Motor de turbina a gas

Transcripción

1 Ciclos Termodinámicos. 1/2 Motor de turbina a gas ciclo abierto: combustible + aire roductos al ambiente modelo ideal: ciclo cerrado internamente reversible donde q H y q L se intercambian a resión constante

2 Ciclos Termodinámicos. 2/2 algunas alicaciones generación de electricidad en centrales termoeléctricas generación de electricidad en centrales nucleares sistemas de roulsión ara barcos y trenes sistemas de roulsión en aviones comerciales (rousión a chorro y ventichorro) algunas ventajas: - relativo bajo costo - buena relación otencia/tamaño - resuesta ráida (arranca en minutos) algunas desventajas: - mas caro de oerar que el diesel - una arte imortante del trabajo generado se ierde ara oerar el comresor...

3 Ciclos Termodinámicos. 3/2 ciclo Brayton (ciclo ideal ara el motor de turbina a gas) ciclo cerrado de aire standard internamente reversible similar a ciclo Diesel, con etaa isócora isóbara similar al ciclo Rankine, ero sin cambio de fase qh comresor isentroico 2 intercambiador 3 turbina isentroica 1 intercambiador ql 4

4 Ciclos Termodinámicos. 4/2 ciclo Brayton (aire standard frío, c = cte.) P qh 2 3 s=cte T 2 qh P=cte 3 4 s=cte 1 ql 4 1 ql =cte v s el calor se transfiere en etaas isóbaras q H = h 3 h 2 = c (T 3 T 2 ) q L = h 4 h 1 = c (T 4 T 1 )

5 Ciclos Termodinámicos. 5/2 ciclo Brayton - eficiencia η = 1 q L q H = 1 T 4 T 1 T 3 T 2 = 1 T 1 T 2 ( ) T4 /T 1 1 T 3 /T 2 1 = 1 T 1 T 2 relación de resiones r P 2 = P alta η = 1 1/r k 1 k P 1 P baja en las etaas isentróicas: T 1 T 2 = T 3 T 4 = ( P1 ) αk P 2 = 1/r α k ( ) αk P3 P 4 = r α k T 4 T 1 = T 3 T 2 con α k k 1 k 0, 2857

6 Ciclos Termodinámicos. 6/2 ciclo Brayton - eficiencia η = 1 1 r α k α k = 1 1/k η r relaciones de resión tíicas: r [5, 20]

7 Ciclos Termodinámicos. 7/2 trabajo neto generado w = ηq H = ηc (T 3 T 2 ) = c T 1 ( 1 1 r α k )( ) T3 r α k T w T 1 = 300 K T 3 = 1000 K r relación ótima: r = (T 3 /T 1 ) k 2(k 1) 8, 2

8 Ciclos Termodinámicos. 8/2 ejemlo: ciclo ideal vs. real A) en un ciclo Brayton ideal con aire frío standard, el aire ingresa al comresor con 100 kpa, 15 o C y sale del mismo a 1 MPa. La temeratura máxima del ciclo es 1100 o C. a) temeraturas en todos los untos del ciclo. b) trabajo neto y eficiencia c) relación de trabajos w c /w t B) idem si turbina y comresor tienen eficiencias adiabáticas η s,t = 0,85 y η s,c = 0,80 y hay una caída de resión de 15 kpa entre el comresor y la turbina T (K) kpa 985 kpa s s 4s kpa s

9 Ciclos Termodinámicos. 9/2 ejemlo: ciclo ideal vs. real relaciones adiabáticas, ara caso ideal trabajos ideales T 2s T 1 = T 4s T 3 = P2 P4 P 3 P 1 «k 1 k «k 1 k = r α k T 2s = T 1 r α k = r α k T 4s = T 3 r α k 557 K 711 K w s,c = c (T 2s T 1 ) 269 kj/kg w s,t = c (T 3 T 4s ) 662 kj/kg trabajo neto w = w t w c = 393 kj/kg el 41% del trabajo generado se consume. calor q H = c (T 3 T 2s ) 819 kj/kg, la eficiencia es (r = 10) η ideal = w q H = 1 1/r α k = 0,48

10 Ciclos Termodinámicos. 10/2 ejemlo: ciclo ideal vs. real con T 4 s = T 3 (P 4 /P 3 ) α k 714 K, el nuevo trabajo isentróico en la turbina es w s,t = c (T 3 T 4 s) = 661 kj/kg y los trabajos reales son w c = w s,c η s,c 338 kj/kg w t = η s,t w s,t 562 kj/kg con esto se obtienen las temeraturas T 2 = T 1 + w c c 625 K T 4 = T 3 w t c 813 K el trabajo neto es w = w t w c = 224 kj/kg y la fracción usada en el comresor es w c /w t 0, 60 con q H = c (T 3 T 2 ) = 751 kj/kg se tiene la eficiencia: η real = w q H = 0,30

11 Ciclos Termodinámicos. 11/2 efecto de irreversibilidades ideal estado P (kpa) T (K) s s con érdidas estado P (kpa) T (K) w t w c w w c /w t q H η ideal , , 48 real , , 30 % 14, 7 25, 7 43, 0 46, 0 8, 3 37, 5

12 Ciclos Termodinámicos. 12/2 turbina de gas con regeneración en un ciclo Brayton la temeratura a la salida suera a la del aire comrimido (T 4 > T 2 ) Regeneración: arovechar calor de los gases de escae ara recalentar el aire que entra a la cámara de combustión, usando un intercambiador cerrado a contraflujo (regenerador)

13 Ciclos Termodinámicos. 13/2 regenerador intercambiador ideal: (intercambio máximo) T x = T 4 T y = T 2 intercambiador real T x < T 4 T y > T 2 eficiencia de regeneración η reg = q real q max = T x T 2 T 4 T 2

14 Ciclos Termodinámicos. 14/2 eficiencia del ciclo regenerativo con regeneración ideal (η reg = 1), q H = c (T 3 T x ) = c (T 3 T 4 ) q L = c (T y T 1 ) = c (T 2 T 1 ) la eficiencia del ciclo es η r = 1 q L q H = 1 T 2 T 1 T 3 T 4 = 1 T 1 T 3 ( ) T2 /T T 4 /T 3 ero T 2 /T 1 1 = rαk 1 1 T 4 /T 3 1 1/r α k = r α k eficiencia con regeneración ideal disminuye con r ր η r = 1 T 1 r α k T 3

15 Ciclos Termodinámicos. 15/2 eficiencia del ciclo regenerativo a artir de cierta relación r (que deende de T 1 /T 3 ) la regeneración emeora la eficiencia...

16 Ciclos Termodinámicos. 16/2 ejemlo en el ciclo Brayton ideal anterior (A), se incorora un regenerador ideal. Cuanto vale la nueva eficiencia del ciclo? con r = 10 y T 1 /T 3 = 0, asó de 0, 48 0, 60 un aumento de 25% η r = 1 T 1 T 3 r α k = 0, 60

17 Ciclos Termodinámicos. 17/2 alicación: roulsión a chorro una turbina a gas que usa todo el trabajo generado ara mover su comresor... se ajusta la resión de salida P 5 combustible 2 combustion 3 comresor turbina 5 tobera Ve 1 w = w t w c = 0 4 Vs difusor difusor: frena el aire incidente y eleva su resión tobera: acelera el aire que sale y baja su resión

18 Ciclos Termodinámicos. 18/2 emuje el emuje se debe al imulso de los gases emitidos F = ṁ(v s V e ) (velocidades relativas al avión). En régimen, esta fuerza se usa sólo ara vencer la fricción del aire. Dos formas de aumentar F : a) gran flujo másico ṁ, velocidades bajas (turbohélice) b) oco flujo másico, alta velocidad (roulsión a chorro o turbochorro) c) el más usado (aviones comerciales) combina ambos sistemas... (turboventilador)

19 turbinas de gas ara aviación turborreactor o roulsión a chorro

20 Ciclos Termodinámicos. 20/2 turbinas de gas ara aviación turboventilador