Ciclo BraytonUniversidad del Atlntico

CICLO BRAYTON

Presentado por:Buenda Leal DanielFranco Buelvas Luis DavidParra Barraza Juliana PaolaSalas Lalinde Andrea Carolina

Ingeniero:Santander Bolvar Solano

Programa:Ingeniera Qumica

Termodinmica Aplicada

Barranquilla2014

CONTENIDOINTRODUCCIN3OBJETIVOS4CICLO DE BRAYTON: EL CICLO IDEAL PARA LOS MOTORES DE TURBINA DE GAS5DESVIACIN DE LOS CICLOS REALES DE TURBINA DE GAS EN COMPARACIN CON LOS IDEALIZADOS9CICLO DE BRAYTON CON REGENERACIN10CICLO BRAYTON CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO O INTERENFRIAMIENTO.13CICLO BRAYTON CON RACALENTAMIENTO INTERMEDIO15CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACION.16APLICACIONES DEL CICLO DE BRAYTON19EJEMPLO DEL CICLO DE BRAYTON20La eficiencia trmica de este proceso fue del 36%.22CONCLUSIN23BIBLIOGRAFA24

INTRODUCCIN

Se puede decir que antes del ao 1940 todas las mquinas trmicas de combustin interna eran del tipo alternativo: mbolo, biela y cigeal.

El modelo termodinmico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton,a pesar deque se generaliza como ciclo termodinmico, enrealidadel fluido de trabajo no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este finaliza en un estado diferente al que tena cuando inicilos procesos, se podra decir que es un ciclo abierto. Las turbinas de gasde cicloabierto simple utilizan una cmara de combustin interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo.

Recin, hacia el ao 1940, al lograrse la fabricacin de compresores rotativos de alto rendimiento, conjuntamente con los progresos realizados en el campo de la metalurgia, que permitieron la fabricacin de aceros refractarios capaces de resistir altas temperaturas, se posibilit el desarrollo de las turbinas a gas. Fue durante la guerra de 1939 a 1945 que la turbina a gas alcanz su mxima difusin y desarrollo tecnolgico.

El ciclo de Brayton fue propuesto por George Brayton por vez primera para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por l alrededor de 1870. Actualmente se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresin como de expansin suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas generalmente operan en un ciclo abierto.

OBJETIVOS

2.1 Objetivos Generales

Conocer cmo funciona el ciclo Brayton.

2.2 Objetivos Especficos

Conocer las aplicaciones del ciclo Brayton en la termodinmica.

Comparar la desviacin del ciclo real con el ideal de turbina de gas.

Interpretar el ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneracin.

CICLO DE BRAYTON: EL CICLO IDEAL PARA LOS MOTORES DE TURBINA DE GAS

Las turbinas de gas generalmente operan en un ciclo abierto. Como se observa en la figura 1. Se introduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor, donde su temperatura y presin se eleva. El aire de alta presin sigue hacia la cmara de combustin, donde el combustible se quema a presin constante. Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presin atmosfrica, produciendo potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia afuera (no hay recirculado), causando que el ciclo se clasifique como abierto.Figura 1. Motor de turbina de gas de ciclo abierto.

El ciclo de turbina de gas abierto descrito anteriormente puede modelarse como un ciclo cerrado, como en la Figura 2, empleando las suposiciones de aire estndar. En este caso los procesos de compresin y expansin permanecen iguales, pero el proceso de combustin se sustituye por uno de adicin del calor a presin constante desde una fuente externa, mientras que el proceso de escape se remplaza por otro de rechazo de calor a presin constante hacia el aire ambiente. El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo de Brayton, el cual est integrado por cuatro procesos internamente reversibles:1-2 Compresin isentrpica (en un compresor).2-3 Adicin de calor a presin constante.3-4 Expansin isentrpica (en una turbina).4-1 Rechazo de calor a presin constante.

Figura 2. Motor de turbina de gas de ciclo cerrado.Empleando las suposiciones de aire estndar las cuales dicen que:1. El fluido de trabajo es aire que circula de modo continuo en un circuito cerrado y siempre se comporta como un gas ideal.2. Todos los procesos que integran el ciclo son internamente reversibles.3. El proceso de combustin es sustituido por un proceso de adicin de calor desde una fuente externa.4. El proceso de escape es sustituido por un proceso de rechazo de calor que regresa al fluido de trabajo a su estado inicial.

Figura 3. Diagrama T-s y Diagrama P-v para ciclo de Brayton.

Los diagramas T-s y P-v de un ciclo Brayton ideal se muestran en la figura 3. Observe que los cuatro procesos ocurren en dispositivos de flujo estacionario con cambios de las energas cintica y potencial insignificantes, el balance de energa para un proceso de flujo estacionario puede expresare por unidad de masa, como:

Ec. [1]

Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo es:

Ec. [2] Ec. [3]

Entonces, la eficiencia trmica del ciclo de Brayton ideal bajo las suposiciones de aire estndar fro se convierte en:

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrpicos, por lo que P2=P3 y P4=P1. Por lo tanto,

Llamando a r la relacin de presiones:

Remplazando en la Ec. [4] tenemos:

En la ecuacion 8 se muestra que bajo las suposiciones de aire estandar fro la eficiencia trmica de un ciclo de Brayton ideal depende de la relacin de presin (r) de la turbina de gas y de la relacin de los calores especficos (k) del fluido de trabajo. La eficiencia trmica aumenta con ambos parmetros, que tambin es el caso para las turbinas de gases reales. Una grfica de la eficiencia trmica contra la relacin de presin se presenta en la siguiente figura (Figura 4) para k=1,4, el cual es el valor de la relacin de calores especficos del aire a temperatura ambiente.

Figura 4. rp vs

DESVIACIN DE LOS CICLOS REALES DE TURBINA DE GAS EN COMPARACIN CON LOS IDEALIZADOS

Los ciclos realies de turbinas de gas difieren del ciclo de Brayton ideal por varias razones. Por un lado, alguna disminucin de presin durante los procesos de adicin y rechazo de calor es inevitable. Ms importante an es que la entrada de trabajo real al compresor ser mayor y la salida de trabajo real de la turbina sera menor debido a irreversibilidades. La desviacin del comportamiento real de compresor y la turbina del comportamiento isentrpico idealizado puede tomarse en cuenta con precisin si se utilizan las eficiencias isentrpicas de turbina y el compresor, definidas como:

Y

Donde los estados 2a y 4a son los estados de salida reales del compresor y la turbina, respectivamente, y 2s y 4s son los correspondientes al caso isentrpico, como se observa en la figura 5.

Figura 5. Desviacin de un ciclo de turbina de un gas real del ciclo Brayton ideal como resultado de irreversibilidad.

CICLO DE BRAYTON CON REGENERACIN

En las mquinas de turbinas de gas la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suelen ser considerablemente mayor que la del aire que sale del compresor. Por lo tanto, el aire de alta presin que sale del compresor puede calentarse transfirindole calor desde los gases de escape calientes mediante un intercambiador de calor a contraflujo, el cual se conoce tambin como regenerador o recuperador. Un esquema de la mquina de turbina de gas que use un regenerador, as como el diagrama T-s del nuevo ciclo se muestran en las figuras 6 y 7, respectivamente.

Figura 6. Mquina de turbina de gas con un regenerador.

Figura 7. Diagrama T-s de un ciclo Brayton con regeneracin.La eficiencia trrmica del ciclo Brayton aumenta como resultado de la regeneracin, ya que la porcin de energa de los gases de escape que normalmente se libera hacia los alrededores ahora se usa para precalentar el aire que entra a la cmara de combustin. Esto a su vez disminuye los requerimientos de entrada de calor (y por ende de combustible) para la misma salida de trabajo neto. Observe, sin embargo, que el uso de un generador slo se recomienda cuando la temperatura de escape de la turbina es ms alta que la temperatura de salida del compresor. De otro modo, el calor fluir en la direccin inversa (hacia los gases de escape) y la eficiencia se reducir. Esta situacin se encuentra en las mquinas de turbina de gas que operan con relaciones de presin muy alta.La regeneracin es un proceso en el que se transfiere calor hacia un dispositivo de almacenamiento de energa trmica (llamado regenerador) durante una parte del ciclo y se transfiere de nuevo hacia el fluido de trabajo. (Figura 8).

Figura 8. Proceso de regeneracin.

La temperatura mas alta que ocurre dentro del refrigerador es T4 que es la temperatura de los gases de escape que se salen de la turbina y entran al regenerador. Bajo ninguna condicin el aire puede precalentarse en el regenerador hasta una temperatura superior a este valor. El aire normalmente sale del regenerador a una temperatura menor, T5. En el caso lmite (ideal), el aire sale del regenerador a la temperatura de entrada de los gases de escape T4. Suponga que el regenerador est bien aislado y que cualquier cambio en las energas cintica y potencial es insignificante, las transferencias de calor reales y mximas de los gases de escape hacia el aire pueden representarse como: Ec. [11]Y Ec. [12]El alcance al que un regenerado se aproxima a un regenerador ideal se llama eficacia o efectividad y se define como:

Cuando se usan las suposiciones de aire estndar fro, esta se reduce a:

Un regenerador con una eficacia ms alta obviamente ahorrara una gran cantidad de combustible porque precalentar el aire a una temperatura ms elevada antes de la combustin. Sin embargo, lograr una mayor eficiencia requiere del uso de un regenerador ms grande, lo que implica un precio superior y causa una cada de presin ms grande. Por lo tanto, el uso de un regenerador con una eficacia muy alta no puede justificarse econmicamente a menos que los ahorros en costos de combustible superen los gastos adicionales involucrados. La mayora de los regeneradores utilizados en la prctica tienen eficacias por debajo de 0,85. Bajo las suposiciones aire estndar fro, la eficiencia trmica de un ciclo Brayton ideal con regeneracin es: Ec. [15]Por consiguiente, la eficiencia trmica de un ciclo Brayton con regeneracin depende de la relacin entre las temperaturas mnima y mxima, as como de la relacin de presin, como se muestra en la figura 9 para diversas relaciones de presin, as como para las relaciones de temperatura mnima a mxima. En dicha figura se muestra que la regeneracin es ms efectiva con las relaciones de presin inferiores y bajas relaciones de temperatura mnima mxima.

Figura 9.Eficiencia trmica de un ciclo de Brayton con y sin regeneracin.CICLO BRAYTON CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO O INTERENFRIAMIENTO.

En la Figura 10 se ilustra un esquema de la mquina, suponiendo un solo enfriamiento intermedio y que el enfriador es perfecto, no introduciendo prdidas trmicas ni cada de presin.Figura 10. Ciclo Brayton con enfriamiento intermedio o interenfriamiento.

Es deseable enfriar un gas cuando est comprimindose porque esto reduce el trabajo de entrada requerido al compresor.Sin embargo, a menudo no es posible el enfriamiento adecuado a travs de la carcasa del compresor y es necesario usar otras tcnicas para lograr un enfriamiento eficaz. Una tcnica es la compresin en etapas mltiples con interenfriamiento, en la que el gas se comprime en etapas y se enfra entra cada una de estas pasndolo a travs de un intercambiador de calor llamado interenfriador. Idealmente, el proceso de enfriamiento tiene lugar a presin constante y el gas se enfra a la temperatura inicial T1 en cada interenfriador. Cuando el nmero de etapas aumenta, el proceso de compresin se aproxima al proceso isotrmico a la temperatura de entrada del compresor y el trabajo de compresin disminuye (Figura 11).

Figura 11. Comparacin de entradas de trabajo en un compresor de una sola etapa (1AC) y un compresor de dos etapas con interenfriamiento (1ABD).La compresin total del aire se hace en dos etapas utilizando dos compresores axiales: a) compresor de baja presin (C1) y b) compresor de alta presin (C2).El aire que sale del compresor (C1) a presin P2 y temperatura T2, se enfra en el enfriador hasta la temperatura T3 = T1 con extraccin de calor de Q1 Luego se realiza la compresin (3 4) en el 2 compresor axial de alta presin (C2) hasta la presin p4 resultando, de este modo menor el trabajo de compresin que el que requerira para comprimir hasta la presin p4 sin enfriamiento intermedio. Los diagramas de la Figura 12 representan las transformaciones tericas del ciclo Brayton con enfriamiento intermedio.

Figura 12. Transformaciones tericas del ciclo Brayton con enfriamiento intermedio.CICLO BRAYTON CON RACALENTAMIENTO INTERMEDIO

La salida de trabajo de una turbina que opere entre dos niveles de presin aumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlos entre estas; es decir, si se utiliza expansin en mltiples etapas de recalentamiento. Esto se lleva a cabo sin que se eleve la temperatura mxima en el ciclo. Cuando aumenta el nmero de etapas, el proceso de expansin se aproxima al proceso isotrmico. La combustin en la turbina de gas ocurre comnmente con cuatro veces la cantidad requerida de aire para la completa combustin, para evitar temperaturas excesivas. Por lo tanto, los gases de escape son ricos en oxgeno y el recalentamiento puede lograrse sencillamente rociando combustible adicional en los gases de escape entre dos estados de expansin. (Figura 13)

Figura 13. Ciclo Brayton con recalentamiento intermedio.CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACION.

Basndonos en el principio simple de que: el trabajo de compresin o expansin de flujo estacionario es proporcional al volumen especfico del fluido. Por lo tanto, el volumen especifico del fluido de trabajo debe ser lo ms bajo posible durante un proceso de compresin y lo ms alto posible durante un proceso de expansin. Esto es precisamente lo que logran el interenfriamiento y el recalentamiento.Cuando se usa interenfriamiento y recalentamiento el fluido de trabajo sale del compresor a una temperatura menor, mientras que de la turbina lo hace a una temperatura ms alta. Esto hace que la regeneracin sea ms atractiva dado que existe un mayor potencial para realizarla. Tambin, los gases de escape del compresor pueden calentarse a una temperatura ms alta antes de que entren a la cmara de combustin debido a la temperatura ms elevada del escape de la turbina.En las figuras 14 y 15, respectivamente se presentan un esquema del arreglo fsico y el diagrama T-s de un ciclo de turbina de gas de dos etapas con interenfriamiento, recalentamiento y regeneracin.

Figura 14. Una mquina de turbina de gas con compresin de dos etapas con interenfriamiento, expansin en dos etapas con recalentamiento y regeneracin.

Figura 15. Diagrama T-s de un ciclo de turbina de gas ideal con interenfriamiento, recalentamiento y regeneracin.

El gas entra a la primera etapa del compresor en el estado 1, se comprime de modo isentrpico hasta una presin intermedia P2; se enfra a presin constante hasta el estado 3 (T3=T1), y se comprime isentrpicamente en la segunda etapa hasta la presin final P4. En el estado 4 el gas entra al regenerador ideal, T5 = T9. El proceso de adicin de calor (o combustin) primario toma lugar entre los estados 5 y 6. El gas entra a la primera etapa de la turbina en el estado 6 y se expande isentrpicamente hasta el 7, donde entra al recalentador. Ah se recalienta a presin constante hasta el estado 8 (T8=T6), donde pasa a la segunda etapa de la turbina. El gas sale de la turbina en el estado 9 y entra al regenerador, donde se enfra hasta el estado 10 a presin constante. El ciclo se completa cuando el gas se enfra hasta el estado inicial (o al purgar los gases de escape).La entrada de trabajo en un compresor de dos etapas se minimiza cuando se mantienen relaciones de presin iguales en cada etapa. Puede demostrarse que este procedimiento tambin maximiza la salida de trabajo de la turbina. As, para mejorar el desempeo tenemos

La relacin 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 trmica tambin mejorara. El hecho es que el interenfriamiento y el recalentamiento siempre disminuirn la eficiencia trmica a menos que estn acompaados de la regeneracin. Esto se debe a que el interenfriamiento disminuye la temperatura promedio a la cual se aade el calor, y el recalentamiento aumenta la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza. Por lo tanto, en centrales elctricas de turbina a gas, el interenfriamiento y el recalentamiento se utilizan siempre en conjuncin con la regeneracin.

APLICACIONES DEL CICLO DE BRAYTON

El ciclo de Brayton es uno de los ciclos termodinmicos de ms amplia aplicacin, al ser la base del motor deturbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecnico que se emplee para la produccin de energa elctrica o algn otro aprovechamiento (caso de las industrias de generacin elctrica y de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente), hasta la generacin de un empuje en un aeroreactor.Las dos principales reas de aplicacin de la turbinas de gas son la propulsin de aviones y la generacin de energa elctrica. Cuando se emplean en propulsin de aviones, la turbina de gas produce la potencia suficiente para accionar el compresor y a un pequeo generador que alimenta el equipo auxiliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de producir el empuje necesario para accionar la aeronave. Las turbinas de gas tambin se utilizan como centrales estacionarias que producen energa elctrica. sta se genera mediante centrales elctricas de vapor. Las centrales elctricas de turbina de gas son empleadas por la industria de generacin elctrica en emergencias y durante perodos picos gracias a su bajo costo y rpido tiempo de respuesta. Las turbinas de gas tambin se utilizan con las centrales elctricas de vapor en el lado de alta temperatura, formando un ciclo dual. En estas plantas, los gases de escape de las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas tambin puede ejecutarse como un ciclo cerrado para ser utilizado en centrales nucleoelctricas. Esta vez el fluido de trabajo no se limita al aire, y puede emplearse un gas con caractersticas ms convenientes (como el helio).La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental ya utilizan motores de turbinas de gas para propulsin y para la regeneracin de energa elctrica. Comparadas con la turbina de vapor y los sistemas de propulsin Diesel, la turbina de gas ofrece mayor potencia para un tamao y peso determinado, alta confiabilidad, larga vida y operacin ms conveniente. El tiempo de arranque de la mquina ha sido reducido de las 4 horas requeridas de un sistema de propulsin tpico a menos de 2 minutos para una turbina de gas. Muchos sistemas de propulsin marina modernos, utilizan turbinas de gas junto a motores Diesel, debido al alto consumo de combustible de los motores de turbina de gas de ciclo simple. En sistemas combinados, el quipo Diesel se utiliza para dar de manera eficiente baja potencia y operacin de crucero, y la turbina de gas se utiliza cuando se necesitan altas velocidades. Tambin han sido aplicadas a vehculos pero en la actualidad solo existen en proyectos. Los problemas que dificultan su aplicacin en automocin son que aceptan mal los arranques y las paradas y les cuesta mucho cambiar de rgimen. De hecho el funcionamiento habitual de las turbinas de gas es siempre al mismo rgimen y las variaciones de demanda de potencia se hacen manteniendo el rgimen y variando el par generado.

EJEMPLO DEL CICLO DE BRAYTON

Una planta elctrica de turbina de gas opera estacionariamente en un ciclo regenerativo de Brayton con aire como fluido de trabajo. El aire entra al compresor a 300 K y 100 kPa, y se comprime a 800 kPa y 580 K. el regenerador tiene una efectividad de 72%, y el aire entra a la turbina a 1200 K. para una eficiencia de la turbina de 86%, determine: a) la cantidad de calor que se transfiere en el regenerador.b) La eficiencia trmica.

Solucin Para realizar el ejercicio, comenzamos buscando las propiedades del aire. Estas propiedades son tomadas del apndice A, tabla A.12, del libro Van Wylen, G y otros. FUNDAMENTOS DE TERMODINMICA CLSICA. 5 edicin. Editorial Wiley.

Sabemos que en el ciclo de Brayton y , reemplazando los valores en la ecuacin anterior, tenemos que:

De la tabla A.12(se realiza interpolacin), sabemos que:

Despejando

Con los datos hallados anteriormente, procedemos a calcular la cantidad de calor que se transfiere en el regenerador

La cantidad de calor que se transfiere en el regenerador fue de 152,27 KJ/Kg Resuelta la primera parte del ejercicio, procedemos a resolver la segunda parte:

La eficiencia trmica de este proceso fue del 36%.

CONCLUSIN

BIBLIOGRAFA

Van Wylen, G y otros. FUNDAMENTOS DE TERMODINMICA CLSICA. 5 edicin. Editorial Wiley. 1994.

Cengel Y, Boles Michael. TERMODINAMICA. . 5 Edicin. Editorial McGraw-Hill. 2006.

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Brayton

http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-151.htm

http://www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas_termicas/03-turbina_a_gas.pdf

http://opex-energy.com/ciclos/ciclo_brayton.html