CAPÍTULO 13Ciclo Joule - Brayton

INTRODUCCIÓNEste capítulo es similar al del ciclo Rankine, con la diferencia que el portador de energías es el AIRE, por lo que lo consideraremos como gas ideal y emplearemos formulas (y no tablas) en la solución de los problemas.

Este ciclo Joule - Brayton tiene la ventaja de producir bastante potencia con poco peso de las máquinas, lo que las hace ideales para la aviación con el uso de las turbinas a gas.

El inconveniente es el alto consumo de combustible comparándolo con el ciclo Rankine y los motores de combustión interna.

El Thrust SSC con propulsiòn a cohete rompiò la barrera del sonido en el desierto de Nevada, en 1997, con una velocidad media de 1228 km/h.-

INDICEIntroducciónPlanta Térmica a Gas13.1 Ciclo Joule-Brayton.13.2 Ciclo ideal y real13.3 Compresores13.4 Cámaras de combustión13.5 Turbinas13.6 Mejoras del ciclo teórico13.7 Ciclo con regeneración

Ciclo con Recalentamiento13.8 Ciclos Binarios13.9 Curiosidades

Aviones Helicópteros

Aviones en línea Misíles y cohetes

Ciclo Joule - Brayton

13.1 CICLO JOULE-BRAYTON (Centrales Térmicas a gas)

CICLO JOULE - BRAYTON

-Turbina a Gas.-Central Térmica a Gas.

Procesos:

1-2 : Compresión Adiabática.2-3 : Calentamiento Isobárico.3-4 : Expansión Adiabática.4-1 : Enfriamiento Isobárico (se asume).

Procesos:

1-2 : Compresión Adiabática.2-3 : Calentamiento Isobárico.3-4 : Expansión Adiabática.4-1 : Enfriamiento Isobárico (se asume).

Este ciclo usa aire como portador de energías, la consideraremos como gas ideal y por lo tanto tendremos que usar fórmulas, no tablas !!

Eficiencia del Ciclo:

A

B

)32(

)14(

)32(

)14()32(

)32(

)21(t)43(t

sum

tth

Q

Q1

Q

Q1

Q

QQ

Q

WW

Q

W

¿Dónde se utiliza este Ciclo ?

Aviones

Motor de Helicoptero - Lab. Energia PUCP

Turbina a gas

Concorde

Máquinas comerciales y de guerra

Turbina a gas de 40 KW - Lab. de Energia PUCP - 40,000 RPM

13.2 .- CICLO JOULE - BRAYTON IDEAL

DIAGRAMA T - s CICLO JOULE - BRAYTON REAL

13.3 Compresores

Aproximadamente adiabática.Los compresores sirven para dar el flujo de masa m , y elevar la presión en gases !!

)( 12)21( hhmWt

Como h = Cp T, entonces

Wt 12 = m Cp (T2 - T1)

1.COMPRESOR:

1

2

k

1k

1

2

1

2

12

12sc

P

PRP

P

P

T

T

TT

TT

Este es un Turbo - Compresor de un camión Diesel

la entropía de un sistema adiabático siempre tiene que aumentar

Compresores Centrífugos

Rotor y Estator

TIPOS DE COMPRESORES:

COMPRESORES ROTATORIOS Y CENTRIFUGOS

COMPRESORES DE PISTON O ALTERNATIVOS

???????

TemperaturasCorte a un compresor de pistón

13.4.- Cámaras de Combustión

CAMARAS DE COMBUSTIÓN:

De toda la energía liberada por la combustión del combustible en la Cámara de Combustión se aprovecha sólo una parte, la que recibe la sustancia de trabajo (aire), es decir Q23. Las pérdidas se expresan mediante:

PC: Poder Calorífico del Combustible en kJ/kg.

PCm

Q

Q

Q

c

)32(

c

sumcc

Quemador

COMBUSTI BLES Poder Calorífico Peso Específico

Petróleo Crudo 11507 kcal/ kg 0.7450 kg/ l Gas natural Asociado 273.9 kcal/ PC 1.0 Gas licuado 11833 kcal/ kg 0.5500 kg/ l Gasolina de Aviación 11667 kcal/ kg 0.7500 kg/ l Gasolina Automotriz 11667 kcal/ kg 0.7000 kg/ l J et Fuel 11284 kcal/ kg 0.8400 kg/ l Kerosene 11237 kcal/ kg 0.7980 kg/ l Diesel/ Gas oil 11055 kcal/ kg 0.8000 kg/ l Fuel Oil 11137 kcal/ kg 0.8500 kg/ l No energético 11507 kcal/ kg 0.8100 kg/ l Electricidad 860 kcal/ kWh 1.0 Leña (Altiplano) 3500 kcal/ kg 1.0 Leña (Tierras bajas) 3000 kcal/ kg 1.0 Residuos Animales 2760 kcal/ kg 1.0 Bagazo 1800 kcal/ kg 1.0 Carbón Vegetal (Doméstico)

6500 kcal/ kg 1.0

Carbón Vegetal (Fundición)

7000 kcal/ kg 1.0

Cámara de Combustión

13.5.- Turbinas a gas

1.TURBINA A GAS:

k

1k

4

3

4

3

43

43st

P

P

T

T

TT

TT

Wt 34 = m Cp (T 3 - T4)

FRICCION EN LOS EJES DE GIRO:

En las turbinas, el trabajo de expansión del gas es entregado al eje. Este al girar, pierde energía por fricción en los apoyos. Esta pérdida de fricción se expresa mediante:

Turbinas

Eficiencia Mecánica:

1.GENERADOR ELECTRICO:

En la transformación de la energía eléctrica se pierde una pequeña cantidad de energía. Esta se expresa mediante:

t

mec

mec

W

T

técnico Trabajo

eje el en Trabajo

T

VIgen

Alabes de las turbinas

Compresores

Esquema de una Turbina a Gas de eje único:

T r a b a j o ú t i l p r o d u c i d o ( W E = V I ) P é r d i d a s n o c a l c u l a b l e s

C a l o r T o t a l e n t r e g a d o ( Q c ) 1 0 0 %

R E N D I M I E N T O D E L A P L A N T A :

- P é r d i d a s t o t a l e s e n l a P l a n t a : S e e x p r e s a m e d i a n t e l a E f i c i e n c i a d e l a P l a n t a .

D I A G R A M A D E S A N K E Y

PCmQ :donde

Q

VI

T

VI

W

T

Q

Q

Q

W

Q

VI

entregado total Calor

producido útil Trabajo

CC

CtC

)32(

)32(

tPlanta

externos

genmcc

ciclo

thPlanta

C

Planta

PCm

VI

cPlanta

P L A N T A

T E R M I C A

C a l o r p e r d i d o e n l o s g a s e s d e e s c a p e

C a l o r p e r d i d o e n e l c o n d e n s a d o r

Perfiles Aerodinámicos

Modelos

Turbinas de avión

13.6 Mejoras al Ciclo teórico

Ciclo con Regeneración

6352

p

6352

TTTT :Entonces

Ideal)(Gas Tch :Además

hmhmhmhm :Ley imeraPr

Rendimiento del Regenerador:

)TT(

)TT(

)TT(cm

)TT(cm

Q

Q

fece

fefs

fecepf

fefspf

fría línea la absorbe que máx

fría línea la absorbe que realreg

25

23reg TT

TT

-CON RECALENTAMIENTO:

Conforme aumenta la Relaciòn de Presiones Rp, el rendimiento tambièn aumenta pero llega a un maximo y vuelve a disminuir. Por lo tanto existirá un valor de Rp òptimo que lo podemos obtener operando varias veces, o utilizando el SOFTWARE de Termodinàmica.

Aquí se puede observar que el área crece con Rp y después baja.

Ciclo con Recalentamiento

En este caso se mejora el área y el rendimiento total mejora.

Compresores de varias etapasEs bueno tomar compresores de varias etapas pues se logra que el aire no se sobrecaliente, y también que la potencia total sea menor.solamente que hay que refrigerar entre etapa y etapa

Ejemplo:Una turbina de gas de un avión BOEING 747 (Motor JT9D-7) está diseñado para que esta opere a una altura de 1000m y a una velocidad de 900km/h. Un flujo de aire de 45kg/s entra al difusor con una velocidad relativa de 900km/h, y se descarga en el compresor con una velocidad prácticamente despreciable. El difusor (al contrario de una tobera) es un elemento que sirve para disminuir la velocidad del portador de energía y aumentar su temperatura de tal manera que realiza un proceso politrópico. Posteriormente el aire se comprime adiabáticamente en el compresor, cuya =0.9, con relación de presiones de 4/1. Al pasar por el quemador el aire y el combustible añadido sufren combustión isobárica y la temperatura aumenta hasta 890° C para sufrir posteriormente una expansión adiabática en la turbina, con un rendimiento isentrópico de 0.9. Finalmente los gases de combustión pasan por la tobera para expandirse hasta la presión atmosférica (P0). Suponiendo que los procesos en el difusor y la tobera son isentrópicos las propiedades termodinámicas de los gases de combustión son iguales a los del aire; y las condiciones atmosféricas de operación son de: P0=0.29bar, T0=-44° C. Se pide:

a) Calcule la T y P del aire a la descarga del difusor.b) Calcule la T y P del aire a la descarga del compresor.c) Es posible el proceso en el Compresor?d) Calcule la P y T de los gases de combustión a la descarga de la turbina.e) Es posible el proceso en la Turbina?f) Calcule T y velocidad de salida de los gases a la salida de la tobera. (suponer velocidad de entrada a la tobera despreciable)g) Calcule el empuje sabiendo que es igual al flujo de masa por la diferencia de velocidad entre la entrada del difusor y la salida de la tobera.h) Dibuje los procesos en un diagrama T-s.

13.8.- Ciclos Binarios

13.9 Curiosidades de estas tecnologías

¿Cómo vuelan los grandes aviones ?

Misiles y Cohetes

Velocidades Supersónicas

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