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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA MECANICA TURBOMAQUINAS TÉRMICAS Docente: Ing. Salomon Torres Rios Laso Alumno: Gomez Gomez Jacobo de Jesus. CICLO BRAYTON: EL CICLO IDEAL PARA LOS MOTORES DE TURBINA DE GAS. El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por vez primera para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por él alrededor de 1870. Actualmente se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresión como de expansión suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas generalmente operan en un ciclo abierto, como se observa en la figura 9-29. Se introduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor, donde su temperatura y presión se elevan. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión, donde el combustible se quema a presión constante. Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, produciendo potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), causando que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.
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Ciclo Brayton

Sep 25, 2015

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ciclo de turbinas a gas basico
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UNIVERSIDADDEELSALVADOR

FACULTADDEINGENIERAYARQUITECTURA

ESCUELADEINGENIERAMECANICA

TURBOMAQUINAS TRMICAS

Docente:Ing.Salomon Torres Rios Laso

Alumno:

Gomez Gomez Jacobo de Jesus.

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

El ciclo 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, como se observa en la figura 9-29. Se introduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor, donde su temperatura y presin se elevan. 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 fuera (no se recirculan), causando que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.

El ciclo de turbina de gas abierto descrito anteriormente puede modelarse como un ciclo cerrado, como se indica en la figura 9-30, 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 de calor a presin constante desde una fuente externa, mientras que el proceso de escape se reemplaza 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 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

Los diagramas T-s y P-v de un ciclo Brayton ideal se muestran en la figura 3. Observe que los cuatro procesos del ciclo Brayton se ejecutan en dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto deben analizarse como procesos de flujo estacionario. Cuando los cambios en las energas cintica y potencial son insignificantes, el balance de energa para un proceso de flujo estacionario puede expresarse, por unidad de masa, como.

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

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

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrpicos, por lo que . Por lo tanto,

Al sustituir estas ecuaciones en la relacin de eficiencia trmica y al simplificar, se obtiene.

Donde.

Es la relacin de presin y k la relacin de calores especficos. En la ecuacin 9-17 se muestra que bajo las suposiciones de aire estndar fro la eficiencia trmica de un ciclo Brayton ideal depende de la relacin de presin de la turbina de gas y de la relacin de calores especficos 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 figura 4 para k 1.4, el cual es el valor de la relacin de calores especficos del aire a temperatura ambiente.

La temperatura ms alta en el ciclo ocurre al final del proceso de combustin (estado 3) y est limitada por la temperatura mxima que los labes de la turbina pueden resistir. Esto tambin limita las relaciones de presin que pueden utilizarse en el ciclo. Para una temperatura de entrada fija de la turbina T3, la salida de trabajo neto por ciclo aumenta con la relacin de presiones, alcanza un mximo y despus empieza a disminuir, como se observa en la figura 5. Por lo tanto, debe haber un compromiso entre la relacin de presin (por consiguiente la eficiencia trmica) y la salida de trabajo neto. Con una menor salida de trabajo por ciclo se necesita una tasa de flujo msico ms grande (y de este modo un sistema mayor) para mantener la misma salida de potencia, lo cual no puede ser econmico. En muchos diseos comunes la relacin de presin de turbinas de gas vara de 11 a 16.

Fig. 4

Fig.5

En turbinas de gas el aire realiza dos importantes funciones: suministra el oxidante necesario para la combustin del combustible y sirve como un refrigerante para mantener la temperatura de diversos componentes dentro de lmites seguros. La segunda funcin se realiza al extraer ms aire del necesario para la combustin completa del combustible. En turbinas de gas una relacin de masa de aire y combustible de 50 o mayor es muy comn. Por lo tanto, en un anlisis del ciclo, considerar como aire a los gases de combustin no causar un error significativo. Adems, el flujo msico por la turbina ser ms grande que a travs del compresor, pues la diferencia es igual al flujo msico del combustible. As, suponer una tasa de flujo msico constante en el ciclo produce resultados conservadores en motores de turbinas de gas de ciclo abierto.

Las dos principales reas de aplicacin de las 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 tanto al compresor como a un pequeo generador que a su vez acciona al equipo auxiliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de producir el empuje necesario para impulsar la aeronave. Las turbinas de gas tambin se utilizan como centrales elctricas estacionarias que producen energa elctrica como unidades independientes o en conjunto con las centrales elctricas de vapor en el lado de alta temperatura. En estas centrales los gases de escape de las turbinas de gas sirven como fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas tambin puede ejecutarse como un ciclo cerrado para su utilizacin en centrales nucleares, en las que 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 generacin de energa elctrica. Las turbinas de gas General Electric LM2500 utilizadas para impulsar barcos tienen una eficiencia trmica de ciclo simple de 37 por ciento. Las turbinas de gas General Electric WR-21 equipadas con interenfriamiento y regeneracin tienen una eficiencia trmica de 43 por ciento y producen 21.6 MW (29 040 hp).

La regeneracin tambin reduce la temperatura de escape de 600 C (1 100 F) a 350 C (650 F). El aire se comprime a 3 atm antes de entrar al interenfriador. Comparadas con la turbina de vapor y los sistemas de propulsin disel, la turbina de gas ofrece mayor potencia para determinados tamao y peso, alta confiabilidad, larga vida y operacin ms conveniente. El tiempo de arranque de la mquina se ha reducido de 4 horas requeridas para un sistema de propulsin tpico con base en vapor de agua, a menos de 2 minutos para una turbina de gas. Muchos sistemas de propulsin marina modernos utilizan turbinas de gas junto con motores disel debido al alto consumo de combustible de los motores de turbinas de gas de ciclo simple. En sistemas combinados de disel y turbinas de gas, el disel se utiliza para proporcionar de manera eficiente baja potencia y operacin de crucero, mientras que la turbina de gas se emplea cuando se necesitan altas velocidades.

En las centrales elctricas de turbina de gas, la relacin entre el trabajo del compresor y el trabajo de la turbina, denominada relacin del trabajo de retroceso, es muy alta (Fig.6) . Usualmente ms de la mitad de la salida de trabajo de la turbina se utiliza para activar el compresor. La situacin es an peor cuando las eficiencias isentrpicas del compresor y de la turbina son bajas. Esto contrasta considerablemente con las centrales elctricas de vapor, donde la relacin de trabajo de retroceso es solamente un pequeo porcentaje. Sin embargo, esto no sorprende dado que un lquido se comprime en las centrales de energa de vapor en lugar de un gas, y el trabajo de flujo estacionario reversible es proporcional al volumen especfico del fluido de trabajo

Fig. 6

Una central elctrica con una alta relacin del trabajo de retroceso requiere una turbina ms grande para suministrar los requerimientos de energa adicionales del compresor. En consecuencia, las turbinas utilizadas en las centrales de turbina de gas son ms grandes que las que se utilizan en las de vapor que para la misma salida de potencia neta.

Desarrollo de las turbinas de gas.

La turbina de gas ha experimentado un progreso y un crecimiento fenomenal desde su primer desarrollo exitoso en la dcada de 1930. Las primeras turbinas de gas construidas en la dcada de 1940 e incluso en la de1950 tenan eficiencias de ciclo simple de alrededor de 17 por ciento debido a las bajas eficiencias del compresor y de la turbina, as como a las bajas temperaturas de entrada de la turbina dadas las limitaciones de la metalurgia de aquellos tiempos. Por lo tanto, las turbinas de gas tuvieron un uso limitado a pesar de su versatilidad y su capacidad de quemar gran variedad de combustibles. Los esfuerzos para mejorar la eficiencia del ciclo se concentraron en tres reas:

Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina (o de quemado).

ste ha sido el principal enfoque tomado para mejorar la eficiencia de la turbina de gas. Las temperaturas de entrada de stas han aumentado en forma constante desde aproximadamente 540 C (1 000 F) en la dcada de 1940, hasta 1 425 C (2 600 F) e incluso mayor actualmente. Estos incrementos fueron posibles gracias al desarrollo de nuevos materiales y por las innovadoras tcnicas de enfriamiento para componentes crticos, como la de revestir los labes de la turbina con capas cermicas y enfriarlos con aire de descarga del compresor. Mantener altas temperaturas de entrada a la turbina con la tcnica de enfriamiento por aire requiere que la temperatura de combustin sea mayor para compensar el efecto de enfriamiento. Sin embargo, las mayores temperaturas de combustin aumentan la cantidad de xidos de nitrgeno (NOx), los cuales son responsables de la formacin de ozono al nivel del suelo y del esmog. Utilizar vapor de agua como refrigerante permiti un aumento de las temperaturas de entrada a la turbina de 200 F sin un incremento en la temperatura de combustin. El vapor de agua es tambin un medio de transferencia de calor mucho ms eficiente que el aire.

Incremento de las eficiencias de los componentes de turbomaquinaria.

El desempeo de las primeras turbinas sufra grandemente de las ineficiencias de turbinas y compresores. Sin embargo, el advenimiento de las computadoras y de tcnicas avanzadas de diseo asistido por computadora hizo posible disear estos componentes aerodinmicamente cuyas prdidas son mnimas. Las eficiencias incrementadas de las turbinas y compresoresresultaron en un aumento significativo en la eficiencia del ciclo.

Adicin de modificaciones al ciclo bsico.

Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas fueron prcticamente duplicadas al incorporar interenfriamiento, regeneracin (o recuperacin) y recalentamiento, los cuales se analizan en las siguientes dos secciones. Desde luego, estasmejoras se realizaron a expensas de mayores costos tanto inicial como de operacin y no pueden justificarse a menos que la disminucin en los costos de combustible contrarreste el incremento en otras reas. Los costos relativamente bajos de los combustibles, el deseo general de la industria para minimizar los costos de instalacin y el tremendo aumento en la eficiencia del ciclo simple a cerca de 40 por ciento, dej pocos deseos de optar por estasmodificaciones.

La primera turbina de gas para una central generadora de energa elctrica fue instalada en 1949 en Oklahoma como parte de una central elctrica de ciclo combinado. Fue construida por la General Electric, produca 3.5 MW de potencia y sus turbinas de gas instaladas hasta mediados de 1970 sufran de baja eficiencia y escasa confiabilidad. En el pasado la generacin de potencia elctrica para carga base estaba dominada por grandes centrales generadoras que funcionaban con carbn y energa nuclear. Sin embargo, ha habido un cambio histrico hacia las turbinas de gas impulsadas por gas natural debido a sus mayores eficiencias, menores costos de capital, tiempos ms cortos de instalacin y mejores caractersticas respecto a las emisiones contaminantes, adems de la abundancia de suministro de gas natural. Cada vez ms y ms empresas productoras de energa elctrica estn empleando turbinas de gas para produccin de potencia para carga base as como para carga pico. Los costos de construccin de centrales generadoras de turbina de gas son aproximadamente de la mitad en comparacin con los de una central generadora de vapor que funciona con combustibles fsiles, las cuales fueron las principales centrales elctricas para carga base hasta principios de la dcada de 1980. Se prev que ms de la mitad de todas las centrales que se instalarn en el futuro sean de turbina de gas o combinarn las turbinas de gas y de vapor.

Una turbina de gas fabricada por General Electric en los comienzos de la dcada de 1990 tena una relacin de presin de 13.5 y generaba 135.7 MW de potencia neta con una eficiencia trmica de 33 por ciento bajo una operacin de ciclo simple. Una turbina de gas ms reciente fabricada por General Electric utiliza una temperatura de entrada a la turbina de 1 425 C (2 600 F) y produce hasta 282 MW mientras logra una eficiencia trmica de 39.5 por ciento en el modo de ciclo simple. Una turbina de gas de pequea escala de 1.3 toneladas, denominada OP-16, construida por la firma holandesa Opra Optimal Radial Turbine, puede trabajar con gas o combustible lquido y reemplazar un motor diesel de 16 toneladas. Tiene una relacin de compresin de 6.5 y produce hasta 2 MW de potencia, mientras que su eficiencia es de 26 por ciento en operacin de ciclo simple, y sube hasta 37 por ciento cuando se equipa con un regenerador.

Desviacin de los ciclos reales de turbina de gas en comparacin con los idealizados.

Los ciclos reales de turbina de gas difieren del ciclo 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 ser menor debido a irreversibilidades. La desviacin del comportamiento real del compresor y la turbina del comportamiento isentrpico idealizado puede tomarse en cuenta con precisin si se utilizan las eficiencias isentrpicas de la 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 ilustra en la figura 7.

Fig. 7.

CICLO BRAYTON

Se denomina ciclo a un proceso termodinmico a lo largo del cual se van cambiando las condiciones iniciales. El ciclo Brayton (Fig. 8.), se define como el ciclo que corresponde almotor de reaccin y se caracteriza por realizarse en l la combustin tericamente, a presin constante. Como se ve en la figura, las coordenadas del ciclo son Presin-Volumen, si bien pudiera estudiarse atendiendo a otros parmetros.

Veamos las diferentes fases de funcionamiento del motor:

0-1 Compresin de admisin.1-2 Compresin en el compresor.2-3 Combustin en cmaras.3-4 Expansin en turbinas.4-5 Expansin en tobera.

En la figura 3 se aprecian los ciclos terico y prctico. Es interesante observar que el rea encerrada dentro del ciclo representa el trabajo til que vamos a obtener del motor, puesto que:

Fig. 8.

El cociente de las reas del ciclo prctico y terico es precisamente lo que define el rendimiento del ciclo (practicabilidad), siendo la diferencia de dichas reas las prdidas ocasionadas en las distintas fases de funcionamiento del motor.

La practicabilidad se define como la relacin entre el trabajo real obtenido y el trabajo total disponible en la expansin. La practicabilidad aumenta con la temperatura mxima del ciclo.

En el ciclo terico (ideal) los procesos de compresin y expansin se realizan segn una adiabtica y los de adicin y cesin de calor segn una isobara.

Finalmente el rendimiento termodinmico es la relacin entre el calor equivalente al trabajo til del ciclo y el calor total suministrado (por kg de agente combustible).

EMPUJE

El parmetro fundamental que caracteriza al motor de reaccin como planta propulsora, es el empuje que desarrolla. Conviene recordar antes que nada, que el empuje es una fuerza y por tanto se mide en unidades de fuerza en los distintos sistemas fsicos.

Esta fuerza es la resultante de todas las que actan sobre la superficie exterior e interior del motor. Teniendo en cuenta que la presin en el extremo de la tobera puede ser distinta de la atmosfrica, para regmenes de funcionamiento distintos del de diseo, vamos a deducir la frmula de empuje. El empuje neto, al ser una fuerza, ser el producto de la masa por su aceleracin.

Y puesto que:

Siendo el gasto msico y Wa el gasto (en peso) por segundo de aire.

Sustituyendo queda.

Que es la expresin del empuje neto. Puede decirse que el empuje neto es la diferencia entre la fuerza de aire en la salida del motor y en la entrada. Al primer trmino de la ecuacin se le conoce con el nombre de empuje esttico y se puede medir directamente en un banco de pruebas:

Y al segundo trmino, y puesto que es una fuerza que contrarresta parcialmente al empuje til, se denomina resistencia de impacto:

Tambin puede introducirse el gasto de combustible multiplicado por la velocidad de salida, sin tener en cuenta la velocidad de entrada, ya que al ir en el avin, no tiene velocidad inicial.

En = Empuje neto

Wa = Gasto de aire (en peso) por segundo

g = Aceleracin de la gravedad

Vs = Velocidad de salida de gases del motor

Ve = Velocidad de entrada del aire al motor

W e =Gasto de combustible (en peso) por segundo

Ps = Presin de salida de gases del motor

Pe =Presin de entrada de aire al motor

As = Area de salida de gases del motor

Ae = Area de entrada de aire al motor

Resumiendo, la expresin anterior corresponde al empuje neto, es decir, al que resulta del cambio de la cantidad de movimiento de la masa de aire y de la masa de combustible que pasan a travs del motor, ms una fuerza adicional en la tobera de escape. La velocidad de entrada de aire es aproximadamente la velocidad del avin y la velocidad de entrada de combustible la consideramos nula, como ya se ha visto, al ir en el avin. Despreciando la masa de combustible frente al aire, pues, como se ver en el proceso de combustin, dicha masa es mucho menor que la del aire, la expresin del empuje neto queda:

Dicha frmula obedece a la expresin conocida como teorema de Euler de la cantidad de movimiento, segn el cual "la resultante de todas las fuerzas hidrodinmicas que actan sobre una corriente fluida arbitraria, es igual a la diferencia de la cantidad de movimiento por segundo del fluido que sale y del que entra".

El empuje bruto es el desarrollado por la tobera de escape, es decir, el creado por la cantidad de movimiento de los gases de escape ms la fuerza adicional de la tobera.La expresin del empuje bruto es:

El empuje neto y el bruto coinciden con el avin parado y motor en marcha. En este caso desaparece el trmino Ve de la frmula En y queda igual que Eb

Se expuso anteriormente que el empuje esttico puede medirse directamente en banco. Al quedar el motor flotante, empuja contra una balanza calibrada que mide directamente el empuje. Una vez instalado el motor en el avin, no puede obtenerse una medida exacta del empuje.

La velocidad angular de giro del motor en revoluciones por minuto (r.p.m.) constituye a veces una indicacin adecuada del empuje en los motores de compresor centrfugo, no as en los de compresin axial. Por tanto y salvo en motores axiales de gran ndice de derivacin, en los cuales las r.p.m. del fan o tacmetro N 1 constituyen el instrumento primario de empuje, en los dems motores axiales el instrumento primario de la medida-de empuje es proporcional al E.P.R. (Engine Pressure Ratio) P17 /P12, es decir, al cociente entre las presiones totales de salida y entrada en el motor, para una velocidad, altitud, temperatura y posicin del mando de gases filas.

El trmino P17 (Presin total de salida de gases del motor} es un ndice del empuje total, mientras que P17 /P12 lo es del empuje esttico. Es decir, si se utiliza P17 como ndice de empuje, ser necesario corregirlo si varan las condiciones de la corriente de entrada. Precisamente porque las condiciones de entrada varan en el motor en una amplia gama, es preferible utilizar el E.P.R. como ndice de empuje.

Finalmente, es interesante tener presente la influencia de la resistencia exterior sobre el empuje del motor de reaccin. Hasta ahora hemos supuesto que la corriente que rodea el motor es ideal, es decir, no haba friccin ni intercambio de calor con el chorro de gases de escape (adiabtica); pero en realidad al instalar el motor fuera del fuselaje, bien en gndolas bajo los planos o en montantes situados en la zona trasera del fuselaje, la resistencia exterior puede disminuir bastante el empuje.

Esta resistencia va aumentando con la velocidad; a velocidades supersnicas es muy notable, pues aparecen resistencias inducidas de interferencia y de ondas. Se denomina empuje efectivo al que se obtiene restando al neto la resistencia exterior.

Turbina de Gas Potencia de salida

Donde 0.707 (ms exactamente 0,7068) convierte Btu / seg a caballos de fuerza.

Turbina de Gas Eficacia

Eficiencia trmica eficiencia () de una turbina de gas, teniendo en cuenta los procesos de compresin y expansin como ser irreversible, se define como la produccin de trabajo dividida por el consumo de energa de combustible. El rendimiento en el trabajo es el trabajo de la turbina total menos el trabajo en el compresor (compresor trabaje nota es negativo). Por lo tanto.

Donde KJ es kilojulios, kW es kilovatios, y es hora Hr.

Esta expresin es la herramienta ms utilizada en la comparacin de un gasturbina con otro. Tal como se usa aqu, esta expresin representa la ciclo de la eficiencia sencilla turbina de gas. Esta ecuacin tambin se usa para demostrar que un motor particular es (o no es) deterioro con el uso. Si el motor global sencilla eficiencia del ciclo se est deteriorando a continuacin, un examen de cada componente es necesario para determinar la causa del problema.

Bibliografa

Libro: YUNUS A. ENGEL (termodinmica)

Edicin: sptima.

Director General Mxico: Miguel ngel Toledo Castellanos

Editor sponsor: Pablo E. Roig Vzquez

Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martnez

Editora de desarrollo: Ana Laura Delgado Rodrguez

Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca

Captulo 9: siclos de potencia y de Gas.

Pginas: 511-519

Libro: el motor a reaccin y sus sistemas auxiliares.

Autor: Valentn Sainz Diez

Valentn Sinz Dez: Jefe Unidad Instruccin, Direccin Tcnica de Vuelo, Iberia Lneas Areas, Director de la Escuela de Pilotos, American Flyers Espaa.

Edicin: octava edicin.

Gerente Editorial rea Tcnico-Vocacional: Oiga M" Vicente Crespo

Editoras de Produccin: Clara M" de la Fuente Rojo. Consuelo Garca Asensio

Produccin Industrial: Susana Pavn Snchez

Capitulo: principio y generalidades del motor a reaccin

Pginas: 19-25