Presentación del ejercicio

Este ejercicio muestra como modelar con Thermoptim una turbina a gas de poca potencia, llamada micro-turbina. Esta micro-turbina corresponde a una máquina existente, utilizada en aplicaciones tales como la cogeneración.

(Sesión realizada el 11/03/07 por Renaud Gicquel y Miguel Asuaje)

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Turbina a gas

Condiciones de entrada : 15 °C, 1 bar
Flujo de aire: 0,78 kg/s
Relación de compresión : 5
Eficiencia isentrópica de compresión : 0,875
Temperatura entrada turbina : 950 °C
Eficiencia isentrópica de expansión : 0,885
Combustible: CH4, metano

Thermoptim

dos pantallas al arrancar

editor de esquemas
simulador

Thermoptim

Interfaz esquema-simulador

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Caracterización del modelo

Luego de que los elementos son creados en el simulador, Thermoptim inicializa todos los puntos con una presión de 1 bar y una temperatura de 300 K. Por lo que se deben cambiar en función del problema que usted estudia.

Las dos actividades que siguen le mostrarán cómo caracterizar los puntos y las transformaciones.

Caracterización de puntos

dobleclic sobre un lazo orientado (flecha) o sobre una línea de la tabla de puntos
estado de una pequeña partícula de materia

Parametrización de los procesos

dobleclic sobre un componente
evolución de la relación caudal-masa de fluido

Setting the parameters of points and processes

Caracterice uno de los diferentes puntos, colocando los valores conocidos de temperatura (T1 y T3), además que los de las presiones, debido a que Thermoptim no los determina automáticamente. Para esto, opere de la siguiente manera:

Abra el punto 1, coloque una temperatura de 15ºC y una presión de 1 bar, luego haga clic en “Calcular”
Abra luego el punto 2 y coloque una presión de 5 bar, luego haga clic en “Calcular”
Abra el punto 3, e introduzca una temperatura de 950ºC y una presión de 5 bar, luego haga clic en “Calcular”

No es necesario de volver a caracterizar el punto 4, porque su presión tiene un valor predeterminado de 1 bar y su temperatura será calculada finalmente.

Ahora caracterice las transformaciones, para las cuales, las opciones predeterminadas se aplican: la compresión y la expansión son adiabáticas, calculadas con respecto a la referencia isentrópica, y las eficiencias isentrópicas son conocidas. Para esto, opere de la siguiente manera:

Abra el compresor e introduzca una eficiencia isentrópica de 0.875 y luego haga clic en “Calcular”, lo que determina la temperatura del punto 2 (207.14ºC)
La caracterización de la cámara de combustión se explica en la actividad siguiente
Abra la turbina y coloque la eficiencia isentrópica de 0.885, luego haga clic en “Calcular”, lo que determina la temperatura del punto 4 (600ºC)

Cada transformación posee un tipo de energía que permite distinguir entre las energías “de pago” “útil” y “otro”, en vista de determinar el balance global. Para una turbina a gas, la energía de pago es aquella entregada por la cámara de combustión, y la energía útil es la diferencia entre la energía entre aquella producida por la turbina y la consumida por el compresor.

Como en Thermoptim las transformaciones de compresión y expansión son del tipo “energía útil” y los las cámaras de combustión son de tipo “de pago”, la caracterización predeterminada funciona para este caso.

Thermoptim

Comparación con un modelo de gas ideal

Esta sesión le ha permitido construir un modelo realista de una turbina a gas, tomando en cuenta una reacción de combustión.

Ahora usted puede comparar los resultados obtenidos con el modelo de gas ideal, donde se supone que pasa aire por la máquina, sin cambio de su composición. La tabla a continuación muestra un resumen de los resultados obtenidos:

En términos de potencia mecánica neta, el error del modelo de gas perfecto es de 11.5% y el del modelo de gas ideal es de 6.7% con relación al modelo con combustión
En términos de la potencia térmica aportada al ciclo, estas son respectivamente 15.6% y 6.9%
Los errores del rendimiento son pequeños
Los errores en las diferencias de temperatura en el compresor son mucho más pequeñas que en la turbina, en donde se alcanzan valores importantes (14% para el modelo de gas perfecto)

En conclusión, a pesar que el modelo de gas ideal no es demasiado erróneo, si se dispone de una herramienta para modelar como Thermoptim, es preferible de hacer un modelo lo más real posible para no cometer errores.

Thermoptim project and diagram files are provided in the attached archive.

Se debe tener una mirada crítica sobre los resultados entregados por un programa, por lo tanto refiérase a la nota “Méthodologie de construction et de verification des modèles” (disponible solamente en francés e inglés).