Diagrama de flujo de una turbina de gas con ciclo Brayton. Representación del ciclo ideal en diagramas termodinámicos P-v y T-s.

Ciclos de Gas

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4 1

3 2

1T T

T T

rendimiento

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Rendimiento de un ciclo Brayton ideal con gas ideal, en función de la relación de compresión.

2 1 3 4/ /r P P P P

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• TAREA 1.

• ANALIZAR LA ECUACION QUE RIGE EL RENDIMIENTO DE UNA TURBINA DE GAS Y ANALISIS DEL SISTEMA CON REGENERACION (DIAGRAMA T-S) CON RESPECTO A LA ECUACION DE RENDIMIENTO

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EJEMPLO PRACTICO: • Supongamos que se tiene una turbina de gas trabajando en

condiciones normales dentro de un sistema, de tal forma que

el aire a la entrada del compresor tiene una temperatura T1=

25ºC y una presión p1= 1,033 kg/cm2. La relación de

presiones es: p2/p1= 2.8. Este tiene una eficiencia del 85 %.

• El gas a la entrada de la turbina tiene una temperatura T3=

923ºK, y a la salida de 729°k mientras que la relacion de

presión de la turbina es rT= 3.5.

• Calor específico del aire es: cp(aire) = 0,24 Kcal/kgºK

• Nota: Se considerará un coeficiente adiabático K = 1,40.

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• ηT= 923°k - 729 = 0.698 por tanto 70 %

923°k – 645.288

• T4s = 923 °k (1/3.5^(1.40-1/1.40))= 645.288

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• WTe = 0.24 (25)[.698(923)( 1 ) – ( 1 ) (2.8^(1.40 -1/1.40) -1)]=

25 3.5^(1.40 -1/1.40) .85

WTe = 105.68 C.V

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Diagrama de funcionamiento del turbofan. Sistema

de baja presión en verde. Sistema de alta presión

en púrpura

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Un misil de la NASA con el concepto del estatoreactor

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TURBINAS A VAPOR

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TURBINA DE GAS

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TURBINAS DE GAS

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Ciclo de Brayton

Se denomina ciclo Brayton a un ciclo termodinámico de compresión, calentamiento y expansión de un fluido compresible, generalmente aire, que se emplea para producir trabajo neto y su posterior aprovechamiento como energía mecánica o eléctrica.

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OBJETIVO DEL CICLO BRAYTON Y SUS APLICACIONES

• El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas

es convertir energía en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica.

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Ciclo de Brayton

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La potencia del motor de combustion esta relacionada con la cantidad de mezcla quemada en un periodo de tiempo, por lo mismo, esta referido

directamente a la cantidad de aire inducido en el sistema.

• La turbina de gas puede trabajar a mayores velocidades que otros motores por la ausencia de partes reciprocantes, y con flujo continuo en vez del flujo intermitente del motor de embolo.

En la turbina de gas la temperatura de combustion es continua, por lo que los ductos, toberas y aspas estan expuestos a ella.

La temperatura maxima en el sistema de la turbina de gas queda limitada entre 540 a 815ºC que existen en el motor ECH.

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Ventajas y desventajas de los motores a reacción

• Motores de turbina de gas tienen una gran potencia-peso en comparación con los motores alternativos. Es decir, la cantidad de poder de que salga del motor en comparación con el peso del motor en sí es muy bueno. •Motores de turbina de gas son más

pequeños que sus homólogos de

reciprocidad de la misma potencia. La desventaja de las turbinas de gas es que, en comparación con un motor de reciprocando el mismo tamaño, que son caros Debido a que giran a velocidades tan altas y por las altas

temperaturas, el diseño y fabricación de turbinas de gas es un problema difícil tanto desde el punto de vista de ingeniería y materiales.

Las turbinas de gas también tienden a utilizar más combustible cuando están al ralentí, y que prefieren una constante en lugar de una fluctuación de la carga.

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Turborreactores

LOS MOTORES ATMOSFÉRICOS MÁS EMPLEADOS

SON LOS TURBORREACTORES. DESPUÉS DE QUE

EL AIRE PASE AL MOTOR, SU PRESIÓN SE

AUMENTA MEDIANTE UN COMPRESOR ANTES DE

ENTRAR EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN. LA

POTENCIA NECESARIA PARA MOVER EL

COMPRESOR PROVIENE DE UNA TURBINA SITUADA

ENTRE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN Y LA TOBERA.

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Turboventiladores o reactores de doble flujo

EL TURBOVENTILADOR ES UNA MEJORA DEL

TURBORREACTOR BÁSICO. PARTE DEL AIRE ENTRANTE SE COMPRIME SÓLO PARCIALMENTE Y SE DESVÍA PARA QUE FLUYA POR UNA CARCASA EXTERIOR HASTA EL FINAL DE LA TURBINA. ALLÍ SE MEZCLA CON LOS GASES CALIENTES QUE SALEN DE LA TURBINA, ANTES DE LLEGAR A LA TOBERA. UN REACTOR DE DOBLE FLUJO TIENE MAYOR EMPUJE PARA EL DESPEGUE Y EL ASCENSO Y ES MÁS EFICIENTE; EL AIRE QUE FLUYE POR EL EXTERIOR REFRIGERA EL MOTOR Y REDUCE EL NIVEL DE RUIDO.

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Turbohélices

EN UN MOTOR DE TURBOHÉLICE, UNA HÉLICE MONTADA DELANTE DEL REACTOR ES PROPULSADA POR UNA SEGUNDA TURBINA —O TURBINA LIBRE— O POR ETAPAS ADICIONALES DE LA TURBINA QUE MUEVE EL COMPRESOR. ALREDEDOR DE UN 90% DE LA ENERGÍA DE LOS GASES EXPANDIDOS SE ABSORBE EN LA PARTE DE LA TURBINA QUE MUEVE LA HÉLICE, CON LO QUE SÓLO UN 10% SE EMPLEA PARA ACELERAR EL CHORRO DE GASES DE ESCAPE. ESTO HACE QUE EL CHORRO SÓLO SUPONGA UNA PEQUEÑA PARTE DEL EMPUJE TOTAL. LAS TURBOHÉLICES TIENEN DETERMINADAS VENTAJAS PARA AVIONES PEQUEÑOS Y MEDIANOS A VELOCIDADES DE HASTA 500 O 600 KM/H. SIN EMBARGO, NO PUEDEN COMPETIR CON LOS TURBORREACTORES O TURBOVENTILADORES EN AVIONES MUY GRANDES O VELOCIDADES MAYORES.

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ESTATORREACTORES

• LOS ESTATORREACTORES SON MOTORES A REACCIÓN

AUXILIARES QUE CARECEN DE COMPRESORES Y

TURBINAS, PUES LA COMPRESIÓN SE EFECTÚA POR LA

ALTA PRESIÓN DINÁMICA DEBIDA A LA ALTA VELOCIDAD

QUE ES NECESARIO IMPRIMIR AL ESTATORREACTOR

PARA SU FUNCIONAMIENTO.

• EL AIRE, DESPUÉS DE COMPRIMIDO, SE SOMETE A UN

PROCESO DE COMBUSTIÓN EN UNA CÁMARA, Y

• DESPUÉS A EXPANSIÓN EN LA TOBERA DE ESCAPE.

• SE HA DE TENER EN CUENTA QUE ESTA FORMA DE

TRABAJO ES CONTINUA.

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• EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL ESTATORREACTOR ES EL MISMO QUE EL DE TODOS LOS MOTORES A REACCIÓN: LA VARIACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO DEL AIRE A LA ENTRADA Y DEL GAS AIRE-COMBUSTIBLE A LA

• SALIDA.

• TECNOLÓGICAMENTE, EL ESTATORREACTOR ES EL MÁS SENCILLO DE LOS MOTORES A REACCIÓN, YA QUE NO CONTIENE NINGUNA PIEZA MECÁNICA MÓVIL, A EXCEPCIÓN DE LA BOMBA DE COMBUSTIBLE. LOS COMPONENTES PRINCIPALES DE LOS ESTATORREACTORES DESDE LA ADMISIÓN HASTA EL ESCAPE SON: DIFUSOR DE ADMISIÓN, CÁMARA DE COMBUSTIÓN, Y TOBERA DE escape.

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Problemas.

1) Una planta de turbina de gas que opera en un ciclo Brayton con

regeneración, entrega 20000 kW a un generador eléctrico. La

temperatura máxima es 1200 K y la temperatura mínima es 290 K.

La presión mínima es 95 kPa y la presión máxima es 380 kPa. La

eficiencia del regenerador es de 75%. La eficiencia del compresor es de

80% y la de la turbina es 85%.

a) ¿Cuál es la potencia de la turbina?

b) ¿Qué fracción de la potencia de la turbina es usada para mover el

compresor?

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