CICLO BRAYTON

INTRODUCCINEn el ciclo Brayton veremos como damos trabajo a una turbina por medio de gases que ya no son vapores de agua sino netamente gases as como tambin algunos grficos y explicacin del funcionamiento.

CENTRALES ELECTRICAS DE TURBINA A GASSon ms ligeras a comparacin de centrales trmicas de vapor.Tenemos 2 sistemas:UN SISTEMA ABIERTO

SISTEMA CERRADO

VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS:a) Muy buena relacin potencia vs. Peso y tamao b) Bajo costo de instalacin c) Rpida puesta en servicio d) Es una mquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los Movimiento roto alternativo de los motores de combustin interna) e) Al ser una mquina rotante el equilibrado de la misma es prcticamente Perfecto y simple, a diferencia de mquinas con movimiento alternativos f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustin Interna) g) Menores prdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento h) Sistema de lubricacin ms simple por lo expresado anteriormentei) Bajas presiones de trabajo (es la mquina trmica que funciona a ms baja Presiones) j) El proceso de combustin es continuo y se realiza a presin constante en la Cmara de combustin (diferente a los motores de combustin interna) k) Pocos elementos componentes: compresor, cmara/s de combustin y Turbina propiamente dicha l) No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un condensador) m) Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene, gasoil, gas natural, carbn pulverizado, siempre que los gases de combustin no corroan los labes o se depositen en ellos n) El par motor es uniforme y continuo DESVENTAJAS DE LA TURBINA A GAS:Bajo rendimiento trmico (alto consumo especfico de combustible) debido a: 1. Alta prdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura de salida de los gases de escape por chimenea, entre 495C a 560 C 2. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial, en el orden de las partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbinaPARAMETROS TERMODINAMICOS DE FUNCIONAMIENTO:A continuacin se indican los valores reales aproximados de funcionamiento de una turbina a gas ciclo simple.

CICLO BRAYTON DE AIRE ESTANDAR:Se llama ciclo de Brayton de are estndar a aquel sistema donde su componente el aire es catalogado un gas ideal para fines de calculo

CALCULO DE LAS PRINCIPALES TRANSFERENCIAS DE CALOR Y TRABAJO

Suponiendo que la Turbina opera adiabticamente y despreciando variaciones de energa potencial y cinticaEl Trabajo desarrollado por unidad de masa es:

Trabajo del compresor es:

El calor absorbido es:

El calor de salida es :

El rendimiento es:

Relacin de trabajos para el ciclo es:

Nota: los valores tpicos de en turbinas de gas varan desde el 40% al 80%, en comparacin de en centrales trmicas con vapor es normalmente del 1% al 2%Las entalpias especificas se obtienen en la tabla A-22 moran chpiroEl calor especfico se puede considerar como constante.ANALISIS DEL CICLO BRAYTON IDEAL:

En este diagrama p-v podemos observar a una, s=cte. el trabajo por unidad de masa esta dentro del rea 1-2-3-4-1 as como tambin el trabajo realizado por el compresor que estara en el rea 1-b-a-2-1

En este diagrama t-s podemos observar que a una p=cte. el calor que entra se encuentra en el rea 1-2-3-4-1 mientras que el se encuentra en b-1-4-a-b.Cuando se utilizan los datos de la tabla de aire A-22 del libro Moran Shapiro para realizar el anlisis del ciclo de Brayton ideal para los procesos isoetropicos1-2 3-4 se aplican las siguientes relaciones

Cuando se adopta un aire estndar frio para el ciclo Brayton ideal el calor especifico se supone Constante la ecuaciones I y II se reemplazan por las siguientes ecuaciones:

Donde k: razn de calores especficos

EFECTO DE LA RELACIN DE PRESIONES EN EL RENDIMIENTO:En el ciclo Brayton ideal proporciona conclusiones cualitativamente correctas para turbinas de gas reales, la primer es que cuando el rendimiento trmico crece cuando aumenta la relacin de presiones El aumento en el rendimiento trmico cuando crece la relacin de presiones en el compresor, se evidencia con los desarrollos siguientesCon un =cte. y k=cte.

De las ecuaciones III y IV

Finalmente introduciendo IV

Diagrama del rendimiento trmico en funcin de la relacin de compresin para el ciclo Brayton ideal de aire estndar frio con k=1.4

RENDIMIENTO TERMICO REAL DE LA TURBINA A GAS:Sabemos que en toda mquina trmica el rendimiento y la potencia del ciclo real siempre son inferiores a los del ciclo terico por varias razones, tales como: 1. La compresin no es isoentrpica 2. La expansin no es isoentrpica 3. En todo el sistema se producen prdidas de presin 4. El proceso de la combustin es incompleto, por lo cual no toda la energa qumica contenida en el combustible es liberada en ella como energa calrica, debido a la presencia de inquemados 5. Existen prdidas por radiacin y conveccin a travs de todo el cuerpo de la mquina 6. Existen prdidas de energa cintica a travs de los gases de escape la cual no se utiliza en las mquinas industrialesMEJORAS A INTRODUCIR AL CICLO BRAYTON IDEAL:Para mejorar el rendimiento del ciclo BRAYTON existen diferentes mejoras. Una mejora consiste en realizar mltiples enfriamientos en el proceso de compresin del aire en el compresor axial de manera de aproximar la transformacin isoentrpica en una transformacin isoterma, con lo cual aumentamos el rea encerrada por el ciclo. Otra mejora, empleando el mismo criterio, consiste en realizar calentamientos mltiples en el proceso de expansin de los gases en la turbina, aproximando la transformacin isoentrpica a una transformacin isoterma.

CICLO BRAYTON CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO:

En la Fig. 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.

CICLO BRAYTON CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO:

Se puede aumentar la potencia de la mquina, realizando la expansin en etapas de varias turbinas con recalentamiento intermedio en cada etapa, hasta alcanzar la temperatura lmite inicial.

Tericamente podra emplearse un nmero infinito de etapas de recalentamiento, lo que llevara, en el lmite, a una expansin isotrmica.

CICLO BRAYTON REGENERATIVO:

Tambin se puede aumentar el rendimiento del ciclo, o sea, obtener ms energa con la misma cantidad de combustible, empleando parte del calor perdido que se llevan los gases de escape de la turbina, para precalentar el aire a la salida del compresor, antes de su entrada a la cmara de combustin, lo que permite gastar menos combustible para llegar a la misma temperatura de ingreso a la mquina.

En este caso, se recurre al ciclo BRAYTON regenerativo, que utiliza el esquema de instalacin que se indica

Dnde:Q1 = Calor ganado por el aireQ3 = Calor cedido por los gases de combustinQ2 = Calor aportado por la oxidacin del combustibleLa Fig. Representa los diagramas ideales

La Fig. Representa diagramas reales.

TURBINA A GAS SIMPLE DE DOBLE EJE:

La Fig. Representa el esquema de una turbina ciclo BRAYTON simple de doble eje.