Análisis 35: Turbina de gas no regenerativa.
Una mezcla volumétrica: 50% Etanol y 50% Metanol es empleado en un ciclo de potencia de gas. El combustible entra a 25 ºC y 1 MPa, mientras el aire entra a 300 ºC y 1 MPa, a una cámara de combustión isobárica, saliendo los productos de combustión a 1700ºC y 1 MPa. Existe un aporte extra de aire del 20%. Los productos de la combustión son expansionados en una turbina de gas adiabática (rendimiento isoentrópico del 75%), generando potencia mecánica. Finalmente, los gases son expulsados al ambiente a la presión de 101.325 Pa. Obtener:
Rendimiento isoentrópico del compresor
Exergía química del combustible
Temperatura adiabática de la llama
Trabajo específico desarrollado por la turbina
Rendimiento térmico de la turbina de gas
Eficiencia exergética de la turbina de gas
Irreversibilidades en cada elemento de la instalación
Temperatura de los gases de escape
Diagrama de Sankey
Diagrama de Grassmann
¿Qué consecuencias traería el aumento del rendimiento isoentrópico de la turbina de gas?
La eficiencia isoentrópica del compresor es obtenida inicialmente, 98.44%. En análisis de ingeniería, la eficiencia isoentrópica es un parámetro para medir el grado de degradación de la energía en dispositivos de flujo constante. Implica una comparación entre el rendimiento real de un dispositivo y el rendimiento que se lograría en circunstancias ideales para los mismos estados de entrada y salida. Aunque existe transferencia de calor entre el dispositivo y su entorno, la mayoría de los dispositivos de flujo estacionario están destinados a operar en condiciones adiabáticas. Los compresores y las bombas, cuando se someten a un proceso de flujo constante, consumen energía. La eficiencia isoentrópica de un compresor o bomba se define como la relación entre el trabajo de entrada a un proceso isoentrópico y el trabajo de entrada al proceso real entre las mismas presiones de entrada y salida.
Composición del combustible líquido:
Exergía química del combustible:
Temperatura adiabática de la llama:
El análisis de energía es el método más común para evaluar los sistemas de conversión de energía. Se basa en la primera ley de la termodinámica que consiste en la conversión de la energía. Este análisis hace un balance de energía para cualquier sistema de conversión de energía y el uso de la fuente de energía mientras se pueden determinar las pérdidas energéticas de los dispositivos.
Los cálculos se realizan mediante un proceso iterativo:
La temperatura de los gases de escape es de 1119.43 ºC.
Diagrama energético de Sankey:
El análisis de exergía, al derivarse de la segunda ley de la termodinámica, es útil para identificar las causas, ubicaciones y magnitudes de las ineficiencias del proceso. La exergía asociada con una cantidad de energía es una evaluación cuantitativa de su utilidad o calidad.
El análisis energético se basa en la primera ley de la termodinámica y proporciona únicamente la cantidad de energía intercambiada. Mientras que el análisis exergético se basa en la segunda ley de la termodinámica y representa la calidad de la energía y analiza la irreversibilidad de los procesos al analizar la eficiencia global del sistema, o eficiencia individual de los subsistemas.
Los cálculos se realizan mediante un proceso iterativo:
Las irreversibilidades en cada elemento que compone la instalación:
El diagrama de Grassmann:
La mayor destrucción de exergía se presenta en la cámara de combustión, ya que allí es donde ocurre la reacción química que libera la energía necesaria para elevar la temperatura y presión de los gases.
Al aumentar la eficiencia isoentrópica de la turbina de gas.
La mejora de los parámetros principales de la instalación es evidente:
La temperatura de los gases de escape decrece fuertemente, con lo que se consigue un mejor aprovechamiento de la exergía química del combustible, mejorando la eficiencia exergética (29.70%), decayendo las pérdidas por irreversibilidades en la turbina y disminuyendo también las pérdidas por irreversibilidades debida a los productos de combustión expulsados al ambiente.
El nuevo diagrama de Grassmann será:
La eficiencia exergética de la instalación aumenta.
Las irreversibilidades en cada elemento que compone la instalación:
Se observa una disminución de las irreversibilidades internas de la turbina (6.93 kJ/kmol) y de la cedida al ambiente asociada al flujo de calor de los productos calientes en forma de calor.
La eficiencias térmica de la instalación también aumentan, ya que aumenta el trabajo específico de la turbina. Al disminuir las irreversibilidades en la turbina, y aumentar su trabajo específico, aumenta la eficiencia exergética de la misma.
Algunos análisis de sensibilidad para una eficiencia isoentrópica de la turbina del 75%, se muestran a continuación:
Este último caso analiza la irreversibilidad en la turbina para una eficiencia isoentrópica de la turbina del 90%. Como era de esperar, decrece la irreversibilidad con respecto al caso anterior del 75%.
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