ciclo brayton

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.

PROF. CARLOS G. VILLAMAR LINARESAbril 2003.



Se considera un ciclo de gas ya que la sustancia de trabajo siempre estará en estado gaseoso, siempre ocurre un proceso de combustión.Es un ciclo mecánico es decir abierto.

COMBUSTION

Productos de combustión CO, CO2 , H2O

Combustible

Aire

Prof. Carlos G. Villamar L. ULA



SIMPLIFICACIONES

- La sustancia de trabajo es aire y se comporta como un gas ideal.

-Todo proceso de combustión se reemplaza por de transferencia de calor desde una fuente externa.

- El escape o expulsión de calor se reemplaza por transferencia de calor hacia el medio circundante hasta llegar al estado inicial del ciclo.

- Se considera los calores específicos constantes

Expulsión de Calor

AireAire

IDEAL

Absorción de calor




-El ciclo Brayton modela el funcionamiento de las Turbinas de Gas.

- La Turbina de Gas esta conformada por el Compresor, Cámara de Combustión y Turbina.

Compresor

Cámara de Combustión

Turbina

Wc

Qh

Wt




- El ciclo Brayton modela el funcionamiento de las Turbinas de Gas.

- La Turbina de Gas esta conformada por el Compresor, Cámara de Combustión y Turbina.

Compresor


Turbina

Wc

Qh

Wt




Compresor


Turbina

- El compresor toma aire de la atmósfera, por lo tanto trabaja solo con aire.- En la cámara de combustión se agrega el combustible se mezcla con el aire y se realiza la combustión. - La turbina trabaja con los productos de la combustión, produce la potencia para mover el compresor y también la potencia util.

- Es un ciclo Mecánico (abierto) y no Termodinámico.

Wc

Qh

Wt




Compresor


Turbina

- Se toma aire como fluido de trabajo para todos los procesos, se considera que el aire se comporta como un gas ideal.

- El ciclo se cierra introduciendo un intercambiador de calor, que desecha calor al medio ambiente a P = Cte

I.CQL

Wc

Qh

Wt




•TURBINAS DE POTENCIA: Son turbinas fijas que se utilizan para:

Producción de Electricidad (Empresas publicas o privadas)Mover Bombas y/o Compresores (Industria Petrolera)

CARACTERISTICAS: El vapor en la turbina se expande hasta la presión atmosférica para obtener la mayor cantidad de potencia.




•TURBINAS DE DESPLAZAMIENTO: Son turbinas que se utilizan para:

Transporte (Aviación, Barcos) CARACTERISTICAS: El vapor en la turbina se expande hasta una presión tal, que produzca la potencia necesaria para mover el compresor y algunos accesorios adicionales, el resto de la presión se transforma en energía cinética a través de un tobera.




Compresor


Turbina

I.C

QL

Wc

QhWt

1

2 3

4

Procesos:1 – 2 Compresión adiabatica reversible.

2 – 3 Absorsión de calor a presión constante

3 – 4 Expansión adiabatica reversible4 – 1 Rechazo de calor a presión constante




Compresor


Turbina

I.C

QL

Wc

QhWt

1

2 3

4




P

v1

2 3

4

Qh

QL




Compresor


Turbina

I.C

QL

Wc

QhWt

1

2 3

4




P

v1

2 3

4

Qh

QL

T

s1

24

3Qh

QLProf. Carlos G. Villamar L. ULA




Qh

23

Aplicando primera ley a la cámara de combustión

23 2 41 3Q m h W m h

Como 23W 0

23 3 2Q m(h h )

Considerando que para gases ideales h = Cp0 T

23 P0 3 2 hQ mC (T T ) Q




Aplicando primera ley al intercambiador de calor.

41 1 41 4Q m h W m h

Como 41W 0

41 4 1Q m(h h )

Considerando que para gases ideales h = Cp0 T

41 P0 4 1 LQ mC (T T ) Q

I.C

QL1 4




EFICIENCIA

h L L

h h h

W Q Q Q1Q Q Q

P0 4 1 4 1

3 2P0 3 2

mC (T T ) (T T )1 1(T T )mC (T T )

Definimos la relación de presiones como: 3 2P

4 1

P PrP P

T

s1

24

3Qh

QL

Aplicando la relación para procesos adiabáticos reversibles para gases ideales.

1 kkTP Cte




T

s1

24

3Qh

QL

1 kkTP Cte

Aplicando la relación anterior al proceso de compresión

1 kk

1 2

2 1

T PT P

3 2P

4 1

P PrP P

Recordando que:

1 k1 k

P2

T rT




T

s1

24

3Qh

QL

1 kkTP Cte

Aplicando la relación anterior al proceso de expansión

1 kk

34

3 4

PTT P

3 2P

4 1

P PrP P

Recordando que:

1 k4 k

P3

T rT




De la Ecuación de la Eficiencia4 1

3 2

(T T )1(T T )

Multiplicando y dividiendo por T1 el numerador y por T2 el denominador obtenemos

41

1

32

2

TT 1T

1TT 1T

T

s1

24

3Qh

QL

Como1 k

1 4kP

2 3

3 4

2 1

T TrT TT TT T

1k 1

2 kP

T 11 1T

r La eficiencia aumenta si rP aumenta y/o k

aumentaProf. Carlos G. Villamar L.

ULA



T

s1

24

3Qh

QL

k 1k

P

11r

Eficiencia del ciclo Brayton ideal como una función de la relación de presiones.

La temperatura y presión máxima la limita la resistencia de los materiales.




T

s1

24

3Qh

QL

k 1k

P

11r

Si mantenemos fijas Tmax y Tmin El Trabajo neto del ciclo aumenta al aumentar las presiones, hasta alcanzar un máximo

k2(k 1)

maxP

min

Tr

T

Pero si sigue aumentando rp el trabajo neto empieza a disminuir




T

s1

24

3Qh

QL

Si consideramos que el proceso de expansión y compresión no son ideales, es decir existen irreversibilidades. Debemos Considerar las eficiencias.

COMPRESORs e s,s

ce s,rr

T TWT TW

2r2s




T

s1

4

3Qh

QL

Si consideramos que el proceso de expansión y compresión no son ideales, es decir existen irreversibilidades. Consideramos las eficiencias.

COMPRESORs e s,s

ce s,rr

T TWT TW

2r2s

TURBINA

r e s,rc

e s,ss

T TWT TW

3s3r




Trabajo de Retroceso:Mas de la mitad de la potencia producida por la turbina se emplea para activar el compresor.

comp

turb

WRelacion de trabajo de retrocesoW

Potencia producida por la Turbina

Potencia consumida por el compresor

Potencia Neta




MEJORAS DEL CICLO BRAYTON

1.- Regeneración: Cuando la Temperatura de salida de los gases de la turbina es mayor que la de los gases que salen del compresor, se puede introducir un regenerador para recuperar parte de la energía disponible de estos gases y precalentar el fluido antes de la cámara de combustión.

IC

QLQh

6T

s

1

2

4

3

5

6




MEJORAS DEL CICLO BRAYTON1.- Regeneración: Cuando la Temperatura de salida de los gases de la turbina es mayor que la de los gases que salen del compresor, se puede introducir un regenerador para recuperar parte de la energía disponible de estos gases y precalentar el fluido antes de la cámara de combustión.

IC

QLQh

6T

s

1

2

4

3

5

6

REGENERACION




MEJORAS DEL CICLO BRAYTON1.- Regeneración: Cuando la Temperatura de salida de los gases de la turbina es mayor que la de los gases que salen del compresor, se puede introducir un regenerador para recuperar parte de la energía disponible de estos gases y precalentar el fluido antes de la cámara de combustión.

IC

QLQh

6T

s

1

2

4

3

5

6

Q regenerado

Q regenerado = Q

ahorrado

Qh

QL





T

s

1

2

4

3

5

6

Q regenerado

Q regenerado = Q

ahorrado

Qh

QL

REGENERADOR IDEAL

Te ff Ts ff

Te fcTs fc

Trabaja a través de diferencias infinitesimales de temperatura.

Ts ff = Te fc

Teff = Ts fcProf. Carlos G. Villamar L.

ULA




T

s

1

2

4

3

5

6

Q regenerado

Q regenerado = Q

ahorrado

Qh

QL

Te ff Ts ff

Te fcTs fc

EFICIENCIA DEL REGENERADOR

Como el intercambiador de calor es de longitud finita, esto influye sobre el proceso de transferencia de calor.Por Tanto

Ts ff < Te fc

Ts fc > Te ff

Absor real s,r ereg

s,i eAbsor ideal

Q T TT TQ

Prof. Carlos G. Villamar L.

ULA




T

s

1

2

4

3

5i

6i

Q regenerado

Q regenerado = Q

ahorrado

Qh

QL

Te ff Ts ff

Te fcTs fc


Como el intercambiador de calor es de longitud finita, esto influye sobre el proceso de transferencia de calor.Por Tanto

Ts ff < Te fc

Ts fc > Te ff

Absor real s,r ereg

s,i eAbsor ideal

Q T TT TQ

5r6r





T

s

1

2

4

3

5i

6i

Q regenerado

Q regenerado = Q

ahorrado

Qh

QL

Te ff Ts ff

Te fcTs fc


Absor real s,r ereg

s,i eAbsor ideal

Q T TT TQ

5r6r

A mayor eficiencia del regenerador mayor es el ahorro de combustible, pero mayor el costo de este. No se justifica una eficiencia muy alta a menos que los ahorros en combustibles superen los costos adicionales del regenerador. A mayor longitud mayor eficiencia pero esto incrementa la caída de presión




IC

QLQh

6

Eficiencia de un ciclo Brayton con y sin regeneración.Se pueden obtener mayores eficiencias con menores rp cuando se implementa la regeneración.

COMPARACION DE LAS EFICIENCIA CON Y SIN REGENERACION




2.- Compresión en múltiples etapas con enfriamiento intermedio:La potencia neta aumenta si se reduce la potencia producida por el compresor, esto se puedo lograr haciendo el proceso de compresión isotérmica o o aproximarlo a este tipo de proceso.


- La potencia consumida por el compresor se minimiza cuando se mantiene relaciones de presiones iguales Prof. Carlos G. Villamar L.

ULA



IC

IC

CCREGEN

Comp Comp Turb

1

23

45 6

7

8





IC

IC

CCREGEN

Comp Comp Turb

1

23

45 6

7

8T

s

1

2

3

4

6

75

8


- Para minimizar la potencia consumida por el compresor se mantiene las relaciones de presiones iguales

2 42 3

1 3

P P P PP P

Prof. Carlos G. Villamar L.

ULA



MEJORAS DEL CICLO BRAYTON3.- Expansión en múltiples etapas con recalentamiento entre ellas. Esto se realiza sin superar la Tmax del ciclo, a mayor número de etapas de expansión con recalentamiento intermedio el proceso se asemeja a un proceso isotérmico.El trabajo es proporcional al volumen especifico del fluido por tanto:

- Se debe mantener lo mas bajo posible durante el proceso de compresión, esto se logra implementando el interenfriamiento.

- Se debe mantener lo mas alto posible durante el proceso de expansión esto se logra implementado el sobrecalentamiento.

- La potencia producida por la turbina se maximiza cuando se mantiene relaciones de presiones iguales





IC

IC

CCREGEN

Comp Comp Turb

1

23

45 6

7

10

Turb

CC

8

9

s

T

1

2

3

4

6

75

10

8

9





IC

IC

CCREGEN

Comp Comp Turb

1

23

45 6

7

10

Turb

CC

8

9

Para maximizar la potencia producida por la turbina se mantiene las relaciones de presiones iguales

6 87 8

7 9

P PP P

P P

s

T

1

2

3

4

6

75

10

8

9

Qh

QL

Q regenerado

Q regenerado = Q

ahorrado




La relación de trabajo de retroceso mejora (disminuye) con el interenfriamiento y recalentamiento, pero la eficiencia térmica solo aumenta si se implementa el proceso de regeneración.Si solo se implementa raclentamiento y/o interenfriamiento sin implementar regeneración la eficiencia térmica disminuirá.El internfriamiento reduce la temperatura promedio a la cual se agrega calor y el recalentamiento aumenta la temperatura promedio a la cual se rechaza calor

A mayor numero de etapas de interenfiamiento y recalentamiento, el ciclo se aproxima al límite teórico es decir a la eficiencia de Carnot.

La contribución de cada etapa adicional al aumento de la eficiencia es cada vez menor.En la practica el número límite económico de paso es de 2 a 3




- Se requiere entre el 40% al 80% de la potencia total producida por la turbina para accionar el compresor.

- Si la eficiencia de la turbina es menor del 60% aproximadamente toda la potencia producida por la turbina se consumira en mover el compresor.

-En todas las mejoras implementadas hay que considerar los efectos de las irreversibilidades en los distintos procesos.- El compresor real consumirá mas potencia que el ideal.-La turbina real producirá menos potencia que la ideal. -El regenerador tendrá cierta eficiencia que producirá que:

Ts ff < Te fc Ts fc > Te ff


ciclo brayton

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