¿Por qué se inyecta agua en una turbina de gas?

Primero hay que señalar que el agua puede inyectarse bien sea a la entrada de aire del compresor o a la envoltura difusora del compresor, es decir, entre la salida del compresor y la entrada a la cámara de combustión.

También hay que señalar que en algunos casos se inyecta una mezcla agua/metanol para darle propiedades anticogelantes al agua. Esto permite al mismo tiempo una fuente adicional de combustible.

Cuando se inyecta agua a la entrada del compresor, el impulso adicional se obtiene principalmente enfriando el aire que entra al motor, mediante la vaporización del agua inyectada al flujo de aire. La reducción en temperatura de entrada al compresor reduce la densidad del aire aumentando la masa de flujo que va al motor, disminuye el trabajo del compresor y puede cambiar el acoplamiento del motor. Si se añade metanol a la mezcla, la temperatura de entrada a la propia turbina se restablece por la combustión del mismo en la cámara de combustión.

La inyección de agua a la sección difusora del compresor aumenta la masa de flujo que pasa por la turbina para un flujo dado en el compresor y reduce la temperatura de entrada a la combustión, de manera que puede quemarse un combustible adicional sin llegar a exceder la temperatura máxima de entrada de la turbina. Esta técnica desplaza también el punto de acoplamiento del motor, lo que da por resultado un impulso adicional.

Normalmente en la literatura en idioma inglés no se refiere a la inyección de agua o refrigerante en la sección difusora sino a la cámara de combustión (Combustion Chamber Injection).

Fuentes: Bathie, W "Fundamentos de Turbinas de Gas" y Rolls Royce "The Jet Engine"

¿Qué es el poder calorífico de un combustible?

El poder calorífico de un combustible es la cantidad de energía que puede liberar ese combustible por unidad de peso o volumen. Los poderes caloríficos son determinados de manera experimental. Se consideran dos poderes caloríficos para los combustibles: El poder calorífico superior y el inferior. En la literatura corrientemente se identifican uno y otro por sus siglas en inglés. Así HHV = Hight Heat Value es el Poder Calorífico Superior, y el LHV = Low Heat Value es el Poder Calorífico Inferior. Se denomina Poder Calorífico Superior al que resulta de incrementar el poder calorífico con el calor latente de condensación que desprende el agua al condensar. Mientras el Poder Calorífico Inferior es el que no tiene en cuenta dicho incremento del calor de condensación por permanecer el agua en estado de vapor. 

Otra forma de visualizar la diferencia entre el LHV y el HHV

Si las temperatura de los productos finales de la combustión es tal que el vapor de agua que se ha formado continua es este estado, tendremos el LHV. En cambio, si la temperatura de los productos finales es suficientemente baja como para que aquella se condense, tendremos el HHV.

La diferencia entre el LHV y el HHV será igual al calor desprendido por la condensación del agua (en promedio 2261 kJ por kg de Agua).

¿Qué es la capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración?

La capacidad de enfriamiento es la cantidad de calor extraído del espacio por refrigerar. Se designa en Btu/h, toneladas de refrigeración o frigorías.

La capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración –la relación de calor extraído del espacio refrigerado- con frecuencia se expresa en toneladas de refrigeración. La capacidad de un sistema de refrigeración que puede congelar 1 tonelada (2000 lbm) de agua líquida a 0 °C (32 °F) en hielo a 0 °C en 24 h será 1 tonelada.

Veamos un ejemplo de como calcular la capacidad de enfriamiento:

Un sistema mecánico de aire acondicionado opera de modo que la temperatura de evaporación es de 20 °F, y la del líquido, cerca de la válvula, es de 100 °F. Si se recirculan 10 lb/min de Refrigerante 12, calculemos:

a)      La capacidad en Btu/h

b)      La capacidad en toneladas

Solución:

a)      Utilizando una tabla de refrigerante 12, el efecto de refrigeración (ER) será de:

Entalpia de gas saturado para 20 °F

                                                                 hg = 79,385 Btu/lb

Entalpia de líquido saturado para 100 °F

                                                                hf = 31,10 Btu/lb

                                         ER = hg - hf = 79,385 - 31,10 = 48,285 Btu /lb

Luego la capacidad del sistema

                                                        Capacidad = 10 lb/min x 48,285 Btu/lb x 60 min/h = 28971 Btu/h

b)      Capacidad en toneladas de refrigeración

                                                      T = 28971 / 12000 = 2,41 Ton

Cuando se derrite una tonelada de hielo, absorbe 288000 Btu. Por lo tanto, una libra, absorberá 144 Btu. Si una tonelada se derrite en 24 horas, absorberá 288000  Btu/día, 12000 Btu/h o 200 Btu/min.

Tipos de Deterioros en Turbinas a Gas

En una Turbina a Gas, incluso cuando opera bajo condiciones esperadas de diseño, aunque cuente con un buen sistema de filtros en la admisión y a pesar de que utilice combustibles limpios, se puede esperar que los componentes de la máquina expuestos al flujo resulten con el tiempo: sucios, erosionados, corroídos, carbonizados, cubiertos con óxidos e incluso dañados. El resultado de todas estas condiciones se traducen en un deterioro del funcionamiento o desempeño  de la turbina como unidad motriz, deterioro que empeora a medida que se incrementa el tiempo de operación.

Se pueden identificar tres tipos principales de deterioro en las turbinas a gas:

1.     Deterioro de desempeño recuperable con lavados de limpieza.

2.     Deterioro de desempeño no recuperable con lavados de limpieza.

3.     Deterioro de desempeño permanente, el cual no es recuperable hasta mantenimiento mayores con reemplazo de partes y ajuste de holguras.

Deterioro Recuperable: En la operación normal de una turbina, aún cuando este equipada con un buen filtro, los elementos presentes en el aire como sucio, polvo, polen, etc., pueden resultar en la acumulación de partículas que bloquean el filtro de entrada; o depositarse en las alabes del estator y rotor del compresor causando el denominado ensuciamiento del compresor. También estas partículas al mezclarse con los productos de la combustión o sustancias aceitosas  (sistemas de aceite de sellos) forman ensuciamiento en las turbinas. Ambos tipos de ensuciamiento resultan en la afectación del desempeño de los diferentes componentes de la turbina, lo cual implica en la disminución de la eficiencia del equipo. El ensuciamiento en el compresor de la turbina resulta en una reducción del flujo másico de entrada y eficiencia del compresor. El ensuciamiento cerca de las zonas calientes resulta en la reducción de la eficiencia de la turbina y en una reducción en la temperatura de combustión de la unidad. Los siguientes métodos de limpieza son los más comúnmente utilizados para este tipo de deterioro:

·          Limpieza en línea con partículas sólidas (materiales abrasivos, cáscaras de arroz, etc.).

·          Limpieza en línea con agua y detergentes (o cualquier otro producto no inflamable, no tóxico y preferiblemente biodegradable).

·          Lavado en remojo (con el equipo fuera de servicio). Este método suele ser el más eficiente para la limpieza del compresor de la turbina, especialmente en los componentes expuestos a las altas temperaturas, donde se puede observar carbonización.

Las limpiezas en línea suelen realizarse con las unidades con la carga mínima de operación o con carga parcial. Es importante señalar, que el uso de filtros apropiados puede atenuar la tasa de ensuciamiento, pero no lo eliminará completamente. Es un hecho conocido, que las superficies de alabes altamente pulidas o con recubrimientos especiales, es decir aquellos mecanismos que reducen la rugosidad superficial del componente, lo hacen menos susceptible al ensuciamiento y darán mejor repuesta a las limpiezas antes sugeridas.

El congelamiento del filtro, del cilindro de entrada, de los alabes direccionadores de entrada o la parte frontal de succión del compresor puede tener un efecto significativo en el desempeño de la turbina a gas como unidad motriz. Y este efecto puede ocurrir de una manera más súbita y severa que un ensuciamiento tradicional; sin embargo es un fenómeno temporal, que si no conlleva daños al compresor, no acarrea efectos permanentes en la unidad.

Deterioro No Recuperable con Limpieza:   Es el tipo de deterioro que aún cuando se efectúen limpiezas en la unidad, no mejora ninguna de sus condiciones de desempeño. Típicamente son problemas en los canales de flujo, erosión, corrosión, incremento de holguras y otras que incluso empeoran con el paso del tiempo.

Deterioro Permanente: Es el tipo de deterioro que incluso después de un mantenimiento mayor de la unidad no son recuperables. Típicamente durante un mantenimiento mayor los componentes expuestos al flujo de fluidos son limpiados, las partes dañadas reemplazadas, las tolerancias de sellos y bujes son reajustadas, cualquiera fuga eliminada y  los alabes recubiertos con su protector, etc. Este conjunto de acciones debería asegurar que la máquina quede restaurada lo más cerca posible a las condiciones de “nueva y limpia”. Sin embargo, no es usual que el desempeño de la unidad vuelva a ser el esperado teóricamente. Por ejemplo, la distorsión del cilindro (excentricidades), el incremento en la rugosidad de los alabes y otros componentes por los que atraviesa el flujo, la distorsión de los alabes y otros, ocasionan en definitiva una disminución permanente de las condiciones de operación de la unidad. Afortunadamente, bajo condiciones normales este tipo de deterioros no recuperables son pequeños en proporción con respecto a los recuperables.

Traduccion parcial de : “Performance Deterioration in Industrial Gas Turbines”, de I.S. Diakunchak, publicada en Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Abril 1992.