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• Frank Olano Castro

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• Ingeniería mecánica

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ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA

TEMA: CICLO BRAYTON Y CICLOS COMBINADOS

CURSO: TERMODINAMICA

INTEGRANTE: OLANO CASTRO FRANKLIN

CICLO: III

DOCENTE: ING. JAIME

ODAR HONORIO ACOSTA

FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO

Ciclo Brayton

ESCUELA DE INGENIERÍA En el año 1873 GEORGE BRAYTON (1830 – 1892) expuso el principio de funcionamiento del ciclo que lleva su nombre que originariamente se desarrolló Y MECÁNICA empleando una máquina de pistones con inyección de combustible, para luego ELÉCTRICA realizarlo como ciclo abierto simple llamado turbina a gas. Si bien se le llama INTRODUCCION

ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no realiza un ciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que egresa son gases de combustión, o sea en un estado diferente al que se tenía cuando se inició el proceso, por eso se dice que es un “ciclo abierto

RESUMEN Este ciclo se considera el básico en el análisis de turbinas. Este es un ciclo simple para una turbina de gas se emplea equipo separado para los diversos tipos de procesos del ciclo A continuación se define primero lo que es un ciclo abierto, al inicio el aire se comprime en forma adiabática en compresor rotatorio axial o centrifugo A→B. El aire entra a una cámara de combustión donde se inyecta y quema

combustible a presión constante, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isobaro B→C. Los productos de esta combustión luego se expanden en una turbina hasta alcanza la presión ambiente de los alrededores, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D. Los ciclos de las turbinas de gas reales son abiertos ya que debe introducirse aire continuamente. En el ciclo de Brayton idealizado en comparación al de Otto y Diesel opera en un intervalo menor de presiones y temperatura espera en un intervalo de volumen más amplio, esto hace que no sea adecuado para el uso en máquinas alternativas. Este ciclo consta de compresión adiabática, calentamiento a presión constante y expansión adiabática. Debido a que los gases que se expanden están más calientes el trabajo que puede obtenerse del proceso de expansión es mayor que el de compresión; el trabajo neto del ciclo es la diferencia entre los dos. Si se agrega un regenerador para recobrar el calor de escape de la turbina se mejora la eficiencia. Añadiendo además de interenfriameiento en el compresor y recalentamiento del fluido de trabajo, durante la expansión se incrementa la salida de potencia para un tamaño dado de turbina de gas. El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina. Las etapas del proceso son las siguientes:

 Dentro de este proceso para el ciclo Brayton existen el ciclo abierto y el ciclo cerrado

EFICIENCIA EN EL CICLO BRAYTON: La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal depende de la compresión. Si se aumenta la relación de compresión en el ciclo será necesario suministrar más calor al sistema debido a que las líneas de presión constante divergen hacia arriba y hacia la derecha en el diagrama T-s y la temperatura máxima del ciclo

será mayor. Como el calor suministrado es mayor, la eficiencia térmica aumentará.

Diagrama T-s de ciclos termodinámicos básicos de las turbinas de gas con diferentes relaciones de compresión. Sin embargo la temperatura máxima del ciclo está limitada por los materiales en los cuales están construidos los componentes y por lo tanto se requerirán sistemas de refrigeración más eficientes. La eficiencia del ciclo también se ve afectada por las pérdidas en el compresor, en la turbina y en las caídas de presión en la cámara de combustión y otros pasajes. Podemos verlo en el diagrama que representa estas condiciones en el ciclo, disminuyendo en consecuencia la eficiencia del ciclo.

Diagrama T-s del ciclo termodinámica básico real de las turbinas de gas.

A diferencia del ciclo Rankine, el proceso de compresión para elevar la presión en el ciclo Brayton requiere un gran consumo de energía y gran parte del trabajo producido por la turbina es consumido por el compresor, en un porcentaje que puede estar entre 40% y 80%. Esta desventaja frente al ciclo Rankine hace necesario prestar una mayor atención en el diseño de turbinas de gas ya que cualquier pérdida de presión en la cámara de combustión y demás componentes entre el compresor y la turbina debe compensase con mayor trabajo en el compresor. Adicionalmente, la eficiencia del compresor y la turbina juegan un papel muy importante, debido a que eficiencias cercanas al 60% en estos componentes ocasionarían que todo el trabajo producido por la turbina sea consumido por el compresor y por tanto la eficiencia global seria cero. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON: Es posible hacer algunas modificaciones al ciclo Brayton básico para obtener valores más favorables de eficiencia térmica y trabajo neto. Las modificaciones que podemos hacer son las siguientes: 1. Ciclo con enfriamiento intermedio del aire Con este método lo que hacemos comprimir los gases de admisión en dos etapas con una refrigeración intermedia, para sacar parte del calor que han adquirido en la primera etapa de compresión. La representación de estos procesos se muestra en la siguiente figura:

Ciclo Brayton con enfriamiento del aire. De la secuencia anterior, es claro que el trabajo que debe realizar el compresor para elevar la presión desde el estado 1 hasta el estado 2’ sin enfriador, es mayor que el trabajo que deben hacer los compresores con la misma eficiencia para elevar la presión del aire desde el estado 1 al 2 y del estado 3 al 4 con un enfriador de aire intermedio. Esta disminución en el trabajo total de compresión se debe a que las líneas de presión divergen hacia la derecha del grafico T-s. Se ha demostrado que el trabajo de compresión con enfriador es menor cuando la relación de presiones en las dos etapas es igual (P4/P3) =

(P2/P1) y la temperatura de entrada a la segunda etapa de compresión (T3) es igual a la temperatura de entrada a la primera etapa de compresión (T1). Al tener un menor trabajo de compresión, el trabajo neto del ciclo con enfriador será mayor que el trabajo neto del ciclo sin enfriador, siendo:

Como, ( Entonces,

)

Por otro lado, se requiere suministrar una mayor cantidad de calor al ciclo con enfriador para aumentar la temperatura desde (T4) hasta (TS) que en el ciclo sin enfriador, donde únicamente es necesario elevar la temperatura desde (T2’) hasta (TS).

Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas con enfriamiento de aire. 2. Ciclo con recalentamiento intermedio. Se agrupan en este apartado el recalentamiento y el enfriamiento intermedios, aunque sería posible la existencia de solo uno de ellos sobre el ciclo Brayton básico. El objetivo de esta técnica es aumentar el trabajo del ciclo, que está limitado por la imposibilidad de elevar la temperatura máxima del ciclo por encima de la resistencia térmica de los materiales (especialmente a la entrada de la turbina) y por el calentamiento intrínseco a la compresión de un gas, que al ocasionar su dilatación restringe el gasto másico circulante por los conductos. Para ello se dividen expansión y compresión en dos etapas y se intercalan respectivamente, una aportación y una cesión de calor extras. Esta división de la expansión y de la compresión permite, cuando ambas

coexisten, elegir entre dos tipos de instalaciones, según se sitúen las turbinas y los compresores en doble eje (agrupando compresor y turbina de alta) o en simple eje. En el primer caso es posible conectar solo un eje al generador de potencia, dedicándose el otro exclusivamente a mover el compresor correspondiente, donde para las aportaciones de calor se han simbolizado ya por medio de cámaras de combustión, y donde el conducto de cesión de calor entre turbina y compresor de baja se ha eliminado, mostrándose así las instalaciones más habituales en turbinas de gas de combustión interna. Sin embargo, ambas soluciones, recalentamiento y enfriamiento, tienen como consecuencia una disminución del rendimiento del ciclo. Dicho inconveniente, se puede ver contrarrestado con otra ventaja, como es la posibilidad de la regeneración, que se verá en el apartado siguiente.

Ciclo Brayton con recalentamiento intermedio. En la secuencia anterior, se puede observar que el trabajo de compresión es el mismo para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo sin recalentamiento y en consecuencia el trabajo desarrollado por la turbina de alta presión será también igual para los dos ciclos. Sin embargo, el trabajo desarrollado por la turbina de baja presión es claramente mayor para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo sin recalentamiento, debido a que las líneas de presión divergen hacia la derecha del diagrama T-s siendo mayor la diferencia entre las temperaturas (T5) y (T6) que ente las temperaturas (T4) y (T4’). El trabajo neto desarrollado por cada unidad de masa de has en el ciclo es el trabajo desarrollado por la turbina de baja presión e igual a:

Debido a que T5 – T6 > T4 – T4’, entonces:

Diagrama T-s del ciclo termodinámica de las turbinas de gas con recalentamiento. 3. Ciclo Regenerativo: La regeneración en ciclos Brayton consiste en un intercambio de calor (lo contrario que en ciclos Rankine sin intercambio másico) desde el gas a la salida de la turbina hasta el de salida del compresor. Para que la regeneración merezca la pena es importante que la diferencia de temperaturas entre ambos puntos sea lo mayor posible. De este modo es posible conseguir un precalentamiento del gas antes de entrar en la cámara de combustión, que tiene como consecuencias un ahorro de energía química por combustión de un combustible, y por tanto, un aumento del rendimiento del ciclo. El potencial de aprovechamiento energético por esta vía aumenta con el recalentamiento y el enfriamiento intermedio, pues como se ha visto en el apartado anterior, el efecto del primero es un aumento de la temperatura del gas tras la expansión y el del segundo una disminución de la temperatura del gas tras la compresión. A pesar de esto, con el fin de no mezclar conceptos se representa la regeneración sobre un ciclo Brayton simple. Por otra parte la eficiencia de la regeneración se mide a través del rendimiento del regenerador, definido como el precalentamiento logrado con respecto al salto de temperatura desde salida de turbina a salida de compresor .

Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con regeneración. Se obtendrán eficiencias térmicas más favorables para el ciclo regenerativo. Siendo:

Entonces: En 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. En el caso real, se requiere más que una diferencia de temperaturas (T3-Tx) requerida por el regenerador para transferir energía térmica de un fluido al otro define su eficiencia:

.

EJERCICIOS DE CICLO BRAYTON

 Un ciclo Brayton simple que usa aire como fluido de trabajo tiene una relación de presiones de 8. Las temperaturas mínima y máxima en el ciclo son 310 y 1 160 K. Suponga una eficiencia adiabática de 75 por ciento para el compresor y 82 por ciento para la turbina, y determine a) la temperatura del aire a la salida de la turbina, b) la salida neta de trabajo, y c) la eficiencia térmica

T1= 310 k

o H alla ndo la salida neta del trabajo:

o Hallando la eficiencia

Ciclo Combinado RESUMEN

En una central eléctrica el ciclo de gas genera energía eléctrica mediante una o varias turbinas de gas y el ciclo de vapor de agua lo hace mediante una turbina de vapor. El principio sobre el cual se basa es utilizar los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperación, la que alimenta a su vez de vapor a la turbina de vapor. La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo único y mucho mayores que los de una de turbina de vapor. Consiguiendo aumentar la temperatura de entrada de los gases en la turbina de gas, se obtienen rendimientos de la turbina de gas cercanos al 50%. Este rendimiento implica una temperatura de unos 1.350 °C a la salida de los gases de la cámara de combustión. El límite actualmente es la resistencia a soportar esas temperaturas por parte de los materiales cerámicos empleados en el recubrimiento interno de las cámaras de combustión de esas turbinas. Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo Joule y permite, por ello, mejorar la recuperación térmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuya recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda turbina de contrapresión. En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía. Por ello se requiere la

existencia de experiencias previas e "imaginación responsable" para crear procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño.

Una variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, es el ciclo combinado a condensación que se realiza en procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran capacidad de regulación ante demandas de vapor muy variables. El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración consiste en evacuar gases a través del bypass cuando la demanda de vapor es menor a la producción y utilizar la post-combustión cuando sucede lo contrario. Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptación a la demanda de vapor, debido a una importante bajada en el rendimiento de recuperación, ya que los gases de escape mantienen prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ellos, las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes, y la planta deja de cumplir los requisitos de rendimiento. Por el contrario, un ciclo de contrapresión y condensación permite aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la condensación del vapor que no puede usarse en el proceso, produciendo una cantidad adicional de electricidad Los sistemas de intercambio de cogeneración son sistemas de producción en los que se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil partiendo de un único combustible. Al generar electricidad con un motor generador o una turbina, el aprovechamiento de la energía primaria del combustible es del 25% al 35%, lo demás se pierde. Al cogenerar se puede llegar a aprovechar del 70% al 85% de la energía que entrega el combustible. La mejora de la eficiencia térmica de la cogeneración se basa en el aprovechamiento del calor residual de los sistemas de refrigeración de los motores de combustión interna para la generación de electricidad.