IPN

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

“CULHUACAN”

MATERIA: LAB. DE TERMODINAMICA II

ALUMNO:

GRUPO: 5mv1

CARRERA: ING. MECANICA

PRACTICA:

“TURBINA DE GAS”

15/10/2012

TURBINA DE GAS

Una turbina de gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.

Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y

en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a

los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya

que éstos son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas,

contienen una turbina de gas.

Turbomáquina

Una turbomáquina es una máquina cuyo elemento principal es un rodete (rotor) a

través del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando éste su cantidad de

movimiento por acción de la máquina, dándose así una transferencia

de energía entre la máquina y el fluido, la cual puede ser en sentido máquina-

fluido o fluido-máquina.

Las turbomáquinas se diferencian de otras máquinas térmicas en el hecho de que

funcionan de manera continua y no discreta, como es el caso de los

compresores de émbolo, las bombas de vapor a pistón o los populares motores de

pistón, las cuales son máquinas de desplazamiento volumétrico o positivo. A

semejanza de otras máquinas térmicas, son transformadoras de energía, lo cual

es una característica fundamental, entregándole energía mecánica al fluido de

trabajo convirtiéndola en presión (energía potencial), energía térmica o energía

cinética del fluido, pudiendo ser este intercambio en sentido contrario.

Bajo muchas formas las turbomáquinas están presentes en nuestra vida cotidiana,

desde los sencillos ventiladores y las bombas centrífugas que son de uso común,

hasta las grandes turbinas hidráulicas de las centrales hidroeléctricas y las

turbinas de vapor o a gas de las centrales térmicas son turbomáquinas. Es

importante destacar que las turbomáquinas son fundamentales en la conversión

electromecánica de energía, es decir, la generación eléctrica. Es este hecho el

cual convierte a las turbomáquinas en un objeto de gran importancia dentro de

la ingeniería mecánica, la cual dedica mucho a su estudio y proyección, e

igualmente, pero en menor medida, la ingeniería civil.

Clasificación

Las turbomáquinas pueden clasificarse de acuerdo a varios criterios como

funcionamiento, composición o sentido de flujo de la energía.

De acuerdo con el sentido del flujo de energía

Generadoras: la energía es entregada por el fluido a la máquina, y esta

entrega trabajo mecánico. La mayoría de las turbomáquinas motoras son

llamadas "turbinas", pero dentro de este género también entran los molinos de

viento. Posteriormente la energía mecánica puede ser transformada en otro

tipo de energía, como la energía eléctrica en el caso de las turbinas eléctricas.

Motoras: la energía es entregada por la máquina al fluido, y el trabajo se

obtiene de este. En este género entran las bombas, sopladores,

turbocompresores, ventiladores, y otros

De acuerdo con la forma que presenta el fluido proyectado a través del rotor

Radial: Si la trayectoria que sigue el fluido es principalmente normal al eje de

rotación (centrífugas o centrípetas según la dirección de movimiento).

Axial: Cuando la trayectoria del fluido es fundamentalmente paralelo al eje de

rotación.

Diagonal: Flujo diagonal al eje de rotación.

De acuerdo con el tipo de fluido que manejan

Térmicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido es significativo dentro

de la máquina, como en compresores.

Hidráulicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido no es significativo

dentro de la máquina, como en bombas o ventiladores.

De acuerdo con el cambio de presión en el rotor

Acción: no existe un cambio de presión en el paso del fluido por el rotor.

Reacción: existe un cambio de presión en el paso del fluido por el rotor.

]De acuerdo con el tipo de admisión

Total: todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo.

Parcial: no todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo.

Partes de una turbomáquina

Una turbomáquina consta de diversas partes y accesorios dependiendo de su tipo,

aplicación y diseño. Por ejemplo un ventilador puede ser una turbomáquina que

sólo conste de un árbol, motor, rotor y soporte, mientras que

un compresor centrífugo o una bomba semi-axial puede tener muchas partes que

incluso no comparta con las demás turbomáquinas existentes. Sin embargo, la

mayoría de las turbomáquinas comparten el hecho de tener partes estáticas y

rotativas; y dentro de estos conjuntos puede haber diversos elementos los cuales

muchas turbomáquinas comparten y una enumeración competente puede ser la

siguiente:

Partes rotativas

Rodete

El Rodete es el corazón de toda turbomáquina y el lugar donde aviene el

intercambio energético con el fluido. Se suelen emplear los índices 1 y 2 para

establecer la entrada y salida del rodete. Está constituido por un disco que

funciona como soporte a palas, también llamadas álabes, o cucharas en el caso

de las turbinas Pelton. La geometría con la cual se realizan los álabes es

fundamental para permitir el intercambio energético con el fluido; sobre éstas

reposa parte importante del rendimiento global de toda la turbomáquina y el tipo

de cambio energético generado (si la energía será transferida por cambio de

presión o velocidad). Los tipos de rotores pueden ser axiales, radiales, mixtos o

tangenciales, para su fácil identificación y distinción se hace uso de

representaciones por proyección específicas.

Rotor radial.

Rotor axial.

Eje o árbol

Tiene la doble función de trasmitir potencia (desde o hacia el rotor) y ser el soporte

sobre el que yace el rotor. En el caso de las turbomáquinas motoras éste siempre

está conectado a alguna clase de motor, como puede ser un motor eléctrico, o

incluso una turbina como es común en los turborreactores, muchas veces entre el

árbol y el motor que mueve a la turbomáquina se encuentra algún sistema

de transmisión mecánica, como puede ser un embrague o una caja reductora. En

el caso de las turbomáquinas generadoras, es frecuente encontrar un generador

eléctrico al otro extremo del árbol, o incluso hay árboles largos que soportan al

rotor en el medio y en un extremo se encuentra una turbomáquina generadora y al

otro un generador.

Partes estáticas

Al conjunto de todas las partes estáticas de la turbomáquina (y en otras máquinas

también) se le suele denominar estator.

Entradas y Salidas

Estas partes son comunes en todas las turbomáquinas, pero pueden variar de

forma y geometría entre todas. Existen turbomáquinas generadoras de doble

admisión, es decir, que tienen dos entradas diferenciadas y una salida única de

fluido. Estas partes pueden constar de una brida en el caso de la mayoría de las

bombas y compresores, pero en las turbinas hidráulicas grandes, sólo son

grandes tuberías y la salida muchas veces tiene forma de difusor. En los molinos

de viento, por ejemplo, la entrada y la salida sólo pueden ser superficies

imaginarias antes y después del rotor. El distribuidor, es el órgano cuya misión es

conducir el fluido desde la sección de entrada hacia el rodete. Se suelen utilizar

los índices 0 y 1 para desisgnar las magnitudes a la entrada del distribuidor y a la

salida (entrada en el rodete). Por otro lado, el difusor es un elemento que se

encuentra a la salida del rodete y que disminuye la velocidad del fluido, además de

acondicionar hidráulicamente el fluido para su conducción.

Álabes directores

También llamados palas directoras, son álabes fijos al estator, por los cuales pasa

el fluido de trabajo antes o después de pasar al rotor a realizar el intercambio

energético. Muchas turbomáquinas carecen de ellos, pero en aquellas donde si

figuran éstos son de vital importancia. En las turbomáquinas motoras se encargan

de dirigir el fluido en un cierto ángulo, así como acelerarlo para optimizar el

funcionamiento de la máquina. En las turbomáquinas generadoras se encuentran

a la salida del rotor. Los álabes directores también pueden llegar a funcionar como

reguladores de flujo, abriéndose o cerrándose a manera de válvula para regular el

caudal que entra a la máquina.

Cojinetes, rodamientos o rolineras

Son elementos de máquina que permiten el movimiento del eje mientras lo

mantienen solidario a la máquina, pueden variar de tipos y tamaños entre todas

las turbomáquinas.

Sellos

Son dispositivos que impiden la salida del fluido de la turbomáquina. Cumplen una

función crítica principalmente en los acoplamientos móviles como en los

rodamientos. Pueden variar de tipos y ubicación dentro una turbomáquina a otra.

Intercambio de energía entre el fluido y la turbomáquina

Cuando el fluido de trabajo pasa a través de la turbomáquina la naturaleza del

intercambio de energía es muy compleja debido a la cantidad de procesos

termodinámicos irreversibles que ocurren, además de la naturaleza complicada y

muchas veces caótica del movimiento del fluido en el seno del rotor. Para obtener

una primera consideración de este intercambio energético se deben hacer

consideraciones teóricas sobre la naturaleza del fluido y su comportamiento a

través del rotor, esto con la finalidad de simplificar el modelado matemático del

fluido en su paso por el rotor.

El fluido que pasa por el rotor es un fluido potencial.

Todas las líneas de corriente tienen la misma forma que cada uno de

los álabes o paletas del rotor, esto sería equivalente a decir que el rotor tiene

un "infinito" número de álabes.

Las características del régimen de flujo no varían en el tiempo, es decir, el flujo

se encuentra completamente desarrollado, o en otras palabras, nos

encontramos en régimen permanente.

Una vez declaradas estas simplificaciones podemos aludir a las leyes de

conservación de la mecánica y a la ecuación de transporte de Reynolds de

manera sencilla; pero dependiendo de la trayectoria del flujo de fluido a través del

rotor las formulaciones serán distintas.

Ciclo Brayton

El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo

termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión

adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de

un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más

amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por lo que el

producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la

producción de energía eléctrica o algún otro aprovechamiento –caso de las

industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos,

respectivamente–, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.

(Teórico: negro; real: azul)

Análisis termodinámico

Durante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina a gas el primero le

entrega energía a la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y

disminuye su temperatura. Podemos hacer un análisis termodinámico de este

proceso haciendo un balance de energía:

Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas,

pero a diferencia de otras nomenclaturas el trabajo  es considerado positivo si

sale del volumen de control, el cual en este caso contiene al fluido en su paso a

través de la turbina;   es la velocidad,   es la energía interna,   es la presión,   

es la altura,   es el calor transferido por unidad de masa y   es el volumen

específico. Los subíndices   se refieren a la salida y   se refieren a la entrada.

Para simplificar nuestro trabajo haremos las siguientes consideraciones:

Consideraremos este proceso como adiabático.

El cambio de energía potencial (gravitatoria) es despreciable debido a la baja

densidad de los gases.

Entonces de la primera ley de la termodinámica podemos deducir la expresión

para obtener el trabajo específico en función de las propiedades de entrada y

salida de la turbina del fluido de trabajo:

El término   es la entalpía la cual se define como:

.

DIFERENCIAS ENTRE GAS L.P. & GAS NATURALLas principales diferencias entre ambos son la forma en que son transportados, su eficiencia energética y costo.

De acuerdo con la Comisión Reguladora de Energía (CRE), ambos pueden usarse de forma similar en casa, por ejemplo para cocinar o calentar agua para bañarse; sin embargo, el gas natural emite menos contaminantes, es decir, tiene una flama más limpia.

Con respecto a precios la diferencia puede ser relativa, ya que el gas LP tiene subsidio, mientras que el gas natural se rige por los precios internacionales, sin embargo, de acuerdo con la CRE, a la larga el gas natural puede ser más económico debido a que se distribuye por vía subterránea, mientras el LP, en cilindros.

“El gas natural se cobra por metro cúbico y varía según el precio del dólar. Por ejemplo, de septiembre a noviembre de este año el promedio fue de 4.42 pesos por m3”, explican en Gas Natural.

Haciendo cuentas, podemos decir que, de entrada, el gas natural sí es más económico que el LP de acuerdo con esta cuenta: si una persona compra al mes un cilindro de 20 kg de gas LP a un precio de 195 pesos, la equivalencia por la misma cantidad de gas natural es de 27 m3 a un costo de 120 pesos. Es decir, el ahorro mensual con gas natural es de 75 pesos, casi 40% más, pero a la factura del gas natural también tiene que agregarle costos adicionales como la renta del servicio equivalente a 70.60 pesos al bimestre más IVA.

De acuerdo con el Departamento de Energía de EU, el gas LP es más pesado que el aire y que el gas natural. En caso de fuga, ambos representan un riesgo en grandes cantidades si hay una ignición, sin embargo, como el gas LP es más pesado tiende a irse al subsuelo, por lo que su riesgo de explosión es mayor.

En cuanto a consumo, el LP da más energía por unidad de volumen que el gas natural. El calor se mide en unidades BTU o unidades térmicas británicas.

El gas LP da aproximadamente 2,500 BTU por el mismo volumen de gas natural y que sólo da 1,000 BTU. Otro de los grandes mitos es que el gas natural no huele, por lo que no es detectable en caso de fuga. Al respecto, la CRE informa que por ley ambos gases deben ser odorizados, con el fin de que sean identificables en caso de fuga.

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: