Se denomina ciclo combinado en la generacin de energa a la co-existencia de dos ciclos termodinmicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustin. En la propulsin de buques se denomina ciclo combinado al sistema de propulsin COGAG.

COGAG (COmbined Gas And Gas - combinado gas y gas) es un tipo de sistema de propulsin naval para naves que utilizan dobles turbinas de gas vinculadas a un nico rbol de hlice. Un sistema de transmisin y embragues permite que cualquiera de ellas, o ambas simultneamente, impulsen el rbol. Usar dos turbinas de gas presenta la ventaja de disponer de dos configuraciones de potencia distintas. La eficiencia de combustible de las turbinas de gas es mejor cerca de su mximo nivel de potencia, por lo que una turbina pequea operando a mxima capacidad es ms eficiente que una de doble potencia operando a la mitad de velocidad. Esto permite un trnsito ms econmico a velocidades de crucero. En comparacin con los sistemas CODAG (combinado disel y gas) o CODOG (combinado disel o gas), los sistemas COGAG ocupan menos espacio, pero son menos eficientes a velocidad de crucero, y algo menos eficientes que los CODAG para rfagas de alta velocidad.

Funcionamiento

Descripcin de un ciclo combinado. En una central elctrica el ciclo de gas genera energa elctrica mediante una o varias turbinas de gas y el ciclo de vapor de agua lo hace mediante una turbina de vapor. El principio sobre el cual se basa es utilizar los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperacin, la que alimenta a su vez de vapor a la turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo nico y mucho mayores que los de una de turbina de vapor.

Consiguiendo aumentar la temperatura de entrada de los gases en la turbina de gas, se obtienen rendimientos de la turbina de gas cercanos al 60%, exactamente 57,3% en las ms modernas turbinas Siemens[cita requerida]. Este rendimiento implica una temperatura de unos 1.350 C a la salida de los gases de la cmara de combustin. El lmite actualmente es la resistencia a soportar esas temperaturas por parte de los materiales cermicos empleados en el recubrimiento interno de las cmaras de combustin de esas turbinas. Las centrales de ciclo combinado son, como todas ellas, contaminantes para el medio ambiente y para los seres vivos, incluidas las personas, por los gases txicos que expulsan al ambiente. No obstante es la que menos contamina de todas las industrias de produccin de electricidad por quema de combustible fsil. Bsicamente las emisiones son de CO2. Las emisiones de NOX y SO2 son insignificantes, no contribuyendo por tanto a la formacin de lluvia cida. Dependiendo estos efluentes gaseosos del tipo de combustible que se queme en la turbina de gas. Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo Joule y permite, por ello, mejorar la recuperacin trmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamao cuya recuperacin trmica no estara aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda turbina de contrapresin.

A la izquierda, central de Ciclo combinado en Huelva (Espaa). En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La seleccin de la presin y la temperatura del vapor vivo se hace en funcin de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, seleccin que debe realizarse con criterios de eficiencia y economa. Por ello se requiere la existencia de experiencias previas e "imaginacin responsable" para crear procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseo. Las centrales elctricas de ciclo combinado son una parte fundamental del mix energtico espaol. A final de 2008 este tipo de centrales representaba el 24% de la potencia elctrica total instalada en Espaa y gener el 32% de la demanda anual. Su gran ventaja es que son centrales con una alta capacidad de regulacin, de forma que son capaces de variar su potencia con relativa facilidad para adaptarse a la demanda[cita requerida]. http://www.ree.es/sistema_electrico/pdf/infosis/sintesis_REE_2008.pdf

Ciclo combinado a condensacin

Central de ciclo combinado de Boroa, en Amorebieta (Espaa). Una variante del ciclo combinado de contrapresin clsico, es el ciclo combinado a condensacin que se realiza en procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran capacidad de regulacin ante demandas de vapor muy variables. El proceso clsico de regulacin de una planta de cogeneracin consiste en evacuar gases a travs del bypass cuando la demanda de vapor es menor a la produccin y utilizar la post-combustin cuando sucede lo contrario. Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptacin a la demanda de vapor, debido a una importante bajada en el rendimiento de recuperacin, ya que los gases de escape mantienen prcticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ellos, las prdidas de calor se mantienen prcticamente constantes, y la planta deja de cumplir los requisitos de rendimiento. Por el contrario, un ciclo de contrapresin y condensacin permite aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la condensacin del vapor que no puede usarse en el proceso, produciendo una cantidad adicional de electricidad

[editar] CogeneracinLos sistemas de intercambio de cogeneracin son sistemas de produccin en los que se obtiene simultneamente energa elctrica y energa trmica til partiendo de un nico combustible. Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el aprovechamiento de la energa primaria del combustible es del 25% al 35%, lo dems se pierde. Al cogenerar se puede llegar a aprovechar del 70% al 85% de la energa que entrega el combustible. La mejora de la eficiencia trmica de la cogeneracin se basa en el aprovechamiento del calor residual de los sistemas de refrigeracin de los motores de combustin interna para la generacin de electricidad. El gas natural es la energa primaria ms utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneracin de electricidad y calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas. No obstante, tambin se pueden utilizar fuentes de energa renovables y residuos como biomasa o residuos que se incineran. Adems, esta tecnologa reduce el impacto ambiental debido al ahorro de energa primaria que implica. Si se tiene en cuenta que para producir una unidad elctrica por medios convencionales se necesitan 3 unidades trmicas, mientras que en cogeneracin

se necesitan 1,5 unidades, la cantidad total de agentes contaminantes emitidos se ver disminuida en un 50%. Este procedimiento tiene aplicaciones tanto industriales como en ciertos edificios singulares en los que el calor puede emplearse para calefaccin u obtencin de agua caliente sanitaria como por ejemplo ciudades universitarias, hospitales, etc. Con estos sistemas se mejora la eficiencia energtica, consiguiendo con el mismo combustible ms energa, con lo que se consigue un ahorro de ste y tambin una disminucin de las emisiones de CO2.

TURBINA DE GASNDICE: 1. 2. 3. 4. Introduccin . Principio de funcionamiento . Historia y evolucin de la turbina de gas. Partes principales de la turbina de gas.

1. Introduccin Las turbinas de gas son turbomquinas que, de un modo general, pertenecen al grupo de mquinas trmicas generadoras y cuya franja de operacin va desde pequeas potencias (30 KW para las microturbinas) hasta 500 MW para los ltimos desarrollos. De esta forma, compiten tanto con los motores alternativos (ciclos termodinmicos OTTO y DIESEL) como con la instalaciones de vapor de pequea y media potencia.

Figura 1: Situacin de las turbinas en el conjunto de mquinas. Sus principales ventajas son su pequeo peso y volumen en relacin a su potencia y la flexibilidad de su operacin. Esto hace que sean mquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones, especialmente las referidas a la generacin de electricidad y a la propulsin de buques y aviones, est en claro aumento. Al ser mquinas rotativas presentan una clara ventaja frente a los motores alternativos, por la ausencia de movimientos alternativos y de

rozamientos entre superficies slidas (como las que se dan entre pistn y camisa), lo que se traduce en menores problemas de equilibrado y menores consumos de aceite lubricante, que adems no estn en contacto con superficies calientes ni con productos de combustin. Comparadas con las turbinas de vapor, las turbinas de gas apenas tienen necesidades de refrigeracin, lo que facilita enormemente su instalacin. Adems, su baja inercia trmica les permite alcanzar su plena carga en tiempos muy bajos, lo que las hace ideales para determinadas aplicaciones en las que se requiere variaciones de carga rpidas (regulacin de red o abastecimiento de picos de demanda). Esta simplicidad comparada con turbinas de vapor y con motores alternativos otorga a las turbinas de gas dos ventajas adicionales: un mantenimiento sencillo comparado con otras mquinas trmicas y una elevada fiabilidad. En efecto, la reduccin de las necesidades de lubricacin y refrigeracin, la continuidad del proceso de combustin y la ausencia de movimientos alternativos hace que la probabilidad de fallo disminuya. Una instalacin de generacin elctrica basada en una turbina de gas puede alcanzar con facilidad valores de disponibilidad superiores al 95% y valores de fiabilidad cercanos al 99% si la instalacin est bien diseada, bien construida, bien operada y con un adecuado nivel de mantenimiento. No obstante, tambin tienen algunos inconvenientes importantes, entre los que hay que destacar dos: la alta velocidad de rotacin y su bajo rendimiento (30-35%) comparado con los motores alternativos diesel (algunos desarrollos ya alcanzan el 50% de rendimiento) o con las turbinas de vapor (valores del 40% son muy normales). Normalmente se entiende por turbina de gas el conjunto formado por los siguientes elementos: Compresor, responsable de la elevacin de presin del fluido de trabajo. Sistema de aporte de calor al fluido. Elemento expansor, o turbina propiamente dicha.

Sus aplicaciones son muy variadas, siendo su campo de aplicacin el ms amplio entre los motores trmicos. Inicialmente se utilizaron para la realizacin de trabajo mecnico. Posteriormente se trasladaron al campo de la aeronutica como elemento propulsor, sobre todo a partir de la segunda guerra mundial. Ms tarde se utilizaron como elemento motor para la generacin de energa elctrica, aplicacin para la que se han desarrollado modelos especficos que han tratado de adaptarse a las exigencias de ese mercado. La posibilidad de aprovechar el calor de los gases de escape para producir vapor aprovechable en la industria como energa trmica o para producir ms energa elctrica (en los denominados ciclos combinados gasvapor) han provocado una autntica revolucin en el mercado de la

generacin elctrica, donde la turbina de vapor ha sido la reina indiscutible durante muchos aos. 2. Principio de funcionamiento Una turbina de gas es un motor trmico rotativo de combustin interna, donde a partir de la energa aportada por un combustible se produce energa mecnica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxgeno.

Figura 2: Flujos en una turbina de gas.

El ciclo trmico que representa esta mquina es el ciclo Brayton. La mquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a travs de ella. El aire es aspirado de la atmsfera y comprimido para despus pasar a la cmara de combustin, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignicin. Los gases calientes, producto de la combustin, fluyen a travs de la turbina. All se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador. 3. Historia y evolucin de la turbina de gas Hoy en da, el diseo de turbina de gas que se ha impuesto est basado en un compresor axial multietapa, una cmara de combustin interna y una turbina de expansin, todo ello construido de una forma bastante compacta que da idea de un equipo unitario. Pero al diseo de turbina predominante hoy en da se ha llegado despus de una larga evolucin desarrollada a lo largo del sigo XX, principalmente. La primera referencia al fenmeno en que se basa la turbina hay que buscarla en el ao 150 A.C de manos del filsofo egipcio Hero, que ide un pequeo juguete llamado Aeolpilo, que giraba a partir del vapor generado en una pequea caldera (figura 3). El juguete era una pura elucubracin mental, pues no se tiene constancia de que jams fuera construido.

Figura 3: Aeolipilo de Hero. En 1687 Isaac Newton anuncia sus leyes del movimiento. Entre ellas, la tercera ley anunciaba que existe un equilibrio entre accin y reaccin: para cada accin habr una reaccin de la misma fuerza e intensidad pero de sentido opuesto. Un ejemplo puede verse en la figura 4 Cuando las fuerzas se equilibran, son iguales en todas las direcciones. Pero al pinchar el globo o soltar la boquilla ocurre una accin que desequilibra el sistema.

Figura 4: 3 Ley de Newton. La primera turbina de gas realmente construida fue concebida por J.F. Stolze en 1872 a partir de una patente de Fernlhougs, y construida realmente entre 1900 y 1904. Constaba de un compresor axial multietapa, un intercambiador de calor que precalentaba el aire antes de entrar en la cmara de combustin, utilizando los gases de escape de la turbina para este fin, y una turbina de expansin multietapa. A pesar de lo genial del diseo, el poco xito fue debido al bajo rendimiento tanto del compresor

como de la turbina, por las bajas relaciones de compresin y la baja temperatura mxima alcanzada en funcin de los materiales disponibles en la poca.

Figura 5: Turbina diseada por Stolz en 1872. (A) Compresor axial multietapa; (B) Turbina de reaccin multietapa; (C) Precalentador de aire de admisin con los gases de escape.

La relacin de compresin era sin duda uno de los retos a superar para el desarrollo de las turbinas, pues mientras no se consiguieran compresores eficaces era imposible desarrollar turbinas con rendimientos que permitieran su desarrollo. Los primeros turbocompresores axiales de rendimiento aceptable aparecen en 1926, A. A. Griffith establece los principios bsicos de su teora del perfil aerodinmico para el diseo de compresores y turbinas, y es a partir de aqu cuando se emprende el desarrollo de los compresores axiales. La teora del perfil aerodinmico expuesta por Griffith es sin duda un importante hito en el desarrollo de las turbinas de gas tal y como las conocemos hoy en da, y gracias a los conocimientos desarrollados por Griffith se consigui desarrollar compresores y turbinas de alto rendimiento.

Figura 6: Cortesa de ASEA Brown Boveri AG. La primera turbina de gas industrial para generacin elctrica, presentada en 1939 en la Swiss National Exhibition en 1939. Su potencia era de 4000 KW. Hasta 1937 todos los desarrollos de turbinas de gas tenan una finalidad industrial, y no conseguan competir con los motores alternativos a pistn, debido siempre a su bajo rendimiento mximo (20%). Pero sus caractersticas de bajo peso y pequeo volumen hicieron que un poco antes del inicio de la segunda guerra mundial comenzara el desarrollo de turbinas para uso aeronutico. As, Whittle en Gran Bretaa en 1930 concibi y patent el uso de un reactor como medio de propulsin. Alemania, por su parte, tambin desarroll en paralelo su primer motor a reaccin para aviacin. En 1939 Heinkel hizo volar el primer avin utilizando un motor a reaccin de gas. No obstante, con las mayores velocidades alcanzables aparecieron nuevos problemas aerodinmicos que tuvieron que ir solucionndose. Hasta el final de la guerra (1944-1945) no se consigui que un avin propulsado consiguiera volar de forma eficiente.

Figura 7: HE 178 de Heinkel.

Este uso masivo del motor de reaccin unido a los nuevos conocimientos de aerodinmica permiti el desarrollo de turbomquinas con alto rendimiento. De esta forma, a partir de los aos 60 el uso del reactor se generaliz y en la dcada de los 70 prcticamente toda la aviacin de gran potencia era impulsada por turbinas. El desarrollo de la turbina de gas ha tenido histricamente, pues, tres obstculos que han dificultado y ralentizado su desarrollo: La relacin de compresin del compresor y su rendimiento. La resistencia de los materiales para poder usar altas temperaturas en la cmara de combustin y en las primeras etapas de la turbina. En menor medida, la dificultad para controlar todo el sistema de forma manual.

El desarrollo de la turbina de gas slo ha sido posible tras desarrollar un compresor axial a partir de la mejora de conceptos aerodinmicos, que han permitido altas relaciones de compresin. El segundo de los pilares ha sido la innovacin tecnolgica en el campo de los materiales, con el desarrollo de nuevas aleaciones monocristal y recubrimientos cermicos. Esto, unido un profundo estudio de la refrigeracin interior del alabe ha permitido alcanzar temperaturas muy altas tanto en cmara de combustin como en las primeras ruedas de labes. La tercera de las claves ha sido el desarrollo de la informtica. El empleo de ordenadores ha permitido por un lado poder simular determinadas condiciones y comportamientos, para as mejorar los diseos. Por otro, ha permitido desarrollar sistemas de control que permiten de forma muy sencilla para el operador arrancar, parar y vigilar los principales parmetros de operacin de la mquina minuto a minuto, y adems pueden diagnosticar el estado tcnico del equipo y predecir futuros fallos.

Figura 8: Interior del compresor de alta presin de una turbina industrial. El diseo aerodinmico de los labes es una de las claves de su excelente rendimiento. En la dcada de los 70 se intensific el uso de turbinas para generacin de electricidad. As, en 1974 se construy la primera instalacin de 50 MW. En Espaa, la primera turbina de gas de gran tamao (260 MW) se puso en marcha en el ao 2002, arrancando la era de las centrales trmicas de ciclo combinado que ya haba comenzado haca tiempo en otros pases.

4. Partes principales de la turbina de gas. Los principales elementos de la turbina de gas son cinco: la admisin de aire, el compresor, la cmara de combustin, la turbina de expansin y el rotor. A continuacin se detallan las principales caractersticas de cada uno de estos elementos.

Figura 9: Turbina de gas. Partes principales. 4.1 Admisin de aire El sistema de admisin de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones ms adecuadas de presin, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarn de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarn la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire. 4.2 Compresor de aire La funcin del compresor es elevar la presin del aire de combustin (una vez filtrado) antes que entre en la cmara de combustin, en una relacin que vara segn la turbina pero que normalmente est comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresin se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina. El control de la entrada de aire para la combustin se realiza variando el ngulo de inclinacin de las ruedas iniciales de labes del compresor. A mayor ngulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la turbina. Este mtodo se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas, como se ver ms adelante. Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeracin de labes y de la cmara de combustin, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin. 4.3 Cmara de combustin En ella tiene lugar la combustin a presin constante del gas combustible junto con el aire. Esta combustin a presin obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de presin adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar.

Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustin y para no reducir demasiado la vida til de los elementos componentes de la cmara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire terico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar las partes ms calientes de la cmara. Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de la cmara de combustin para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra parte se hace circular por el interior de los labes de la turbina, saliendo por orificios en los bordes que crean una pelcula sobre la superficie de los labes 4.4 Turbina de expansin En la turbina es donde tiene lugar la conversin de la energa contenida en los gases de combustin, en forma de presin y temperatura elevada (entalpa), a potencia mecnica (en forma de rotacin de un eje). Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor. Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400C y una presin de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600C. Esa alta temperatura hace que la energa que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIN, que consiste en utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cmara de combustin) o bien, como es ms habitual, para generar vapor en una caldera de recuperacin. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor consiguindose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).