Eficiencia de turbinas de gas: 5 datos interesantes que debe saber

• Fórmula de eficiencia de la turbina de gas
• Curva de eficiencia de la turbina de gas
• Eficiencia de la turbina de gas hidrógeno
• Cómo calcular la eficiencia de una turbina de gas
• Eficiencia de la turbina de gas de ciclo abierto
• Preguntas de práctica

Fórmula de eficiencia de la turbina de gas

Las turbinas son máquinas que aprovechan la energía cinética de cualquier fluido y ayudan a convertirlo en otra forma de energía (principalmente eléctrica).

Las turbinas que utilizan gas como fluido de trabajo se denominan turbinas de gas. Las turbinas de gas normalmente funcionan Ciclo de Brayton para lograr un resultado deseable.

Para un ciclo Brayton ideal (que se muestra en la figura siguiente), la eficiencia se calcula como:

Donde, h representa el entalpía y subíndice representa el estado en el ciclo de Brayton.

Eficiencia de la turbina es dado por-

Dónde,
El subíndice s denota el estado real.

Curva de eficiencia de la turbina de gas

Ciclo de turbina de gas la eficiencia aumenta exponencialmente hasta que se alcanza un valor óptimo de relación de presión, después de eso no hay un cambio significativo en la eficiencia. Los factores en los que se basa la eficiencia de la turbina de gas depende de la temperatura de entrada, la relación de presión y la relación de calor específico del fluido de trabajo.

La curva de eficiencia de la turbina de gas, por otro lado, aumenta lentamente. Con una temperatura de entrada más alta, aumenta la eficiencia de la turbina de gas. El siguiente gráfico muestra la relación entre la temperatura de entrada y la eficiencia de la turbina.

Eficiencia de la turbina de gas hidrógeno

La necesidad de una turbina de hidrógeno surge debido a preocupaciones ambientales. El hidrógeno como combustible es muy respetuoso con el medio ambiente. Estas turbinas reducen las emisiones de CO2.

El hidrógeno se mezcla con el fluido de trabajo y esta combinación de mezcla de hidrógeno y combustible proporciona una mejor eficiencia que el uso de combustible solo. El uso de hidrógeno en grandes cantidades es un problema debido a su almacenamiento. Los gobiernos y las empresas privadas están trabajando para lograr un transporte y almacenamiento más seguros del combustible de hidrógeno.

Cómo calcular la eficiencia de una turbina de gas

Las pérdidas mecánicas conducen a una cierta caída en el rendimiento de las máquinas. Según la segunda ley de la termodinámica, ninguna máquina puede ofrecer una eficiencia del 100%.

La eficiencia de las turbinas de gas se puede calcular mediante los siguientes pasos:

1. Calcule la entalpía en todos los puntos del ciclo de la turbina de gas.
2. Calcular el trabajo real realizado por turbina usando la formula-
   
   Trabajo realizado = h4-h3
   
3. Calcular real trabajo realizado por la turbina utilizando los valores reales de entalpía después de pérdidas mecánicas.
4. Calcular la eficiencia usando la relación–

Eficiencia de la turbina de gas de ciclo abierto

Un ciclo abierto es un ciclo en el que el fluido de trabajo no vuelve a sus condiciones iniciales. Más bien, se desecha en el fregadero. La fórmula de eficiencia de dichos ciclos no cambia, pero los valores cambian debido al cambio en el valor de las variables que son la temperatura y las presiones.

A continuación se muestra un ejemplo de ciclo abierto de turbina de gas:

Preguntas de práctica

¿Qué afecta la eficiencia de la turbina de gas?

La eficiencia de la turbina de gas depende principalmente de tres factores:

• Temperatura de entrada
  El aumento de la temperatura de entrada de la turbina aumenta su eficiencia. Además, la disminución de la temperatura del sumidero también aumenta la eficiencia de las turbinas de gas, pero se puede disminuir hasta las condiciones ambientales solo para que no cree mucho efecto en la eficiencia.
• Proporción de presión-
  La relación de presión P2 / P1 es una característica importante que afecta la eficiencia de la turbina de gas.
• Relación de calor específico
  La relación de calor específico para los gases ideales es alrededor de 1.4, los gases reales tienen valores alrededor de 1.2-1.3. Un buen fluido de trabajo debe tener un valor de relación de calor específico más cercano al valor isentrópico que es 1.4.
  

¿Por qué las turbinas de gas tienen baja eficiencia?

Las turbinas de gas funcionan en ciclos de volumen constante. Como los gases tienen una densidad más baja, necesitan un trabajo adicional para comprimirse, lo que aumenta el trabajo del compresor.

La fórmula para la eficiencia se da como eficiencia = trabajo realizado / calor agregado

A medida que aumenta el trabajo realizado por el compresor, el trabajo neto realizado disminuye, por lo que la eficiencia general disminuye. La eficiencia de las turbinas de gas se puede incrementar de varias formas. Las formas más comunes de mejorar la eficiencia de las turbinas de gas son el enfriamiento regenerativo, el enfriamiento intermedio y el recalentamiento.

¿Cómo aumentar la eficiencia de la turbina de gas?

Hay varias formas de aumentar la eficiencia de una turbina de gas. Los factores que afectan directamente la eficiencia son la temperatura, la relación de presión y la relación específica. La alteración de estos valores puede afectar directamente a la eficiencia.

 Por lo tanto, las formas que se proponen para aumentar la eficiencia incluyen la alteración de estos valores. Varios métodos utilizados para aumentar la eficiencia de las turbinas de gas son:

• Regeneración-
  
  En este método, el gas de escape se usa para calentar el fluido de trabajo en el punto 2. Esto da como resultado una disminución de la temperatura del gas de escape y un aumento de la eficiencia. El diagrama del ciclo de la turbina de gas regenerativa y la fórmula de eficiencia se muestra a continuación:
  

• Interenfriamiento
  En este método, el trabajo del compresor se reduce comprimiendo el aire en dos etapas. El aire se enfría antes de pasar al segundo compresor. Este enfriamiento del aire entre dos etapas se denomina enfriamiento intermedio. La disminución del trabajo del compresor está directamente asociada con un aumento de la eficiencia.
• Recalentamiento
  En este método, se utilizan dos turbinas en lugar de una. Una turbina se utiliza para producir trabajo y otra turbina impulsa el compresor. En este proceso se agrega más calor. Debido a la disminución del trabajo del compresor y la alta temperatura de entrada, la eficiencia aumenta. El diagrama del ciclo de la turbina de gas de recalentamiento se muestra a continuación:
  

• Recalentamiento, enfriamiento intermedio y regeneración combinados
  En este método, se combinan los tres métodos. Los costos de instalación pueden aumentar, pero la eficiencia general aumenta al combinar los tres métodos anteriores.

Eficiencia del ciclo combinado de la turbina de gas

El ciclo combinado de turbinas de gas utiliza varias turbinas de gas que trabajan en conjunto para proporcionar más rendimiento.

El escape del ciclo de una sola turbina de gas todavía está lo suficientemente caliente como para ejecutar otro ciclo. Usualmente un intercambiador de calor se usa entre el escape del primer motor y la entrada del segundo motor para usar diferentes fluidos de trabajo. La producción del segundo ciclo es menor que la del primer ciclo, pero la eficiencia general del ciclo de turbina de gas combinado aumenta.

El primer ciclo se denomina ciclo de cobertura y produce una mayor eficiencia. El siguiente ciclo se denomina ciclo de fondo y puede tener un combustible diferente (dependiendo de la temperatura de escape del primer ciclo) y produce una eficiencia menor que el primero. En general, el ciclo combinado puede producir un 50% más de eficiencia.

La fórmula para calcular la eficiencia general del ciclo combinado de turbinas de gas se da a continuación