Ciclos combinados y Compresores
Introducción
Introducción
Los ciclos combinados son centrales de generación de energía
eléctrica en las que se transforma la energía térmica del gas natural en
electricidad mediante dos ciclos consecutivos: el que corresponde a
una turbina de gas convencional y el de una turbina de vapor.
Este tipo de centrales se caracterizan por el uso que se
realiza del calor generado en la combustión de la turbina de gas, que se
lleva a un elemento recuperador del calor y se emplea para mover
una o varias turbinas de vapor. Estas dos turbinas, de gas y vapor, están
acopladas a un alternador común que convierte la energía
mecánica generada por las turbinas en energía eléctrica.
El término compresor se utiliza para nombrar a una máquina
que, a través de un aumento de la presión, logra desplazar fluidos compresibles, como
los gases. El compresor no sólo desplaza los fluidos, sino que también
modifica la densidad y la temperatura del fluido
compresible. Los compresores se utilizan en diversos ámbitos, como en los
equipos de aire acondicionado, los refrigeradores o heladeras, los
turbo reactores y en ciertos sistemas de generación eléctrica.
Ciclos combinados
Generación, Cogeneración y
eficiencia energética
Rendimiento
Recuperación
Relaciones de rendimiento
Compresores
Clasificación
La principal clasificación de los
diferentes tipos de compresores se realiza por su principio de funcionamiento
básico. En este caso, los compresores quedan divididos en dos grandes
grupos:
Compresores
de desplazamiento positivo:
El principio de funcionamiento de
estos compresores se basa en la disminución del volumen del aire en la cámara
de compresión donde se encuentra confinado, produciéndose el incremento de la
presión interna hasta llegar al valor de diseño previsto, momento en el cual el
aire es liberado al sistema.
Compresores
dinámicos:
El principio de funcionamiento de
estos compresores se basa en la aceleración molecular. El aire es aspirado por
el rodete a través de su campana de entrada y acelerado a gran velocidad.
Después es descargado directamente a unos difusores situados junto al rodete,
donde toda la energía cinética del aire se transforma en presión estática. A
partir de este punto es liberado al sistema.
Ambos sistemas pueden trabajar con
una o varias etapas, en función de la presión final requerida para el aire
comprimido. En el caso de compresores multietápicos, el aire, al ser liberado
de la primera etapa, pasa directamente a la segunda, donde el proceso descrito
anteriormente se repite. Entre cada etapa, se instala un refrigerador
intermedio que reduce la temperatura de compresión hasta el valor requerido por
la etapa siguiente.
Cada grupo de compresores usa
diferentes diseños para el proceso de compresión. A continuación explicaremos
los principales de cada uno de ellos.
Compresores
de desplazamiento
Compresor de pistón
Compresor de tornillo
Compresor de paletas
Compresor de lóbulos o émbolos Rotativos
Compresor scroll
Bombas de vacío
Compresores
dinámicos
Compresores centrífugos radiales
Compresores centrífugos Axiales
Análisis de la primera ley de la
termodinámica en un compresor
Eficiencia del compresor
La eficiencia volumétrica puede
describirse como el cociente entre el rendimiento real del compresor (ft3/min.)
comparado con el desplazamiento de barrido (ft3/min. teóricos), de acuerdo con
la siguiente relación:
E.V. = pcm real x 100
pcm barridos
La eficiencia isentrópica (también llamada eficiencia adiabática o global) puede describirse como el cociente entre el trabajo real y el teórico del compresor para producir una capacidad dada (pcm). El trabajo teórico puede determinarse a partir del diagrama de presión-entalpía para el refrigerante en cuestión.
E.V. = pcm real x 100
pcm barridos
La eficiencia isentrópica (también llamada eficiencia adiabática o global) puede describirse como el cociente entre el trabajo real y el teórico del compresor para producir una capacidad dada (pcm). El trabajo teórico puede determinarse a partir del diagrama de presión-entalpía para el refrigerante en cuestión.
La condición uno (P1) es la succión
del compresor y la condición dos (P2) es la descarga del compresor. El trabajo
real del compresor es igual a h2 - h1. El trabajo isentrópico es igual a h2s -
h1. La potencia y el flujo de masa (M) de refrigerante a través del compresor
pueden determinarse a partir de pruebas de rendimiento. Estos números luego
pueden utilizarse para calcular lo siguiente:
Trabajo isentrópico:
Wi = (h2s - h1) x M
42,42
donde:
Wi = BHP isentrópica
h2s , h1 = BTU/lb
M = lb/min. de flujo a través del compresor
Eficiencia isentrópica:
E.I. = Wi x 100
Wa
donde:
Wa = BHP real
La eficiencia isentrópica tiene mayor significado cuando se habla sobre eficiencia de la energía, porque depende directamente de la cantidad de capacidad de refrigeración proporcionada por cada entrada de BHP. Cualquier cosa que cause el aumento de la potencia del compresor (para condiciones de presión constantes) reducirá la eficiencia isentrópica. Además, si la potencia permanece constante y la capacidad (eficiencia volumétrica) se reduce, la eficiencia isentrópica también se reduce.
Trabajo isentrópico:
Wi = (h2s - h1) x M
42,42
donde:
Wi = BHP isentrópica
h2s , h1 = BTU/lb
M = lb/min. de flujo a través del compresor
Eficiencia isentrópica:
E.I. = Wi x 100
Wa
donde:
Wa = BHP real
La eficiencia isentrópica tiene mayor significado cuando se habla sobre eficiencia de la energía, porque depende directamente de la cantidad de capacidad de refrigeración proporcionada por cada entrada de BHP. Cualquier cosa que cause el aumento de la potencia del compresor (para condiciones de presión constantes) reducirá la eficiencia isentrópica. Además, si la potencia permanece constante y la capacidad (eficiencia volumétrica) se reduce, la eficiencia isentrópica también se reduce.
Trabajo del compresor
Potencia teórica del compresor.- En
un compresor alternativo ideal, el volumen VD, m3/h, de vapor que proveniente
de la línea de aspiración es succionado hacia el cilindro, comprimido a
continuación y expulsado al final, precisa de una potencia teórica:
Siendo VD, el desplazamiento del pistón, o volumen barrido
por el pistón en su carrera completa.
Potencia real del compresor.- La potencia real del compresor
es:
Siendo (Va = V - V’) el volumen de gas o vapor realmente
succionado (comprimido y expulsado) proveniente de la línea de aspiración,
medido en las condiciones reinantes en ella.
La potencia real del compresor es siempre menor que la
teórica debido a que:
a) En cada
carrera de aspiración del pistón, el valor del volumen de gas succionado
proveniente de la línea de aspiración Va (medido en las condiciones allí
reinantes), es menor que el desplazado VD por dicho pistón; la razón principal
de este menor volumen aspirado estriba en el espacio muerto y en que la
densidad r del vapor que llena el cilindro al final de la carrera de
aspiración, es menor que la del vapor situado en la línea de succión.
b)En la
carrera de compresión se presentan fugas de vapor (válvulas, segmentos), con lo
que la cantidad de fluido efectivamente impulsada por el compresor será todavía
menor.
Rendimiento mecánico.- Se define el
rendimiento mecánico del compresor como la relación:
Este rendimiento es una medida de
los rozamientos mecánicos del compresor, pistón-cilindro, C. alternativos.I.-4
cabeza y pie de biela, etc.
Rendimiento eléctrico del motor.-
Se define el rendimiento eléctrico del compresor como la relación.
Este rendimiento contabiliza las pérdidas que se producen en
el motor eléctrico.
Rendimiento global.- Es el cociente
entre el trabajo absorbido por el compresor según el ciclo teórico y el trabajo
absorbido en el eje del mismo.
También se puede considerar como el
producto de los rendimientos, indicado, mecánico y eléctrico, de la forma:
Conclusión
Los ciclos combinados son sistemas
que utilizan compresores, turbinas de gas y vapor para generar calor, de ahí
generar presión y generar electricidad.
Estos sistemas sufren los mismos
fenómenos termodinámicos que los otros ciclos independientes, ya sean de vapor,
gas, combustión o compresores.
Los compresores son sistemas
eléctricos que generan presión a fluidos compresibles, generalmente aire o
vapor de agua. Estos ayudan a impulsar al sistema para que esté en movimiento,
o generar algún trabajo.
Bibliografías
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