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Termodinámica para ingenieros PUCP
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.-
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Ciclo Joule - Brayton
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ESQUEMA 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
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
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W
∑
=
Q sum
t
=
W t ( 3 − 4 ) − W t (1 − 2 )
Q ( 2 − 3 )
=
Q ( 2 − 3 ) − Q ( 4 −1 )
Q ( 2 − 3 )
=1−
Q ( 4 −1 )
Q ( 2 − 3 )
=1−
Q B
Q A
Diga el nombre de cada una de las partes
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Dónde se utiliza este Ciclo ?
Centrla Térmica a gas de Ventanilla, Perú. Se instalo en 1997, Siemens, dos de 160 MW cada uno.
13.2 .- CICLO JOULE - BRAYTON IDEAL
Motor de Helicoptero - Lab. Energia PUCP
DIAGRAMA T - s CICLO JOULE - BRAYTON REAL
Turbina a gas - Record
Mundial de velocidad
Maquinas comerciales y de guerra
Concorde
Boeing 747
Turbina a gas de 40 KW - Lab. de Energia
PUCP - 40,000 RPM
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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
www.grc.nasa,gov
www.aeat.com
www.nasatech.com
Diga las caracteristicas de los compresores
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TIPOS DE COMPRESORES:
COMPRESORES ROTATORIOS Y CENTRIFUGOS
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:
ηc =
Q ( 2 − 3 )
Q sum
=
 ×P
m
C
Q c
c
PC: Poder Calorífico del Combustible en kJ/kg.
Diga los nombres de los tipos de
compresores
COMPRESORES DE PISTON O ALTERNATIVOS
Quién le da potencia a los
compresores ?
Señale con una flecha
la Ubicación de los
quemadores
Temperatura en un Compresor de Pistón
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Perfiles Aerodinámicos
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:
Eficiencia Mecánica:
Trabajo e
n e
l eje
Trabajo técnico
T ×ω
=
W
η mec =
η mec
t
1. GENERADOR ELECTRICO:
En la transformación de la energía eléctrica se pierde una pequeña cantidad de energía. Esta se expresa mediante:
η gen =
V
I
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 ?
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Esquema de una Turbina a Gas de eje único:
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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 SOFTWARE de Termodinàmica.
4
h + m
h = m
h + m
h
P
r imera Ley : m
2
5
3
6
Además :
h = c pT
(Gas Ideal)
Entonces : T2 + T5 = T3 + T6
Analice el area del diagrama cuando la
relacion de presiones crece, es mejor o
peor ?
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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 ?
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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
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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.
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13.8.- Ciclos Binarios
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13.9 Curiosidades de estas tecnologìas
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Còmo vuelan los helicòpteros ?
Cómo vuelan los grandes aviones ?
Hacia donde deben girar las hélices ?
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Velocidades supersónicas
Misiles y Cohetes
Que es el cono de
Mach ?
Este es el jaguar
Mach I, es correcto
el nombre ?
El Mach 5 de Meteoro, que
significaría ?
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