Análisis termodinámico de una turbina de gas en una planta de energía: Aplicación del ciclo Brayton
Enviado por werttuhhv • 5 de Diciembre de 2024 • Ensayo • 4.024 Palabras (17 Páginas) • 39 Visitas
Tesina La Mecatrónica en la Manufactura Automotriz
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VICTORIA
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Análisis Termodinámico de una Turbina de Gas en una Planta de Energía: Aplicación del Ciclo Brayton.
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Nombre del alumno:
ANGEL ROBERTO VILLANUEVA
Nombre del profesor:
PABLO CÉSAR CARBÓ VELA
Cd. Victoria, Tamaulipas, septiembre de 2024[pic 5]
Introducción
En las plantas de energía modernas, las turbinas de gas son ampliamente utilizadas para generar electricidad de manera eficiente. Estas turbinas funcionan bajo el ciclo Brayton, un ciclo termodinámico que convierte la energía térmica en trabajo mecánico, y posteriormente en energía eléctrica.
Además, es uno de los ciclos termodinámicos más comunes que se pueden encontrar en las centrales eléctricas de turbinas de gas o en aviones. A diferencia del ciclo de Carnot, el ciclo de Brayton no ejecuta procesos isotérmicos, ya que estos deben realizarse muy lentamente. En un ciclo Brayton ideal, el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isobáricos.
Dado que el principio de Carnot establece que ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura, una turbina de gas basada en el ciclo Brayton debe tener una eficiencia menor que la eficiencia de Carnot.
Una gran turbina de gas de un solo ciclo típicamente produce, por ejemplo, 300 megavatios de energía eléctrica y tiene una eficiencia térmica del 35-40%. Las plantas modernas de turbina de gas de ciclo combinado (CCGT), en las que el ciclo termodinámico consta de dos ciclos de planta de energía (por ejemplo, el ciclo Brayton y el ciclo Rankine), pueden lograr una eficiencia térmica de alrededor del 55%.
Objetivo del reporte.
El presente análisis se enfocará en una turbina de gas utilizada en una planta de energía. El objetivo es estudiar su comportamiento termodinámico aplicando el ciclo Brayton, calcular las propiedades clave, y determinar el calor, el trabajo y la potencia que produce la turbina, junto con las conversiones de unidades necesarias para presentar los resultados.
Esquema del Sistema Termodinámico
Un compresor extrae aire a baja presión, que luego se comprime a una presión más alta. En una cámara de combustión, el combustible se combina con aire comprimido y se quema. Los gases calientes resultantes se expanden a medida que entran en la turbina. Cuatro procesos fundamentales conforman el Ciclo Joule. Ellos son:
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- Proceso 1-2
El proceso de compresión es isentrópico. Aquí, la temperatura del gas aumenta ligeramente como resultado de la compresión. El volumen de gasificación disminuye debido al proceso de compresión.
- Proceso 2-3
Es un isobárico proceso de adición de calor. Debido a la adición de calor, hay un ligero aumento de volumen. La temperatura de los gases aumenta porque es un proceso de adición de calor.
- Proceso 3-4
El proceso de expansión es isentrópico. Debido a la expansión, hay una pequeña caída de temperatura en esta área. El volumen del gas aumenta porque se está expandiendo durante el proceso.
- Proceso 4-1
Es un isobárico proceso para el rechazo de calor. El rechazo de calor provoca una ligera reducción de volumen. La temperatura de los gases cae porque es un proceso de rechazo de calor.
Diagrama de Temperatura/Entropía[pic 7]
Aire ambiental en la atmósfera que actualmente no está perturbado.
(1 -> 2) El aire ambiente entra en contacto con el compresor de la turbina de gas y la presión y la temperatura aumentan dramáticamente. El aumento de la presión proviene del trabajo que realiza el aire el compresor que envasa el aire en la cámara del mezclador/combustión, y el aumento de la presión provoca un aumento de la temperatura en las moléculas de gas porque el volumen del recipiente permanece constante (PV = nRT). Debido a que este es un proceso ideal, se cree que la entropía permanece igual, por lo tanto, este es un proceso isentrópico (en realidad, sin embargo, la entropía aumenta debido al flujo y movimiento de las moléculas de gas).
(3 -> 5) El aire atmosférico se ha compactado en la cámara de combustión donde el combustible gaseoso se mezcla con el aire. Una vez que esta mezcla se ha encendido, vemos un fuerte aumento de la temperatura y la entropía (no la presión, porque las curvas representan un valor específico de presión, por lo que este es un proceso isobárico) debido a la reacción de combustión del combustible y el aire. La energía de los enlaces químicos en el combustible se rompe debido a la ignición y se produce una reacción altamente exotérmica que eleva la entropía debido a la descomposición de las cadenas de hidrocarburos en agua y aire (más moléculas) y eleva la temperatura debido al aumento de la energía ambiental de la reacción exotérmica.
(5 -> 8) En el punto 5, el combustible presurizado y el aire salen de la cámara de combustión a la cámara de expansión, donde vemos una rápida caída de presión debido a un mayor volumen y exposición a los alrededores. La energía de la cámara de combustión se utiliza dos para dos propósitos: girar una turbina que está conectada al compresor (que mantiene el ciclo de Brayton funcionando continuamente) y como empuje. Estos dos propósitos representan el punto 6 e idealmente es un proceso isentrópico. La rápida caída de presión muestra cómo la energía del aire en la energía de combustión se utiliza mecánicamente para girar una turbina que ejecutará el proceso del compresor porque la energía que se necesita para comprimir la energía atmosférica es menor que la energía producida por la ignición del combustible. La energía sobrante de girar la turbina es la utilizada como empuje para hacer el trabajo (como el vuelo en un jet). El aire expulsado se convierte entonces en un aire ambiente que es de un nivel de energía más alto que el aire del punto 1, pero eventualmente perderá energía a los alrededores (proceso isobárico) y convertirse en el aire ambiente inicial.
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