ciclo brayton
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UNEFM COMPLEJO ACADÉMICO EL SABINO AREA DE TECONOLOGÍA UNIDAD CURRICULAR: TERMODINÁMICA APLICADA DEPARTAMENTO: ENERGÉTICA PROGRAMA: ING MECÁNICA
CICLO BRAYTON
ELABORADO POR: ING GELYS GUANIPA RODRIGUEZ DOCENTE DE LA ASIGNATURA
Punto Fijo, Julio de 2009
Por Ing.Gelys Guanipa R 2/22
INTRODUCCIÓN
La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos, y el
estudio de los ciclos de potencia es una parte interesante e importante de la
termodinámica, y precisamente en esta guía trataremos la base para los motores
de turbina a 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 cuenta al
mismo tiempo y se complica demasiado el entorno. Para facilitar el estudio de los
ciclos se optó por crear el llamado ciclo ideal, en el cual se eliminan todas esa
complicaciones y retrasos para tomar decisiones, que no arrojan resultados
extremadamente exactos pero los márgenes de error son insignificantes,
acercándonos muchos a los valores reales, así pues, estos valores se alejan de la
realidad pero en una manera muy moderada. Se puede afirmar que difieren pero
se encuentran aproximadamente en el mismo rango.
Los ciclos ideales son internamente reversibles pero, a diferencia del ciclo de
Carnot, no es necesario que sean extremadamente reversibles. Es decir, pueden
incluir irreversibilidades externas al sistema como la transferencia de calor debida
a una diferencia de temperatura finita. Entonces, la eficiencia térmica de un ciclo
ideal, por lo general, es menor que la de un ciclo totalmente reversible que opere
entre los limites de temperatura. Sin embargo, aún es considerablemente más alta
que la eficiencia térmica de un ciclo real debido a las idealizaciones empleadas.
Las idealizaciones y simplificaciones empleadas en los análisis de los ciclos de
potencia, por lo común pueden resumirse del modo siguiente:
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El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto el fluido de trabajo no
experimenta ninguna reducción de presión cuando fluye en tuberías o
dispositivos como los intercambiadores de calor.
Todos los procesos de compresión y expansión se dan en el modo de cuasi
equilibrio
Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema
están muy bien aisladas y la transferencia de calor por ellas es
despreciable.
Nuestro estudio de los ciclos de potencia de gas involucrará el estudio de
aquellas máquinas térmicas en la cual la sustancia de trabajo permanecerá en
estado gaseoso durante todo el ciclo. A menudo estudiaremos el ciclo ideal y real
y realizaremos comparaciones que nos ayuden a entender las pérdidas generadas
en diversos sistemas, nos enfocaremos en como los parámetros mayores del ciclo
afectan el desempeño de las máquinas térmicas.
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Objetivos
Evaluar el desempeño de los ciclos de potencia a gas para los cuales la
sustancia de trabajo permanece como gas durante el ciclo completo.
Desarrollar asunciones simplificadoras aplicables a los ciclos de potencia
de gas
Analizar ciclos de potencia de gas abiertos
Analizar el funcionamiento del ciclo Brayton simple.
Analizar el funcionamiento del ciclo Brayton con regeneración
Analizar el funcionamiento del ciclo Brayton con interenfrimaiento,
recalentamiento y regeneración.
Analizar los ciclos de propulsión de jet.
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Asunciones de Aire Standard En nuestro estudio de los ciclos de potencia de gas, asumiremos que la sustancia
de trabajo es aire, y que el aire es sometido a un ciclo termodinámico, para
simplificar el análisis, aproximaremos los ciclos con las siguientes asunciones:
•El aire circula continuamente en un circuito (lazo) cerrado.
•Todos los procesos que componen el ciclo son internamente reversibles.
•El proceso de combustión es reemplazado por un proceso de adición de calor
desde una fuente externa.
•Un proceso de rechazo de calor que restaura el fluido de trabajo a su estado
inicial reemplaza el proceso de disipación de calor
•Las asunciones de aire frio estándar son aplicables cuando el fluido de trabajo es
aire y tiene calores específicos constantes evaluados a temperatura ambiente
25ºC o 77ºC).
El ciclo Brayton es la aproximación del ciclo de aire estándar ideal para los
motores de turbinas de gas. Este ciclo difiere de los ciclos Otto y Diesel en que los
procesos que componen el ciclo ocurren en sistemas abiertos o volúmenes de
control. Por lo tanto, un sistema abierto, el análisis de flujo estable es usado para
determinar la transferencia de calor y trabajo para el ciclo.
Asumiremos que el fluido de trabajo es aire y que los calores específicos son
constantes y consideraremos el ciclo estándar de aire frio.
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En la realidad el ciclo Brayton es un ciclo abierto como se puede observar en la
siguiente figura:
Pero para efectos de cálculos se puede simular como un sistema cerrado,
quedando de la siguiente manera:
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Aplicando la ecuación general de la primera ley a través de los balances de
energía en cada dispositivo, podemos conseguir la energía presente en cada uno
de ellos, bien sea calor o trabajo, ya que la energía cinética y potencial es
despreciable en este tipo de dispositivos:
De esta manera podemos emplear la ecuación de la eficiencia para el ciclo
Brayton simple:
Se sabe que para los procesos isoentrópicos se cumple que:
Sustituyendo estas relaciones isoentrópicas podemos simplificar un poco la
ecuación de la eficiencia:
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Desviaciones que presenta el ciclo real respecto al ideal:
Debido a las irreversibilidades que presentan los ciclos reales, los procesos de
suministro de calor no son completamente isobáricos, y los de expansión y
compresión tampoco son completamente a entropía constante, como se puede
apreciar en el diagrama T-s que se muestra a continuación:
Estas desviaciones se miden a través de las eficiencias isoentrópicas del
compresor y la turbina:
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Ciclo Brayton Regenerativo:
Para el ciclo Brayton, la temperatura de salida de la turbina es mayor que la
temperatura de salida del compresor. Por lo tanto, un intercambiador de calor
puede ser colocado entre la salida de los gases calientes de la turbina y la salida
de los gases fríos que salen del compresor. Este intercambiador de calor es
conocido como regenerador o recuperador. La regeneración conviene solo cuando
la relación de presión en la expansión es baja, ya que de esta manera se puede
asegurar que el calor máximo estará dado por la corriente que en un ciclo simple
se desprende hacia el ambiente, este calor máximo se aprovecha para precalentar
el aire que va a entrar a la cámara de combustión, significando esto un ahorro
energético significativo. Para el caso contario, es decir, relación de presiones
altas, este calor será muy bajo, pues saldrá a temperatura muy baja, producto de
la expansión excesiva, perdiéndose este calor al ambiente, sin poder
aprovecharlo.
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Definiremos la efectividad del regenerador €reg como el índice del calor
transferido a los gases del compresor en el regenerador, a la transferencia de
calor máximo posible a los gases del compresor, esto es:
Para gases ideales usando las asunciones de aire frio estándar con calores
específicos constantes, la efectividad del regenerador se convierte en:
Usando un análisis de ciclo cerrado y tratando la adición de calor y rechazo de
calor como procesos de flujo estable, la eficiencia térmica del ciclo regenerativo
es:
Note que la transferencia de calor que ocurre dentro del regenerador no está
incluida en los cálculos de la eficiencia porque esta energía no es una
transferencia de calor a través de la frontera del ciclo.
Asumiendo un regenerador ideal €regen = 1 y calores específicos constantes, se
pueden decir que todo el calor de la corriente superior se transfiere hacia la
corriente inferior, pero esto nunca ocurrirá en la realidad, son aproximaciones que
se asumen cuando no contamos con datos suficientes para resolver el problema,
esto más que todo se hace cuando no nos suministran el valor de la eficiencia del
regenerador.
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Compresión adiabática y compresión isotérmica:
Trabajo en régimen estacionario a volumen constante:
Tomando: nos queda:
Finalmente para el caso del gas ideal:
Al sustituir la relación isoentrópica obtenemos la ecuación
para determinar el trabajo isoentrópico ideal del compresor:
Cabe destacar que si existen más etapas de compresión, esta ecuación es
aplicable en cada etapa, si rp y temperatura de entrada se mantienen constantes
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Bajo estas condiciones óptimas se logra obtener el máximo trabajo del ciclo, y se
puede aplicar la siguiente ecuación:
Para T3=T5 y rp iguales Descripción del ciclo ideal Brayton ideal con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración:
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El gas entra en la primera etapa del compresor en el estado 1, se comprime de
modo isoentrópico hasta una presión intermedia P2; se enfría hasta una presión
constante hasta el estado 3 (T3=T1) y se comprime en la segunda etapa
isoentropicamente hasta la presión P4. En el estado 4 el gas entra en el
regenerador, donde se calienta hasta T5 a una presión constante. En un
regenerador ideal, el gas saldrá del regenerador a la temperatura de escape de la
turbina, es decir, T5=T9. El proceso de adición de calor o combustión 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 isoentropicamente hasta el estado 7, donde entra al
recalentador. Se recalienta a presión constante hasta el estado 8 (T8=T6) , donde
entra a la segunda etapa de la turbina. El gas sale de la turbina en el estado 9 y
entra al regenerador, donde se enfría hasta el estado 1 a presión constante. El
ciclo se completa cuando el gas se enfría hasta el estado inicial. También se
puede asumir que la T4=T10.
Parámetros a considerar para el ciclo real con interenfriamiento, recalentamiento y
regeneración:
Según el esquema mostrado anteriormente, se puede decir que:
Se requieren datos de eficiencias isoentrópicas de compresores y turbinas,
y eficacia del regenerador. Además normalmente cuando el ciclo se trabaja
en forma real, se suministran mayor cantidad de datos en cuanto a caídas
de presión y variaciones de temperaturas a lo largo de las tuberías.
Por Ing.Gelys Guanipa R 18/22
A la salida de los compresores y turbina debe considerarse una
temperatura real, luego de buscarse la temperatura ideal, con ayuda de las
ecuaciones de eficiencias isoentrópicas, podemos determinar los valores
reales.
Se puede aproximar la T4 = T10.
Como la Eficacia del regenerador es menor al 100%, entonces la T5≠T9.
Las relaciones de presión encada etapa tanto de compresión o expansión
pueden variar
Deben determinarse trabajos reales tanto de compresión y expansión
Se pueden utilizar las ecuaciones de procesos isoentrópicos pero luego se
procede a determinar la desviación.
Las temperaturas de entrada a cada etapa de compresión y expansión
puede ser distinta, ya que la transferencia de calor no es completamente
efectiva.
Ciclo ideal de propulsión Los motores de turbinas de gas son ampliamente empleados para impulsar
aeronaves debido que son ligeros y compactos y que tienen una elevada relación
peso-potencia.
Las turbinas de gas de aviones operan en un ciclo abierto llamado ciclo de propulsión por reacción.
El ciclo de propulsión por reacción ideal difiere del ciclo Brayton ideal simple en
que los gases no son expandidos a la presión ambiente en la turbina. Por el
contrario, son expandidos a una presión tal que la potencia producida por la
turbina es apenas suficiente para manejar el compresor y los equipos auxiliares.
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El trabajo neto de un ciclo de propulsión por reacción es cero. Los gases que
salen de la turbina a una presión relativamente alta son subsecuentemente
acelerados
En motores de reacción, la alta temperatura y alta presión de los gases que dejan
la turbina son acelerados en una tobera para obtener impulso en un tobera para
proveer el impulso necesario para impulsar la aeronave.
La potencia propulsiva es el empuje que actúa en un avión a través de la distancia
por unidad de tiempo.
Los aviones son impulsados mediante
aceleración del fluido en dirección
opuesta al movimiento. Esto se logra al
acelerar ligeramente una gran masa de
fluido (motor accionado por una
hélice) o acelerado considerablemente
una pequeña masa de fluido (motor de
reacción o turbo reactor) o ambos
(motor de turbo hélice)
Por Ing.Gelys Guanipa R 20/22
Modificaciones a los motores de turborreactor Los primeros aviones construidos eran impulsados por hélice, tanto los motores
accionados por hélice como los motores de propulsión por reacción tienen sus
propias fortalezas y limitaciones, y varios intentos han sido hechos para combinar
las características deseables de ambos en un solo motor. Dos modificaciones de
estas son el motor de propulsión y el turbofan.
• Motor Turbofan
El motor más ampliamente utilizado para la propulsión de aviones es el turbofan (o fanjet) en donde un gran ventilador es accionado por una turbina fuerza una
considerable cantidad de aire a través de un ducto que encierra el motor.
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Motor moderno de reacción:
Motor moderno de reacción empleado para impulsar el avión Boeing 777. Es un
turbofan Pratt & Whitney PW4084 capaz de producir 374 kN (84,000 lbs) de
empuje. Tiene 4.87 m (192 pulg) de longitud y un ventilador de 2.84 m de
diámetro y pesa 6800 Kg.
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Motor turbohélice
Motor ranjet