II Semestre 2014

Laboratorio de Termodinámica II

Profesor: Rafael Silvera

Instructora: Itamar Harris

Laboratorio N° 4

Diseño de un Ciclo Cogenerativo con Turbina de Gas y efecto de la Relación de Presión

Objetivos:

- Evaluar las ventajas y desventajas practicas (a nivel de costo y rendimiento) de la

implementación practica de un diseño de sistema combinado de turbina de gas y generador

de vapor.

- Comprender el significado de la relación de presión en un ciclo Brayton y la relación

existente entre su variación y la eficiencia del ciclo.

Una empresa tiene necesidades tanto de potencia eléctrica como de calor para determinados

procesos. Un método para atender estas necesidades es combinar un sistema de potencia de

turbina de gas que mueve un generador eléctrico con una planta de generación de vapor de agua

para el proceso térmico. Se va a utilizar la energía de los gases de escape de un ciclo convencional

de turbina de gas como fuente de energía para producir el vapor de agua del proceso. En la figura,

se muestra un esquema de la parte correspondiente al ciclo de vapor del diseño, donde el estado 4

representa las condiciones de los gases de escape de la turbina de gas. Se sugieren las siguientes

relaciones de presión (𝑟𝑝) para el ciclo de la turbina de gas: 3,46; 6,0; 9,07. Las temperaturas de

entrada al compresor y a la turbina se han fijado en 295 y 1020 K, y los rendimientos adiabáticos

son 84% y 87%, respectivamente. En el circuito de producción de vapor la presión de vapor de agua

en el generador de vapor se mantiene constante en 10 bar. Las condiciones de salida de la carga

calefactora 3 bar y 80°C en el estado 8, y el rendimiento adiabático de la bomba es 70%. Se

desprecian las caídas de presión en todos los conductos. Las especificaciones del intercambiador de

calor son que 𝑇7 = 𝑇4 − 30 y 𝑇5 = 𝑇6 + 30, además 𝑇8 = 𝑇6. Los resultados de su diseño deben

incluir a) �̇�7 para flujo másico �̇�4 = 10𝑘𝑔

𝑠, b) �̇�𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 en kJ/s c) �̇�𝑛𝑒𝑡𝑜,𝑠𝑎𝑙 en kJ/s.

Para contabilizar la diferencia de costo los de los equipos de calefacción y potencia, el departamento

de finanzas ha determinado que los costes globales se encuentran relacionados por:

𝐶𝑂𝑆𝑇𝑂 = 𝐾(0.5 ∗ �̇�𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ �̇�𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 + 0.05 ∗ 𝑟𝑝 ∗ �̇�𝑛𝑒𝑡𝑜,𝑠𝑎𝑙)

II Semestre 2014

Laboratorio de Termodinámica II

Profesor: Rafael Silvera

Instructora: Itamar Harris

Análisis Previo:

A nivel práctico, ¿que cuantifica la relación de presión?

¿Cómo varía el costo (en función de K) a medida que aumentamos la relación de presión?

¿Su resultado es congruente con lo esperado a nivel teórico?

Obtenga la eficiencia global del ciclo para los casos de costo mayor y costo menor ¿Qué

concluye de lo obtenido?

Lea y resuma la información presentada en la sección 15.6.1 del libro “Termodinámica” de

Wark, K. sobre las relaciones y trabajo máximo y utilice la información dada en clases para

obtener la relación de presión “optima” del ciclo Brayton y el costo para este valor de 𝑟𝑝.

Obtenga la eficiencia del ciclo de gas para cada uno de los valores de relaciones de presión

sugeridos y grafíquelos con respecto a la relación de presión. (Eficiencia vs 𝑟𝑝). Utilice la

información de la sección 15.6.1 para obtener una forma de curva aproximada.

Mencione 3 ventajas y desventajas que podría tener la implementación de un sistema como

el planteado.

Investigue 3 tipos de empresas que podría tener necesidades tanto de potencia eléctrica

como de calor para sus funciones, por lo cual les podría ser útil una instalación de este tipo.