UPMH

Tesina Joule-Brayton Real Simple Obregón García Jesús

8° “B”

26/02/2016

Número de lista 13=XIII Datos usados para la obtención de las gráficas, XIII & A & impar.

Gráfica 1. Calor rechazado real e ideal en relación a π y T3.

Comportamientos observados:

EL calor rechazado es inversamente proporcional a π;

EL calor rechazado es directamente proporcional a la temperatura máxima del ciclo;

qr real es mayor a qr ideal.

Explicaciones:

1. Mientras más alta sea la relación de compresión más alta será la relación de expansión,

mientras más veces se expanda el fluido este tendrá menos capacidad de ceder

energía(estado 4), la entalpía en el estado 4 será menor lo que provocará menor variación

entalpías de salida y de entrada( Expansión 4-1) que se traduce en menor rechazo de

calor.

2. Al aumentar la temperatura máxima del ciclo el fluido en el estado 3 aumenta su

capacidad de ceder energía, es decir, mientras más alta sea la temperatura en la cámara

de combustión aumentará la energía del fluido en ese punto, parte de esa energía se

aprovechará pero si hay más energía que aprovechar también hay más energía que

rechazar, por lo que el calor rechazado aumenta.

3. Finalmente se observa que el qr real es mayor, esto es debido a que al considerar una

eficiencia de turbina esta no absorbe toda la energía que le debería ceder el fluido,

elevando la entalpía del fluido y con esto aumentando la variación de entalpía de 3-4,

aumentando por lo tanto el calor rechazado (El calor que no aprovecha la turbina debido a

la eficiencia se rechaza en el estado 4).

Gráfica 2. Calor suministrado real e ideal en relación a π y a la T máxima del ciclo.

Comportamientos observados:

EL calor suministrado es inversamente proporcional a π;

EL calor suministrado es directamente proporcional a la temperatura máxima del ciclo;

qs real es menor a qs ideal.

Explicaciones:

1. Si aumentamos la relación de compresión el fluido necesitará que se le suministre menos

energía para alcanzar la temperatura deseada del ciclo, se necesitará menos combustible

por unidad de aire para alcanzar la temperatura deseada en la cámara de combustión, es

decir, el fluido tendrá antes de llegar a la cámara de combustión mayor capacidad para

ceder energía.

2. Al aumentar la temperatura máxima la relación de combustible aire aumenta (Esta

relación es directamente proporcional a la temperatura máxima del ciclo como se verá

más adelante), al tener un mayor suministro de combustible por unidad de aire la

capacidad de ceder energía del fluido aumenta, en consecuencia, aumentando la

diferencia de entalpías antes y después de la cámara de combustión, por lo tanto aumenta

el calor suministrado.

3. El calor suministrado real es menor ya que el combustible no entrega toda su energía de

forma neta debido a las pérdidas por la eficiencia en la combustión del mismo, reduciendo

el calor suministrado de forma real además de que la temperatura real a la entrada de la

cámara de combustión es mayor por lo tanto hay menor variación de las entalpias de 2-3.

Gráfica 3. Trabajo de compresión real e ideal en relación a π.

Comportamientos observados:

EL trabajo de compresor es directamente proporcional a π;

Wc real es mayor a Wc ideal;

Wc es independiente de la variación de la temperatura máxima del ciclo.

Explicaciones:

1. Mientras más alta sea la relación de compresión el compresor deberá ceder más energía al

fluido para comprimirlo, por lo tanto el fluido a la salida del compresor es capaz de ceder

más energía, termodinámicamente, aumentado la entalpía en el estado 2, mientras que

las condiciones de entrada se mantienen constantes (la entalpía 1 se mantiene constante),

en consecuencia, la diferencia de entalpías es mayor aumentando el Wc.

2. Wc real es mayor debido al intercambio de calor con el ambiente, es decir, pérdidas

isentrópicas, al considerar esta cedencia de energía con el ambiente la entalpía en el

estado 2 aumenta y el trabajo de compresor aumenta en consecuencia ya que tiene que

ceder más energía para compensar. Se requiere más energía para llegar a la misma

relación de compresión ya que hay pérdidas.

3. La T3 no influye en el trabajo de compresor, ya que este depende únicamente de las

condiciones iniciales y la relación de compresión, no de la temperatura máxima del ciclo.

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35

KJ/Kg

π

Wc & Wc'

Wc

Wc'

Gráfica 4. Trabajo de turbina real e ideal en relación a π.

Comportamientos observados:

EL trabajo de turbina es directamente proporcional a π;

EL trabajo de turbina es directamente proporcional a la temperatura máxima del ciclo;

Wt real es menor a Wt ideal.

Explicaciones:

1. Wt aumenta en relación a la relación de compresión debido a que mientas más

comprimido esté el fluido más energía cederá a la turbina y esta generará más trabajo.

2. Wt aumenta en relación a T3 debido a que si se aumenta la temperatura en la cámara de

combustión (Estado 3, dato de diseño) también se aumenta la capacidad del fluido para

ceder energía, es decir, aumenta la entalpía 3.

3. Wt’ es menor que el ideal, esto es debido a que en un proceso real se consideran las

pérdidas por transferencias de calor con el ambiente, y si hay pérdidas de calor la

capacidad de ceder energía del fluido disminuye haciendo decaer la entalpía en el estado

3 y por lo tanto el Wt.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25 30 35

KJ/Kg

π

Wt & Wt' 800°C

900°C

1000°C

1100°C

1200°C

1300°C

1400°C

800°C'

900°C'

1000°C'

1100°C'

1200°C'

1300°C'

1400°C'

Gráfica 5. Trabajo útil real e ideal en relación a π y a la T máxima del ciclo.

Comportamientos observados:

EL trabajo útil es directamente proporcional a π (Idealmente hasta un punto);

Existe un punto óptimo de trabajo útil en relación a π;

EL trabajo útil es directamente proporcional a T3;

Wt real es menor a Wt ideal.

Explicaciones:

1. El trabajo útil aumenta hasta un punto o relación de expansión óptima y luego disminuye,

la primera tendencia de subida es debido a que a más relación de compresión el fluido es

capaz de ceder más energía, sin embargo, llegado un punto óptimo se necesita más

energía para comprimir el fluido, el trabajo de compresor aumenta demasiado

disminuyendo el trabajo útil.

2. Anteriormente se comprobó que el trabajo de compresor es independiente de la

temperatura máxima del ciclo además de que el trabajo de turbina es directamente

proporcional a esta por razones previamente explicadas. Por lo tanto el trabajo útil

aumenta al aumentar la temperatura máxima en la cámara de combustión, hay más

energía que entrega el fluido que se aprovecha.

3. Wt’ es menor ya que en este se consideran pérdidas isentrópicas en el compresor (que

aumentan el trabajo del compresor), pérdidas de presión en la cámara de combustión y de

entrega de energía al inflamar en combustible(disminuye el trabajo de turbina), perdidas

por intercambio de calor y fricción en la turbina (eficiencia isentrópica), disminuyendo el

trabajo útil en consecuencia.

Gráfica 6. Flujo másico de aire real e ideal en relación a π y a la T máxima del ciclo.

Comportamientos observados:

EL flujo másico de aire tiene un punto óptimo en el que este es mínimo en relación a π;

EL flujo másico de aire es inversamente proporcional a T3;

ṁa real es mayor a ṁa ideal.

Explicaciones:

1. El flujo másico de aire se calcula de acuerdo a la potencia o energía por segundo

aprovechada que se desea, como ya observamos el trabajo útil tiene un punto óptimo en

relación a π, en este punto óptimo se necesita la menor cantidad de ṁa para conseguir la

potencia especificada ya que el factor de trabajo útil es mayor, por otro lado al seguir

aumentando la relación de compresión (disminuir el trabajo útil) se necesita más flujo

másico de aire para poder llegar a la misma potencia.

2. El trabajo útil (como ya se explicó anteriormente) es directamente proporcional a la T3, si

aumente el trabajo útil se necesita menos flujo de aire para alcanzar la misma potencia

deseada, es decir, el fluido por unidad de segundo tiene más capacidad de ceder energía a

la turbomaquinaria (Aumentar T3) así que se necesita menos cantidad de este para la

alcanzar la potencia de diseño.

3. Debido a las perdidas en diferentes partes a lo largo de la turbomaquinaria como ya se

explicó anteriormente pierde capacidad de ceder energía el fluido por unidad de segundo,

por lo tanto para alcanzar la misma potencia de diseño se necesita mayor cantidad de

este, así aumentando ṁa real.

Gráfica 7. Flujo másico de combustible real e ideal en relación a π y a la T máxima del ciclo.

Comportamientos observados:

EL flujo másico de combustible ideal es inversamente proporcional a π;

EL flujo másico de combustible real tiene un punto óptimo en que este es mínimo en

relación a π.

EL flujo másico de combustible es inversamente proporcional a T3;

ṁf real es mayor a ṁf ideal.

Explicaciones:

1. Se necesita menor cantidad de combustible por unidad de segundo porque el fluido entre

más comprimido esté aumenta su capacidad de ceder energía a la turbomaquinaria, por lo

que se necesita menos cantidad de combustible que inflamar para alcanzar la temperatura

máxima del ciclo dentro de la cámara de combustión.

2. El flujo másico de combustible es directamente proporcional al flujo de másico de aire, as

que por la misma razón este flujo másico es inversamente proporcional al punto óptimo

de trabajo útil, en la relación de compresiones óptima del ciclo es donde el flujo de

combustible por segundo también es mínimo.

3. Si se aumenta la temperatura máxima del ciclo el suministro de combustible será menor

ya que al aumentar T3 se aumenta el trabajo útil asi que se necesita menor suministro de

combustible para alcanzar la misma potencia.

4. El consumo de combustible por unidad de tiempo es mayor ya que si consideramos

pérdidas de presión en la cámara de combustión, pérdidas por intercambio de calor en la

turbia, se necesita mayor cantidad de suministro de combustible para alcanzar el calor

suministrado necesario ya que también se toma en cuenta que el combustible no entrega

la energía de forma neta si no que se tienen pérdidas al inflamar el mismo, por ello ṁf

aumenta.

Gráfica 8. Eficiencia real e ideal en relación a π y a la T máxima del ciclo.

Comportamientos observados:

La eficiencia ideal es directamente proporcional a π;

La eficiencia en este caso si es dependiente de la temperatura máxima de ciclo;

ηt real es menor a ηt ideal;

La eficiencia real tiene un punto óptimo de operación.

Explicaciones:

1. Ya que idealmente el trabajo útil aumenta hasta cierto punto pero el calor suministrado

siempre disminuye, lo anterior por razones explicadas en las gráficas anteriores.

2. Es dependiente ya que el fluido de trabajo no se mantiene constante a lo largo del ciclo, a

partir de la cámara de combustión es una combinación de gases producto de la

combustión, lo que cambia trabajo útil, calor suministrado y eficiencia en consecuencia.

3. Es menor ya que se considerán en este caso perdidas de presión en la cámara de

combustión y pérdidas en el trabajo de turbina lo que aumenta el calor suministrado y

eleva el trabajo útil, disminuyendo la eficiencia en consecuencia.

4. Ya que en este punto se encuentra la relación óptima de relación de compresión en donde

el trabajo de turbina es mayor y el trabajo de compresor aún no aumenta drásticamente.

Gráfica 9. Temperatura a la salida del compresor real e ideal en relación a π.

Comportamientos observados:

La temperatura 2 no varía con respecto a la temperatura máximo del ciclo;

La temperatura 2 es directamente proporcional a π;

T2 real es mayor a T2 ideal.

Explicaciones:

1. La temperatura en el estado 2 solo es dependiente de los parámetros iniciales tales como

el tipo de flujo y la relación de compresión, por lo tanto es independiente de la

temperatura máxima alcanzada en el ciclo.

2. Por ley de gas ideal la temperatura en el estado 2 aumenta conforme se aumenta la

relación de compresión, ya que si se aumenta la relación de compresión al final del estado

2 el fluido tiene mayor capacidad de ceder energía y por lo tanto mayor temperatura.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25 30 35

K

π

T2 & T2'

T2

T2'

Gráfica 10. Presión a la salida de la cámara de combustión real e ideal en relación a π.

Comportamientos observados:

La presión 3 no varía con respecto a la temperatura máximo del ciclo;

La presión 3 es directamente proporcional a π;

P3 real es menor a P3 ideal.

Explicaciones:

1. La presión 3 solo es dependiente de las condiciones iniciales del fluido de trabajo y las

veces que este se comprimirá, por ende es independiente de la temperatura máxima

alcanzada en el ciclo.

2. El proceso 2-3 es realizado a presión constante idealmente. Ahora, ya que solo depende

de las veces que se comprima el fluido la presión a la presión 3 es directamente

proporcional a la relación de compresión.

3. Es menor debido a las pérdidas dentro de la cámara de combustión, el proceso de

suministro de calor no se realiza de manera real a presión constante.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20 25 30 35

KPa

π

P3 & P3'

P3

P3'

Gráfica 11. Temperatura a la salida de la turbina real e ideal en relación a π y T3.

Comportamientos observados:

La temperatura 4 es inversamente proporcional a π;

La temperatura 4 es directamente proporcional a T3;

T4 real es mayor a T4 ideal.

Explicaciones:

1. Ya que esta disminuye al aumentar la relación de expansión que es (idealmente) igual a la

relación de compresión, debido a que mientras más veces se expanda el fluido este cederá

más energía a la turbomaquinaria disminuyendo la temperatura en el estado final a la

salida de la turbina.

2. Ya que de la temperatura máxima del ciclo depende la temperatura a la salida, resultado

de un proceso termodinámico, si al iniciar un proceso aumentamos la temperatura de

entrada la temperatura a la salida será mayor también.

3. T4 real es mayor en el proceso real ya que se consideran perdidas por las eficiencias de la

turbomaquinaria y no se aprovecha la totalidad de la energía, por lo tanto hay más

pérdidas que se traducen en mayor temperatura a la salida.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 5 10 15 20 25 30 35

K

π

T4 & T4' 800 °C

900 °C

1000 °C

1100 °C

1200 °C

1300 °C

1400 °C

800' °C

900' °C

1000' °C

1100' °C

1200' °C

1300' °C

1400' °C

Gráfica 12. Relación de flujos másicos real e ideal en relación a π y T3.

Comportamientos observados:

La relación de flujos másicos es inversamente proporcional a π;

La relación de flujos másicos es directamente proporcional a T3;

f real tiene un punto óptimo de operación en el que es igual a f ideal.

Explicaciones:

1. Disminuye la relación e flujos másico ya que es necesario menor cantidad de suministro de

combustible para inflamar ya que el fluido al estar más comprimido tiene más capacidad

de ceder energía por unidad de masa de aire por lo tanto disminuye ṁf disminuyendo en

consecuencia f.

2. Aumenta ya que al aumentar la temperatura máxima del ciclo se necesita suministrar más

calor en la cámara de combustión para obtener la temperatura de diseño, por lo tanto se

debe aumentar el suministro de combustible por unidad de masa de aire.

3. Este punto es la π óptima de trabajo explicado en graficas anteriores.

Gráfica 13. Suministro Específico de combustible real e ideal en relación a π y T3.

Comportamientos observados:

El Suministro Específico de combustible es inversamente proporcional a π;

Suministro Específico de combustible es inversamente proporcional a T3;

SFC real es menor a SFC ideal.

Explicaciones:

1. Ya que si se tiene un fluido más comprimido este tiene mayor capacidad para ceder

energía a la turbomaquinaria por lo que se necesita suministrar menos combustible para

alcanzar la potencia final especificada por diseño.

2. Al igual que al comprimir más el fluido, el aumentar la temperatura máxima del ciclo

aumenta, como ya se explicó anteriormente, el trabajo útil. Si las especificaciones de

turbomaquinaria tiene un alto trabajo útil se necesitara menos flujo másico de aire la

potencia de diseño, si se disminuye la relación de aire disminuye el suministro de

combustible y si este disminuye el SFC es por lo tanto menor.

3. En un proceso real como ya se tiene entendió hay perdidas que causan que la

turbomaquinaria necesite aumentar el suministro de combustible para alcanzar la

temperatura máxima del ciclo deseada.