El modelo termodinámico de las
turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton, a pesar de que se
generaliza como ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no cumple
un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este finaliza en un estado
diferente al que tenía cuando inició los procesos, se podría decir que es un
ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara
de combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las
turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia
para agregar o remover calor del fluido de trabajo.
El ciclo básico de Brayton en
condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos:
1-2. Compresión isentrópica en un
compresor.
2-3. Adición de calor al fluido de
trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de
combustión.
3-4. Expansión isentrópica en una
turbina.
4-1. Remoción de calor del fluido
de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera.
Ciclo Brayton Real
La eficiencia térmica del ciclo
Brayton ideal depende de la compresión. Si se aumenta la relación de compresión
en el ciclo será necesario suministrar más calor al sistema debido a que las
líneas de presión constante divergen hacia arriba y hacia la derecha en el
diagrama T-s y la temperatura máxima del ciclo será mayor. Como el calor
suministrado es mayor, la eficiencia térmica aumentará con el ratio de
compresión.
Sin embargo la temperatura máxima
del ciclo está limitada por los materiales en los cuales están construidos los
componentes y por lo tanto se requerirán sistemas de refrigeración más
eficientes.
La eficiencia del ciclo también se
ve afectada por las pérdidas en el compresor, en la turbina y en las caídas de
presión en la cámara de combustión y otros pasajes. Podemos verlo en el
diagrama que representa estas condiciones en el ciclo, disminuyendo en
consecuencia la eficiencia del ciclo.
Ciclo Brayton con Regeneración
Para el ciclo Brayton, la
temperatura de salida de la turbina es mayor que la temperatura de salida del
compresor. Por lo tanto, un intercambiador de calor puede ser colocado entre la
salida de los gases calientes de la turbina y la salida de los gases fríos que
salen del compresor. Este intercambiador de calor es conocido como regenerador
o recuperador. La regeneración conviene solo cuando la relación de presión en
la expansión es baja, ya que de esta manera se puede asegurar que el calor
máximo estará dado por la corriente que en un ciclo simple se desprende hacia
el ambiente, este calor máximo se aprovecha para precalentar el aire que va a
entrar a la cámara de combustión, significando esto un ahorro energético
significativo. Para el caso contrario, es decir, relación de presiones altas,
este calor será muy bajo, pues saldrá a temperatura muy baja, producto de la
expansión excesiva, perdiéndose este calor al ambiente, sin poder aprovecharlo.
Ciclo Brayton con Interenfriamiento
Cuando se emplea la compresión en múltiples
etapas, enfriar el fluido de trabajo entre etapas recude la cantidad de trabajo
requerido por el compresor. El trabajo de compresor es reducido porque el
enfriamiento del fluido de trabajo reduce el volumen específico promedio del
fluido y por lo tanto reduce la cantidad de trabajo en el fluido para alcanzar
el aumento de presión dado.
El interenfriamiento es casi
siempre utilizado con regeneración. Durante este la temperatura de salida del
compresor es reducida en consecuencia, más calor debe ser cumplido en el proceso
de adición de calor para alcanzar la temperatura máxima del ciclo. La regeneración
puede reponer parte de la transferencia de calor necesitada.
Ciclo Brayton con Recalentamiento
Cuando se emplea expansión multietapa
a través de dos o más turbinas, el recalentamiento entre etapas aumentará el
trabajo neto hecho (aumenta inclusive el calor de entrada requerido).
regeneración:
Según el esquema mostrado anteriormente, se puede decir que:
Se requieren datos de eficiencias isoentrópicas de compresores y turbinas,
y eficacia del regenerador. Además normalmente cuando el ciclo se trabaja
en forma real, se suministran mayor cantidad de datos en cuanto a caídas
de presión y variaciones de temperaturas a lo largo de las tuberías.
A la salida de los compresores y turbina debe considerarse una
temperatura real, luego de buscarse la temperatura ideal, con ayuda de las
ecuaciones de eficiencias isoentrópicas, podemos determinar los valores
reales.
Se puede aproximar la T4 = T10.
Como la Eficacia del regenerador es menor al 100%, entonces la T5≠T9.
Las relaciones de presión encada etapa tanto de compresión o expansión
pueden variar
Deben determinarse trabajos reales tanto de compresión y expansión
Se pueden utilizar las ecuaciones de procesos isoentrópicos pero luego se
procede a determinar la desviación.
Las temperaturas de entrada a cada etapa de compresión y expansión
puede ser distinta, ya que la transferencia de calor no es completamente
efectiva.
https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/guia-tema-41.pdf
