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Motores y turbinas a gas
Existen diversos equipos capaces de generar energía eléctrica que tienen su aplicación en las plantas de cogeneración: turbinas de vapor, turbinas de gas y motores de gas. Las últimas tendencias técnicas, económicas y medioambientales, han motivado que la mayoría de las plantas de cogeneración están basadas en turbinas de gas o en motores de gas.
TURBINAS DE GAS
Una turbina de gas es una máquina capaz de producir por un lado potencia mecánica y por otro lado aportar una elevada cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje en oxígeno, lo cual permite utilizarlos como aire de combustión en un quemador adicional y así elevar el nivel térmico de los gases.
El esquema elemental de una turbina de gas es el siguiente:
El compresor de aire tiene por misión elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes de que entre en la cámara de combustión. Esta compresión puede hacerse en una o varia etapas, y consume buena parte de la potencia producida por la turbina. En la cámara de combustión tiene lugar la combustión a presión del gas junto con el aire. Frecuentemente se necesita un compresor de gas para introducir éste a presión adecuada. Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con exceso de aire elevado, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de la llama y por otro lado refrigerar las partes más calientes de la cámara.
La turbina de potencia es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión (en forma de presión y temperatura elevada) a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje, el llamado eje de potencia). Los gases que entran a la turbina de potencia a una temperatura de 1.000 – 1.200 ºC, salen a unos 500ºC y una presión ligeramente superior a la atmosférica. La velocidad de rotación del eje de potencia suele ser muy superior a la necesaria para el accionamiento de un alternador o de un compresor y suele necesitarse
una caja reductora para reducir el número de revoluciones. El generador es el elemento que consume la energía mecánica aportada por la turbina y el que genera la corriente eléctrica.
MOTORES DE GAS
Los motores de gas son los equipos con el rendimiento de conversión de energía térmica a eléctrica más elevado en la actualidad. Sin embargo, el calor residual producido se encuentra distribuido entre distintas corrientes de fluidos a distintas temperaturas, lo cual hace más difícil su recuperación.
El esquema básico de un motor a gas para instalaciones de cogeneración es el siguiente:
En la cámara de combustión tiene lugar la combustión de gas y aire mezclados. Tienen forma cilíndrica y en su interior existe un pistón móvil que realiza la aspiración del combustible y el aire por un extremo mientras que por el otro extremo cede la energía desprendida en la combustión al eje motor mediante un sistema biela-manivela. Una vez realizada la combustión, el pistón se desplaza para evacuar los productos de combustión. Generalmente se trabaja con un exceso de aire del 15-40% y la presión del gas a la entrada del regulador previo a la cámara es inferior a 2 bar. Esta presión es fácilmente asegurable por las compañías distribuidoras por lo que no suele precisarse compresión del gas.
La función del generador es la conversión de energía mecánica en energía eléctrica. Una particularidad de los motores es su relativamente baja velocidad de rotación, lo cual hace posible un ensamblaje directo del eje motor al generador.
Los circuitos de evacuación de fluidos y refrigeración son básicamente tres: evacuación de los gases de escape, refrigeración del motor y aceite de lubrificación. Éste último representa un porcentaje muy bajo de la energía desprendida. Normalmente la refrigeración del motor se
realiza con agua y en función del nivel de temperaturas de la misma se pueden hacer tres grupos:
- Refrigeración "clásica" en la que el agua entra a unos 70ºC y sale a 85-90ºC hacia el enfriador.
- Refrigeración a alta temperatura donde, mediante presión, el agua llega a alcanzar temperaturas superiores a 100ºC (máximo 120ºC) sin cambio de fase.
- Refrigeración por ebullición: se consigue un enfriamiento más eficiente del motor al permitir una vaporización del agua a unos 120-125ºC, eliminando además la necesidad de bomba de recirculación ya que el sistema funciona por convección natural.
