Turbinas de Gas

Funcionamiento Se toma aire atmosférico a través de la admisión del compresor desde donde  se envía aire comprimido a la cámara de combustión en la cual el combustible entra con un caudal constante y se mantiene en llama continua. La ignición inicial se obtiene generalmente por medio de una chispa. El aire, calentado en la cámara de combustión, se expande a través de toberas o paletas fijas y adquiere una elevada velocidad. Parte de la energía cinética de la corriente de aire es cedida a los álabes de la turbina. En la operación de las turbinas de gas se presentan varias limitaciones de índole práctica, las cuales determinan gran parte de la actuación de esta clase de máquinas. Entre estas limitaciones merecen citarse la temperatura y velocidad de los álabes, el rendimiento del compresor, el rendimiento de la turbina y la transferencia de calor (en ciclos con regeneración).

La generación de energía eléctrica en las unidades de turbogas, se realiza directamente de la energía cinética resultante de la expansión de aire comprimido y los gases de combustión. La turbina está unida al rotor del generador, dando lugar a la producción de energía eléctrica. Los gases de la combustión, se descargan directamente a la atmósfera después de trabajar en la turbina.

Generación eléctrica: Se utilizan las turbinas de gas para generar energía eléctrica para cargas pico de trabajo en primer lugar. Los costos de instalación y operación, siempre que se usen combustibles refinados, son favorables para trabajos intermitentes. Los motores de aviación adaptados para este servicio disponen de un rápido arranque,  aproximadamente dos minutos para arrancar a plena carga. se han instalado plantas de potencia a carga pico arriba de 150 MW con un solo generador.

Partes Una turbina de gas consta básicamente de un compresor de aire, una cámara de combustión y la turbina.

El compresor: Esta ubicado en la sección frontal de la turbina y es el elemento por el cual se introduce en forma forzada el aire desde el exterior.  Es de flujo axial para grandes turbinas por su elevado rendimiento y capacidad .

La cámara de combustión: Se fabrican de tipo cilíndrico o en forma de anillo. Debe llevar el gas a temperatura uniforme con mínimas diferencias de presión. Generalmente se fabrican metálicos y se enfrían con el aire entrante.

Accesorios: También posee varios dispositivos auxiliares tales como filtros, dispositivos de regulación de velocidad, de lubricación, de alimentación, del combustor y de puesta en marcha. Estos dispositivos dependen de las características de velocidad y de la relación peso / potencia

Ciclos El ciclo básico de la turbina de gas es el BRAYTON o JOULE. Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto. Aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presión se eleva. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión donde el combustible se quema a presión constante. Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), lo que provoca que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.

Las centrales eléctricas de turbina de gas son empleadas por la industria de generación eléctrica en emergencias y durante períodos picos gracias a su bajo costo y rápido tiempo de respuesta. Las turbinas de gas también se utilizan con las centrales eléctricas de vapor en el lado de alta temperatura, formando un ciclo dual. En estas plantas, los gases de escape de las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas también puede ejecutarse como un ciclo cerrado para ser utilizado en centrales nucleoeléctricas. Esta vez el fluido de trabajo no se limita al aire., y puede emplearse un gas con características más convenientes (como el helio).

Listado de centrales generadoras

Ventajas Sobre turbinas de vapor: Instalaciones mas compactas Menos dispositivos auxiliares No necesitan condensador No necesitan agua Lubricación más simple Fácil control Cimientos ligeros Escape limpio (no necesita chimenea) No existen limitaciones impuestas por las características de las hélices. alta confiabilidad larga vida y operación mas conveniente. El tiempo de arranque de la máquina de 2 minutos.

Desventajas Más caro de operar que el disel Una parte importante del trabajo generado se pierde

Bibliografía Página realizada y publicada por: Guillermo León Zapata para el área de Hidráulica. Ingeniería Civil Profesor: Francisco Jaime Mejía Garcés. Escuela de Ingeniería de Antioquia Envigado. 2002 http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinas_gas/page6.html http://html.rincondelvago.com/ciclo-de-brayton.html

Centrales Térmicas Es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador y por tanto para obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. El vapor generado tiene una gran presión, y se hace llegar a las turbinas para que su expansión sea capaz de mover los álabes de las mismas. Las denominadas termoeléctricas clásicas son de: carbón, de fuel o gas natural. En dichas centrales la energía de la combustión del carbón, fuel o gas natural se emplea para hacer la transformación del agua en vapor. Una central térmica clásica se compone de una caldera y de una turbina que mueve al generador eléctrico. La caldera es el elemento fundamental y en ella se produce la combustión del carbón, fuel o gas.

Componentes Principales de una Central Térmica Convencional Caldera. En este espacio el agua se transforma en vapor, cambiando su estado. Esta acción se produce gracias a la combustión del gas natural (o cualquier otro combustible fósil que pueda utilizar la central), con la que se generan gases a muy alta temperatura que al entrar en contacto con el agua líquida la convierten en vapor. El agua que se transforma en vapor circula por unas cañerías llamadas serpentines, donde se produce el intercambio de calor entre los gases de la combustión y el agua.

Turbina de vapor. Máquina que recoge el vapor de agua y que, gracias a un complejo sistema de presiones y temperaturas, consigue que se mueva el eje que la atraviesa. Esta turbina normalmente tiene varios cuerpos, de alta, media y baja presión, para aprovechar al máximo el vapor de agua. El eje que atraviesa los diferentes cuerpos está conectado con el generador.

Ciclo Rankine En (1) se extrae el vapor de la caldera y se conduce el vapor al primer sobrecalentador. El vapor se calienta (aumentando su temperatura) hasta salir como vapor sobrecalentado en el estado (2). El vapor que sale del sobrecalentador se lleva a la  turbina de alta presión (T1). Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta el estado (3) en la evolución (2)-(3). El vapor que descarga la primera turbina se lleva a un segundo sobrecalentador donde la temperatura aumenta hasta (4) en la evolución (3)-(4). A continuación este vapor se inyecta a la turbina de baja presión (T2) y se expande en la evolución (4)-(5), recuperando el trabajo W2. El vapor que descarga la turbina de baja presión se evacúa al condensador donde se convierte en agua. Del condensador se extrae líquido saturado en el estado (6). La bomba comprime el condensado en la evolución (6)-(7), reinyectando el condensado en la caldera y se repite el ciclo.

Generador . Máquina que recoge la energía mecánica generada en el eje que atraviesa la turbina y la transforma en eléctrica mediante inducción electromagnética. Las centrales eléctricas transforman la energía mecánica del eje en una corriente eléctrica trifásica y alterna .

Impactos ambientales   La incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce de dos maneras básicas: Emisión de residuos a la atmósfera: Este tipo de residuos provienen de la combustión de los combustibles fósiles que utilizan las centrales térmicas convencionales para funcionar y producir electricidad. Esta combustión genera partículas que van a parar a la atmósfera, pudiendo perjudicar el entorno del planeta. Por eso, las centrales térmicas convencionales disponen de chimeneas de gran altura que dispersan estas partículas y reducen, localmente, su influencia negativa en el aire. Además, las centrales termoeléctricas disponen de filtros de partículas que retienen una gran parte de estas, evitando que salgan al exterior. Transferencia térmica: Algunas centrales térmicas (las denominadas de ciclo abierto) pueden provocar el calentamiento de las aguas del río o del mar. Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la utilización de sistemas de refrigeración, cuya tarea principal es enfriar el agua a temperaturas parecidas a las normales para el medio ambiente y así evitar su calentamiento.

VENTAJAS - Producen mucha energía - Producción de energía relativamente rentable - Las cenizas producidas durante la combustión pueden usarse en la construcción INCONVENIENTES - Los gases producidos en la combustión contaminan la atmósfera - El agua usada para la refrigeración queda contaminada - En los procesos de limpieza de la central se producen muchos residuos - Uso de combustibles fósiles (no renovables)  

Bibliografía http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo2.html http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-electricidad/viii.-las-centrales-termicas-convencionales http://www.unesa.net/unesa/html/sabereinvestigar/largoviaje/termicas1comofuncionan.htm