sistemas térmicos

Unidad 4

Plantas de gas

Ciclo simple Brayton

Ciclo ideal para los motores de turbina de gas.

George Brayton 1870

Las primeras turbinas de gas construidas en la década de 1940 e incluso en la de1950 tenían eficiencias de ciclo simple de alrededor de 17 por ciento.

Ciclo simple Brayton

General Electric LM2500 impulsar barcos 𝜂 = 37%

General Electric WR-21 interenfriamiento y

regeneración 𝜂 = 43%

Las dos principales áreas de aplicación de las turbinas de gas son la propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica.

Flotas navales utilizan motores de turbinas de gas para propulsión y para la generación de energía eléctrica

Ciclo simple Brayton

Ciclo abierto y ciclo cerrado

Ciclo simple Brayton

Ciclo simple Brayton

Procesos:1-2 Compresión isentrópica (en un compresor)

2-3 Adición de calor a presión constante

3-4 Expansión isentrópica (en una turbina)

4-1 Rechazo de calor a presión constante

Ciclo simple Brayton

Eficiencia:

𝜂 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 1 −1

𝑟𝑝

𝑘−1𝑘

relación de presión 𝑟𝑝 =𝑃𝑚𝑎𝑥

𝑃𝑚𝑖𝑛11 a 16

Ciclo simple Brayton

Relación de presión.

Ciclo simple Brayton

Coeficiente isentrópico k

Cambiar aire por helio o argón en los ciclos cerrados

Ciclo simple Brayton

Temperatura máxima.

Está limitada por latemperatura máxima quelos álabes de la turbinapueden resistir.

1 425 °C (2 600 °F)

Límite metalúrgico o coeficiente de

temperaturas 𝜃 =𝑇3

𝑇1, en alguno libros t =

𝑇3

𝑇1

Ciclo simple Brayton

Temperatura máxima.

𝜃 = 3,5 𝑎 4 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎𝑙𝜃 = 5 𝑎 5,5 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠

Para temperatura fija de alimentación ytemperatura máxima de entrada de laturbina:

𝑟𝑝𝑜𝑝𝑡𝑖𝑚𝑎=

𝑇𝑚𝑎𝑥

𝑇𝑚𝑖𝑛

𝑘2 𝑘−1

= 𝜃𝑘

2 𝑘−1

𝑇4 = 𝑇2

Ciclo simple Brayton

Relación de presión.

Ciclo simple Brayton

Relación de aire - combustible

𝑟 𝑎 𝑐=

𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

𝑟 𝑎 𝑐= 50

𝑘𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒

𝑘𝑔𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒o más

Relación combustible – aire (Dosado)𝐹 =

𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒

𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒=

1

𝑟 𝑎 𝑐

Ciclo simple Brayton

Relación del trabajo de retroceso.

La fracción de trabajo de la turbina que se emplea para accionar el compresor

𝑟𝑏𝑤 =𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟

𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎

Ciclo simple Brayton

Ejercicio de aplicación

Un ciclo Brayton ideal simple con aire como fluido de trabajo a P=1atm, tiene una relación de presiones de 10. El aire entra al compresor a 520 R y a la turbina a 2.000 R.

Para el gas ideal determine

a) la temperatura del aire a la salida del compresor,

b)la relación del trabajo de retroceso.

c) la eficiencia térmica.

Tomando en cuenta la variación de calores específicos con la temperatura, determine

a) la temperatura del aire a la salida del compresor,

b)la relación del trabajo de retroceso.

c) la eficiencia térmica.

Mejoras al ciclo Brayton

1. Incrementar las temperaturas de entrada de laturbina (o de quemado).

540 °C (1 000 °F) en la década de 1940, hasta

1 425 °C (2 600 °F) e incluso mayor actualmente.

Desarrollo de nuevos materiales (como la de revestirlos álabes de la turbina con capas cerámicas)

Y por las innovadoras técnicas de enfriamiento paracomponentes críticos (enfriarlos con aire de descargadel compresor o utilizar vapor de agua comorefrigerante.

Mejoras al ciclo Brayton

2. Incremento de las eficiencias de los componentesde turbomaquinaria

El desempeño de las primeras turbinas sufríagrandemente de las ineficiencias de turbinas ycompresores. Sin embargo, el advenimiento de lascomputadoras y de técnicas avanzadas de diseñoasistido por computadora hizo posible diseñar estoscomponentes aerodinámicamente cuyas pérdidas sonmínimas. Las eficiencias incrementadas de las turbinasy compresores resultaron en un aumento significativoen la eficiencia del ciclo.

Mejoras al ciclo Brayton

3. Adición de modificaciones al ciclo básico

Regeneración (o recuperación)

Recalentamiento

Interenfriamiento

CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN

El aire de alta presión que sale del compresor puedecalentarse transfiriéndole calor desde los gases de escapecalientes mediante un intercambiador de calor a contraflujo

CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN

𝑇4 > 𝑇2

𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = ℎ5 − ℎ2

𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = ℎ4 − ℎ6

CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖𝑎 𝜀

𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙= ℎ5 − ℎ2

𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜= ℎ4 − ℎ2

𝜀 =𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜

=ℎ5−ℎ2

ℎ4−ℎ2

𝜀 ≈ 0,85

CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN

Eficiencia Térmica:

𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎

= 1 −𝑇1𝑇3

𝑟𝑝

𝑘−1𝑘

𝜂 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 1 − 𝜃 𝑟𝑝

𝑘−1𝑘

𝜂𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎

= 1 − 𝜃 𝜑

CICLO BRAYTON CON RECALENTAMIENTO La salida de trabajo de una turbina que opera entre dos niveles de presiónaumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlo entre éstas; es decir, sise utiliza expansión en múltiples etapas con recalentamiento.

CICLO BRAYTON CON RECALENTAMIENTOLa combustión en las turbinas de gas ocurre comúnmente concuatro veces la cantidad requerida de aire para la completacombustión, para evitar temperaturas excesivas. Por lo tanto, losgases de escape son ricos en oxígeno y el recalentamientopuede lograrse sencillamente rociando combustible adicional enlos gases de escape entre dos estados de expansión.

𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =2

𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑃𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎

COMPRESIÓN EN ETAPAS MÚLTIPLES CON INTERENFRIAMIENTOEl gas se comprime en etapas y se enfría entre cada una deéstas pasándolo a través de un intercambiador de calorllamado interenfriador.

Compresión en etapas múltiples con interenfriamientopara minimizar el trabajo de compresión durante la compresión de dosetapas, la relación de presión para cada etapa del compresor debe ser la

misma.

𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =2

𝑃𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑃𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎

La relación del trabajo de retroceso de un ciclo de turbina de gas

mejora debido al interenfriamiento y el recalentamiento. Sin

embargo, esto no significa que la eficiencia térmica también

mejorará.

Entra aire a una turbina de gas con dos

etapas de compresión y dos etapas de

expansión, a 100 kPa y 17 °C. El sistema usa

un regenerador, así como recalentamiento e

interenfriamiento. La relación de presiones a

través de cada compresor es 4; se agregan

300 kJ/kg de calor al aire en cada cámara de

combustión, y el regenerador opera

perfectamente al aumentar la temperatura

del aire frío en 20 °C. Determine la eficiencia

térmica de este sistema. Suponga

operaciones isentrópicas para todas las

etapas de compresor y de turbina, y

use calores específicos constantes a

temperatura ambiente.