CICLO DUAL ( CICLO OTTO CON CICLO DIESEL) • • El ciclo dual está diseñado para aprovechar algunas de lasventajas de los ciclos Otto y Diesel. Es la mejor aproximación a la operación real de la máquina de ignición por compresión. Es un híbrido entre el ciclo Otto y el Diese1 y es mejor para aproximar tanto uno como otro tipo de motor. Los procesos se esquematizan como se muestra en la figura y el rendimiento energético es: siendo Rp la relación entre la presión máxima y la intermedia (nótese que r, rv y rp son mayores que la unidad) η =1− Cv (Td − Te ) CV (Tb − Ta ) + C P (TC − Tb ) (Td − Te ) (Tb − Ta ) + k (TC − Tb ) =1 − Este límite superior está condicionado por la transmisión de calor en el núcleo del reactor. Para más de 500 MW la presión y temperaturas máximas suelen ser 25 MPa (supercríticas) y 820 K (550 O C ) para evitar la necesidad de aceros austeníticos caros. El rendimiento adiabático de la turbina propiamente dicha suele ser del 85% y el de la conversión mecánica-eléctrica del 98%. La presión del condensador es de unos 5 kPa (33 OC). para centrales de combustión. Para grandes potencias se usan turbinas simétricas. Como la fuente de calor es externa. y varias de baja presión en paralelo. fuelóleo.35 para toda la planta. con un qe=0. y para más de 1 MW se hacen extracciones de vapor para calentamiento del agua. el límite (unos 400 MW) viene definido por la capacidad de quemado. Se necesitan . El problema de estos equipos es que son muy voluminosos. que aspiran el condensador por efecto venturi. para conseguir tamaños razonables. carbón o basura. rp rck − 1 1 η = 1 − k −1 rv rp − 1 + krp (rc − 1) APLICACIONES TURBINAS Turbinas de vapor La experiencia de más de un siglo que se tiene con estos equipos hace que sean los más desarrollados. el coste inicial es muy alto y la producción tiene mucha inercia (tardan mucho en arrancar y parar y se adaptan muy mal a las fluctuaciones de la carga). para mantener esta depresión frente a las fugas con la atmósfera y desorpción de gases disueltos se suelen utilizar eyectores de vapor. Los tamaños van desde 1 kW hasta los 1000 MW eléctricos típicos de cada grupo nuclear. en cambio. Si la presión de alta es superior a unos 8 MPa (caso normal) se usa recalentador. para una misma turbina se puede quemar gas natural. 3 m2. Como central eléctrica sólo se utiliza para cubrir picos y emergencias. pero en este caso la diferencia no es tan grande como en las turbinas de vapor y las pérdidas por rendimiento adiabático en compresor y turbina pueden consumir ese exceso de trabajo. produciéndose más trabajo en la expansión en caliente del que se necesita para la compresión en frío. tiene una relación de presiones ~ 1 2 = 31 y una temperatura máxima T3.grandes reductores para pasar de las 10000 rpm típicas de la turbina a unas 1500 o 3000 rpm del alternador. por lo que su diseño es muy comprometido. A modo de ejemplo. En aviación es el motor ideal por su enorme relación potencidmasa (dan un empuje cinco veces mayor que su peso) y. y en los años 60 se volvió al desarrollo de plantas de potencia al eje. la mayoria de los automóviles potentes van dotados de turboalimentación (un eje movido por una turbina en el conducto de escape que hace girar un compresor en el conducto de admisión. Los tamaños de turbinas de gas van desde 0. De hecho. las primeras turbinas de gas. necesitaban aporte de trabajo para funcionar en régimen.30).15) hasta 200 MW (con q. por su respuesta rápida. = 1600 K (álabes refrigerados). el único utilizado. Además. En automoción. para aumentar la potencia específica). aunque el coste por kW instalado es bajo (un 60% del de una central de vapor).=0. tiene una masa de 4056 kg y da un empuje de 233 kN (empujelpeso = 5. salvo en pequeñas avionetas. donde se ha llegado a desarrollar algún motor de turbina de gas para grandes camiones.9). pues tiene menor rendimiento y consume combustibles más caros. Después de la 2%ue1-ra Mundial se consiguió utilizarlas como plantas propulsoras en aviación. A veces resulta muy ventajoso el hecho de . Resulta muy instructivo comparar los rendimientos energéticos y exergéticos de cada componente de una central típica (8 MPa. cada vez se usan más en buques de guerra. cada una de las turbinas que propulsan el avión europeo Airbus (en concreto la General Electric GE-CF680C2). aspira 800 kg/s de aire a través de un área de entrada de 4. en los años 30.=0.3 MW (con q. 800 K) Turbinas de gas La planta de potencia de turbina de gas (también la de turbina de vapor) se basa en la divergencia de las isobaras en el diagrama T-S. 1700 K si se refrigera con aire del compresor (se consume hasta un 10%). a 20 con dos o hasta 30 con tres etapas (cada una de ellas de ocho o diez escalones). Recordando que el rendimiento energético del ciclo Brayton es rl=l-ll~~l'dse. o su reducido tamaño (plantas móviles de 15 MW).e. La regulación de potencia se hace variando el gasto de combustible (pero el rendimiento baja mucho si no funciona a plena carga). gases licuados del petróleo o incluso gasóleo (pero no fuelóleo). De turbinas suele haber una o dos etapas de tres a cinco escalones. el cual se extrae del compresor de manera que el trabajo que produce en la turbina el resto (tras pasar por la cámara de combustión) sea suficiente para mantener el equipo funcionando. la mayoría son máquinas de flujo axial. Otra aplicación interesante de la turbina de gas es como generador de aire comprimido. claro. y en tierra el gas natural.que la turbina de gas no requiere agua de refrigeración. La contaminación que genera (aparte del alto nivel de ruido) es principalmente debida a los óxidos de nitrógeno. La relación de presiones puede llegar a 10 con un compresor. que se forman a las altas temperaturas existentes en la cámara de combustión. El límite metalúrgico hace que la temperatura de entrada a la turbina no deba pasar de 1250 K o. para evitar tener que usar grandes reductores (de 10000 rpm en el.rodete compresor-turbina a 1500 ó 3000 rpm en el alternador). y conviene que una etapa vaya desconectada de los compresores y conectada directamente a la carga. a lo sumo. Aunque la mayoría de las turbinas de gas se han desarrollado a partir de las de aviación y son de combustión interna (ciclo abierto) también existen turbinas de gas encerrado (normalmente helio) que reciben calor del exterior (p. del circuito refrigerante de un reactor nuclear) y evacúan calor al exterior para cerrar el ciclo de la sustancia de trabajo. La combustión a volumen constante daría algo más de rendimiento. aunque esto mismo complica la regulación. siendo despreciables las emisiones de inquemados por el gran exceso de aire usado en la combustión (relación másica aire/combustible del orden de 70). Excepto las turbinas de gas más pequeñas. . simplificándose además el arranque por reducirse la inercia. ve que conviene gran relación de presiones y gran relación de capacidades térmicas (gas monoatómico). Los combustibles normales son: en aviación el queroseno. pero la complejidad de válvulas y los esfuerzos intermitentes lo hacen impracticable. que usan compresor centrífugo. Para las de ciclo cerrado se puede quemar cualquier cosa. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial. Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura de salida de los gases de escape por chimenea. cámara/s de combustión y turbina propiamente dicha l) No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un condensador) m) Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene. peso y tamaño b) Bajo costo de instalación c) Rápida puesta en servicio d) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los movimientos roto alternativos de los motores de combustión interna) e) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente perfecto y simple. en el orden de las ¾ partes. siempre que los gases de combustión no corroan los álabes o se depositen en ellos n) El par motor es uniforme y continuo DESVENTAJAS DE LA TURBINA A GAS Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a: 1. gasoil. gas natural. o sea un 75% de la potencia total de la turbina . carbón pulverizado.VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS a) Muy buena relación potencia vs. a diferencia de máquinas con movimiento alternativos f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión interna) g) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento h) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente i) Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja presiones) j) El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constante en la cámara de combustión (diferente a los motores de combustión interna) k) Pocos elementos componentes: compresor. entre 495ºC a 560 ºC 2.