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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. PROF. CARLOS G. VILLAMAR LINARES Abril.

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1 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. PROF. CARLOS G. VILLAMAR LINARES Abril 2003.

2 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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, CO 2, H 2 O Combustible Aire Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

3 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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 Aire IDEAL Absorción de calor Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

4 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. -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 QhQh Wt Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

5 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. - 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 QhQh Wt Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

6 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Compresor Cámara de Combustión 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 QhQh Wt Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

7 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Compresor Cámara de Combustión 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 QLQL Wc QhQh Wt Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

8 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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. Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

9 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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. Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

10 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Compres or Cámara de Combustión Turbina I.C QLQL Wc QhQh WtWt 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 Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

11 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Compres or Cámara de Combustión Turbina I.C QLQL Wc QhQh WtWt 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 P v QhQh QLQL Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

12 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Compres or Cámara de Combustión Turbina I.C QLQL Wc QhQh WtWt 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 P v QhQh QLQL T s QhQh QLQL Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

13 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Cámara de Combustión QhQh 2 3 Aplicando primera ley a la cámara de combustión Como Considerando que para gases ideales h = C p0 T Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

14 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Aplicando primera ley al intercambiador de calor. Como Considerando que para gases ideales h = C p0 T I.C QLQL 14 Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

15 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. EFICIENCIA Definimos la relación de presiones como: T s QhQh QLQL Aplicando la relación para procesos adiabáticos reversibles para gases ideales. Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

16 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s QhQh QLQL Aplicando la relación anterior al proceso de compresión Recordando que: Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

17 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s QhQh QLQL Aplicando la relación anterior al proceso de expansión Recordando que: Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

18 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. De la Ecuación de la Eficiencia Multiplicando y dividiendo por T 1 el numerador y por T 2 el denominador obtenemos T s QhQh QLQL Como La eficiencia aumenta si r P aumenta y/o k aumenta Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

19 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s QhQh QLQL 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. Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

20 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s QhQh QLQL Si mantenemos fijas T max y T min El Trabajo neto del ciclo aumenta al aumentar las presiones, hasta alcanzar un máximo Pero si sigue aumentando r p el trabajo neto empieza a disminuir Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

21 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s QhQh QLQL Si consideramos que el proceso de expansión y compresión no son ideales, es decir existen irreversibilidades. Debemos Considerar las eficiencias. COMPRESOR 2r 2s Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

22 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. T s QhQh QLQL Si consideramos que el proceso de expansión y compresión no son ideales, es decir existen irreversibilidades. Consideramos las eficiencias. COMPRESOR 2r 2s TURBINA 3s 3r Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

23 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. Trabajo de Retroceso: Mas de la mitad de la potencia producida por la turbina se emplea para activar el compresor. Potencia producida por la Turbina Potencia consumida por el compresor Potencia Neta Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

24 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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 QLQL QhQh 6 T s Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

25 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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 QLQL QhQh 6 T s REGENERACION Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

26 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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 QLQL QhQh 6 T s Q regenerado Q regenerado = Q ahorrado QhQh QLQL Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

27 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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 QLQL QhQh 6 T s Q regenerado Q regenerado = Q ahorrado QhQh QLQL Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

28 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON T s Q regenerado Q regenerado = Q ahorrado QhQh QLQL REGENERADOR IDEAL T e ff T s ff T e fc T s fc Trabaja a través de diferencias infinitesimales de temperatura. T s ff = T e fc T eff = T s fc Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

29 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON T s Q regenerado Q regenerado = Q ahorrado QhQh QLQL T e ff T s ff T e fc T s fc EFICIENCIA DEL REGENERADOR Como el intercambiador de calor es de longitud finita, esto influye sobre el proceso de transferencia de calor. Por Tanto T s ff < T e fc T s fc > Te ff Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

30 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON T s i 6i Q regenerado Q regenerado = Q ahorrado QhQh QLQL T e ff T s ff T e fc T s fc EFICIENCIA DEL REGENERADOR Como el intercambiador de calor es de longitud finita, esto influye sobre el proceso de transferencia de calor. Por Tanto T s ff < T e fc T s fc > Te ff 5r 6r Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

31 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON T s i 6i Q regenerado Q regenerado = Q ahorrado QhQh QLQL T e ff T s ff T e fc T s fc EFICIENCIA DEL REGENERADOR Como el intercambiador de calor es de longitud finita, esto influye sobre el proceso de transferencia de calor. Por Tanto T s ff < T e fc T s fc > Te ff 5r 6r Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

32 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON T s i 6i Q regenerado Q regenerado = Q ahorrado QhQh QLQL T e ff T s ff T e fc T s fc EFICIENCIA DEL REGENERADOR 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 Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

33 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. IC QLQL QhQh 6 Eficiencia de un ciclo Brayton con y sin regeneración. Se pueden obtener mayores eficiencias con menores r p cuando se implementa la regeneración. COMPARACION DE LAS EFICIENCIA CON Y SIN REGENERACION Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

34 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON - La potencia consumida por el compresor se minimiza cuando se mantiene relaciones de presiones iguales Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

35 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. IC CC REGEN Comp Turb MEJORAS DEL CICLO BRAYTON Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

36 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. IC CC REGEN Comp Turb T s MEJORAS DEL CICLO BRAYTON - Para minimizar la potencia consumida por el compresor se mantiene las relaciones de presiones iguales Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

37 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON 3.- Expansión en múltiples etapas con recalentamiento entre ellas. Esto se realiza sin superar la T max 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 Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

38 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON IC CC REGEN Comp Turb Turb CC 8 9 s T Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

39 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. MEJORAS DEL CICLO BRAYTON IC CC REGEN Comp Turb Turb CC 8 9 Para maximizar la potencia producida por la turbina se mantiene las relaciones de presiones iguales s T QhQh QLQL Q regenerado Q regenerado = Q ahorrado Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

40 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. 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 Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

41 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS TERMICAS. - 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: T s ff < T e fc T s fc > Te ff Prof. Carlos G. Villamar L. ULA

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