combustón, para ello sólo una parte del are se mezcla con el combustble; la temperatura del are debe ser mayor que la temperatura de gncón del combustble, s no se alcanza esta temperatura, se emplea un sstema de gncón para encender el combustble; la temperatura alcanzada en la combustón es la temperatura de flama adabátca...3 Zona de mezcla El are restante entra por los orfcos stuados en la zona del tubo de llama, donde se mezcla con los gases calentes que salen de la zona de combustón; reducendo la temperatura de flama adabátca, hasta la temperatura de los gases de combustón admsble a la entrada de la turbna. Fgura.1 Zonas de combustón..3 Cámaras de combustón Las cámaras de combustón que se utlzan en las turbnas de gas pueden clasfcarse en los sguentes tpos: Cámara de combustón tubular Cámara de combustón tpo camsa Cámara de combustón anular Cámara de combustón múltple tubular Cámara de combustón de slo COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 38

56 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS.3.1 Cámara de combustón tubular Este tpo de cámara de combustón fue comúnmente empleado en los prmeros dseños de turbnas de gas; se compone de un tubo de llamas, en donde se nyecta el combustble y se produce la combustón; el cárter que rodea al tubo de llamas, srve como elemento de confnamento y de unón con el compresor, la turbna y el nyector de combustble (Fg..). El tubo de llamas tene múltples aberturas y perforacones por donde entra el are procedente del compresor, ben sea para formar la mezcla, dlur los productos de combustón y dsmnur su temperatura o para refrgerar el propo tubo de llamas. En la Fgura. se muestra una cámara de combustón tubular, el prncpo es el sguente; el are que procede del compresor se bfurca en dos flujos: un flujo que entra al tubo de llamas a través del torbellnador (nyector) y otro flujo que crcula por el anllo crcular comprenddo entre el tubo de llamas y el cartér y que luego entra escalonadamente al tubo de llamas a través de sus orfcos laterales. El combustble se nyecta en la zona de combustón. Estas cámaras se adaptan a los compresores centrífugos se basan en el prncpo de dar velocdad a una corrente de gas. Fgura. Cámara de combustón tubular. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 39

57 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS.3. Cámara de combustón tpo camsa La cámara de combustón tpo camsa opera de la forma sguente, el combustble se pulverza en la zona prmara y se establza por el remolno de are formado, ben por la confguracón del flujo de are prmaro entrante o por un establzador metálco. El remolno de are provoca un movmento de vértce torodal (en forma de anllos) que retroalmenta a los productos calentes haca la poscón de la llama (Fg..3). En la Fgura.4 se muestra que este tpo de cámara de combustón tene la almentacón de are sobre la parte exteror de su camsa nterna. Su empleo proporcona una undad compacta de compresor-quemador-turbna para dseños que tenen los rotores del compresor y la turbna acoplados a un msmo árbol, como puede ser el caso en plantas de potenca de turbnas de gas pequeñas. Para grandes turbnas de gas, se preferen los quemadores de camsa tpo contnuo, empleándose un número múltple, de manera que la turbna de gas es práctcamente del tpo de plena admsón y el flujo es contnuo a través del conjunto compresor de flujo axal-quemador-turbna. Esto dó lugar al tpo anular de cámara de combustón que se explca en la sguente seccón. Fgura.3 Vórtce torodal a la pulverzacón de combustble. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 40

58 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS Fgura.4 Cámara de combustón tpo camsa..3.3 Cámara de combustón anular Por razones de ntegracón de la cámara en el sstema y por compacdad, sobre todo en turbnas aerodervadas, la cámara se hace multtubular. Los tubos se stúan en una crcunferenca concéntrca con el eje; aún más compacta resulta la cámara anular. En la Fgura.5 se muestra una cámara de combustón anular, consste en una pared perforada (conocdo en la lteratura nglesa como lner) y una cuberta dspuestas en forma anular. En el nteror se encuentra una pared perforada tambén anular, y prevamente a la salda del compresor axal, una sere de nyectores dspuestos a lo largo de la crcunferenca de la cámara de combustón para sumnstrar el combustble necesaro para lograr la mezcla, dos bujías proporconan la energía para la gncón de la mezcla; el are secundaro se sumnstra por las perforacones del lner, este are mantene la llama separada de la envoltura y dluye los gases calentes de la cámara de combustón, dándoles la temperatura que se desea a la entrada de la turbna de gas. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 41

59 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS Fgura.5 Cámara de combustón anular. Esta confguracón hace que las cámaras de combustón tpo anular tengan mejores característcas en cuanto a efcenca térmca, peso y longtud. La menor superfce metálca requerda para contener el flujo de gases hace que se requera menos are para su enframento. Además, brnda una dstrbucón unforme de temperatura de los gases de combustón a la entrada de la turbna de gas. Una mala dstrbucón de temperatura produce puntos calentes a la entrada de la tobera de la turbna, lo que ocasona problemas mecáncos y esfuerzos térmcos. El are en un compresor axal, fluye en la dreccón al eje del compresor a través de una sere de álabes móvles ó álabes del rotor acoplados al eje por medo de un dsco y una sere de álabes fjos o álabes del estator acoplados a la carcaza del compresor y concéntrcos al eje de rotacón. Cada conjunto de álabes móvles y álabes fjos forman una etapa del compresor. El are es tomado por el conjunto de álabes móvles e mpulsado haca atrás en sentdo axal y entregado al conjunto de álabes fjos con una mayor velocdad. Dependendo de la forma en que el flujo pasa por la cámara de combustón anular, ésta puede ser de flujo drecto o flujo reverso. En la Fgura.6 se muestra una cámaras de combustón anular con flujo drecto; el are prmaro y secundaro entra a la cámara de combustón por su parte frontal, los gases de combustón salen drgdos drectamente haca atrás para entrar en las etapas de las turbnas. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 4

60 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS Fgura.6 Cámara tpo anular de flujo drecto. En la Fgura.7 se muestra una cámara de combustón anular con flujo reverso, el are pasa por los alrededores de las paredes perforadas ó lners hasta la parte posteror donde se encuentran los nyectores. El flujo hace un vraje de 180 entra a la cámara de combustón donde se combna con el combustble nyectado en la zona prmara, en esta zona la mezcla es muy rca, por lo que se sumnstra más are a través de una sere de orfcos de mayor dámetro en las paredes perforadas en la zona secundara donde la mezcla correcta de are y combustble orgna la combustón. Más are entra en la cámara de combustón para reducr la temperatura de los gases producto de la combustón en una zona de dlucón. Los gases son forzados nuevamente a hacer un vraje de 180º para ser entregados a las etapas de turbna que generalmente se encuentran en el espaco nterno que forma la cámara de combustón. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 43

61 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS Zona prmara Zona secundara Zona de dlucón Zona secundara Zona prmara Fgura.7 Cámara tpo anular de flujo reverso..3.4 Cámara de combustón múltple tubular En la Fgura.8 se representa este tpo de cámara de combustón: el are prmaro entra a través de la abertura A pasando una parte a través de los flancos taladrados del cono C y otra parte alrededor de I, donde un dspostvo V, dotados de pequeñas paletas nclnadas, le mprme movmento vbratoro alrededor del eje de la cámara. Este movmento es necesaro para lograr una buena combustón. El are restante pasa al espaco T entrando en el nteror a través de una sere de orfcos. Fgura.8 Cámara de combustón múltple tubular. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 44

62 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS Las cámaras de combustón descrtas anterormente se denomnan cámaras de dfusón porque el combustble y el are están ncalmente separados y la mezcla íntma entre el combustble y el are se produce fnalmente por dfusón..3.5 Cámara de combustón de Slo En la Fgura.9 se muestra este tpo de cámara de combustón, algunas turbnas de gas ndustrales usan este tpo de cámara de combustón, pueden utlzarse para quemar combustbles sóldos. El proceso de combustón es smlar a las confguracones anterores; a través de una boqulla se nyecta el combustble, atomzando la zona de combustón. Una bujía se usa para empezar la gncón. En la cámara de combustón se produce la reaccón entre el flujo de are procedente del compresor y el combustble nyectado, lo que orgna el aumento requerdo de la temperatura de los productos de combustón; el flujo de combustble nyectado varía según la carga. S en la zona de combustón se ntroduce el combustble y el are premezclados, medante un nyector premezclador, se obtene una cámara de combustón de premezcla, éstas emten menos NO x que las de dfusón (ref. 1). Combustble Are Escape de los gases de combustón Fgura.9 Cámara de combustón de Slo. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 45

63 CÁMARAS DE COMBUSTIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS.4 Conclusones Las cámaras de combustón juegan un papel prmordal en las turbnas de gas, pues es ahí, donde se generan los gases que van a mpulsar a la turbna y generar la energía eléctrca, por eso es mportante dseñar cámaras donde se generen temperaturas de operacón deseables para la turbna de gas, dsmnuyan la emsón de contamnantes, bajo costo de operacón y su perodo de vda sea largo. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 46

64 ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN CAPÍTULO III. ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS MEDIANTE LOS PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN SU COMBUSTIÓN 3.1 Introduccón Las turbnas de gas son motores de combustón nterna dseñadas para extraer energía de un fludo y transformarla en potenca útl, es decr, la combustón se realza en el seno del fludo operante consttudo por una mezcla de combustble y comburente que posterormente expermenta una sere de transformacones termodnámcas. El modelo termodnámco de las turbnas de gas se fundamenta en el cclo de Joule. Los procesos de una turbna a gas se clasfcan como de cclo aberto y cerrado. Las turbnas de gas de cclo aberto smple utlzan una cámara de combustón nterna para sumnstrar calor al fludo de trabajo y las turbnas de gas de cclo cerrado smple utlzan un proceso de transferenca (ntercambador de calor) para agregar o remover calor del fludo de trabajo. En este capítulo se hace el análss de la turbna de gas medante los parámetros que ntervenen en las cámaras de combustón, tales como flujos de are y de combustble, temperatura a la salda de la cámara de combustón, excesos de are, etc. Basándose en el cclo termodnámco Joule smple, el cual es utlzado para la generacón de potenca (en cclo aberto o cerrado), para la mpulsón mecánca de avones y para la cogeneracón de potenca (en cclo aberto). 3. Análss del cclo Joule smple aberto El cclo Joule smple aberto consta de cuatro estados termodnámcos; 1-. Compresón poltrópca en un compresor. -3. Adcón de calor al fludo de trabajo a presón constante en una cámara de combustón Expansón poltrópca en una turbna Enframento a presón constante. En la Fgura 3.1 se muestra un esquema de la turbna de gas para un cclo Joule smple aberto, donde se observan los estados ctados anterormente. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 47

65 ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN Combustble Gases de combustón T, p T 3, p 3 3 Cámara de Combustón Compresor Turbna de Gas W m 1 T, p 1 1 T, p Are Fgura 3.1 Cclo Joule smple aberto. Se defne efcenca de compresón sentrópca (que es la razón de los trabajos de compresón sentrópco (deal) entre el poltrópco (real)) de la sguente manera: η SIC s = = = comp ( s 1) ( ) wcomp hs h1 Cp T T w h h Cp T T 1 1 (3.1) consderando al are como gas deal y que las capacdades calorífcas de ambos procesos de compresón sean guales y despejando T se llega a Ts T1 T = T1 + (3.) η donde T s es la temperatura del are para un compresón sentrópca y se determna medante la sguente expresón T = Tπ (3.3) s 1 x SIC COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 48

66 Hacendo la substtucón de la ec.(3.3) en la ec.(3.) se obtene ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN T = T x ( π 1) η SIC (3.4) En la ec.(3.4), x se defne k 1 x = (3.5) k donde, k,es una constante que se nombra índce adabátco, su valor para el are es 1.4. A menos de que se dga lo contraro, se esta consderando que T 1 = T ref = 5 C. En el estado 3, exste una propedad mportante que es la temperatura de los gases de combustón a la entrada de la turbna de gas, su valor es conocdo por ser una restrccón tecnológca debdo a la resstenca térmca de los materales. En el estado 4 se defne la efcenca de expansón sentrópca de la turbna, la cual ndca la razón del trabajo poltrópco entre el sentrópco de la turbna, es decr, η SIT ( 3 T4) ( ) wturb h3 h4 Cp T = = = w h h Cp T T Turb 3 4s 3 4s s (3.6) hacendo la consderacón de que en los procesos de expansón real e deal el Cp, es el msmo y despejando T 4 se tene ( ) T = T η T T (3.7) 4 3 SIT 3 4s donde T 4s es la temperatura de expansón sentrópca, se obtene substtuyendo T 4s en la ec.(3.7) se llega T 4s T3 = (3.8) x π T4 = T3 1 η SIT 1 x π 1 (3.9) COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 49

67 ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN 3.3 Trabajo del compresor El objetvo de comprmr el are es el de elevar su presón y de reducr su volumen, que trae como consecuenca que su temperatura se eleve. De este modo, se obtene la cantdad de are sufcente para la combustón y para el enframento de los álabes de la turbna. El trabajo de compresón real defndo en la ec.(3.1) como comp ( ) w = Cp T T, hacendo la substtucón de T de la ec.(3.4) se llega w comp SIC 1 x ( π ) CpT1 = 1 (3.10) η 3.4 Trabajo de la turbna El objetvo prncpal de las turbnas de gas es el de producr el trabajo necesaro para la compresón del are y para la generacón de potenca. Uno de los problemas más mportantes resde en el enframento de los componentes, sobre todo los álabes de los prmeros pasos donde la temperatura es obvamente más elevada. Para ello se utlza are, extraído drectamente del compresor para el enframento, prncpalmente, de la raíz de los álabes y para el enframento total desde el nteror del álabe msmo. Una vez que el are ha pasado por la cámara de combustón, y se encuentra a alta temperatura y presón, el sguente paso es la expansón para la produccón del trabajo. El trabajo real de la turbna defndo en la ec.(3.6) se expresa como Turb ( ) w = Cp T T, 3 4 substtuyendo la T 4 de la ec.(3.9) se llega al sguente resultado w 1 = CpT η 1 π Turb 3 SIT x (3.11) COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 50

68 ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN 3.5 Trabajo Motor El trabajo motor es la dferenca del trabajo de la turbna y el trabajo del compresor, expresándose de la sguente manera: x ( ) 1 CpT1 Wm = wturb wcomp = CpT3ηSIT 1 π 1 x π η SIC (3.1) La ecuacón anteror se puede expresar en térmnos de la relacón combustble-are y presentarla en forma admensonal, al dvdrla entre el producto del calor específco, Cp con la temperatura ambente, T 1 y el flujo de are, es decr, P mcpt & a x ( 1 rca) yηsit 1 ( π 1) = + x π η SIC (3.13) donde y = T 3 /T Calor sumnstrado El calor sumnstrado al are, es una cantdad de energía muy mportante en el estudo del cclo Joule smple aberto, ya que su valor está drectamente relaconado con el combustble empleado en las cámaras de combustón. Como se explcó en el Capítulo II, las cámaras de combustón presentan una ampla varedad de formas y tamaños y en ellas se localzan los nyectores que ntroducen el combustble gaseoso, o líqudo atomzado. El dseño es muy mportante, debdo a que se debe lograr una dstrbucón unforme de are alrededor del nyector para consegur un frente de flama autosostendo, mantener una temperatura constante de entrada a la turbna, y evtar pérddas de presón. De este modo, el calor sumnstrado es el calor necesaro para calentar el are en la cámara de combustón, y se expresa medante la sguente ecuacón que provene de la defncón de calor sensble. q = Cp( T T ) (3.14) sum 3 hacendo la substtucón de la ec.(3.4) en la ec.(3.14) se obtene x ( ) 1 qsum = CpT1 y 1 π 1 ηsic (3.15) COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 51

69 ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN Al gual que el trabajo motor, el calor sumnstrado se puede expresar en funcón de la relacón combustble-are y presentarla de forma admensonal: Q& sum mcpt & a 1 1 x ( 1 rca) y 1 ( π 1) = + η SIC (3.16) 3.7 Efcenca térmca del Cclo Joule smple aberto Una vez defndos el trabajo motor y el calor sumnstrado, se puede defnr la efcenca térmca del cclo Joule smple aberto, la cual se expresa de la sguente manera: Wm η Th = (3.17) q substtuyendo las ecuacones admensonales de trabajo motor ec.(3.13) y la del calor sumnstrado ec.(3.16) en la ecuacón anteror se llega: η Th = sum 1 1 x ( 1+ rca) yηsit 1 ( π 1 x ) π SIC 1 x ( 1+ rca) y 1 ( π 1) η SIC η. (3.18) De acuerdo a las ecuacones anterores (3.1) y (3.18), en la Fgura 3. se muestra el comportamento gráfco del trabajo motor y la efcenca térmca en el cclo de la turbna de gas a dferentes relacón de presones, π, y dferentes temperaturas de los gases de combustón a la entrada de la turbna de gas, T 3, proporconadas por los excesos de are sumnstrados en la cámara de combustón. Donde se observa que la efcenca térmca del cclo de la turbna de gas aumenta al dsmnur el exceso de are (aumentar la temperatura de los gases de combustón a la entrada de la turbna de gas) mantenendo constante la relacón de compresón; el trabajo motor tambén aumenta al aumentar la temperatura T 3. Sn embargo, se adverte que para un determnado exceso de are (una determnada temperatura de los gases de combustón a la entrada de la turbna de gas), exsten dos valores de la relacón de presones, una que hace máxmo el trabajo motor y otra que hace máxma la efcenca térmca (véase Tabla 3.1). COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 5

70 ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN Fgura 3. Efcenca térmca en funcón del trabajo motor a dferentes relacón de presones y dferentes temperaturas de los gases de combustón a la entrada de la turbna de gas. En la Tabla 3.1 se muestra que para una temperatura de entrada a la turbna de gas de 1,366 C, se obtene un trabajo motor máxmo de kj/kg con una relacón de presones de 15 y para una relacón de presones de 30 se obtene la efcenca térmca máxma del 4 por cento; el aumento de la relacón de presones requere un mayor consumo de energía y gran parte del trabajo producdo por la turbna de gas es consumdo por el compresor; por lo que es mportante prestar atencón en el dseño de las turbnas de gas ya que cualquer pérdda de presón en la cámara de combustón y demás componentes entre el compresor y la turbna deben compensarse con mayor trabajo en el compresor. Tabla 3.1 Trabajo motor y la efcenca térmca máxmos a dferente relacón de presones. π T 3 ( C) W m (kj/kg) η Th (%) 15 1, , , , COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 53

71 3.8 Potenca generada por la turbna de gas ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN Otro parámetro de mportanca en las turbnas de gas es la generacón de potenca que ésta entrega, es prmordal determnar qué tanto trabajo motor por undad de tempo o potenca se está generando, así como tambén las condcones de trabajo a las cuales opera. La potenca generada es el producto del flujo de are, m& a, por el trabajo motor como se muestra en la sguente ecuacón: a ( ) P = m& W (3.19) m la ecuacón anteror depende del trabajo motor y el flujo de are sumnstrado a la cámara de combustón. Para amplar el análss de la turbna de gas en su combustón, defnmos las ecuacones de flujo de are y combustble por lo que despejando el flujo de are de la ecuacón anteror (3.19) se obtene P m& a =. (3.0) W El flujo de combustble se obtene por medo de la sguente ecuacón: m q m = m PCI & sum c & a (3.1) Para determnar el flujo de combustble es necesaro expresarlo en térmnos de la potenca para esto se realza lo sguente: al despejar el flujo de are de la ec.(3.1) y hacendo la substtucón de la ecuacón resultante en la ec.(3.19) se obtene el sguente resultado: P m& c = (3.) PCI η ( ) A contnuacón, se hace un análss que explca el comportamento del cclo Joule smple aberto medante las gráfcas que relaconan por ejemplo al flujo de are contra la relacón de presones; a el flujo de combustble contra la relacón de presones; al trabajo motor contra el flujo de combustble; a la efcenca térmca contra el flujo de are. En este análss es necesaro varar las relacones de presones y las temperaturas de los gases a la entrada de la turbna, T 3, a demás de establecer una potenca constante (43 MW, esta potenca es tomada de la lteratura pertenecente a una turbna de gas LM6000 de general electrc). Th COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 54

72 ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN En la Fgura 3.3 se muestra como las curvas de flujo de are dsmnuyen hasta alcanzar su punto mínmo y después como aumentan conforme la relacón de presones se sgue ncrementando, además se apreca como las curvas de flujo de are aumentan conforme la temperatura T 3 dsmnuye (ncremento del exceso de are en la cámara de combustón). Fgura 3.3 Flujo de are en funcón de la relacón de presones En la Fgura 3.4 se muestra como las curvas del flujo del combustble dsmnuyen hasta llegar a su punto mínmo, y posterormente aumentan a menor relacón de presones. Tambén se muestra que estas curvas del flujo del combustble aumentan conforme la temperatura T 3 dsmnuye. Observándose que la relacón de presones con la que se obtenen los flujos de combustble mínmos son cada vez mayores como resultado del aumento de T 3. Comportamento contraro se manfesta en el caso del flujo de are (ver Fgura 3.3). En la Fgura 3.5 se muestra el comportamento de trabajo motor contra flujo de combustble, en el que se pueden observar curvas sotérmcas (de T 3 =cte.) y de relacones de presones constante (π=cte.) del trabajo motor. Al analzar las curvas sotérmcas, por ejemplo la de T 3 = 1,15ºC, se puede notar que con el ncremento de las relacones de presones el trabajo motor aumenta mentras que el flujo de combustble dsmnuye; no muy vsble en la gráfca exsten un máxmo y un mínmo para el trabajo motor y el flujo de combustble para cada T 3 al segur ncrementándose la relacón de presones (véase Tabla 3.). COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 55

73 ANÁLISIS DE LA TURBINA DE GAS EN LA COMBUSTIÓN Fgura 3.4 Flujo del combustble en funcón de la relacón de presones. En cambo, s se analza el comportamento de las curvas de π constante, por ejemplo la de π=10, es fácl observar que con el aumento de la temperatura de los gases de combustón a la entrada de la turbna, T 3, el trabajo motor aumenta a medda que el flujo de combustble dsmnuye. En relacón a las Fguras 3.3 y 3.4, es convenente operar la turbna de gas a altas temperaturas del are a la entrada de la cámara de combustón con flujos de are mínmos para obtener óptmas condcones de operacón en la turbna de gas. Fgura 3.5 Trabajo motor contra el flujo de combustble. COMBUSTIÓN EN LAS TURBINAS DE GAS 56