FACULTAD DE INGENIERIA EN
MECANICA Y
CIENCIAS DE LA PRODUCCION
TURBOMAQUINARIA Y PLANTAS
DE POTENCIA
I TERMINO 2021-2022
UNIDAD-5
5.- Ciclos de potencia de gas y combinados
5.1. Suposiciones de aire estándar
5.2. Ciclo Brayton simple, con regeneración, interenfriamiento
y recalentamiento
5.3. Análisis de ciclos de potencia de gas con base en la
segunda ley
5.4. Ciclos de potencia combinados gas-vapor
INTRODUCCION
Objetivos:
• Desarrollar suposiciones de simplificación aplicables a ciclos de
potencia de gas.
• Evaluar el desempeño de los ciclos de potencia de gas para los que
el fluido de trabajo permanece como gas durante todo el ciclo.
• Resolver problemas basados en el ciclo Brayton; el ciclo Brayton
con regeneración, y el ciclo Brayton con interenfriamiento,
recalentamiento y regeneración.
• Analizar ciclos de potencia que consisten en dos ciclos separados
conocidos como ciclos combinados y ciclos binarios.
5.4. Ciclos de potencia combinados gas-vapor
Para obtener eficiencias térmicas más altas se han originado
modificaciones innovadoras en las centrales termoeléctricas
convencionales.
La modificación aún más extendida incluye un ciclo de potencia de gas
(Bryton) que remata a un ciclo de potencia de vapor (Rankine), esto se
denomina ciclo combinado de gas y vapor, o sólo ciclo combinado.
El ciclo combinado que más interesa es el ciclo de turbina de gas, el cual
remata al ciclo de turbina de vapor.
Este ciclo tiene una eficiencia térmica más alta que cualquiera de los
ciclos ejecutados individualmente.
Es conveniente aprovechar las características deseables del ciclo de turbina de gas
a altas temperaturas y utilizar los gases de escape de alta temperatura como fuente
de energía en un ciclo en un intervalo de temperaturas menores, como un ciclo de
potencia de vapor.
El resultado es un ciclo combinado de gas y vapor. En este ciclo, la energía se
recupera de los gases de escape y se transfiere al vapor en un intercambiador de
calor que sirve como “caldera”.
Por lo general más de una turbina de gas se necesita para suministrar suficiente
calor al vapor. Además, el ciclo de vapor pudiera implicar tanto regenerador como
recalentamiento.
La energía para el proceso de recalentamiento puede ser suministrada
quemando algún combustible extra en los gases de escape ricos en oxígeno.
Nuevos desarrollos tecnológicos para las turbinas de gas han logrado
que el ciclo combinado de gas y vapor resulte muy atractivo desde el
punto de vista económico, ya que el ciclo combinado aumenta la
eficiencia térmica sin incrementar mucho el costo inicial de la central.
Actualmente muchas centrales termoeléctricas nuevas operan en ciclos
combinados, y muchas centrales de vapor o de turbina de gas existentes
se están convirtiendo en centrales de ciclo combinado.
Como resultado de esta conversión, se han reportado eficiencias
térmicas muy por encima de 40%.
Ejercicio.Considere un ciclo de potencia combinado de gas y vapor en el cual el ciclo superior es un ciclo de
turbina de gas que tiene una relación de presión de 8. El aire entra al compresor a T=300 K y a la
turbina a T=1300 K. La eficiencia isentrópica del compresor es de 80%, mientras que la de la
turbina de gas es de 85%. El ciclo inferior es un ciclo Rankine ideal simple que opera entre los
límites de presión de 7 MPa y 5 kPa. El vapor se calienta en un intercambiador de calor por medio
de los gases de escape hasta una temperatura de 500°C.
Los gases de escape salen del intercambiador de calor a T= 450 K. Determine:
a) la relación entre los flujos másicos del vapor y de los gases de combustión
b) la eficiencia térmica del ciclo combinado.
T=500°C
Nota:
Un kg de gases de escape puede
calentar 0,1311 kg de vapor de
32.78°C a 500°C, cuando los gases
se enfrían de 853°C a 450°C