CAPTULO 13Ciclo Joule - Brayton

INTRODUCCINEste captulo es similar al del ciclo Rankine, con la diferencia que el portador de energas es el AIRE, por lo que lo consideraremos como gas ideal y emplearemos formulas (y no tablas) en la solucin de los problemas.

Este ciclo Joule - Brayton tiene la ventaja de producir bastante potencia con poco peso de las mquinas, lo que las hace ideales para la aviacin con el uso de las turbinas a gas.

El inconveniente es el alto consumo de combustible comparndolo con el ciclo Rankine y los motores de combustin interna.El Thrust SSC con propulsin a cohete rompi la barrera del sonido en el desierto de Nevada, en 1997, con una velocidad media de 1228 km/h.-

INDICEIntroduccinPlanta Trmica a Gas13.1 Ciclo Joule-Brayton.13.2 Ciclo ideal y real13.3 Compresores13.4 Cmaras de combustin13.5 Turbinas13.6 Mejoras del ciclo terico13.7 Ciclo con regeneracin Ciclo con Recalentamiento13.8 Ciclos Binarios13.9 Curiosidades Aviones Helicpteros Aviones en lnea Misles y cohetes

Ciclo Joule - Brayton

13.1 CICLO JOULE-BRAYTON (Centrales Trmicas a gas)CICLO JOULE - BRAYTON

-Turbina a Gas.-Central Trmica a Gas.

Procesos:

1-2 : Compresin Adiabtica.2-3 : Calentamiento Isobrico.3-4 : Expansin Adiabtica.4-1 : Enfriamiento Isobrico (se asume).

Procesos:

1-2 : Compresin Adiabtica.2-3 : Calentamiento Isobrico.3-4 : Expansin Adiabtica.4-1 : Enfriamiento Isobrico (se asume).Este ciclo usa aire como portador de energas, la consideraremos como gas ideal y por lo tanto tendremos que usar frmulas, no tablas !!

Eficiencia del Ciclo:

Dnde se utiliza este Ciclo ?AvionesMotor de Helicoptero - Lab. Energia PUCPTurbina a gas ConcordeMquinas comerciales y de guerraTurbina 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

13.3 CompresoresAproximadamente adiabtica.Los compresores sirven para dar el flujo de masa m , y elevar la presin en gases !!Como h = Cp T, entonces

Wt 12 = m Cp (T2 - T1)

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

la entropa de un sistema adiabtico siempre tiene que aumentar

Compresores Centrfugos

Rotor y Estator

TIPOS DE COMPRESORES:COMPRESORES ROTATORIOS Y CENTRIFUGOS

COMPRESORES DE PISTON O ALTERNATIVOS

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TemperaturasCorte a un compresor de pistn

13.4.- Cmaras de CombustinCAMARAS DE COMBUSTIN:De toda la energa liberada por la combustin del combustible en la Cmara de Combustin se aprovecha slo una parte, la que recibe la sustancia de trabajo (aire), es decir Q23. Las prdidas se expresan mediante:PC: Poder Calorfico del Combustible en kJ/kg.

Quemador

Cmara de Combustin

13.5.- Turbinas a gas1.TURBINA A GAS:Wt 34 = m Cp (T 3 - T4)

FRICCION EN LOS EJES DE GIRO:

En las turbinas, el trabajo de expansin del gas es entregado al eje. Este al girar, pierde energa por friccin en los apoyos. Esta prdida de friccin se expresa mediante:

Turbinas

Eficiencia Mecnica:1.GENERADOR ELECTRICO:

En la transformacin de la energa elctrica se pierde una pequea cantidad de energa. Esta se expresa mediante:

Alabes de las turbinas

Compresores

Esquema de una Turbina a Gas de eje nico:

Perfiles Aerodinmicos

Modelos

Turbinas de avin

13.6 Mejoras al Ciclo tericoCiclo con Regeneracin

-CON RECALENTAMIENTO:Conforme aumenta la Relacin de Presiones Rp, el rendimiento tambin aumenta pero llega a un maximo y vuelve a disminuir. Por lo tanto existir un valor de Rp ptimo que lo podemos obtener operando varias veces, o utilizando el SOFTWARE de Termodinmica.

Aqu se puede observar que el rea crece con Rp y despus baja.

Ciclo con RecalentamientoEn este caso se mejora el rea y el rendimiento total mejora.

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

Ejemplo:Una turbina de gas de un avin BOEING 747 (Motor JT9D-7) est diseado 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 prcticamente despreciable. El difusor (al contrario de una tobera) es un elemento que sirve para disminuir la velocidad del portador de energa y aumentar su temperatura de tal manera que realiza un proceso politrpico. Posteriormente el aire se comprime adiabticamente en el compresor, cuya =0.9, con relacin de presiones de 4/1. Al pasar por el quemador el aire y el combustible aadido sufren combustin isobrica y la temperatura aumenta hasta 890 C para sufrir posteriormente una expansin adiabtica en la turbina, con un rendimiento isentrpico de 0.9. Finalmente los gases de combustin pasan por la tobera para expandirse hasta la presin atmosfrica (P0). Suponiendo que los procesos en el difusor y la tobera son isentrpicos las propiedades termodinmicas de los gases de combustin son iguales a los del aire; y las condiciones atmosfricas de operacin 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 combustin 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 tecnologas

Cmo vuelan los grandes aviones ?

Misiles y Cohetes

Velocidades Supersnicas

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