UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

``FRANCISCO DE MIRANDA´´ ÁREA DE TECNOLOGÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL, MECÁNICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA APLICADA. LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA

PRÁCTICA

CICLO DE POTENCIA DE GAS (BRAYTON)

PERIODO III-2010

Introducción

De los posibles medios utilizables para la producción de potencia mecánica los

equipos de turbinas son, por muchos aspectos, entre los más satisfactorios. En

particular las ausencia de movimiento alternativo y de fricción mecánica entre

los varios órganos de la máquina implica reducidos problemas de equilibrio

dinámico, un consumo de aceite lubricante excepcionalmente bajo, y

consiguiente mayor fiabilidad. Los primeros equipos de turbina que han

explotado estas intrínsecas ventajas han sido los hidráulicos que emplean el

agua como fluido motor, y aún hoy día de los equipos de potencia

hidroeléctricos producen un significativo porcentaje de la energía eléctrica

globalmente utilizada a nivel mundial.

El desarrollo de equipos de turbina de gas estacionarios ha iniciado de modo

eficaz poco antes de la segunda guerra mundial, pero el desarrollo de equipos

de turbinas de gas se ha rápidamente dirigido hacia los turborreactores para la

propulsión aérea. Los equipos de turbina de gas iniciaron competir con éxito en

otros campos solo después de la mitad de los años cincuenta, pero desde

entonces los mismo han tenido un siempre mayor impacto en una amplio

campo de aplicaciones.

Objetivo general.

Evaluar una planta de potencia con Turbina a gas bajo la teoría del ciclo Brayton.

Objetivo específicos.

a. Determinar las potencia del sistema turbo-compresor y turbina de

potencia bajo un proceso isentrópico.

b. Evaluar el ciclo de bajo la teoría de aire estándar frío.

c. Determinar las potencia del sistema turbo-compresor y turbina de

potencia real.

d. Evaluar el ciclo real de potencia de turbina a gas.

e. Determinar el rendimiento adiabático del sistema turbo-compresor

y turbina de potencia

f. Determinar la potencia eléctrica del alternador.

g. Determinar el rendimiento del alternador

Equipos y materiales a utilizar.

a. Banco didáctico de turbina de gas Biarbol TD-200.

b. Cronómetro.

Datos Requeridos.

Ubicación de los equipos principales de la planta de turbina de gas.

Funciones de cada equipo.

Adquisición de magnitudes de las propiedades termodinámicas arrojadas

por el sistema de instrumentación y control de la planta.

Procedimiento.

Se realizará una descripción de la planta y del funcionamiento de cada

elemento que lo componen, el alumno tomará nota de lo expuesto por el

profesor. Una vez puesta en marcha la planta el alumno deberá anotar los

datos en la tabla anexa de las propiedades termodinámicas necesarias

siguiendo las instrucciones del profesor y de esta forma poder llevar a cabo los

cálculos requeridos para el cumplimiento de los objetivos de la experiencia.

Pasos para la puesta en marcha de la planta y para la recolección de datos:

Encender de la bomba de aceite de lubricación.

Alimentar con agua de enfriamiento la bomba de lubricación.

Cerrar pomo de control de carga del alternador de la turbina de

potencia.

Cerrar admisión de aire ambiental y abrir admisión de aire

forzado.

Encender ventilador de aire forzado.

Al llegar a 7.000 RPM en el turbocompresor, suministrar el

combustible (Gas propano) a una presión de 1,2 bar y un flujo másico

de 0.4 g/seg.

Aumentar gradualmente el flujo de gas hasta llegar a 22.000 –

30.000 rpm del turbocompresor para liberar la turbina de potencia y

transferir potencia al alternador (sin sobrepasar 23.000 rpm de la

turbina de potencia).

Aumentar nuevamente el flujo masivo hasta llegar a 40.000 y

45.000 rpm del turbocompresor.

Apagar ventilador de aire forzado.

Variar la carga en el alternador para observar la reacción de los

distintos dispositivos que componen la planta debido a la manipulación

de las variables.

Anotar los datos en la tabla anexa de las propiedades termodinámicas.

Llevar a cabo los cálculos requeridos para el cumplimiento de los

objetivos de la práctica utilizando las ecuaciones del ciclo de potencia

de gas Brayton.

Cálculos a realizar

Después de haber observado el funcionamiento de la planta y con los

datos obtenidos del sistema de instrumentación de la misma se deberán

realizar los debidos cálculos para determinar lo siguiente:

- El rendimiento térmico de un ciclo Brayton ideal.

- El rendimiento térmico de un ciclo Brayton real.

- Eficiencias adiabáticas en la turbina de potencia y el turbocompresor.

- Potencia del alternador.

- Eficiencia del alternador.

- Diagrama temperatura entropía para comparar las características del

ciclo ideal y del ciclo real.

Panel frontal de la planta.

La figura a continuación es un diagrama que muestra cómo están

distribuidos los distintos equipos e instrumentos que componen la planta.

8 7

Leyenda.

A. Ventilador auxiliar B. Filtro entrada aire C. Turbocompresor con indicador de revoluciones D. Cámara de combustión E. Turbina de potencia con indicador de revoluciones F. Alternador con indicador de corriente y tensión G. Depósito de aceite y circuito lubricante H. Termóstato de seguridad I. Medidor de flujo de gas U. Manómetro diferencial t. Indicadores de temperatura p. Indicadores de presión

Fecha:…………… Condiciones ambientales: Condiciones lubricante: Pa:……… (bar) T:………… (ºC) Ta:……… (ºC) P:………… (bar)

Observaciones:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

V

(v)

I

(A)

Presion

(bar)

Flujo

másico

g./seg.

RPM T. de

potencia

RPM TC. T1

(ºC)

T2

(ºC)

T3

(ºC)

T4

(ºC)

T5

(ºC)

Δh

(mm)

P4 P5 P7 P8

Esquema Termodinámico de la Planta de Gas:

Bibliografía Recomendada.

TERMODINAMICA, Kenneth Wark, Donald E. Richards. Sexta Edicion,

Editorial McGraw Hill.

TERMODINAMICA, Yunus A. Çengel, Michael A. Boles. Quinta Edicion,

Editorial McGraw Hill.

Alternador

V, I

T.P.

T. C.

C.C.

mb, Pb

WC

WTP

WT

P1, T1 T1

P2, T2 P3, T3

P4, T4

P5, T5

Análisis de cálculo:

Cálculo de potencia del sistema turbo-compresor:

baPT mmTTCW 43

aPc mTTCW 12

Cálculo de la turbina de potencia:

baPTP mmTTCW 54

Cálculo del flujo de calor suministrado:

baPT mmTTCQ 232

Determinación de flujo másico de aire ( am ):

)/ 1000( agua de ldiferencia manometroun de mm,en lectura, :

]/[ manómetro del medida deseccion laen aire del densidad :

/01027,0

3

3

1

1

mKgh

mKg

segKghm

agua

a

Determinación de flujo másico de combustible ( bm ):

segKgmmm tbbl

to

tbblb /

,

33 1015811

101

blm : Flujo másico leído en el instrumento.

tb : Factor de corrección para un valor de presión en la alimentación empleado (ver

anexo)

A continuación serán adaptadas las siguientes expresiones analíticas para el cálculo

de las capacidades térmicas específicas:

Capacidad térmica media a presión constante del aire:

KKgKJ

TTCP ./101

2105976,0 6minmax

Capacidad térmica media a presión constante de los gases quemados:

KKgKJ

TTC stst

P ./10121

175239

1

1042,0909,0 6minmax

Donde,

: es la relación aire-combustible real b

a

m

m

st : Es la relación aire combustible estequiométrica que para el propano tiene un

valor de 15,6745.

Tmáx y Tmín: temperaturas máximas y mínimas de los fluidos en los respectivos

campos de aplicación para la capacidad térmica media.

Potencia del alternador:

IVPalt

Rendimiento del alternador:

útilT

altalt

W

P

2

La útilTPW es la potencia útil de la turbina de potencia tomando en cuenta las perdidas

mecánicas. Para el caso de la turbina el valor es 0,92.

92,0 TPútilTP WW

Rendimiento adiabático del compresor y turbina.

al

Idealcomp

W

W

Re

Ideal

alturb

W

W

Re

Rendimiento del ciclo:

2T

ctPt

sum

neta

cicloQ

WWW

Q

W

Cálculos para el ciclo ideal: Las transformaciones ideales de expansión y de compresiones son unas adiabáticas reversibles (isentrópicas) para la turbina y el compresor, respectivamente:

k

1k

4

3 βT

T

k

1k

2 βT

T

1

β: es la relación de compresión igual en valor a la relación de expansión. Asuma criterios en la aplicación de las temperaturas.

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