Ciclo brayton

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES.
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA.
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS.
PROF. CARLOS G. VILLAMAR LINARES
Abril 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
Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

-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
ULA

- 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
ULA

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.C
QL
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.
ULA

•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.
ULA

Compreso
r
Cámara de
Combustión
Turbina
I.C
Q
L
Wc
Qh
W
t
1
2
3
4
Procesos:
1 – 2 Compresión
adiabatica reversible.
2 – 3 Absorsión de calor a
presión constante
3 – 4 Expansión adiabatica
reversible
4 – 1 Rechazo de calor a
presión constante
ULA

Compreso
r
Cámara de
Combustión
Turbina
I.C
Q
L
Wc
Qh
W
t
1
2
3
4
Procesos:
1 – 2 Compresión
presión constante
reversible
presión constante
P
v
1
2 3
4
Qh
QL
ULA

Compreso
r
Cámara de
Combustión
Turbina
I.C
Q
L
Wc
Qh
W
t
1
2
3
4
Procesos:
1 – 2 Compresión
presión constante
reversible
presión constante
P
v
1
2 3
4
Qh
QL
T
s
1
2
4
3
Qh
QL
ULA

Cámara de
Combustión
Qh
2
3
Aplicando primera ley a la cámara de
combustión
23 2 41 3Q mh W mh
• • • •
+ = +
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
• •
= − =
ULA

Aplicando primera ley al intercambiador
de calor.
41 1 41 4Q mh W mh
• • • •
+ = +
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
QL
1 4
ULA

EFICIENCIA
h L L
h h h
W Q Q Q
1
Q Q Q
• • • •
• • •
−
η = = = −
P0 4 1 4 1
3 2
P0 3 2
mC (T T ) (T T )
1 1
(T T )mC (T T )
•
•
− −
η = − = −
−−
Definimos la relación de presiones como:
3 2
P
4 1
P P
r
P P
= =
T
s
1
2
4
3
Qh
QL
Aplicando la relación para procesos adiabáticos reversibles para
gases ideales.
1 k
k
TP Cte
−
=
ULA

T
s
1
2
4
3
Qh
QL
1 k
k
TP Cte
−
=
Aplicando la relación anterior
al proceso de compresión
1 k
k
1 2
2 1
T P
T P
−
 
=  ÷
 
3 2
P
4 1
P P
r
P P
= =Recordando que:
1 k
1 k
P
2
T
r
T
−
=
ULA

T
s
1
2
4
3
Qh
QL
1 k
k
TP Cte
−
=
Aplicando la relación anterior
al proceso de expansión
1 k
k
34
3 4
PT
T P
−
 
=  ÷
 
3 2
P
4 1
P P
r
P P
= =Recordando que:
1 k
4 k
P
3
T
r
T
−
=
ULA

De la Ecuación de la Eficiencia
4 1
3 2
(T T )
1
(T T )
−
η = −
−
Multiplicando y dividiendo por T1 el numerador y por T2 el
denominador obtenemos
4
1
1
3
2
2
T
T 1
T
1
T
T 1
T
 
− ÷
 η = −
 
− ÷
 
T
s
1
2
4
3
Qh
QL
Como
1 k
1 4k
P
2 3
3 4
2 1
T T
r
T T
T T
T T
−
= =
=
1
k 1
2 k
P
T 1
1 1
T
r
−
η = − = − La eficiencia aumenta si rP aumenta y/o
k aumenta
ULA

T
s
1
2
4
3
Qh
QL
k 1
k
P
1
1
r
−
η = −
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.
ULA

T
s
1
2
4
3
Qh
QL
k 1
k
P
1
1
r
−
η = −
Si mantenemos fijas Tmax y Tmin El
Trabajo neto del ciclo aumenta al
aumentar las presiones, hasta
alcanzar un máximo
k
2(k 1)
max
P
min
T
r
T
− 
=  ÷
 
Pero si sigue aumentando rp
el trabajo neto empieza a
disminuir
ULA

T
s
1
2
4
3
Qh
QL
Si consideramos que el
proceso de expansión y
compresión no son ideales, es
decir existen
irreversibilidades. Debemos
Considerar las eficiencias.
COMPRESOR
s e s,s
c
e s,rr
T TW
T TW
•
•
−
η = =
−
2r2s
ULA

T
s
1
4
3
Qh
QL
Si consideramos que el
proceso de expansión y
compresión no son ideales, es
decir existen
irreversibilidades.
Consideramos las eficiencias.
COMPRESOR
s e s,s
c
e s,rr
T TW
T TW
•
•
−
η = =
−
2r2s
TURBINA
r e s,r
c
e s,ss
T TW
T TW
•
•
−
η = =
−
3s
3r
ULA

Trabajo de Retroceso:
Mas de la mitad de la potencia producida por la turbina
se emplea para activar el compresor.
comp
turb
W
Relacion de trabajo de retroceso
W
•
•
=
Potencia
producida por
la Turbina
Potencia
consumida
por el
compresor
Potencia Neta
ULA

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
QL
Qh
6
T
s
1
2
4
3
5
6
ULA

IC
QL
Qh
6
T
s
1
2
4
3
5
6
REGENERACION
ULA

IC
QL
Qh
6
T
s
1
2
4
3
5
6
Q regenerado
Q regenerado = Q
ahorrado
Qh
QL
ULA

T
s
1
2
4
3
5
6
Q regenerado
Q regenerado = Q
ahorrado
Qh
QL
REGENERADOR IDEAL
Te ff Ts ff
Te fc
Ts fc
Trabaja a través de diferencias
infinitesimales de temperatura.
Ts ff = Te fc
Teff = Ts fc
ULA

T
s
1
2
4
3
5
6
Q regenerado
Q regenerado = Q
ahorrado
Qh
QL
Te ff Ts ff
Te fc
Ts 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 e
reg
s,i e
Absor ideal
Q T T
T TQ
•
•
−
η = =
−
ULA

T
s
1
2
4
3
5i
6i
Q regenerado
Q regenerado = Q
ahorrado
Qh
QL
Te ff Ts ff
Te fc
Ts 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 e
reg
s,i e
Absor ideal
Q T T
T TQ
•
•
−
η = =
−
5r
6r
ULA

T
s
1
2
4
3
5i
6i
Q regenerado
Q regenerado = Q
ahorrado
Qh
QL
Te ff Ts ff
Te fc
Ts fc
Absor real s,r e
reg
s,i e
Absor ideal
Q T T
T TQ
•
•
−
η = =
−
5r
6r
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
ULA

IC
QL
Qh
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
ULA

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
CC
REGEN
Comp Comp Turb
1
2
3
4
5
6
7
8
ULA

IC
IC
CC
REGEN
Comp Comp Turb
1
2
3
4
5
6
7
8
T
s
1
2
3
4
6
75
8
- Para minimizar la potencia consumida por el compresor se
mantiene las relaciones de presiones iguales
2 4
2 3
1 3
P P
P P
P P
= =
ULA

3.- 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
ULA

IC
IC
CC
REGEN
Comp Comp Turb
1
2
3
4
5
6
7
10
Turb
CC
8
9
s
T
1
2
3
4
6
7
5
10
8
9
ULA

IC
IC
CC
REGEN
Comp Comp Turb
1
2
3
4
5
6
7
10
Turb
CC
8
9
Para maximizar la potencia producida por la turbina se mantiene
las relaciones de presiones iguales
6 8
7 8
7 9
P P
P P
P P
= =
s
T
1
2
3
4
6
7
5
10
8
9
Qh
QL
Q regenerado
Q regenerado =
Q ahorrado
ULA

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
ULA

- 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
ULA

ULA

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