DETALLES DEL PROYECTO

RESPONSABLE(S):

CédulaNombreCorreo ElectrónicoTeléfonos
V012102582RODRIGUEZ A RICHARD Rrirodrig@uc.edu.ve04144163305

TITULO DEL PROYECTO

Modelo matemático para la evaluación del ciclo Aire-combustible en las turbinas a gas,  mediante una herramienta computacional

FACULTAD A LA QUE PERTENECE

Ingeniería

ACTIVIDAD DEL ARTICULO 42 DE LA LOCTI CON LA CUAL SE RELACIONA EL PROYECTO

Ordinal 8, Aparte a

PROBLEMA DEL PROYECTO

En el Departamento de Térmica y Energética de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Carabobo se desarrolla la Línea de Investigación denominada ¿Energía y sus Aplicaciones¿; cuyo objetivo principal es desarrollar tecnología propia para el diseño, construcción y mantenimiento de máquinas y equipos relacionados con el área. En dicha Línea de Investigación, un grupo de docentes se han propuesto desarrollar el área de conocimiento relacionada con las máquinas térmicas de combustión interna utilizadas para la generación de potencia mecánica, específicamente las turbinas a gas. Una turbina a gas es una máquina compuesta por tres equipos principales: un compresor, una cámara de combustión y una turbina de expansión. En el compresor entra aire en condiciones ambientales para elevar su presión. Luego, el aire comprimido es transportado a una cámara de combustión donde se mezcla con algún combustible (gas natural, gasoil o kerosene, entre otros) para que luego de un proceso de combustión, se incremente la condición energética útil de la sustancia. Posteriormente, el gas es conducido a la turbina donde se produce el proceso de expansión y para finalizar, los gases que salen de la turbina son desechados a la atmósfera. El funcionamiento de las turbinas a gas puede modelarse a través del Ciclo Brayton, el cual presenta las siguientes etapas: Ø Proceso Isentrópico de Compresión, realizado en el compresor. Ø Proceso Isobárico de Calentamiento, efectuado en la cámara de combustión. Ø Proceso Isentrópico de Expansión, desarrollado en la turbina. Ø Proceso Isobárico de Enfriamiento, ejecutado en la tobera de descarga de la turbina Una etapa básica para el desarrollo de la Línea de Investigación consiste en la elaboración de modelos matemáticos propios que permitan simular el funcionamiento de las máquinas térmicas de combustión interna. Actualmente se pueden encontrar modelos matemáticos basados en el denominado ciclo aire-estándar, en el cual se realizan las siguientes consideraciones: Ø La única sustancia de trabajo es el aire, lo cual en la realidad no es cierto, pues a estas máquinas se les entrega una determinada cantidad de combustible en la cámara de combustión para su funcionamiento. Por tanto, se tiene en la entrada de la cámara de combustión una mezcla compuesta por aire y combustible (los reactantes); en este dispositivo se quema dicha mezcla para elevar la entalpía de la sustancia y de esta manera producir una transformación energética en la turbina. Luego del proceso de combustión, se tiene una sustancia de trabajo (los productos) compuesta por diversos elementos, tales como: Dióxido de carbono (CO2), Agua (H20), Nitrógeno (N2) y Monóxido de Carbono (CO), entre otros.

OBJETIVOS DEL PROYECTO

El objetivo general que se aspira alcanzar con la culminación de este trabajo es establecer un modelo matemático para la evaluación del ciclo aire-combustible en las turbinas a gas utilizando los procesos del ciclo Brayton mediante una herramienta computacional. En cuanto a los objetivos especificos: Ø Desarrollar los modelos para la caracterización de las mezclas. Ø Desarrollar los modelos para la determinación de las propiedades de las mezclas. Ø Desarrollar los modelos para caracterizar los estados termodinámicos. Ø Desarrollar los modelos de los procesos característicos de una turbina a gas. Ø Desarrollar el algoritmo de solución al problema planteado. Ø Desarrollar el programa de cálculo basado en el algoritmo anterior. Ø Desarrollar rutinas de cálculo para realizar predicciones en cuanto al funcionamiento de las turbinas a gas. Ø Establecer el manual del usuario para la herramienta computacional.

ACTIVIDADES DEL PROYECTO

FASE I. DESARROLLO DE LOS MODELOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LAS MEZCLAS. En función del tipo de combustible utilizado, la relación combustible-aire relativa se podrá determinar la caracterización de las mezclas antes y después de la combustión, es decir, la proporción molar o másica de cada elemento o compuesto presente en la mezcla.FASE II. DESARROLLAR LOS MODELOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LAS MEZCLAS. Utilizando la caracterización de las mezclas y los polinomios desarrollados para la capacidad calorífica de los elementos y compuestos (C(T)); se determinaran las propiedades de las mezclas y su comportamiento con respecto a la temperatura. FASE III. DESARROLLAR LOS MODELOS PARA CARACTERIZAR LOS ESTADOS Y PROCESOS TERMODINÁMICOS. Utilizando la ecuación de estado para un gas ideal, la expresión de la Primera Ley de la Termodinámica en cualquiera de sus formas y las relaciones de los procesos isobaricos e isentrópicos, se relacionaran los estados y trayectorias del ciclo Brayton. FASE IV. DETERMINACIÓN DEL ALGORITMO DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA PLANTEADO. Esta fase se dividirá en tres etapas, las cuales se describen a continuación: · Desarrollo del algoritmo para la entrada de datos. Especificación del tipo de combustible a emplear, relación combustible-aire relativo y valores para propiedades conocidas. · Desarrollo del algoritmo para el procesamiento de los datos. En función de los datos de entrada aplicar las relaciones de estado y de proceso para la definición de los estados principales que conforman el ciclo y la evaluación de los índices característicos de funcionamiento de la turbina a gas (eficiencia térmica, consumo de combustible y potencia producida, entre otras). FASE V. DESARROLLAR EL PROGRAMA DE CÁLCULO BASADO EN EL ALGORITMO ANTERIOR. En la presente fase se seleccionará dentro de los lenguajes de programación de mayor utilización, el mejor lenguaje de programación para la aplicación. Posteriormente, se desarrollará la codificación en dicho lenguaje de los algoritmos desarrollados e indicados en la fase anterior. Para finalizar con esta fase, se efectuará la interconexión de la codificación de los algoritmos indicados anteriormente en una estructura principal. FASE VI. DESARROLLAR RUTINAS DE CÁLCULO PARA REALIZAR PREDICCIONES EN CUANTO AL FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS A GAS. Se diseñaran problemas tipo de los ciclos aire-combustible aplicados a las turbinas a gas para realizar predicciones en cuanto al comportamiento de los índices de funcionamiento de la máquina cuando se somete a variaciones del tipo de combustible, relación combustible-aire relativa, temperatura de entrada del aire al compresor y relación de compresión, entre otras. FASE VII. DESARROLLO DEL MANUAL DEL USUARIO PARA LA HERRAMIENTA. Se elaborara un manual del operaciones y procedimientos para los posibles usuarios de la herramienta computacional o del programa de cálculo con la finalidad de adiestrar a las personas interesadas.

PRODUCTOS DEL PROYECTO

El modelo matemático a aplicar en el presente trabajo de investigación, para su posterior implantación en una herramienta computacional, requiere complementar los modelos desarrollados con anterioridad en el área relacionada con los motores de combustión interna, con el fin de realizar un mejor análisis del comportamiento funcional de las turbinas a gas y obtener una cantidad mayor de predicciones cuando estas máquinas se someten a variaciones en cuanto al tipo de combustible, la relación entre el aire y el combustible, la relación entre las presiones de entrada y salida del compresor y la temperatura de entrada al compresor o a la turbina, entre otras. A nivel ambiental y ecológico, una vez que se haya definido el tipo de combustible y la relación aire-combustible a utilizar en la cámara de combustión se podrán hacer predicciones sobre los componentes y la cantidad de materia de cada componente que se desecha al ambiente cuando los gases quemados salen de la turbina; para de esta manera determinar la proporción másica de algunos compuestos dañinos que se liberan al ambiente, como por ejemplo el monóxido y dióxido de carbono. Debido a la legislación mundial sobre normas ambientales y ecológicas, cada vez más estrictas, lo anterior permitirá establecer intervalos de trabajo adecuados a dichas normas. La herramienta computacional podrá ser empleada en el proceso de aprendizaje-enseñanza en asignaturas relacionadas con el área (Termodinámica II, Centrales Termoeléctricas y Generación de Potencia, entre otras), en la industria en general y en la investigación, entre otros; simplificando un conjunto de cálculos tediosos y engorrosos para la determinación la caracterización de las mezclas, los valores de las propiedades que permitirán calcular los índices que definen el comportamiento funcional de la máquina, tales como: consumo específico de combustible, rendimiento térmico y potencia mecánica entregada, entre otros. A nivel académico, esta herramienta permitirá que el usuario pueda analizar y comprender los efectos que produce la variación de alguna propiedad en el rendimiento de la planta y los niveles adecuados de esa propiedad para que la máquina pueda mantener un rendimiento elevado; adicionalmente, con la herramienta se podrá realizar una mayor cantidad de predicciones en la turbina a gas en comparación con las que se pueden obtener de los ciclos de aire-estándar. Existen Universidades, Tecnológicos o Instituciones de Educación Superior que no están en capacidad financiera de dotar a sus laboratorios experimentales con una turbina a gas; entonces, dichas instituciones podrán utilizar la herramienta por como un laboratorio virtual. A nivel mundial, grandes industrias pertenecientes a la rama de generación de potencia han invertido grandes sumas de dinero en el desarrollo de herramientas computacionales que permitan simular el comportamiento funcional de una turbina a gas. Dichas herramientas computacionales se encuentran fuera del alcance de muchos posibles usuarios interesados en el área debido al elevado costo que representa la adquisición de alguno de estos paquetes computacionales; por tanto, el desarrollo del modelo matemático-termodinámico para la evaluación del ciclo aire-combustible que se ejecuta en una turbina a gas, para posteriormente la elaboración una herramienta computacional propia adquiere una gran importancia

DEPENDENCIA RESPONSABLE DEL PROYECTO:

Facultad de Ingeniería

FECHA INICIO

06/03/2007

FECHA FIN

06/10/2007

MONTO DEL PROYECTO

Bs. 20.000.000,00, Bs.F. 20.000,00
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