Trabajo

1. Querría explicar la teoría detrás de las turbinas de gas
Se dirige a estudiantes universitarios
RAFAEL RUBIO SANCHEZ

2. 1. Ciclo simple de turbina de gas (ciclo Brayton o Joule)
WT


Q
turbina
cámara de combustión
(intercambiador de calor)
1
2
3
4
m

intercambiador de calor
WC

compresor
WT


Q
turbina
cámara de combustión
productos de la
combustión
WC

compresor
Esquema de los componentes básicos de un ciclo de turbina de gas:
abierto a la atmósfera ciclo cerrado
aire
m

fuel m f

1
3T
s
4
2
WT

4is
Q



Q
2is
WC

p2=p3 (pabsorción de calor)
p =p (p1 4 cesión de calor)
•Los ciclos de turbina de vapor tienen sentido en localizaciones fijas, para
grandes plantas de potencia. Los ciclos de turbina de gas son más económicos y
ligeros, por ello normalmente se usan para producción de potencia a pequeña
escala (plantas de potencia marina, …) y transporte (aviones a propulsión,…).
•El fluido de trabajo es un gas, normalmente aire (con comportamiento de gas
perfecto), que no condensa a las p y T de trabajo; no hay cambios defase.
•En el ciclo cerrado, el gas (2) recibe calor de una fuente externa (gases de la
combustión) y pasa a las condiciones de (3), éste se expande en la turbina (4) y
se enfría en otro intercambiador de calor antes de entrar en el compresor(1).
•Parte del trabajo realizado por la turbina se emplea en mover el compresor, el
resto está disponible para generar electricidad o impulsar un medio de
locomoción (avión a propulsión).
Q



mf

3.  Compresor:
m h2 1  VC
   
 h  Q  WVC WC  wC 
WC

m

 h2  h1 gp
1
2
 dh  cgp
1
2
 p TdT  gp
c T Tp 2 1 
adiabático, pero no reversible
VC

(W <0 WC es su módulo)

1m

WC

2
psi c gp cte
wC es mín. (el trabajo consumido sería mínimo) en un proceso
reversible (adiabático+reversible isentrópico, s1=s2,is):
C,is  
WC m
T1
 

WC,is m

h2,is  h1

T2,is
h2  h1 T2  T1

ms  s 
dTQVC

T2 1   s  s2 1
0 s
1
2,is
2,is 1  s  dsgp
 p
gp
T
dT 
R
p


T ,p1 1
T ,p c T2,is 2


dp 

p
gp
   
T
dT  Rln
p
p1
T1
T c T2,is
 p
2
 cgp
ln
T2,is
 Rln
p2
T1 p1
2,is
T  T  2
1
1 p 
R
 p  p
cgp
 T r1 p
1
1

1
4is
T
s
p =p3 2 3
p1=p4
4
2
2is
WC,is

WC

psi c gp cte
p v
cgp
 cgp
R
  p
cgp
v
cgp
R
cp
1
gp
1

p p
p1 p4
relación de presiones: rp  2  3
Definimos el rendimiento isentrópico del compresor:p,aire
cgp
aire
 7 cal molK 
M  29g /mol

p,airecgp
 1kJ kgK
ec. para un proceso
isentrópico de un gp
1. Ciclo simple de turbina de gas (ciclo Brayton o Joule)
Evaluación de las transferencias de calor y trabajo:

4. 3 2 VC VC
   

mh  h  Q  W  Q 
Q
m
q
  h  h c 3 2 p
gp
T T3 2 
isóbara (despreciamos caídas de p
resión por fricción): p3=p2
Q


2 3
m

mf

4 3
mh  h  Q VC
 
VC

T

W  W  wT
WT

m
 3 4
 h  h  gp
c T Tp 3 4 
 Turbina:
3
4
WT

adiabática
m

1
4is
T
s
3 p2=p3
2
2is
T,isW

WT
4p1=p4

wT es máx. (el trabajo producido sería máximo) en un
proceso reversible (isentrópico, s3=s4,is):

1
1
1
1
 1  p 
T4,is  T3  4
  T3  p3   rp 
T,is
T,isW m

 
 

WT m

h3  h4

T3 T4
h3  h4,is T3 T4,is
4
m

Definimos el rendimiento isentrópico de la turbina:
 Intercambiador de calor:
1

Q
1 4 VC VC
   

mh  h  Q  W  Q  q

Q

m
 4 1
gp
p 4 1 h  h  c T  T
isóbaro (despreciamos las caídas de presión por fricción): p4=p1
1. Ciclo simple de turbina de gas (ciclo Brayton o Joule)
 Cámara de combustión (intercambiador de calor):

5. Rendimiento térmico de un ciclo motor:
T C m
m Q m Q
m
    

  
Q
Q
    
Q  
W m W m T Tm Q
m
    1   1 4 1
T3T2
Introduciremos modificaciones en el diseño para aumentar el rendimiento del ciclo.
1
3T
s
p2=p3
4
2
WT
p1=p4

4is
Q


Q


2is
WC

Si el compresor y la turbina fuesen reversibles:
2,is 1 p

1
1
T  T  r

1
1
 1 
T4,is  T3  r 
 p 
T
T2,is
1
1 1
p
4,is 2,is
T2,is
T T T T
1
 r  
T3

T4,is

T3
Si rp ↑, entonces rev ↑.
Las irreversibilidades en la turbina disminuyen la potencia producida y
las del compresor aumentan la potencia consumida; el gas aumenta su
entropía específica en estos dispositivos. Esto disminuye y aumentaWT

WC
,lo que produce un decremento del trabajo neto total.

rev
2,is
2,is
T
T
T4,is 
T1 T
1
T T  1   1  14,is 1
T3 T2,is  T3
1





11
 1  
 11
 rev  1   
 rp 
1. Ciclo simple de turbina de gas (ciclo Brayton o Joule)

6. 2. Mejoras del ciclo: regeneración
A la salida de la turbina el gas (5) está más caliente que a la salida del compresor (2). Hacemos
uso de ello en un regenerador (intercambiador de calor a contracorriente): el aire que sale del
compresor (2) se precalienta antes de entrar en la cámara de combustión (3), y así se reduce la
WT

Q


1
2
4
5
m

WC

regenerador
1
4T
s
p =p =p (p2 3 4 absorción de calorn)
p =p =p (p5 6 1 cesión de calor)
5
2

2is6
3
•
cantidad de combustible empleado ( Q+
↓), sólo para calentar de 3 a 4 en lugar de 2 a 4 como
ocurría en el ciclo simple (T
+
↑).  aumentará.
Regenerador: m h
 
6 5 3 2
gp
 p 6 5
gp
 p 2 3 6 5 2 3 h  m h  h  0  c T T  c T  T  T  T  T  T
Idealmente, T3,max  T5 T6  T2
Definimos la eficiencia del regenerador:  
T3 T2

T3 T2
T3,max T2 T5 T2
Q
3

Q
mf

6
5is
Q



7. 3. Mejoras del ciclo: recalentamiento y subenfriamiento
Tras la expansión en la turbina de alta presión hasta una p intermedia (4), se recalienta el gas a
p cte (5) y la expansión se completa en la turbina de baja presión (6). El trabajo neto aumenta
( ), pero  no aumentará necesariamente, debido al calor adicional consumido por el ciclo
1
3T
s
2
2is
(Q+
) (T
+
aumenta).
       
W neto WT W C WT1WT 2 W C  mh3  h4  h5  h6   mh2  h1 
 Expansión multietapa con recalentamiento:
WT2


Q
1
Q
turbina
alta presión
1
2
3
6
m

WC

mf 1

4
5
turbina
baja presión
cámara de combustión
4 5 recalentamiento
5 p =p (p )
6is
4 6
Como la temperatura a la salida de la turbina de baja presión T6 es mayor de lo que sería sin
recalentamiento (a), se puede aprovechar este caudal para combinar recalentamiento con
regeneración; en este caso  aumentará significativamente.
 
W•T W C
1 2 3 2 5 4
   
  
Q  Q  Q  m  h  h  h  h  
WT1

2
 
Q
delrecalentamientomf 2

p =p (p2 3 absorción de calor)
p6=p1 (pcesión de calor)4
is
a

8. 3. Mejoras del ciclo: recalentamiento y subenfriamiento
Recalentamiento en turbina y regeneración:
compresor
1
Wneto
Wcompresor8
7
regenerador
Q-
Q+
1
turbina
2
3
5
6
intercambiador
cámara de
combustión
4
Q+
2
recalentamiento

9. 1
5
T
s
2
2is
 Compresión multietapa con subenfriamiento:
WT

compresor
baja presión
2
3
m

WC1

mf
4
5


Q
compresor
alta presión
subenfriamiento
6
6is
Sin embargo, como la temperatura a la entrada de la cámara de combustión T4 es menor de lo
 
Q1


C2W

2

Q
3
4
4is
Tras la compresión en el compresor de baja presión hasta una p intermedia (2), se enfría el gas a
p cte en un intercambiador (3) y la compresión se completa en el compresor de alta presión (4).
•
que sería sin subenfriamiento (a), hace falta más calor ( Q+
) para llegar a T5, y  no aumentará
necesariamente. Podemos aumentar  combinando subenfriamiento con regeneración.
1 6
p4=p5 (pabsorción de calor)
p2=p3(psubenfriamiento)
p6=p1 (pcesión de calor)
       
W neto WT W C WT W C1W C 2  mh5  h6  mh2  h1  h4  h3 
1 2 6 1 2 3
   
  
Q  Q  Q  m  h  h  h  h  
- -
En este caso T disminuye. No podíamos modificar T en el ciclo de turbina de vapor porque la
cesión de calor ocurría a T cte.
El trabajo neto (WT W C ) aumenta al reducirse el trabajo consumido por el compresor:
a
3. Mejoras del ciclo: recalentamiento y subenfriamiento

10. Subenfriamiento en compresión, recalentamiento en turbina y regeneración:
3. Mejoras del ciclo: recalentamiento y subenfriamiento
compresor
1
4
5
Wneto
Wcompresor10
9
Q
regenerador
Q-
1
Q-
2
2
3
7
8subenfriamiento
intercambiador
Q+
1
cámara de
combustión
6
turbina
Q+
2
recalentamiento

11. 4. Ciclo de turbina de gas para propulsión de aviones
El turborreactor consiste en 3 secciones: el difusor, el
generador de gas (compuesto de compresor, cámara de
combustión y turbina) y la tobera.
1 2 3 4 5 6 1
5
T
s
2
6
3
4
Esquema de los componentes básicos de un turborreactor:
Difusor, tobera: conductos de
sección variable en los que se
modifica la velocidad  del
fluido que los atraviesa:
difusor
p1
T1
p2
T2
tobera
p5
T5
p6
T6
2
   2
 2

m hs  he  s e
 0
 
El difusor desacelera el aire entrante (1), y p aumenta (2). La sección del generador de gas
funciona como un ciclo de turbina de gas abierto. Los gases salen de la turbina (5) a una p
significativamente mayor que la p atmosférica, y se expanden en la tobera a gran velocidad (6).
Este cambio de velocidad de los gases relativo a la máquina dan lugar a la fuerza de propulsión
que mueve el avión.
p >p  <2 1, 2 1 p <p  >6 5, 6 5

12. 5. Ciclo combinado turbina de gas – turbina de vapor
WTG

turbina de
gas
cámara de
combustión
WC

compresor
maire

T
V
W

BW

Q
intercambiador
de calor
turbina de
vapor
1
magua

ciclo de turbina de gas (TG) ciclo de turbina de vapor (TV)
condensador
bomba
2
3
4
5
1’
2’
3’
regQ

1
3
4rev
T
s
p =p2 3
4
WTG
p1=p4

Q


2rev
2
CW

1’
3’
4
p2’=p3’
2’
W
 p1’=p4’
TV

Q rev 4’
5
neto TG C TV B
ciclo
combinado
W

    

Q
W  W W  W
 
  aire   agua p aire 3 4 p aire 2 1
p aire 3 2
maire c
maire c
  
 
Q
T T  m c T T  m h3'  h4 '

T T 
  
Qreg  magua h3'  h2 '  maire cp aire T4 T5 
agua
refrig

4’ m


Q
mf


Q
intercambiador
de calor
Qreg

cicloTG 
Q
 

WTG WC
 
WTV  WB
cicloTV 
Qreg

•
•Q+
en el ciclo de TV tiene lugar a temperaturas lejanas a las de los productos de combustión que ceden el
cal•or, mientras que en el ciclo de TG ocurre a temperaturas más cercanas.
•Q-
en el ciclo de TV tiene lugar a temperaturas cercanas al foco frío, mientras que en el ciclo de TG el aire
expandido tiene un elevado potencial de cesión de calor.
•El ciclo combinado tiene la alta T
+
del ciclo de TG y la baja T
-
del ciclo de TV, y por tanto unmayor η.
Ambos se combinan con un intercambiador de calor (que hace el papel de caldera del ciclo de TV).
mientras que: