Ciclo Brayton
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APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA PETROLERA Y PETROQUÍMICA CICLO BRAYTON
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Reseña ciclo termodinámico Brayton
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APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA PETROLERA Y PETROQUÍMICA
CICLO BRAYTON
INTRODUCCIÓN
En el año 1873 George Brayton expuso el
principio de funcionamiento del ciclo que lleva su
nombre que originariamente, se desarrolló
empleando una máquina de pistones con inyección
de combustible, para luego realizarlo como ciclo
abierto simple llamado turbina a gas.
Si bien se le llama ciclo termodinámico, en
realidad el fluido de trabajo no realiza un ciclo
completo dado que el fluido que ingresa es aire y
el que egresa son gases de combustión, o sea en un
estado diferente al que se tenia cuando se inició el
proceso, por eso se dice que es un “ciclo abierto”.
FUNCIÓN DEL CICLO BRAYTON
El objetivo de ésta máquina térmica es convertir energía
calórica contenida en el combustible y utilizarlo como
energía mecánica en el eje de la misma.
Consistente en su forma más sencilla, en una etapa de
compresión adiabática, una etapa de calentamiento
isobárico y una expansión adiabática de un fluido
termodinámico compresible.
La compresión 1-2 representa la compresión isoentrópica del aire
que se realiza en el compresor axial.
La transformación 2-3 representa el proceso de combustión a presión
constante donde se produce el aporte de calor (Q suministrado) del
medio al sistema debido a la oxidación del combustible inyectado en
el punto 2.
La transformación 3-4 representa la expansión isoentrópica de los
gases de combustión que se desarrolla en la turbina.
No existe la transformación 4-1. En los diagramas se representa solo
a modo de cerrar el ciclo ya que el ciclo Brayton es en realidad,
como se ha explicado anteriormente, un ciclo abierto.
TURBINAS DE GAS
La turbina de gas es un motor de acondicionamiento heterogéneo de
la mezcla aire-carburante y con llama continua.
El acondicionamiento se
realiza en una cámara de
combustión independiente
donde un inyector reparte de
forma precisa el combustible
en el aire comburente para
que la mezcla se realice de
forma que se obtenga una tasa
de combustión elevada.
Turbinas a gas de reacción Turbinas a gas de acción
La caída total de presión de los
gases de combustión se produce
en las toberas que están
ubicadas antes de los estadios
móviles y fijos de la misma.
De esta manera se produce una
transformación de energía de
presión a energía de velocidad
(energía cinética) en los gases.
La presión de los gases dentro
de la turbina, estadios móviles
y fijos, permanece constante.
En las turbinas de reacción, en
cambio, la caída de presión de
los gases de se produce tanto
en las toberas, como en los
estadios móviles y fijos que
componen la misma.
La presión de los gases dentro
de la turbina, estadios móviles
y fijos, va disminuyendo.
COMPRESOR AXIAL
En el compresor axial, como su nombre lo indica, el flujo de aire es
axial, o sea paralelo al eje del mismo. El rotor del compresor axial
está formado por varias ruedas móviles donde los alabes están
montados en discos.
Las ruedas están ensambladas entre
si mediante tornillos guías axiales
que permiten el apriete
correspondiente, formando de esta
manera el rotor del compresor axial.
Entre cada estadio móvil del rotor se
ubica un estadio fijo del estator.
Los compresores utilizados en las turbinas a gas son del tipo giratorio, pudiendo ser:
a) Compresores centrífugos
b) Compresores axiales
COMPRESORES AXIALES
CÁMARA DE COMBUSTIÓN
El sistema de combustión provisto en las turbinas a gas pueden ser de
dos tipos:
Turbinas a gas monocámara.
Turbinas a gas multicámaras.
Las turbinas con diseño
monocámaras, como es el caso del
fabricante Asea-Brown Boveri, la
cámara se ubica en posición
perpendicular al eje de la máquina.
En el caso de las turbinas multicámaras, diseño General Electric
(GE), las cámaras se ubican en forma concéntricas al eje de la
máquina.
Estabilizar la llama dentro de una
corriente de gases que se
encuentran a alta velocidad, de
manera que ésta se mantenga
estable.
b) Asegurar una corriente de gases
continua hacia la turbina.
Lograr la máxima eficiencia de
combustión.
FUNCIÓN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
c) Mantener una temperatura constante de los gases de combustión
que ingresan a la misma.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Dado que los aceros súper refractarios empiezan a fundir a
aproximadamente a los 2.200 ºF, las partes calientes de la máquina
deben ser refrigeradas, usando para tal propósito gran parte del
aire del compresor axial.
Presión Volumen
Transformaciones teóricas que se realizan en el ciclo
Temperatura - Entropía
APLICACIONES
Tanto para la producción de electricidad como para el
accionamiento mecánico de equipos en la industria del petróleo
y el gas.
Inyección de agua y bombeo de
crudo, extracción de gas y
separación de gas y petróleo.
Explotación de yacimientos y
pozos, inyección de gases.
Compresión para almacenamiento, exportación y refrigeración
de gas en plantas procesadoras.
En las plataformas petroleras se usa para mover las bombas,
compresores y generadores de energía; como en las etapas de
refinación del petróleo, proceso del gas y elaboración de
petroquímicos, donde se usa el gas asociado que se va recuperando
en cada paso de los procesos para alimentar las cargas térmicas que
los mismos procesos demandan.
COMPLEJO PROCESADOR DE GAS LA
VENTA
Turbogenerador MS-5001
(Compresor-Turbina)
η = calor utilizado / calor total
η = (Cp( T3–T2)–Cp( T4–T1)) / Cp(T3–T2)
