Diseño de un rotor de turbo-compresor para generación eléctrica con energía solar basado en el ciclo brayton

Diseño de un rotor de turbo-compresor para generación eléctrica con energía solar basado en el Ciclo Brayton

E. Mariscal Hay

Resumen:
El presente trabajo se ocupa del diseño de un compresor para generar energía eléctrica por medio de un ciclo termodinámico de Brayton. En base a un circuito cerrado que emplea energía solar. La eficiencia del ciclo Brayton depende primordialmente de larelación de presiones. Por ello, es necesario poder contar con un compresor que produzca con aire, una relación mínima de 1:8 en las presiones. Este compresor debe ser sencillo y económico. Para conocer sus parámetros se utilizó la metodología TRIZ, y se creó el modelo gráfico con Inventor de AutoCAD y se está haciendo la simulación y la modelación, hasta lograr las geometrías convenientes, y poderrealizar el diseño del prototipo experimental.
Introducción:
Eduardo Mariscal Hay, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Monterrey, México emariscalhay@iimariscal.com.mx
Eduardo Mariscal Hay, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Monterrey, México emariscalhay@iimariscal.com.mx
Se parte del objetivo de implementar un sistema de generacióneléctrica que pueda abastecer una casa habitación de tamaño medio.

Se optó por analizar la posibilidad de utilizar como elemento central, un turbo-compresor automotriz, debido a que éstos se producen en grandes cantidades y tienen un costo relativamente bajo. Se considera la opción de combinarlo con un generador (también automotriz), y con un inter-cambiador de calor para introducirle la energíatérmica al sistema. Se parte del concepto de utilizar energía solar térmica, la cual puede ser proporcionada por un sistema de concentración solar. Se puede también considerar el uso de un acumulador térmico. Un factor relevante, como se mencionó anteriormente para la selección del turbo-compresor automotriz como punto de partida fue su bajo costo y su disponibilidad.
Ciclo Brayton: El ciclotermodinámico seleccionado es el de Brayton, por su aplicabilidad en máquinas rotativas de movimiento continuo. Son conocidas micro-turbinas de ciclo Brayton, que son máquinas térmicas que requieren relativamente poco mantenimiento y que brindan longevidad y costos de operación mínimos. Las turbinas de avión, y las turbinas de gas industriales son máquinas de combustión interna, y trabajan encircuitos abiertos, o sea que toman aire fresco del ambiente, lo comprimen previo a realizar la combustión para después expandirse en la turbina, devolviendo la mezcla de combustión nuevamente a la atmósfera.

Fig. 1 Ciclo ideal Brayton

El primer diagrama del ciclo (T=T(S)) en la Fig.1 muestra tanto la acción del compresor (1-2), como la de la turbina (3-4) las cuales son isoentrópicas, y lasacciones del calentador (2-3), como la del enfriador (4-1) son curvas isobáricas. En el segundo diagrama (P=P(V)) se ve la representación sobre curvas adiabáticas. Como se usa un circuito cerrado, se puede considerar que se trata de una máquina térmica similar a la Stirling, pero, a diferencia de las Stirling convencionales, ésta es rotativa de movimiento continuo (no reciprocante) aunqueigualmente, se tiene una máquina que no es de combustión interna, como las micro-turbinas que queman combustible internamente para operar.
La eficiencia termodinámica del ciclo Brayton viene dada por: η = 1- 1Bk-1k (1)
En donde B es la relación de presiones del ciclo, y k es la relación entre el calor específico a presión constante dividida por el calor específico a volumenconstante del gas empleado. En el caso del aire, este tiene un valor prácticamente constante a lo largo del rango de temperaturas que encontraremos (de 300°K a 1300°K)

Fig. 2. Eficiencia del ciclo Brayton en función de la relación de presiones
Nuestro equipo original: Se hicieron pruebas midiendo la compresión lograda por nuestro turbo-compresor a diferentes velocidades (RPM) , se encontró...