Anlisis turbina de gas eficiencia trmica mxima IntroduccinLa
generacin de energa elctrica es un factor determinante en el
desarrollo de un pas, en Mxico en 2014, el consumo nacional de
energa elctrica se ubic en 258,255 Gigawatt-hora (GWh), esto
represent un incremento de 0.2% con respecto a 2013, en ese mismo
ao la capacidad efectiva de generacin de energa elctrica se ubic en
54,379.3 Megawatt (MW), donde la tecnologa de Ciclo Combinado
contribuy con 19,906.5 MW. La central de Ciclo Combinado est
compuesta principalmente por la turbina de vapor y la turbina de
gas, sin embargo la turbina de gas no solo ha sido utilizada para
generacin elctrica sino tambin para impulsin mecnica, en la
industria aeroespacial y en diversas aplicaciones industriales.
Usualmente las turbinas de gas son diseadas para operar con un
combustible especfico tpicamente gas natural o disel [1]. La
turbina de gas es una mquina que convierte la energa trmica en
trabajo mecnico, consiste de uno o varios compresores rotativos, un
dispositivo trmico(s) que calienta el fluido de trabajo, una o
varias turbinas, un sistema de control, y el equipo auxiliar
esencial. Cualquier intercambiador de calor (excepto los
intercambiadores de recuperacin de calor de gases de escape) en el
circuito principal del fluido de trabajo se considera como parte de
la turbina de gas [2].Las turbinas de gas son sistemas que operan a
elevadas velocidades, temperaturas y presiones, esto lo convierte
en un sistema complejo que requiere de un sistema de control,
aunado a esto, estn sometidas a largas jornadas de operacin que
producen prdidas graduales en la capacidad de generacin de potencia
debido a varios factores, tales como fatiga trmica, ensuciamiento
de los filtros de admisin de aire y en el compresor axial, prdidas
mecnicas no recuperables, etc. [3].Hay un lmite T3 debido a la
metalurgia de los materiales y un lmite en la relacin de presiones
del compresor a una velocidad fija. Las mejoras en las turbinas de
gas se han alcanzado por medio de avances metalrgicos que ha
permitido la produccin de componentes con mayores valores nominales
de temperatura y tecnologa de cmputo avanzada para optimizar el
diseo, simulacin y operacin de turbinas de gas [5].Para aumentar la
eficiencia del ciclo simple dentro del rango permitido se aade
componentes como intercoolers, regeneradores y recalentadores. Las
mejoras en el rendimiento del ciclo provocado por
En la Figura 2 se muestra el ciclo termodinmico de la turbina de
gas en un diagrama de temperatura entropa con cadas de presin entre
sus componentes, donde el suministro de calor (calentamiento) se
realiza con cada de presin y el rechazo de calor (enfriamiento) con
cadas de presin.
Figura 2. Diagrama T-s de la turbina de gasTrabajo til de la
turbina de gas El trabajo til o motor resulta de la diferencia del
trabajo obtenido por la turbina de gas y el trabajo necesario para
llevar a cabo el proceso de compresin se escribe de la siguiente
manera: (1) (6)
Eficiencia trmicaEs la relacin de la potencia producida por la
energa suministrada por el combustible por unidad de tiempo [2].
(7)
Relaciones de presiones ptimas para obtener el trabajo til mximo
y eficiencia trmica mxima.Para conocer la relacin de presiones con
la que se obtiene el trabajo motor mximo es necesario derivar la
ecuacin de trabajo motor adimensional (4). (8)
Para conocer la relacin de presiones con la que se obtiene la
eficiencia trmica mxima es necesario derivar la ecuacin (7).
(10)
Nomenclatura
cp calor especfico a presin constante; [kJ/kgK],h entalpa por
unidad de masa; [kJ/kg],q calor por unidad de masa; [kJ/kg],P cada
de presin entre sus componentes [-],R constante particular del
aire; [kJ/kg K],T temperatura; [ K ],w trabajo por unidad de masa;
[kJ/kg],x relacin entre la constante particular del aire y el calor
especfico a presin constante; [],y relacin de temperaturas T3 y T1;
[], eficiencia; [], relacin de presiones; [].
Subndices
