trabajo 2. ciclo brayton

8/18/2019 Trabajo 2. Ciclo Brayton

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

DIVISIÓN DE INGENIERÍA CIENCIAS DE LA TIERRA

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA PETROLERA

MATERIA:

PROCESOS DE BOMBEO Y COMPRESIÓN DE HIDROCARBUROS

GRUPO: 4

PROFESOR:

ING. OSORIO GARCIA MATIAS

ALUMNO:

JASSO BANDILLO HÉCTOR ANDRÉS

TRABAJO No. 2

CICLO BRAYTON Y SUS APLICACIONES

FECHA DE ENTREGA: DE MAR!O DEL 2"#$


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INTRODUCCIÓN

La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos depotencia es una parte interesante e importante de la termodinámica, yprecisamente en este escrito trataremos la base para los motores de turbina de

gas el Ciclo Brayton.

Los ciclos que se efectúan en dispositivos reales son difíciles de examinar porque hay demasiadas variaciones y detalles que se tienen que tomar en cuentaal mismo tiempo y se complica demasiado el entorno. ara facilitar el estudio delos ciclos se opt! por crear el llamado ciclo ideal, en el cual se eliminan todas esascomplicaciones que no permiten un análisis efica", por lo tanto se llega a ale#ar dela realidad pero en una manera moderada. $n el siguiente esquema se puedellegar a apreciar una aproximaci!n entre un ciclo ideal y uno real. %e puede notar que difieren pero se encuentran aproximadamente en el mismo rango.

Los ciclos ideales son internamente reversibles pero, a diferencia del ciclode Carnot, no es necesario que sean externamente reversibles. $s decir, puedenincluir irreversibilidades externas al sistema como la transferencia de calor debidaa una diferencia de temperatura finita. $ntonces, la eficiencia t&rmica de un cicloideal, por lo general, es menor que la de un ciclo totalmente reversible que opereentre los mismos límites de temperatura. %in embargo, aún es considerablementemás alta que la eficiencia t&rmica de un ciclo real debido a las ideali"acionesempleadas.

Las ideali"aciones y simplificaciones empleadas en los análisis de los ciclosde potencia, por lo común pueden resumirse del modo siguiente'

(.) $l ciclo no implica ninguna fricci!n. or lo tanto el fluido de traba#o noexperimenta ninguna reducci!n de presi!n cuando fluye en tuberías o dispositivoscomo los intercambiadores de calor.

*.) +odos los procesos de compresi!n y expansi!n se dan en el modo decuasiequilibrio.


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.) Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistemaestán muy bien aisladas y la transferencia de calor por ellas es despreciable.

Los diagramas de propiedades )v y +)se han servido como auxiliaresvaliosos en el análisis de procesos termodinámicos. +anto en los diagramas )v

como en los +)s, el área encerrada en las curvas del proceso de un ciclorepresenta el traba#o neto producido durante el ciclo, lo cual es equivalente a latransferencia de calor neta en ese ciclo.

$l ciclo Brayton tambi&n llamado de -oule fue propuesto por primera ve"por eorge Brayton, se desarrollo originalmente empleando una máquina depistones con inyecci!n de combustible, pero ahora es común reali"arlo en turbinascon ciclos abiertos o cerrados. La máquina de ciclo abierto puede emplearse tantocon combusti!n interna como con transferencia de calor externa, en tanto que la

máquina con ciclo cerrado tiene una fuente de energía externa

CICLO TERMODINAMICO DE LAS TURBINAS DE GAS

$l modelo termodinámico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo deBrayton, a pesar de que se generali"a como ciclo termodinámico, en realidad elfluido de traba#o no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que estefinali"a en un estado diferente al que tenía cuando inici! los procesos, se podríadecir que es un ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utili"anuna cámara de combusti!n interna para suministrar calor al fluido de traba#o y lasturbinas de gas de ciclo cerrado simple utili"an un proceso de transferencia para

agregar o remover calor del fluido de traba#o.

$l ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos'

()*. Compresi!n isentr!pica en un compresor.


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*). /dici!n de calor al fluido de traba#o a presi!n constante en unintercambiador de calor o una cámara de combusti!n.

)0. $xpansi!n isentr!pica en una turbina.

0)(. 1emoci!n de calor del fluido de traba#o a presi!n constante en unintercambiador de calor o en la atm!sfera

F%&'() #. Ciclo termodinámico básico de las turbinas de gas.

$n el ciclo Brayton, el traba#o neto reali"ado por unidad de masa es ladiferencia entre el traba#o obtenido en la expansi!n y el traba#o invertido en lacompresi!n, es decir'

Wnet =Wt −Wc

ara un gas ideal, el traba#o neto puede escribirse como'

Wnet =Wt −Wc

Wnet =ḿCpg (T 3−T 4 )−ḿCpa(T 2−T 1)

2 el calor de adici!n por unidad de masa será'

q A=ḿCpg (T 3−T 2 )

/l igual que en el ciclo 1an3ing, la eficiencia t&rmica del ciclo Brayton es larelaci!n entre el traba#o neto desarrollado y el calor adicionado'

ηter=Wnet

qA


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La eficiencia t&rmica del ciclo Brayton para un gas ideal puede escribirse como'

ηter= ḿCpg (T 3−T 4 )− ́mCpa(T 2−T 1)

ḿCpg (T 3−T 2 )

$n la figura se muestra una representaci!n esquemática del ciclo Brayton.

F%&'() 2. $squema del ciclo básico de las turbinas de gas.

MODIFICACIONES CICLO BASICO EN LAS TURBINAS DE GAS

La eficiencia t&rmica del ciclo Brayton ideal depende de la compresi!n. %i seaumenta la relaci!n de compresi!n en el ciclo será necesario suministrar máscalor al sistema debido a que las líneas de presi!n constante divergen hacia arribay hacia la derecha en el diagrama +)s y la temperatura máxima del ciclo serámayor. Como el calor suministrado es mayor, la eficiencia t&rmica aumentará conel ratio de compresi!n.


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F%&'() *. 4iagrama +)s de ciclos termodinámicos básicos de las turbinas de gas con diferentesrelaciones de compresi!n.

%in embargo la temperatura máxima del ciclo está limitada por losmateriales en los cuales están construidos los componentes y por lo tanto serequerirán sistemas de refrigeraci!n más eficientes.

La eficiencia del ciclo tambi&n se ve afectada por las p&rdidas en elcompresor, en la turbina y en las caídas de presi!n en la cámara de combusti!n yotros pasa#es. odemos verlo en el diagrama que representa estas condiciones enel ciclo, disminuyendo en consecuencia la eficiencia del ciclo.

F%&'() 4. 4iagrama +)s del ciclo termodinámico básico real de las turbinas de gas.


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/ diferencia del ciclo 1an3ing, el proceso de compresi!n para elevar lapresi!n en el ciclo Brayton requiere un gran consumo de energía y gran parte deltraba#o producido por la turbina es consumido por el compresor, en un porcenta#eque puede estar entre 056 y 756. $sta desventa#a frente al ciclo 1an3ing hacenecesario prestar una mayor atenci!n en el dise8o de turbinas de gas ya que

cualquier p&rdida de presi!n en la cámara de combusti!n y demás componentesentre el compresor y la turbina debe compensarse con mayor traba#o en elcompresor. /dicionalmente, la eficiencia del compresor y la turbina #uegan unpapel muy importante, debido a que eficiencias cercanas al 956 en estoscomponentes ocasionarían que todo el traba#o producido por la turbina seaconsumido por el compresor y por tanto la eficiencia global sería cero.

$s posible hacer algunas modificaciones al ciclo Brayton básico paraobtener valores más favorables de eficiencia t&rmica y traba#o neto. Lasmodificaciones que podemos hacer son las siguientes'

CICLO CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO DEL AIRE.

Con este m&todo lo que hacemos comprimir los gases de admisi!n en dos etapascon una refrigeraci!n intermedia, para sacar parte del calor que han adquirido enla primera etapa de compresi!n. La representaci!n de estos procesos se muestraen la siguiente figura'

F%&'() +. Ciclo Brayton con enfriamiento del aire.

4e la secuencia anterior, es claro que el traba#o que debe reali"ar elcompresor para elevar la presi!n desde el estado ( hasta el estado *: sinenfriador, es mayor que el traba#o que deben hacer los compresores con la mismaeficiencia para elevar la presi!n del aire desde el estado ( al * y del estado al 0


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con un enfriador de aire intermedio. $sta disminuci!n en el traba#o total decompresi!n se debe a que las líneas de presi!n divergen hacia la derecha delgráfico +)s.

%e ha demostrado que el traba#o de compresi!n con enfriador es menor

cuando la relaci!n de presiones en las dos etapas es igual ( P 4 P3 )=(

P 2 P1 ) y la

temperatura de entrada a la segunda etapa de compresi!n ;+< es igual a latemperatura de entrada a la primera etapa de compresi!n ;+(


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F%&'() $. 4iagrama +)s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con enfriamiento de aire.

$n el diagrama +)s, puede apreciarse que la cantidad de calor adicionalagregada al sistema, es mayor que la equivalente en calor del traba#o ahorradopor el compresor cuando traba#a con el enfriador de aire y por lo tanto la eficienciat&rmica del ciclo con enfriador será menor que sin enfriador.

ηter (sin enfriador )>ηter (con enfriador)

CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

La expansi!n de los gases en el ciclo Brayton puede configurarse de tal forma quese realice en dos etapas. La primera expansi!n ocurre en lo que se conoce comoturbina de alta presi!n ;=< o turbina del compresor ;C+< acoplada al compresor mediante un e#e. +odo el traba#o desarrollado por la turbina de alta presi!n esconsumido por el compresor. La segunda expansi!n tiene lugar en la turbina deba#a presi!n ;L< o turbina de potencia ;+< acoplada a un e#e diferente al de laturbina del compresor y produce el traba#o neto aprovechado en variasaplicaciones, como para mover el generador.

$n el ciclo con recalentamiento se instala una segunda cámara de

combusti!n a la salida de la turbina de alta presi!n para elevar la temperatura delos gases que entran a la turbina de ba#a presi!n, y como estos gases todavía sonricos en oxigeno no suele hacer falta un aporte extra de comburente.

La representaci!n de estos procesos se muestra en la siguiente secuencia.


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F%&'() ,. Ciclo Brayton con recalentamiento intermedio.

$n la secuencia anterior, se puede observar que el traba#o de compresi!nes el mismo para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo sin recalentamientoy en consecuencia el traba#o desarrollado por la turbina de alta presi!n será

tambi&n igual para los dos ciclos. %in embargo, el traba#o desarrollado por laturbina de ba#a presi!n es claramente mayor para el ciclo con recalentamiento quepara el ciclo sin recalentamiento, debido a que las líneas de presi!n divergenhacia la derecha del diagrama +)s siendo mayor la diferencia entre lastemperaturas ;+>< y ;+9< que entre las temperaturas ;+0< y ;+0:


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F%&'() . 4iagrama +)s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con recalentamiento.

$n el diagrama +)s, puede apreciarse que la cantidad adicional de calor Cp(TS−T 4 ) suministrada al ciclo con recalentamiento es mayor que el aumento

del traba#o neto desarrollado por la turbina y por lo tanto, la eficiencia t&rmica del

ciclo con recalentamiento será menor que sin recalentamiento.

ηter (conrecalentamiento )>ηter(sin recalentamiento)

CICLO REGENERATIVO.

$n ocasiones se presenta que la temperatura de los gases a la salida de la turbinaen el ciclo Brayton es mayor que la temperatura del aire a la salida del compresor.

$l ciclo regenerativo aprovecha esta diferencia de temperaturas para

transferir a un regenerador o intercambiador de calor, energía t&rmica de los gasesque salen de la turbina, al aire que sale del compresor.


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F%&'() -. 4iagrama +)s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con regeneraci!n.

$n el caso representado en el diagrama +)s, la temperatura ;+s< de losgases que salen de la turbina en el estado > es mayor que la temperatura ;+*< delaire que sale del compresor en el estado *. $n el regenerador, los gases ceden su

calor al aire comprimido desde el estado > hasta el estado 9 cuando sonevacuados a la atm!sfera. $n el caso ideal, el aire comprimido en el estado *tendrá la misma temperatura de los gases en el estado 9 y de igual manera latemperatura del aire en el estado será la misma que la de los gases en el estado>. $n consecuencia, el calor suministrado en la cámara de combusti!n seráúnicamente el necesario para elevar la temperatura de ;+< a ;+0< y no de ;+*< a;+0)9, es elmismo que en el ciclo Brayton simple ()*)0)( ya que le traba#o reali"ado por elcompresor y el traba#o producido por la turbina no varía en los dos casos. %inembargo, al requerirse un menor calor de adici!n para elevar la temperatura alvalor máximo del ciclo ;+0ηter (conregeneración)

$n el caso ideal, se considera que una diferencial infinitesimal en la

diferencia de temperatura es suficiente para que el calor fluya en el regenerador de los gases que salen de la turbina al aire que sale del compresor. $n el casoreal, se requiere más que una diferencia infinitesimal y por lo tanto no se puededecir que ;+< es igual a ;+>


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ηreg=h x−h2h5−h2

ó ηreg= ḿCpa (Tx–T 2 )

ḿCpg (T 5 –T 2 )

%i el flu#o másico y los calores específicos del aire y el gas se suponen

similares, es decir,ma≈ mb y Cpa≈ Cpg

, entonces'

ηreg= Tx – T 2

T 5−T 2

Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas (T 3 –Tx ) , menor será la

diferencia (Tx–T 2) y en consecuencia la eficiencia del regenerador será

menor.

La selecci!n del regenerador o intercambiador de calor debe ser une#ercicio cuidadoso ya que la eficiencia de &ste puede me#orarse aumentando elárea de transferencia y en consecuencia la caída de presi!n será mayor per#udicando la eficiencia t&rmica del ciclo.

EFICIENCIA DEL CICLO

%e encuentra que la eficiencia de las máquinas de Brayton en ciclo cerradodependen únicamente de la relaci!n de presiones isentr!picas. %i se aumenta lapresi!n de entrada a la turbina, tambi&n se incrementa la temperatura en dicha

entrada. La temperatura de entrada a la turbina, con frecuencia, está limitada por las propiedades de los álabes, lo que corresponde a un límite superior práctico enla eficiencia del ciclo. La máquina de Brayton con ciclo cerrado ;adici!n externa decalor< ha recibido una atenci!n considerable para emplearla en sistemas nuclearesy, más recientemente, en sistemas de energía solar a temperatura elevadas

?aturalmente las turbinas y los compresores reales no son isentr!picos.ara los ciclos de aire estándar, la eficiencia de cada componente se incluyefácilmente en los análisis. $l compresor y la turbina reales tienen misma presi!nde salida que los aparatos isentr!picos correspondientes ;las eficiencias de laturbina y el compresor de Brayton generalmente se dan con respecto a los

aparatos isentr!picos y no a los isot&rmicos


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Las dos principales áreas de aplicaci!n de la turbinas de gas son lapropulsi!n de aviones y la generaci!n de energía el&ctrica. Cuando se emplean enpropulsi!n de aviones, la turbina de gas produce la potencia suficiente paraaccionar el compresor y a un peque8o generador que alimenta el equipo auxiliar.Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de producir el empu#e

necesario para accionar la aeronave. Las turbinas de gas tambi&n se utili"an comocentrales estacionarias que producen energía el&ctrica. @sta se genera mediantecentrales el&ctricas de vapor. Las centrales el&ctricas de turbina de gas sonempleadas por la industria de generaci!n el&ctrica en emergencias y duranteperíodos picos gracias a su ba#o costo y rápido tiempo de respuesta. Las turbinasde gas tambi&n se utili"an con las centrales el&ctricas de vapor en el lado de altatemperatura, formando un ciclo dual. $n estas plantas, los gases de escape de lasturbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. $l ciclo de turbina degas tambi&n puede e#ecutarse como un ciclo cerrado para ser utili"ado encentrales nucleoel&ctricas. $sta ve" el fluido de traba#o no se limita al aire., ypuede emplearse un gas con características más convenientes ;como el helio


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$l funcionamiento de est& se explica a continuaci!n'

Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestrala figura (. /ire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presi!n se eleva. $l aire de alta presi!n sigue hacia lacámara de combusti!n donde el combustible se quema a presi!n constante.Luego los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde seexpanden hasta la presi!n atmosf&rica, de tal forma que producen potencia. Losgases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera ;no serecirculan


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0)( 1echa"o de calor a constante

$l fluido de traba#o en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor detemperatura elevada en el estado(, donde se le agrega energía a un proceso depresi!n constante, hasta que alcan"a la temperatura elevada del estado *.

$ntonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansi!n isentr!pica,produciendo cierta potencia. $l fluido sale de la turbina al estado y pasa a ser enfriado, en un proceso a presi!n constante, en el intercambiador de calor detemperatura ba#a, de donde sale al estado 0, listo para entrar al compresor. /hí elfluido es comprimido isentr!picamente al estado ( y el ciclo se repite.

4D/1/A/% )v 2 +)s


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$n estos diagramas se pueden observar los procesos y estados descritosen el ciclo Brayton.

CONCLUSION

$l ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas.+iene como funci!n transformar energía que se encuentra en forma de calor apotencia para reali"ar un traba#o, tiene varias aplicaciones, principalmente enpropulsi!n de aviones, y la generaci!n de energía el&ctrica, aunque se ha utili"adotambi&n en otras aplicaciones.

$ste puede ser operado de varias maneras, ya sea abierto o cerrado,existen formas de optimi"ar su rendimiento, pero hay que tener mucho cuidado enexaminar si vale la pena hacer cambios. Ena manera de me#orar un ciclo cerradoes la regeneraci!n empleando parte de la energía desechada para calentar losgases que de#an el compresor y, por ende, reducir la transferencia de calor

requerida por el cicloara el me#or estudio de los ciclos de potencia se utili"a una manera

ideali"ada de los mismos en la que se eliminan ciertos puntos para no complicar su ra"onamiento, en estas formas de análisis todos los procesos, son reversibles.

R/(01%)

http'FFGGG.uamerica.edu.coFtutorialF0turgas.htm
http://www.uamerica.edu.co/tutorial/4turgas.htmhttp://www.uamerica.edu.co/tutorial/4turgas.htm

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