CICLOS DE GASESCICLO BRAYTON

INTRODUCCION.

En la producción de energía para uso industrial y para satisfacer necesidades de la sociedad humana se han utilizado diversos dispositivos mecánicos. Ya hemos analizado la planta de vapor, en la que se agrega calor al agua y el vapor resultante se expande en una turbina, la cual produce trabajo mecánico aprovechable. La eficiencia térmica de este tipo de planta oscilaba entre 38 a 41%, aproximadamente. Una de las causas de tan baja eficiencia, es que un fluido intermediario, el agua se emplea para transportar la energía de los gases calientes de combustión la turbina o maquina motriz. En una planta de potencia con turbina de gas se evita lo anterior mediante el empleo directo de los gases de combustión en el impulso de una turbina especial. Un factor de gran importancia que inclina a la selección de una turbina de gas es que las unidades motrices de esta clase son muy compactas y ligeras. La planta motriz de vapor usual ocupa un área mucho mayor y resulta mucho mas pesada y voluminosa. En esta guía se pretende estudiar el comportamiento de este tipo de equipos.

OBJETIVO GENERAL:

Analizar el Ciclo Brayton como un ciclo de aire estándar de aire.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Describir la operación de una turbina de gas.

Describir las aplicaciones y ventajas de una turbina de gas.

Determinar la eficiencia térmica de un ciclo estándar de aire Brayton.

CONTENIDO.

1.- Ciclo Brayton.2.- ¿Por qué una turbina de gas?3.- Aplicaciones.4.- Ventajas de la turbina de gas.5.- Ciclo fundamental en una planta de turbina de gas.6.- Análisis del ciclo7.- Problema.

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Bibliografía Complementaria.

DESARROLLO DEL CONTENIDO.

1.- CICLO BRAYTON.

El principio básico que subyace el motor de turbina a gas es el de convertir la energía cinética de gases calientes en expansión en energía rotatoria mecánica de una rueda de turbina. En esencia, la turbina típica de gas lleva grandes cantidades de aire al motor con ayuda de una unidad compresora. Entonces, el combustible entra a las cámaras de combustión donde se combina con aire y se enciende. Los gases calientes de la combustión se dirigen contra las cubetas u hojas montadas en la rueda de la turbina. Además de la turbina gasifica dora que mueve el compresor, existe una turbina de potencia que suministra potencia al árbol del motor movido. Es en la rueda de la turbina que se convierte una porción de la energía cinética de los gases en dilatación en energía rotatoria mecánica. Ver figura 1.

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Es en el área de los gases de escape donde mucho calor y eficiencia pueden ser perdidos en cualquier motor. El desperdicio involucrado en el motor de pistón recíproco es obvio: los gases calientes son removidos del motor, a pesar de mucha energía térmica permanece o queda ahí. Las turbinas de gas están diseñadas para minimizar este tipo de desperdicio. Al pasar los gases por varias etapas de ruedas de turbinas se utiliza la energía a un grado mayor que con una sola rueda de turbina. Además se puede usar un regenerador para precalentar el aire de entrada y aumentar la eficiencia. Ver figura 2.

Otra técnica que se puede usar para aumentar la eficiencia térmica es mandar los gases de escape de la turbina de gas a un sistema de turbina de vapor, formando un ciclo combinado.

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2.- ¿POR QUÉ UNA TURBINA DE GAS?

El término “gas” se refiere al medio que se produce para mover la rueda de la turbina. Varios combustibles pueden ser usados, tales como gas natural, nafta, aceite destilado, combustibles residuales, combustible para los motores a reacción, combustibles diésel y kerosén.

En consecuencia, el gas es el producto de la combustión del combustible y aire que pasa rápidamente a través de la turbina: la energía química potencial convertida principalmente en energía térmica cinética.

El ciclo termodinámico de la turbina de gas tiene cierta semejanza con otros tipos de motores de combustión. El aire y el combustible son traídos juntos (encienden) y los gases calientes resultantes se dirigen contra una superficie que puede responder la presión, superficies tales como una hoja de una turbina o un pistón reciproco de un motor. Sin embargo, la turbina es un proceso de “flujo continuo”, en tanto que los motores alternativos son un proceso en “lotes”; un lote de mezcla combustible entra en el tiempo de admisión y es procesado como una unidad.

Las turbinas tienen un fuerte apetito por el aire, el cual puede ser únicamente satisfecho jalando aire a la turbina mediante una unidad compresora. Una parte de la energía cinética térmica debe ser usada por la turbina gasifica dora para mover la unidad compresora. Las unidades compresoras pueden ser de flujo axial, de flujo centrífugo o una combinación de ambos.

3.- APLICACIONES.

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Las turbinas de gas han tenido muchos usos a pesar de que su intenso desarrollo ha estado en proceso durante un período relativamente corto, como aquel del turbo jet. En algunas aplicaciones su uso ha sido más bien firmemente establecido, tal como en la generación de electricidad y para mover helicópteros. Sin embargo, en otras aplicaciones como en automóviles de pasajeros, el desarrollo y la investigación continúan.

Las aplicaciones de las turbinas se pueden clasificar en varios campos:

1. Turbinas de gas para camiones, autobuses, vehículos grandes militares.2. Turbinas de gas para coches o automóviles.3. Turbinas de gas para helicópteros y aeronaves de hélice pequeñas.4. Turbinas de gas para generación eléctrica.5. Turbinas de gas para uso múltiples.

4.- VENTAJAS DE LAS TURBINAS DE GAS.

Las turbinas de gas tienen varias ventajas. Al principio de la lista está la potencia suave, libre de vibraciones que produce. No hay partes alternativas, solo movimiento rotativo continuo. Es característico de las turbinas a gas requerir poco tiempo de calentamiento; pueden pasar a su potencia máxima de operación en un tiempo corto. Naturalmente, las ventajas varían con la aplicación pero se puede decir adicionalmente:

1. Compiten muy bien con otros motores primarios en tamaño y peso por caballo de fuerza.

2. Operan bien usando una amplia variedad de combustibles relativamente económicos.3. No presentan los problemas significativos de mantenimiento y de hecho se les

considera fácil de mantener.Ver figura 3.

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5.- CICLO FUNDAMENTAL EN UNA PLANTA DE TURBINA DE GAS.

Para que una turbina de esta clase produzca trabajo aprovechable, los gases calientes deben expandirse desde una presión alta (mayor que aquella con la que salen de un hogar) hasta otra más baja. Por lo tanto, primero tienen que ser comprimidos. Si después de la compresión el fluido se expandiera en una turbina, la energía producida resultaría igual a la utilizada por el compresor, siempre que la turbina y este último funcionasen en forma ideal. Pero si al fluido se le agrega calor antes de llegar a la turbina, elevando así su temperatura, se lograría desarrollar una potencia útil de salida. Si se pudiera impartir al fluido una energía térmica cada vez mayor, sería posible obtener una energía mecánica cada vez más elevada. Desafortunadamente, lo anterior no puede suceder así; los alabes de una turbina de gas tienen un límite térmico metalúrgico. Si los gases entraran continuamente con una temperatura mayor que este límite, los esfuerzos térmicos y mecánicos combinados harían fallar a los alabes.

6.- ANÁLISIS DEL CICLO.

El ciclo en una planta de turbina de gas puede ser del tipo cerrado o abierto. El ciclo abierto es más común. En éste, el aire atmosférico es tomado de manera continua por el compresor, y a continuación se le agrega calor mediante la combustión de un material combustible; el fluido se expande luego en la turbina y escapa a la atmósfera. En la figura 4. se ilustra lo anterior. En un ciclo cerrado, el calor suministrado tiene que provenir de una fuente externa - cambiador de calor, como sucede en una planta térmica de energía nuclear - y el fluido debe ser enfriado después de salir de la turbina y antes de que entre al compresor. La figura 5 ilustra este sistema.

El ciclo Brayton estándar de aire es el ciclo ideal para una unidad motriz de turbina de gas como sistema cerrado. Se caracteriza por tener suministro y cesión de calor a presión constante, y procesos isentrópicos de expansión y compresión.

Calentador Combustión

Comp. Turb. Comp. Turb.

Enfriador

Figura 5. Ciclo Cerrado Figura 4. Ciclo Abierto

El fluido de trabajo es aire únicamente, que puede considerarse como gas ideal. Las figuras 6 y 7, muestran los respectivos diagramas P - V y T - S.

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3 2 3T P

P=ctte

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1 4 P=ctte 1

Entropía (s) Volumen(v)

Figura 6. Figura 7

La eficiencia térmica del ciclo Brayton se puede calcular como sigue:

Nbrayton = Wneto = 1 - Qsalida Qentrada Qentrada

Nbrayton = 1 - Cp * (T4 - T1) Cp * (T3 - T2)

Nbrayton = 1 - (T1/T1) * (T4 - T1) (T2/T2) * (T3 - T2)

Nbrayton = 1 - T1 * (T4/T1 - 1) T2 * (T3/T2 - 1)

T4/T1 = T3/T2 por consiguiente:

Nbrayton = 1 - T1/T2

Relación de presión:

k/(k - 1)(P2/P1) = (T2/T1)

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(k - 1)/k(P2/P1) = (T2/T1)

Entonces:

T1/T2 = 1 (k - 1)/k

(P2/P1)

La eficiencia queda como:

Nbrayton = 1 - 1 (k - 1)/k

(P2/P1)

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7.- PROBLEMA:

En un ciclo Brayton de aire normal, el aire entra al compresor a 1.03 Kg F/cm2 y 15.6ºC, la presión a la salida del compresor es de 4.92 Kg F/cm2 y la temperatura máxima del ciclo es de 871 ºC. Calcule:

a) La presión y la temperatura en cada pto del ciclo.b) El trabajo del compresor, de la turbina y el rendimiento del ciclo.

P1 = P4 = 1.03 Kg F/cm2 T1 = 289 ºKP2 = P3 = 4.92 Kg F/cm2 T2 = 1143 ºK

Compresor Cp: (h/T)P

1er. Ley Wc = h2 - h1 = Cp (T2 - T1)2da. Ley S1 = S2

(k - 1)/k (1 - 4 - 1)/(1 - 4)(P2/P1) = (T2/T1)*(4.92/1.03) = T2/239 ºK

T2 = 452 ºK Wc = 0.2 Kcal / kgm ºK (452 ºK - 289 ºK)

Wc = 39.2 Kcal / kgm

Turbina.

1er. Ley Wc = h3 - h42da. Ley S3 = S4

(k - 1)/k 0.286(P3/P4) = (T3/T4)*(4.92/1.03) = T2/T4 (k - 1)/kN = 1 - 1/(P3/P4) = 36%

Otra forma es:

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T4 = 731 ºKWt = h3 - h4 = Cp (T3 - T4) = 0.24 Kcal / kgm ºK (1143 ºK - 731 ºK)

Wt = 99 Kcal/kgmWn = Wt - Wc = 59.8 Kcal/kgmQH = h3 - h2 = Cp (T3 - T2)QH = 166 Kcal/kgmN = Wn/Q = 59.8/166 : 36%

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BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA.

* Sonntag y Van Wylen. Fundamentos de Termodinámica Clásica.

* Yunus, Cengel, Boles. Termodinámica. Editorial Mac. Graw Hill.

* Keith Sherwin. Introducción a la Termodinámica. Editorial Adison/Wesley iberoamericana.

Kenneth Wark. Termodinámica. Editorial Mc Graw Hill.

Burghardt. Ingeniería Termodinámica. Editorial Harla.

Howell, Buckuis. Principios de termodinámica para ingenieros. Editorial Mac Graw Hill

Octave Levenspiel. Fundamentos de Termodinámica. Editorial Prentice Hall

* Textos principales para este tema.

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