Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CICLOS DE POTENCIA DE GAS
w turbina
w compresor
w neto
Trabajo de retroceso
FIGURA 9-34
La fracción de trabajo de la turbina
que se emplea para accionar el
compresor se denomina relación del
trabajo de retroceso.
regeneración también reduce la temperatura de escape de 600 °C (1 100 °F) a
350 °C (650 °F). El aire se comprime a 3 atm antes de entrar al interenfriador.
Comparadas con la turbina de vapor y los sistemas de propulsión diesel, la
turbina de gas ofrece mayor potencia para determinados tamaño y peso, alta
confiabilidad, larga vida y operación más conveniente. El tiempo de arranque
de la máquina se ha reducido de 4 horas requeridas para un sistema de propulsión
típico con base en vapor de agua, a menos de 2 minutos para una turbina de
gas. Muchos sistemas de propulsión marina modernos utilizan turbinas de gas
junto con motores diesel debido al alto consumo de combustible de los motores
de turbinas de gas de ciclo simple. En sistemas combinados de diesel y turbinas de
gas, el diesel se utiliza para proporcionar de manera eficiente baja potencia y
operación de crucero, mientras que la turbina de gas se emplea cuando se necesitan
altas velocidades.
En las centrales eléctricas de turbina de gas, la relación entre el trabajo del
compresor y el trabajo de la turbina, denominada relación del trabajo de retroceso,
es muy alta (Fig. 9-34). Usualmente más de la mitad de la salida de
trabajo de la turbina se utiliza para activar el compresor. La situación es aún peor
cuando las eficiencias isentrópicas del compresor y de la turbina son bajas. Esto
contrasta considerablemente con las centrales eléctricas de vapor, donde la relación
de trabajo de retroceso es solamente un pequeño porcentaje. Sin embargo,
esto no sorprende dado que un líquido se comprime en las centrales de energía
de vapor en lugar de un gas, y el trabajo de flujo estacionario reversible es proporcional
al volumen específico del fluido de trabajo.
Una central eléctrica con una alta relación del trabajo de retroceso requiere
una turbina más grande para suministrar los requerimientos de energía adicionales
del compresor. En consecuencia, las turbinas utilizadas en las centrales de
turbina de gas son más grandes que las que se utilizan en las de vapor que para
la misma salida de potencia neta.
Desarrollo de las turbinas de gas
La turbina de gas ha experimentado un progreso y un crecimiento fenomenal
desde su primer desarrollo exitoso en la década de 1930. Las primeras turbinas
de gas construidas en la década de 1940 e incluso en la de1950 tenían eficiencias
de ciclo simple de alrededor de 17 por ciento debido a las bajas eficiencias del
compresor y de la turbina, así como a las bajas temperaturas de entrada de la
turbina dadas las limitaciones de la metalurgia de aquellos tiempos. Por lo tanto,
las turbinas de gas tuvieron un uso limitado a pesar de su versatilidad y su capacidad
de quemar gran variedad de combustibles. Los esfuerzos para mejorar la
eficiencia del ciclo se concentraron en tres áreas:
1. Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina (o de quemado)
Éste ha sido el principal enfoque tomado para mejorar la eficiencia de
la turbina de gas. Las temperaturas de entrada de éstas han aumentado en forma
constante desde aproximadamente 540 °C (1 000 °F) en la década de 1940, hasta
1 425 °C (2 600 °F) e incluso mayor actualmente. Estos incrementos fueron
posibles gracias al desarrollo de nuevos materiales y por las innovadoras técnicas
de enfriamiento para componentes críticos, como la de revestir los álabes de
la turbina con capas cerámicas y enfriarlos con aire de descarga del compresor.
Mantener altas temperaturas de entrada a la turbina con la técnica de enfriamiento
por aire requiere que la temperatura de combustión sea mayor para
compensar el efecto de enfriamiento. Sin embargo, las mayores temperaturas
de combustión aumentan la cantidad de óxidos de nitrógeno (NO x ), los cuales
son responsables de la formación de ozono al nivel del suelo y del esmog.
Utilizar vapor de agua como refrigerante permitió un aumento de las tempe-