Ciclo Joule -Brayton

Transcripción

1 Cap. 13 Ciclo Joule -Brayton INTRODUCCIÓN Este capìtulo es similar al del ciclo Rankine, con la diferencia que el portador de energìas es el AIRE, por lo que lo consideraremos como gas ideal y emplearemos fòrmulas (y no tablas) en la soluciòn de los problemas. Este ciclo Joule - Brayton tiene la ventaja de producir bastante potencia con poco peso de las màquinas, lo que las hace ideales para la aviaciòn con el uso de las turbinas a gas. El inconveniente es el alto consumo de combustible comparàndolo con el ciclo Rankine y los motores de combustiòn interna. Vista de corte de un motor de avión que funciona con el ciclo Joule - Brayton. El Thrust SSC con propulsiòn a cohete rompiò la barrera del sonido en el desierto de Nevada, en 1997, connuna velocidad media de 1228 km/h.- Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.1

2 ESUEMA DE UNA TURBINA A GAS 13.1 CICLO JOULE - BRAYTON (Centrales Térmicas a gas) CICLO JOULE - BRAYTON - Turbina a Gas. - Central Térmica a Gas. Este ciclo usa aire como portador de energías, la consideraremos como gas ideal y por lo tanto tendremos que usar fórmulas, no tablas!! Procesos: 1-2 : Compresión Adiabática. 2-3 : Calentamiento Isobárico. 3-4 : Expansión Adiabática. 4-1 : Enfriamiento Isobárico (se asume). Eficiencia del Ciclo: η th = W sum t = W t( 3 4 ) W ( 2 3 ) t(1 2 ) = ( 2 3 ) ( 2 3 ) ( 4 1) = 1 ( 4 1) ( 2 3 ) = 1 B A la mayoria de las ilustraciones en forma de dibujos de este capitulo han sido extraidos del software como funcionan las cosas, que se aconseja al estudiante adquirirla. En el CD podran Uds. conocer el funcionamiento de estos equipo (y de muchos mas) en forma de videos muy precisos, entretenidos y Diga el nombre de cada una de las partes Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.2 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.3

3 Dónde se utiliza este Ciclo? CICLO JOULE - BRAYTON IDEAL Centrla Térmica a gas de Ventanilla, Perú. Se instalo en 1997, Siemens, dos de 160 MW cada uno. Motor de Helicoptero - Lab. Energia PUCP Turbina a gas - Record Mundial de velocidad DIAGRAMA T - s CICLO JOULE - BRAYTON REAL Maquinas comerciales y de guerra Concorde Boeing 747 Turbina a gas de 40 KW - Lab. de Energia PUCP - 40,000 RPM Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.4 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.5

4 Ciclo Joule - Brayton 13.3 Compresores - Aproximadamente adiabática. Los compresores sirven para dar el flujo de masa m, y elevar la presión en gases!! Indique las partes Como h = Cp T, entonces Wt 12 = m Cp (T2 - T1) 1. COMPRESOR: la entropia de un sistema adiabatico siempre tiene que aumentar Diga las caracteristicas de los compresores Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.6 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.7

5 TIPOS DE COMPRESORES: COMPRESORES ROTATORIOS Y CENTRIFUGOS Cámaras de Combustión CAMARAS DE COMBUSTIÓN: De toda la energía liberada por la combustión del combustible en la Cámara de Combustión se aprovecha sólo una parte, la que recibe la sustancia de trabajo (aire), es decir 23. Las pérdidas se expresan mediante: η c = sum c = m ( 2 3 ) c PC PC: Poder Calorífico del Combustible en kj/kg. Diga los nombres de los tipos de compresores COMPRESORES DE PISTON O ALTERNATIVOS uién le da potencia a los compresores? Señale con una flecha la Ubicación de los quemadores Temperatura en un Compresor de Pistón Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.8 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.9

6 Turbinas a gas Perfiles Aerodinámicos 1. TURBINA A GAS: FRICCION EN LOS EJES DE GIRO: Wt 34 = m Cp (T 3 - T4) En las turbinas, el trabajo de expansión del gas es entregado al eje. Este al girar, pierde energía por fricción en los apoyos. Esta pérdida de fricción se expresa mediante: Eficiencia Mecánica: η η mec mec = Trabajo en el eje Trabajo técnico T ω = W t 1. GENERADOR ELECTRICO: En la transformación de la energía eléctrica se pierde una pequeña cantidad de energía. Esta se expresa mediante: η gen VI = T ω Diga algunas especificaciones de las turbinas Túnel de viento en Laboratorio Dibuje el perfil aerodinámico de un ala de avión y explique su funcionamiento Cuál es la diferencia entre sus perfiles? Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.10 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.11

7 Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.12 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.13

8 Esquema de una Turbina a Gas de eje único: Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.14 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.15

9 13.6 Mejoras al Ciclo teòrico Ciclo con Regeneración MODIFICACIONES EN EL CICLO: - CON REGENERACIÓN: - CON RECALENTAMIENTO: Conforme aumenta la Relaciòn de Presiones Rp, el rendimiento tambièn aumenta pero llega a un maximo y vuelve a disminuir. Por lo tanto existirá un valor de Rp òptimo que lo podemos obtener operando varias veces, o utilizando el SOFT- WARE de Termodinàmica. 4 Pr imera Ley : Además : Entonces : T 2 mh p 2 h = c T + T 5 + mh = mh + mh = T T 6 3 (Gas Ideal) 6 Analice el area del diagrama cuando la relacion de presiones crece, es mejor o peor? Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.16 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.17

10 Ciclo con Recalentamiento Compresores de varias etapas En este caso se mejora el àrea y el rendimiento total mejora. Cual es el rendimiento de este ciclo? Es bueno tomar compresores de varias etapas pues se logra que el aire no se sobrecaliente, y tambien que la potencia total sea menor. solamente que hay que refrigerar entre etapa y etapa Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.18 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.19

11 Ejemplo: Una turbina de gas de un avión BOEING 747 (Motor JT9D-7) está diseñado para que esta opere a una altura de 1000m y a una velocidad de 900km/h. Un flujo de aire de 45kg/s entra al difusor con una velocidad relativa de 900km/h, y se descarga en el compresor con una velocidad prácticamente despreciable. El difusor (al contrario de una tobera) es un elemento que sirve para disminuir la velocidad del portador de energía y aumentar su temperatura de tal manera que realiza un proceso politrópico. Posteriormente el aire se comprime adiabáticamente en el compresor, cuya =0.9, con relación de presiones de 4/1. Al pasar por el quemador el aire y el combustible añadido sufren combustión isobárica y la temperatura aumenta hasta 890 C para sufrir posteriormente una expansión adiabática en la turbina, con un rendimiento isentrópico de 0.9. Finalmente los gases de combustión pasan por la tobera para expandirse hasta la presión atmosférica (P 0 ). Suponiendo que los procesos en el difusor y la tobera son isentrópicos las propiedades termodinámicas de los gases de combustión son iguales a los del aire; y las condiciones atmosféricas de operación son de: P 0 =0.29bar, T 0 =-44 C. Se pide: a) Calcule la T y P del aire a la descarga del difusor. b) Calcule la T y P del aire a la descarga del compresor. c) Es posible el proceso en el Compresor? d) Calcule la P y T de los gases de combustión a la descarga de la turbina. e) Es posible el proceso en la Turbina? f) Calcule T y velocidad de salida de los gases a la salida de la tobera. (suponer velocidad de entrada a la tobera despreciable) g) Calcule el empuje sabiendo que es igual al flujo de masa por la diferencia de velocidad entre la entrada del difusor y la salida de la tobera. h) Dibuje los procesos en un diagrama T-s. Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.20 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.21

12 Ciclos Binarios Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.22 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.23

13 Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.24 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.25

14 13.9 Curiosidades de estas tecnologìas Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.26 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.27

15 Còmo vuelan los helicòpteros? Cómo vuelan los grandes aviones? Hacia donde deben girar las hélices? Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.28 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.29

16 Velocidades supersónicas Misiles y Cohetes ue es el cono de Mach? Este es el jaguar Mach I, es correcto el nombre? El Mach 5 de Meteoro, que significaría? Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.30 Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.31

17 Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.32