Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 1.

Presentación del tema: "Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 1."— Transcripción de la presentación:

1 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 1 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas

2 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 2 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gasPanorama Turbinas de GasTurbinas de Gas –El ciclo de Carnot como ciclo de “aire estándar” El ciclo EriccsonEl ciclo Ericcson El ciclo BraytonEl ciclo Brayton –El ciclo estándar –El ciclo de recalentamiento –Interenfriamiento

3 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 3 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Ciclo de la turbima de gas moderna

4 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 4 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Fuerza automotriz de impulso largo.Fuerza automotriz de impulso largo. Envolvente de vuelo de aeronaves grandesEnvolvente de vuelo de aeronaves grandes Aeronaves comercialesAeronaves comerciales Altitud (30,000 a 40,000 ft)Altitud (30,000 a 40,000 ft) Largo alcance y bajo consumo específico de combustible (sfc)Largo alcance y bajo consumo específico de combustible (sfc) Velocidad y empuje moderadosVelocidad y empuje moderados El ciclo de la turbina de gas moderna

5 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 5 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Aeronaves militaresAeronaves militares Gran altitud ( > 40,000 ft)Gran altitud ( > 40,000 ft) Rango moderado y alto consumo específico de combustible (sfc)Rango moderado y alto consumo específico de combustible (sfc) Alta velocidad y gran empujeAlta velocidad y gran empuje Ciclos relevantesCiclos relevantes –Los ciclos Ericsson y Brayton El ciclo de la turbina de gas moderna

6 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 6 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Características generales de la máquina de turbina de gas para aeronaves CombustibleCombustible CompresorCompresor Turbina QuemadorQuemador Sección exhausta Eje impulsor compresor, W comp Entrada de aire

7 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 7 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Ciclo de la turbina de aire estándar Sistema abierto que se modela como cerrado: fijo, con flujo fijo de masa.Sistema abierto que se modela como cerrado: fijo, con flujo fijo de masa. El fluido de trabajo es el aire.El fluido de trabajo es el aire. Se aplican las suposiciones de los gases ideales.Se aplican las suposiciones de los gases ideales. Se aproxima al quemador como la fuente de alta temperatura.Se aproxima al quemador como la fuente de alta temperatura. Procesos internamente reversibles.Procesos internamente reversibles.

8 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 8 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Aire estándar Ciclo Brayton Aire estándar Ciclo de Carnot Aire estándar Ciclo Ericcson Ciclos de potencia de gases ideales

9 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 9 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Ciclo de Carnot de aire estándar

10 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 10 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Emplea las mismas suposiciones que el ciclo de la turbina de aire estándar. T s p1p1p1p1 p2p2p2p2 p3p3p3p3 p4p4p4p4 QHQHQHQH QCQCQCQC Ciclo de Carnot de aire estándar

11 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 11 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas La adición de calor a temperatura constante es difícil y costosa.La adición de calor a temperatura constante es difícil y costosa. –Se requiere trabajo porque el fluido se expande. La adición de calor es limitada pues el gran cambio del volumen implica una presión media baja en el proceso de adición de calor.La adición de calor es limitada pues el gran cambio del volumen implica una presión media baja en el proceso de adición de calor. –Los efectos de la fricción pueden ser demasiado grandes si la presión media es muy baja. Limitaciones del ciclo de Carnot de aire estándar

12 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 12 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Aire estándar Ciclo Brayton Aire estándar Ciclo de Carnot Aire estándar Ciclo Ericsson Ciclos de potencia de gases ideales

13 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 13 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Aire estándar Ciclo Ericsson

14 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 14 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Adición y eliminación de calor a presión constanteAdición y eliminación de calor a presión constante Compresión y expansión a temperatura constanteCompresión y expansión a temperatura constante Q b-c El ciclo de rescisión de aire estándar v p a b c d T = Constante Q d-a Q c-d Q a-b

15 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 15 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas El ciclo Ericsson de aire estándar v p a bc d Q d-a Q c-d Q a-b Q b-c T = Const. s T a b c d Q d-a Q c-d Q a-b Q b-c P = Const P = Const.

16 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 16 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Eficiencia térmica del ciclo Ericsson Q b-c p a bc d T = Const. Q d-a Q c-d Q a-b W c-d W a-b v

17 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 17 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Aire estándar Ciclo Brayton Aire estándar Ciclo de Carnot Aire estándar Ciclo Ericsson Ciclos de potencia de gases ideales

18 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 18 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas El ciclo Brayton

19 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 19 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas El ciclo Brayton Las turbinas de gas modernas operan con un ciclo Brayton abierto.Las turbinas de gas modernas operan con un ciclo Brayton abierto. –El aire ambiental se lleva a la toma. –Los gases exhaustos se liberan al medio ambiente. El ciclo Brayton de aire estándar es cerrado.El ciclo Brayton de aire estándar es cerrado. –Todos los procesos son internamente reversibles. –El fluido de trabajo es aire, que se supone gas ideal.

20 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 20 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Características generales de la máquina de turbina de gas para aeronaves Toma de aire CombustibleCombustible CompresorCompresor Turbina QuemadorQuemador Eje compresor impulsor, W comp Gases exhaustos y salida de trabajo, W turb Gases exhaustos y salida de trabajo, W turb

21 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 21 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Ciclo real, abierto, de la turbina de gas. Ciclo de aire estándar, cerrado, de la turbina de gas. QHQHQHQH QLQLQLQL W COMP W TURB

22 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 22 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Compresión isentrópica a T HCompresión isentrópica a T H Adición de calor a presión constante a T HAdición de calor a presión constante a T H Expansión isentrópica a T CExpansión isentrópica a T C Eliminación de calor a presión constante T CEliminación de calor a presión constante T C Los procesos de la turbina de gas

23 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 23 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas 1 23 4 Ciclo Brayton de aire estándar Ciclo Brayton de aire estándar QHQHQHQH QLQLQLQL W COMP W TURB p Vv 14 32 S = Constante QHQHQHQH QCQCQCQC

24 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 24 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas s 1 = s 2 s 3 = s 4 Ciclo Brayton de aire estándar Ciclo Brayton de aire estándar p 2 = p 3 p 1 = p 4 T s 1 4 3 2 QHQHQHQH QCQCQCQC VV p Vv 14 32 QHQHQHQH QCQCQCQC s = Constante

25 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 25 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal p 2 = p 3 p 1 = p 4 T s 1 4 3 2 QHQHQHQH QCQCQCQC W FUERA W ENTRA

26 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 26 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal Para un gas ideal, h-h 0 = C p (T - T 0 ). Los procesos de compresión y expansión son politrópicos con constante k. p 2 = p 3 p 1 = p 4 T s 1 4 3 2 QHQHQHQH QCQCQCQC W FUERA W ENTRA

27 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 27 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Eficiencia del ciclo Se aplican las suposiciones de los gases ideales.Se aplican las suposiciones de los gases ideales. Todos los procesos son internamente reversiblesTodos los procesos son internamente reversibles –La eficiencia del compresor y la turbina es casi el 100%. Supone que el combustible que se agrega en el quemador es un porcentaje pequeño (masa o moles) del flujo total, por lo que las propiedades del aire proporcionan una buena estimación del rendimiento del ciclo.Supone que el combustible que se agrega en el quemador es un porcentaje pequeño (masa o moles) del flujo total, por lo que las propiedades del aire proporcionan una buena estimación del rendimiento del ciclo.

28 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 28 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Sin de Sistemas de potencia de gas - 4

29 Ayudas visuales para el instructor Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica © 2002, F. A. Kulacki Capítulo 8. Módulo 4. Transparencia 29 Sistemas de potencia de gas - 4 La turbina de gas Términos y conceptos clave Ciclo Ericcson Ciclo Brayton Ciclos de aire estándar