TEMA IV. CICLOS DE POTENCIA DE GAS AIRE ABIERTOS

(1)

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

“FRANCISCO DE MIRANDA”

ÁREA DE TECNOLOGÍA

COMPLEJO ACADÉMICO EL SABINO

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

UNIDAD CURRICULAR: TERMODINÁMICA APLICADA

TEMA IV. CICLOS DE POTENCIA DE GAS

AIRE ABIERTOS

(2)

Ciclos de Aire Abiertos Trabajo Isotérmico, Isoentrópicos, Politrópico en Turbinas y Compresores Principio Análisis Energético Rendimiento Térmico

Ciclo Brayton de Turbina a Gas

CICLO BRAYTON DE TURBINA A GAS

Principio del Ciclo Brayton

Análisis Energético

Diagrama T-s

P

C

e

h

w

q















h

w





h

q





1-2 Compresión Isoentrópica.

2-3 Suministro de calor a presión

constante.

3-4 Expansión Isoentrópica.

4-1 Cesión de calor a volumen

constante.

Ciclos de Aire Cerrados Máquinas Reciprocantes

Relaciones Isoentrópicas

Consideraciones para ciclos de aire estándar

Relación de Compresión

Ciclo de Gas de Carnot Introducción

Conclusiones

Presión Media Efectiva Motores

(3)

CICLO BRAYTON DE TURBINA A GAS

Ciclos de Aire Abiertos

Trabajo Isotérmico, Isoentrópicos, Politrópico en Turbinas y Compresores Principio Análisis Energético Rendimiento Térmico

Diagrama T-s

(4)

CICLO BRAYTON DE TURBINA A GAS

Trabajo Isotérmico en Turbinas y Compresores.

Otro método de compresión consiste en ceder una cantidad de calor tal

que el proceso sea lo más próximo a un isotermo. La expresión para el

trabajo en régimen estacionario de un proceso sin fricción es:





1 2

ln

P

RT

dP

P

RT

dP

v

w

_est

_{(Proceso isotermo)}

Trabajo Isoentrópico en Turbinas y Compresores.

K K K

P

T

c

Pv

1 1 2 1 2 



















Diagrama T-s

Conclusiones

(5)

CICLO BRAYTON DE TURBINA A GAS

Trabajo en régimen estacionario a volumen constante:

 



 



1

2

1

2

1

2

1

1 ,

_













v

dP



c

P

dP

k

c

P

_k

P

w

k

K

rev

est

La constante . Por tanto:

c



P

₁

v

₁k



P

₂

v

₂k





















1

2

1

2

1

2 ,











k

v

P

v

P

k

P

v

P

v

P

k

w

k

rev

est

En el caso de un gas ideal la relación establece:

P

v



R

T

























1

1 ₁

2

1

2 ,

T

k

T

R

k

T

kR

w

_est

_rev

Diagrama T-s

(6)

CICLO BRAYTON DE TURBINA A GAS

Trabajo Politrópico

Para el análisis de la compresión politrópica se tiene que

Pv

n



c

La relación para un proceso politrópico análogo al proceso isoentrópico esta

dado por:







n



n

P

T

₂

/

₁



₂

/

₁



1 /

1  n



1 ,

4

1

1 1 2 1

































n

P

nRT

w

n n est

(Proceso Politrópico)



k



k

P

T

1

2

1

2 



















































1

2

1 ,

k

rev

est

P

k

T

R

k

w

Proceso

isoentrópico

Diagrama T-s

Conclusiones

(7)

CICLO BRAYTON DE TURBINA A GAS

Diagrama T-s y P-v

Rendimiento Térmico

s

sum

ced

Brayton

t

h

q

2

3

1

4 ,

1

1 











_





_

2 3 1 4

1 T

T

C

T

C

P P





 

k

Brayton

t

r

T

1

2 ,

1

1 





_





 

3 /

1

3 /

1

2

2 T

T

P

T

K

































Diagrama T-s

(8)

Irreversibilidades

CICLO BRAYTON DE TURBINA A GAS

IRREVERSIBILIDADES DEL CICLO BRAYTON

* *

W

w

_S _S C







1

2

1

2 h

h

_S

C







* * S S T

W

w





S T

h

4 3 4 3







Ciclos de Aire Abiertos Ciclo Brayton de Turbina a Gas

Conclusiones

(9)

Ciclo Brayton con Regeneración

CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN

Principio de la Regeneración en los Ciclos Brayton

Eficacia de los Regeneradores

Análisis Energético Principio Eficacia Rendimiento Térmico Diagrama T-s

45

2 Q

Q



_X





2 ,

h

q

X

real

regen









Conclusiones

(10)

CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN

Análisis energético

x

sum

h

q



₃



1

5 h

h

q

_ced





El calor suministrado al ciclo

El calor cedido del ciclo

Diagrama T-s

Rendimiento Térmico

X treg en

h





3 1 5

1 



K



K

P

firo

regen

t

r

T

1 /

3

1 ,

,

1 







2

4

2 ,

T

_X

frio

regen







Ciclo Brayton con

Regeneración Análisis Energético Principio Eficacia Rendimiento Térmico Diagrama T-s

Conclusiones

(11)

Ciclo Brayton con Interenfriamiento Recalentamiento y Regeneración Análisis Energético Principios Rendimiento Térmico Diagrama T-s

CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO

RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

Principio del Interenfriamiento en Compresores en Etapas Múltiples

Este planteamiento es especialmente efectivo cuando se pretende obtener

grandes variaciones de presión.

























1

1 /

1

1 /

₁ 1 / ₁ ₂ 1 / 1









 

n

P

nRT

n

P

nRT

w

n n X n n X

Para hallar el trabajo total mínimo de compresión, se deriva la ecuación

anterior de w con respecto a la variable P

_X

, y la ecuación resultante se iguala

a cero.





1 /

2

1 P

P

_X



X

P

₂



o

w

₁

_

_X



w

_X

_

₂

(12)

CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO

RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

Principio del Recalentamiento en Turbinas de Etapas Múltiples

T

C

h

w

_T

_,

_sal









_P



Bajo las condiciones de recalentamiento ideal (T

₃

=T

₅

)

























1

1 /

1

1 /

₃ 1 / ₃ ₆ ₅ 1 / 4 3









 

k

P

kRT

k

P

kRT

w

k k k k

Conclusiones

(13)

CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO

RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

Rendimiento Térmico

su mt

co mp reso r

tu rb in a

su m

sa l

n et

t

q

w

q

w





,



(14)

CICLOS DE POTENCIA DE GAS

Conclusiones

• Se considera que el fluido de trabajo es aire y que los calores específicos

son constantes para obtener una aproximación más adecuada de los

procesos.

•Se afirma que el ciclo Brayton difieren 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, en un sistema abierto, el análisis de

flujo estable es usado para determinar la transferencia de calor y trabajo

para el ciclo.

•Son diversas las aplicaciones de los ciclos de aire desde instalaciones

combinadas de calderas con hornos a presión, como la propulsión de

navíos, automóviles y aeronáutica.

Ciclos de Aire Abiertos Ciclos de Aire Cerrados Máquinas Reciprocantes