COMPORTAMIENTO DE LOS GASES UTILIZADOS EN LA TURBINA DE CIRCUITO CERRADO (II)

Estas curvas se pueden utilizar para cualquier tipo de gas ya que basta con tener, para un valor dado de D, el mismo rendimiento de la turbina hT*, lo que lleva consigo un mismo valor de k, es decir, una relación entre las pérdidas de carga en los circuitos exteriores definida por:

COMPORTAMIENTO DE LOS GASES UTILIZADOS EN LA TURBINA DE CIRCUITO CERRADO (I)

La expresión del trabajo útil, teniendo en cuenta los rendimientos del compresor y de la turbina, y las pérdidas de carga en los circuitos externos y cámara de combustión es:

en la que el rendimiento real de la turbina hT* se puede poner en función del rendimiento teórico hT en la forma:

ecuaciones que se han representado en la Fig IV.6, en la que se muestran las variaciones del Tu y del rendimiento térmico h en función de D, tomando como fluido de referencia el CO2 (g = 1,3), con rendimientos del compresor hc = 0,85 y de la turbina h = 0,90, y parámetros de funcionamiento F = 3,2 ; s = 0,75 ; (Dp/p)CO2 = 0,1

CICLOS DE UNA TURBINA DE GAS EN CIRCUITO CERRADO (I)

Para el ciclo indicado en la Fig IV.4, con una compresión de dos etapas con refrigeración intermedia, y regeneración, el rendimiento térmico con p2 = Cte es el ya conocido de la forma:

CICLOS DE UNA TURBINA DE GAS EN CIRCUITO CERRADO

En una instalación perfecta provista de una cámara de combustión cerrada en la que tiene lugar el aporte de calor al fluido motor a volumen constante, Fig IV.3, el rendimiento del ciclo es:

 

El rendimiento del ciclo a volumen constante depende del rendimiento del calentamiento relativo. Para un mismo valor de D, el ciclo con aporte de calor a volumen constante tiene un rendimiento más elevado que el del ciclo con aporte de calor a presión constante.
Si en la cámara de combustión se verifica el intercambio térmico a presión constante, los ciclos son idénticos a los obtenidos en circuitos abiertos, y las relaciones encontradas en lo que concierne a los distintos trabajos y rendimientos siguen siendo aplicables.

Los principales inconvenientes del circuito cerrado son

* La presencia de un precalentador del fluido motor por los gases de combustión procedentes de la cámara de combustión, que puede ser más costoso que la cámara de combustión de una turbina de gas de circuito abierto; el precalentador tiene un bajo rendimiento y actúa como un intercambiador de calor, más complicado que la simple cámara de combustión, lo que supone una dificultad frente a la turbina de circuito abierto
* La turbina en circuito cerrado precisa de un prerrefrigerador y, por lo tanto, necesita un determinado caudal de agua

Las principales ventajas del circuito cerrado son

* La alimentación de la turbina con un fluido motor puro en lugar de un gas de combustión; de aquí el que no exista contaminación, (salvo la generada en el recalentador por los quemadores), pues el fluido no sale al exterior y no se mezcla con los gases de la combustión, por lo que se puede utilizar indefinidamente,

salvo pérdidas por fugas, que habrá que compensar.

* Como la potencia obtenida es el producto del trabajo útil por el gasto másico de fluido motor, ésta se puede aumentar a voluntad aumentando este gasto sin variar las dimensiones de las máquinas, aumentando la presión en el circuito cerrado. Esto viene limitado por la resistencia del material, que en este tipo de máquinas puede admitir una presión a la entrada de la turbina del orden de 30 atm, y un grado de compresión del orden de 4 o 5. La posibilidad de adoptar para la presión inferior del ciclo un valor superior al de la presión atmosférica, implica el que se puedan reducir las dimensiones de la máquina, aunque esta ventaja puede quedar contrarrestada por el peso adicional del precalentador del fluido motor y del prerrefrigerador. El conseguir una regulación más económica, variando la presión del ciclo implica reducir el tamaño de la máquina mediante una elevación de la presión básica del ciclo, pudiéndose conseguir potencias tres veces mayores que en los circuitos abiertos.

* La posibilidad de utilizar combustibles baratos, que no se pueden utilizar en los ciclos abiertos, por cuanto los gases de la combustión nunca entran en contacto con el fluido motor.

* Se pueden realizar diversas combinaciones de circuitos cerrados y abiertos, constituyendo ciclos mixtos, que representan en todos los casos soluciones intermedias entre los sistemas anteriores.

* La potencia, con rendimiento y velocidad constantes, se puede modificar actuando sobre el compresor que actúa sobre las propiedades físicas de la masa de fluido motor contenido en el circuito.

CICLOS EN CIRCUITO CERRADO

Las instalaciones de turbina de gas en circuito cerrado funcionan según un ciclo cerrado, Fig IV.1 y en ellas el fluido motor puede ser el aire u otros gases como el hidrógeno, el helio o el gas carbónico. La presión mínima es superior a la atmosférica, y la máxima puede llegar a 30 atm. En vez de una cámara de combustión disponen de un recalentador S del fluido motor, que no es más que una caldera a presión, en la que la superficie de calentamiento del fluido está constituida por una serie de tubos dispuestos concéntricamente alrededor de la cámara de combustión, Fig IV.2; el haz de tubos interior está previsto para el recalentamiento secundario y el haz periférico para el recalentamiento primario; en la parte superior van colocados los quemadores.
En este tipo de circuito se utiliza siempre la misma masa de fluido; el escape de la turbina se une con la aspiración del compresor, intercalando entre ambos, primero un cogenerador E y después un prerrefrigerador R1, por cuanto es necesario que el fluido motor entre en la primera etapa de compresión lo más frío posible; se comprime en los compresores C, provistos de refrigeración intermedia R2, y a la salida se le precalienta en el cogenerador E para a continuación dirigirle hacia el precalentador de superficie S, (cámara de combustión), en el que incrementa su entalpía, para expansionarse posteriormente en la turbina T; a la salida de la turbina el fluido posee una temperatura lo suficientemente elevada como para poder ceder una fracción de su calor en el cogenerador E al fluido que sale de la compresión. El prerrefrigerador R1 es un elemento nuevo que no existe en la turbina de circuito abierto pues es la atmósfera quien ocupa el lugar, Fig IV.3.
Como la instalación puede funcionar a presiones superiores a las de la turbina de ciclo abierto, (por ejemplo con aire admitido en el compresor a la presión de 7,5 atm y en la turbina a 30 atm), el volumen específico del fluido motor en estas condiciones es notablemente menor que en las instalaciones de circuito abierto, por lo que con las mismas dimensiones de la turbina, en el ciclo cerrado se pueden conseguir potencias superiores. Sin embargo, la necesidad de utilizar un precalentador de aire representa un gasto importante al tiempo que aumenta notablemente la complicación del conjunto de la instalación, que permite la utilización de combustibles sólidos y de combustibles nucleares; los gases de la combustión nunca entran en contacto con el fluido motor, por lo que se evita el deterioro de los álabes de la turbina por las partículas sólidas.