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Departamento de Ingeniería Química Petrolera

Laboratorio de Mecánica Practica No. 2

CICLO RANKINE Y CICLO BRAYTON Elaborado por:

Arteaga Espinoza Lilia Gordillo Hidalgo Ubí Jovany Salgado Damián David Daniel Santiago Carbajal Aarón Grupo: 6PV1 México Distrito Federal 30/11/2011

Sección: A

Ciclo de Rankine El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un Ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.

El proceso del Ciclo El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera. Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos

que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional. Diagrama T-s del ciclo El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado. El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isóbaricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles): •Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma. •Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga. •Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera. •Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).

Ciclo Brayton 1 Enunciado Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión siendo r = pB / pA la relación de presión igual al cociente entre la presión al final del proceso de compresión y al inicio de él.. El método para obtener este resultado es análogo al empleado para el Ciclo Otto.

2 Descripción del ciclo El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:

Admisión El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina Compresor El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B. Cámara de combustión

En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C. Turbina El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D. Escape Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A. Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto

Los datos a tomar durante la práctica serán los siguientes Temperatura -

-

T1 las cual está referida a la temperatura de entrada la cual es la temperatura ambiente T2 la cual es la temperatura de salida del compresor T3 esta es la temperatura en la cámara de combustión T4 Temperatura de los gases a la salida de la turbina Presión P1 presión de entrada al compresor P3-P2 diferencia de presión entre la salida del compresor y dentro de la cámara de combustión P2 presión a la salida del compresor



El flujo usado para esta operación es de 1 Kg de aire en todo el proceso

 Nuestro compresor actúa como una maquina conducida  La turbina como una maquina motriz

 Se energetiza el equipo, se enciende una especie de ventilador, para romper con la estática del equipo  Asegurarse que cuente con el combustible necesario el cual es das propano de alta pureza (99%)  Se lleva a una temperatura de 900 ˚C la cual es su temperatura de operación  Mantener a una presión de .4 bars la cual tiene que mantenerse a la salida del compresor  El generador tiene que operar a una velocidad de 12,000 a 15,000 RPM  En la primera turbina se tiene que mantener una velocidad de operación de 80 a 90 RPM.

DATOS EXPERIMENTALES T1= 21 °C T2=

71.2 °C

T3=

874 °C

T4=

603 °C

P1=

140 Pas

P2=

0.4 Bar

P3-P2=

0.5 Bar

W=

200 WATT

Gm=

1 Kg

Para Qs: 𝑄𝑠 = 𝐺𝑚𝐶𝑝(𝑇3 − 𝑇2 ) Donde 𝐶𝑝 → 𝑇𝑚 =

(𝑇3 +𝑇2 ) 2

= 472.6°𝐶 asi la

Cp=1.068KJ/KgK Sustituyendo datos: 𝐾𝐽 (874 − 71.2)𝐾 𝐾𝑔𝐾 = 857.3904𝐾𝐽

𝑄𝑠 = (1𝐾𝑔) 1.068

Para Qp: = →

Donde

=

(

+ 4) 2

(

−

4)

= 312° asi la Cp=1.047KJ/KgK

Sustituyendo datos: = (1

) 1.047

(21 − 603)

= −609.354

Para le eficiencia: =1−

= 1−

609.354 857.3904

= 0.289292252

Wcomp =

1−

(

2

−

)

Donde: R=0.287 KJ/kg K K=1.4 m= 1kg =

(

)( .2

Qs=

857.3904 KJ

Qp=

-609.354 KJ

Wcomp=

-50.4259 KJ/min

𝞰=

0.289292

)( .4) .4

(71.2 − 21)

= −50.4259

En nuestro caso la eficiencia del equipo resulto muy baja, por lo que se puede determinar que este método de producción de energía nos viable, eso viéndolo desde el punto de vista industrial o con fines rentables, debido a que los costos deberían ser algo elevados para que este método pudiera ser rentable, o usado por alguna industria para producir electricidad. Por otro lado viéndolo desde el punto de vista experimental, es una excelente manera de que el alumno compruebe prácticamente lo ya visto en teoría, referido a la trasformación de energía, usando como sustancia de trabajo aire y un combustible, ya que este principio se aplica en muchos de los procesos usados para producir energía, claro con diferentes resultados reflejados en la eficiencia, una de las cosas que se observó de este equipo durante su operación, fue la exactitud tanto de sus presiones como de sus temperaturas en cada uno de sus componentes, para un correcto funcionamiento.