CAPÍTULO 13 Ciclo Joule - Brayton

INTRODUCCIÓN Este capítulo es similar al del ciclo Rankine, con la diferencia que el portador de energías es el AIRE, por lo que lo consideraremos como gas ideal y emplearemos formulas (y no tablas) en la solución de los problemas. Este ciclo Joule - Brayton tiene la ventaja de producir bastante potencia con poco peso de las máquinas, lo que las hace ideales para la aviación con el uso de las turbinas a gas. El inconveniente es el alto consumo de combustible comparándolo con el ciclo Rankine y los motores de combustión interna. El Thrust SSC con propulsiòn a cohete rompiò la barrera del sonido en el desierto de Nevada, en 1997, con una velocidad media de 1228 km/h.-

INDICE Introducción Planta Térmica a Gas 13.1 Ciclo Joule-Brayton. 13.2 Ciclo ideal y real 13.3 Compresores 13.4 Cámaras de combustión 13.5 Turbinas 13.6 Mejoras del ciclo teórico 13.7 Ciclo con regeneración Ciclo con Recalentamiento 13.8 Ciclos Binarios 13.9 Curiosidades Aviones Helicópteros Aviones en línea Misíles y cohetes

Ciclo Joule - Brayton

13.1 CICLO JOULE-BRAYTON (Centrales Térmicas a gas) -Turbina a Gas. -Central Térmica a Gas. Procesos: 1-2 : Compresión Adiabática. 2-3 : Calentamiento Isobárico. 3-4 : Expansión Adiabática. 4-1 : Enfriamiento Isobárico (se asume).

1-2 : Compresión Adiabática. 2-3 : Calentamiento Isobárico. Procesos: 1-2 : Compresión Adiabática. 2-3 : Calentamiento Isobárico. 3-4 : Expansión Adiabática. 4-1 : Enfriamiento Isobárico (se asume). Este ciclo usa aire como portador de energías, la consideraremos como gas ideal y por lo tanto tendremos que usar fórmulas, no tablas !!

Eficiencia del Ciclo:

¿Dónde se utiliza este Ciclo ? Aviones Motor de Helicoptero - Lab. Energia PUCP Máquinas comerciales y de guerra Turbina a gas Concorde Turbina a gas de 40 KW - Lab. de Energia PUCP - 40,000 RPM

13.2 .- CICLO JOULE - BRAYTON IDEAL

DIAGRAMA T - s CICLO JOULE - BRAYTON REAL

Aproximadamente adiabática. 13.3 Compresores Aproximadamente adiabática. Los compresores sirven para dar el flujo de masa m , y elevar la presión en gases !! Como h = Cp T, entonces Wt 12 = m Cp (T2 - T1)

1.COMPRESOR: Este es un Turbo - Compresor de un camión Diesel

la entropía de un sistema adiabático siempre tiene que aumentar

Compresores Centrífugos

Rotor y Estator

TIPOS DE COMPRESORES: COMPRESORES ROTATORIOS Y CENTRIFUGOS

COMPRESORES DE PISTON O ALTERNATIVOS

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Temperaturas Corte a un compresor de pistón

13.4.- 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 Q23. Las pérdidas se expresan mediante: PC: Poder Calorífico del Combustible en kJ/kg.

Quemador

Cámara de Combustión

13.5.- Turbinas a gas 1.TURBINA A GAS: Wt 34 = m Cp (T 3 - T4) FRICCION EN LOS EJES DE GIRO: 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:

Turbinas

Eficiencia Mecánica: 1.GENERADOR ELECTRICO: En la transformación de la energía eléctrica se pierde una pequeña cantidad de energía. Esta se expresa mediante:

Alabes de las turbinas

Compresores

Esquema de una Turbina a Gas de eje único:

Perfiles Aerodinámicos

Modelos

Turbinas de avión

13.6 Mejoras al Ciclo teórico 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 SOFTWARE de Termodinàmica.

Aquí se puede observar que el área crece con Rp y después baja.

Ciclo con Recalentamiento En este caso se mejora el área y el rendimiento total mejora.

Compresores de varias etapas Es bueno tomar compresores de varias etapas pues se logra que el aire no se sobrecaliente, y también que la potencia total sea menor. solamente que hay que refrigerar entre etapa y etapa

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 (P0). 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: P0=0.29bar, T0=-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.

13.8.- Ciclos Binarios

13.9 Curiosidades de estas tecnologías

¿Cómo vuelan los grandes aviones ?

Misiles y Cohetes

Velocidades Supersónicas

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