EVALUACIÓN Y ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE UN CICLO BRAYTON

[pic 1]

EVALUACIÓN Y ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE UN CICLO BRAYTON

Autores:

DANIEL FRANCISCO CASTRO ACEVEDO

T0002662

DANIEL ALFREDO MEZA VIVANCO

T00022314

Profesor:

Ph.D. BIENVENIDO SARRIA LÓPEZ

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE BOLIVAR

PROGRAMA DE INGENIERIA MECÁNICA

TERMODINÁMICA

CARTAGENA 2015

Introducción

En el mundo actual hay una inmensa interacción entre el ser humano y la industrias que han venido creciendo década tras década, es por esto que la Termodinámica surge como la rama de la física que describe los estados de equilibrio a un nivel macroscópico. Se hizo necesario la invención de máquinas y elementos que aumentaran la eficiencia que demandaban algunas industrias por ende el ser humano debió comprender en su totalidad las interacciones que se producen en el interior de estos elementos.

El presente trabajo busca conocer, analizar e interpretar los procesos que ocurren en un ciclo brayton.

Objetivo

Desarrollar habilidades y capacidades para saber hacer los  cálculos y análisis termodinámicos  del ciclo brayton.

Objetivo del trabajo

El trabajo se aplica para un ciclo brayton en el cual tenemos como referencia una  turbina Mitsubishi Heavy Industries M501F3 la cual comenzaremos usando como dato inicial las condiciones ISO.

Marco teórico

Energía

Se define por energía la capacidad de producir un trabajo existen distintas formas de hacerlo de ahí que existan distintas formas de energía, por ejemplo la mecánica, la cinética, la potencial, la nuclear, la magnética, la eléctrica, la química, la nuclear y la térmica. Esta última, interesa a la termodinámica, debido a que esta rama de la ciencia estudia la producción de potencia a partir del calor. [Termodinámica de Cengel 7ª Edición.]

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica es la descripción del principio de conservación de la energía el cual plantea que la energía no se puede crear, ni se puede destruir, solamente se puede transformar por tanto la variación de energía en un sistema (espacio seleccionado para hacer el estudio termodinámico) luego de cualquier proceso es igual a la diferencia de energía a la entrada y la salida del mismo. Matemáticamente se puede expresar de la siguiente manera:

[pic 2]

[Termodinámica de Cengel 7ª Edición.]

La energía del sistema en cualquier momento se denota como E, la cual es la suma de todas las energía del sistema (cinética, potencial, interna)

[pic 3]

[Termodinámica de Cengel 7ª Edición.]

Es muy usual trabajar con la energía específica, denotada con e, del sistema la cual se obtiene dividiendo la energía total por la masa del sistema

[pic 4]

Transferencia de energía

En un sistema termodinámico la energía que puede atravesar sus límites, sólo se puede encontrar como:

• Calor (Q): es energía transferida entre un sistema y el exterior debido a la diferencia de temperatura entre ellos. En todos los casos la transferencia se da desde el lugar de mayor temperatura hasta el lugar de menos temperatura. De esto se infiere que no existe transferencia de calor si no hay diferencia de temperatura.  Los sistemas que no permiten transferencia de calor se conocen como adiabáticos.

• Trabajo (W): No se causa por la diferencia de temperatura entre el sistema y el interior. Se necesita un elemento que suministre o quite energía del sistema, por ejemplo, ejes rotatorios, alambres eléctricos, turbinas, bombas, compresores. Si el trabajo se realiza sobre sobre el sistema la energía de este aumenta, mientras si el trabajo es realizado por el sistema se disminuye la energía del mismo.

• Flujo másico (): Debido a que la masa posee energía interna, el flujo másico que entra y sale de un sistema aumenta o disminuye su energía. Los sistemas en los que no existe flujo másico a través de sus fronteras se conocen como sistemas cerrados.[pic 5]

[Termodinámica de Cengel 7ª Edición.]

CICLO BRAYTON  

En este ciclo de generación de potencia el aire se comprime al inicio en forma adiabática en un compresor rotatorio axial o en uno centrifugo. Seguidamente el aire entra en una cámara de combustión donde se inyecta y quema a presión esencialmente constante. Luego los productos de la combustión se expanden a través de una turbina hasta alcanzar la presión ambiente de los alrededores. Un ciclo compuesto por estos tres pasos recibe el nombre de ciclo abierto, ya que el ciclo en realidad no se completa. Los ciclos de las turbinas de gas reales son ciclos abiertos ya que se debe introducir aire en forma continua en el compresor. Si se desea evaluar un ciclo cerrado, los productos de la combustión que se han expandido a través de la turbina deben enviarse a través de un intercambiador de calor, donde este  elimina el gas hasta que se obtiene la temperatura inicial.

[pic 6]Ciclo Brayton abierto y cerrado   

[INDICADORES ENERGÉTICOS Y ECONÓMICOS EN BLOQUES DE TRIGENERACIÓN INDUSTRIAL AL UTILIZAR DIFERENTES TECNOLOGÍAS PARA EL ENFRIAMIENTO DEL AIRE EN CASO ABOCOL, TRIANA CAROLINA]

TURBINA DE GAS

La central eléctrica de ciclo combinado es reconocida como una de las mejores centrales eléctricas térmicas debido a su alta eficiencia y limpieza. Como equipo esencial de la central eléctrica de ciclo combinado es la turbina de gas, la turbina de gas es clave para la mejora de la eficacia de la central eléctrica de ciclo combinado.

La turbina de gas de la serie F, con una temperatura de entrada de 1,350 °C, fue desarrollada en 1989 por Mitsubishi Industry.

[TESIS: ANALISIS TERMODINAMICO DE UNA PLANTA DE 414 MW DE CICLO COMBINADO. ESCRITA POR: JESUS VILLEGAS]

DEFINICION Y PARTES ESENCIALES

Las plantas de ciclo combinado, que usan turbinas de gas y turbinas de vapor son más eficientes al momento de la generación de energía térmica también tienen una eficiencia térmica mucho más alta que las de las centrales eléctricas convencionales y menor emisión de gases.

Mitsubishi Heavy Industries ha estado desarrollando y mejorando turbina de gas que utilizan altas temperaturas.

Desde la primera prueba a plena carga de una turbina de gas  Serie de F en 1989, esta máquina ha alcanzado resultados excelentes en operación en centrales eléctricas en todo el mundo. La flota satisfactoriamente ha registrado más de 1.5 millones de horas de operación (desde julio del 2002) con registros de pista excelentes en fiabilidad y  disponibilidad. La última turbina de gas Serie F Mitsubishi es tasada en  56-57 % (LHV) la eficacia de ciclo combinado.

Los rasgos de las turbinas de gas Serie de F  [TESIS: ANALISIS TERMODINAMICO DE UNA PLANTA DE 414 MW DE CICLO COMBINADO. ESCRITA POR: JESUS VILLEGAS]

Funcionamiento:

Los rasgos de diseño probados de la turbina de gas Serie D fueron utilizados en la turbina de gas Serie de F para conservar la experiencia probada. El motor de la serie D tiene una entrada de 1150 °C. El motor de la serie F tiene una entrada mucho más alta de 1350-1400 °C para alcanzar una mayor salida y eficacia más alta.  

Los Rasgos de Diseño Son:

1. Configuración: El eje del compresor es el rotor de la turbina. El rotor es apoyado por dos soportes. El cojinete de empuje es un tipo de multialmohadilla que usa un sistema de lubricación directo. Una unidad de disco frío reduce al mínimo el efecto de la expansión térmica.
2. Compresor: El compresor es un diseño de flujo axial con dieciséis etapas para la  M501F y con diecisiete etapas para la M701F. Las superficies sustentadoras DCA (Doble Arco Circular) son aplicadas en las primeras 4 etapas del compresor para alcanzar la gran capacidad de aire de entrada. Los alabes del compresor son reemplazables.
3. Turbina: turbina axial es de cuatro etapas para mantener la carga óptima aerodinámica. Los alabes de la turbina son de una aleación súper avanzada níquel.
4. Combustores: son 16 combustores ubicados en tipo anular, esta configuración proporciona el mantenimiento más fácil y más bajo NOx.
5. Sistema de refrigeración de rotor: La descarga del compresor en sus primeras 4 etapas proporciona aire que enfría a los alabes de la turbina y al rotor.

 [TESIS: ANALISIS TERMODINAMICO DE UNA PLANTA DE 414 MW DE CICLO COMBINADO. ESCRITA POR: JESUS VILLEGAS]

CALCULOS

Comenzaremos a analizar inicialmente con condiciones ISO, luego se analizaran con la temperatura y humedad de Cartagena el ciclo brayton con la turbina Mitsubishi Heavy Industries M501F3.

Tenemos que:

[pic 7]

[pic 8]

Vamos a empezar hallando la eficiencia del compresor, PR=16.

[pic 9]

...