Transcript TERMO CAP13 Joule-Brayton

CAPÍTULO 13
Ciclo Joule - Brayton
INTRODUCCIÓN
Este 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.-
INDICE
Introducción
Planta Térmica a Gas
13.1 Ciclo Joule-Brayton.
13.2 Ciclo ideal y real
13.3 Compresores
13.4 Cámaras de combustión
13.5 Turbinas
13.6 Mejoras del ciclo teórico
13.7 Ciclo con regeneración
Ciclo con Recalentamiento
13.8 Ciclos Binarios
13.9 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:
th 

W t
Q sum

W t ( 3  4 )  W t (1  2 )
Q ( 2  3 )

Q ( 2  3 )  Q ( 4 1 )
Q ( 2  3 )
1
Q ( 4 1 )
Q ( 2  3 )
1
Q B
Q A
¿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 !!
Wt (1 2 )  m (h2  h1 )
Como h = Cp T, entonces
Wt 12 = m Cp (T2 - T1)
1.COMPRESOR:
 sc
T2  T1

T2  T1
k 1
 k
T2  P2
  
T1  P1 
P
RP  2
P1
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
???????
Temperaturas
Corte 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:
 cc
Q ( 2  3 )
Q sum



  PC
m
Qc
c
PC: Poder Calorífico del Combustible en kJ/kg.
Quemador
COMBUSTIBLES
Petróleo Crudo
Gas natural Asociado
Gas licuado
Gasolina de Aviación
Gasolina Automotriz
Jet Fuel
Kerosene
Diesel/Gas oil
Fuel Oil
No energético
Electricidad
Leña (Altiplano)
Leña (Tierras bajas)
Residuos Animales
Bagazo
Carbón Vegetal
(Doméstico)
Carbón Vegetal
(Fundición)
Poder Calorífico
Peso
Específico
11507 kcal/kg
273.9 kcal/PC
11833 kcal/kg
11667 kcal/kg
11667 kcal/kg
11284 kcal/kg
11237 kcal/kg
11055 kcal/kg
11137 kcal/kg
11507 kcal/kg
860 kcal/kWh
3500 kcal/kg
3000 kcal/kg
2760 kcal/kg
1800 kcal/kg
6500 kcal/kg
0.7450 kg/l
1.0
0.5500 kg/l
0.7500 kg/l
0.7000 kg/l
0.8400 kg/l
0.7980 kg/l
0.8000 kg/l
0.8500 kg/l
0.8100 kg/l
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
7000 kcal/kg
1.0
Cámara de Combustión
13.5.- Turbinas a gas
1.TURBINA A GAS:
 st 
 T3

 T4
T3  T4
T3  T4
k 1
 k
  P3
  

  P4 
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:
Trabajo en el eje
Trabajo técnico
T 

W
 mec 
 mec
t
1.GENERADOR ELECTRICO:
En la transformación de la energía eléctrica se pierde una
pequeña cantidad de energía. Esta se expresa mediante:
gen
VI

T 
Alabes de las turbinas
Compresores
Esquema de una Turbina a Gas de eje único:
RENDIMIENTO DE LA PLANTA:
-
Pérdidas totales en la Planta:
Se expresa mediante la Eficiencia de la Planta.
DIAGRAMA DE SANKEY
PLANTA
TERMICA
Calor Total entregado
(Qc) 100%
Calor
perdido
en los gases de
escape
 Planta 
Calor perdido en el
condensador
Trabajo útil producido
VI

Calor total entregado
Q C
 Planta  
th   cc   m   gen



ciclo
 Planta 
donde :

externos
W t
Q ( 2  3 )

Q ( 2  3 )
T 
VI
VI





T


Wt
QC
Q C

  PC
Q C  m
C
 Planta 
VI
  PC
m
c
Trabajo útil producido
(WE=VI)
Pérdidas no calculables
Perfiles Aerodinámicos
Modelos
Turbinas de avión
13.6 Mejoras al Ciclo teórico
Ciclo con Regeneración
h  m
h  m
h  m
h
Pr imera Ley : m
2
5
3
6
Además :
h  c pT
(Gas Ideal)
Entonces : T2  T5  T3  T6
Rendimiento del Regenerador:
 reg 
Qreal
que absorbe la línea fría
Qmáx que absorbe
la línea fría
 reg 
 c (T  T )
m
(Tfs  Tfe )
f p
fs
fe


 c (T  T )
(Tce  Tfe )
m
f p
ce
fe
T3  T2
T5  T 2
-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 etapas
Es 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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