ciclo de refirgeracion de gas

7/23/2019 Ciclo de Refirgeracion de Gas

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Escuela Superior Politcnica del Litoral ESPOL

Trabajo de investigacin: Ciclo de refrigeracin porgas: Brayton invertido

Terodin!ica ""

Profesor: "ng# Eduardo $ivadeneira

Estudiante: %aria &ose 'lbuja 'yala

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Introduccin


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Una de las principales reas de la termodinmica es la refrigeracin, que es la transferenciade calor de una regin de temperatura inferior hacia una temperatura superior, esto con el finde disminuir la temperatura para mantener un ambiente agradable. Los dispositivos que

producen refrigeracin son conocidos comnmente como "refrigeradores, o acondicionador

de aire", y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeracin por compresinde vapor, en donde el refrigerante es evaporado y condensado alternadamente, para luegocomprimirse en la fase de vapor.

La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos, y el estudio de losciclos de potencia es una parte interesante e importante de la termodinmica, y precisamenteen este escrito trataremos la base para los motores de turbina de gas el Ciclo Brayton.

Los ciclos que se efectan en dispositivos reales son difciles de eaminar porque haydemasiadas variaciones y detalles que se tienen que tomar en cuenta al mismo tiempo y secomplica demasiado el entorno. !ara facilitar el estudio de los ciclos se opt por crear elllamado ciclo ideal, en el cual se eliminan todas esas complicaciones que no permiten unanlisis efica, por lo tanto se llega a ale#ar de la realidad pero en una manera moderada. $nel siguiente esquema se puede llegar a apreciar una aproimacin entre un ciclo ideal y unoreal. %e puede notar que difieren pero se encuentran aproimadamente en el mismo rango.

Los ciclos ideales son internamente reversibles pero, a diferencia del ciclo de &arnot, no esnecesario que sean eternamente reversibles. $s decir, pueden incluir irreversibilidadeseternas al sistema como la transferencia de calor debida a una diferencia de temperaturafinita. $ntonces, la eficiencia t'rmica de un ciclo ideal, por lo general, es menor que la de unciclo totalmente reversible que opere entre los mismos lmites de temperatura. %in embargo,an es considerablemente ms alta que la eficiencia t'rmica de un ciclo real debido a lasidealiaciones empleadas.

Las idealiaciones y simplificaciones empleadas en los anlisis de los ciclos de potencia, porlo comn pueden resumirse del modo siguiente(

).* $l ciclo no implica ninguna friccin. !or lo tanto el fluido de traba#o no eperimentaninguna reduccin de presin cuando fluye en tuberas o dispositivos como losintercambiadores de calor.

+.* odos los procesos de compresin y epansin se dan en el modo de cuasiequilibrio.


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-.* Las tuberas que conectan a los diferentes componentes de un sistema estn muy bienaisladas y la transferencia de calor por ellas es despreciable.

Los diagramas de propiedades !*v y *s han servido como auiliares valiosos en el anlisisde procesos termodinmicos. anto en los diagramas !*v como en los *s, el area encerrada

en las curvas del proceso de un ciclo representa el traba#o neto producido durante el ciclo, locual es equivalente a la transferencia de calor neta en ese ciclo.

$l ciclo rayton tambi'n llamado de /oule fue propuesto por primera ve por 0eorgerayton, se desarroll originalmente empleando una mquina de pistones con inyeccin decombustible, pero ahora es comn realiarlo en turbinas con ciclos abiertos o cerrados. Lamquina de ciclo abierto puede emplearse tanto con combustin interna como contransferencia de calor eterna, en tanto que la mquina con ciclo cerrado tiene una fuente deenerga eterna.

1 continuacin analiaremos un ciclo de refrigeracin por gas, es decir un ciclo donde lasustancia de traba#o nunca cambia de fase, ms especficamente siempre se mantiene comogas. 1 estudiaremos el ciclo de refrigeracin de gas, me#or conocido como ciclo invertidorayton2 en el cual, el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa.

Descripcin del ciclo de Brayton

$l ciclo rayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como losutiliados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes(

Admisin$l aire fro y a presin atmosf'rica entra por la boca de la turbina


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Compresor

$l aire es comprimido y dirigido hacia la cmara de combustin mediante un

compresor 3movido por la turbina4. !uesto que esta fase es muy rpida, se modela

mediante una compresin adiabtica 15.

Cmara de combustin

$n la cmara, el aire es calentado por la combustin del queroseno. !uesto que la

cmara est abierta el aire puede epandirse, por lo que el calentamiento se modela

como un proceso isbaro 5&.Turbina

$l aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. $n este paso el aire se epande y

se enfra rpidamente, lo que se describe mediante una epansin adiabtica & 56.

Escape

Ultima etapa en la que sale el traba#o de turbina, puede ir acoplada a otro dispositivocomo motor el'ctrico.

George Bailey Brayton

0eorge rayton 3)7-8*)79+4, ingeniero mecnico de $$.UU. y pionero en el desarrollo demotores de combustin interna, adems de fundamentar un ciclo con el que puede funcionarla turbina de gas, la cual es usada actualmente en aviones y otras aplicaciones.:nvent el motor de eplosin continua encendido por chispa que ms tarde se convirti enla base para el motor de la turbina. %e cree que es el primero en los $stados Unidos para lafabricacin y venta de turbinas de gas comercial 3en el rea !rovidence, ;hode :sland,4.


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$l ob#etivo del ciclo rayton de turbina de gas es convertir energa en forma de calor entraba#o, por lo cual su rendimiento se epresa en t'rminos de eficiencia t'rmica.

Las dos principales reas de aplicacin de la turbinas de gas son la propulsin de aviones y lageneracin de energa el'ctrica. &uando se emplean en propulsin de aviones, la turbina degas produce la potencia suficiente para accionar el compresor y a un peque@o generador quealimenta el equipo auiliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de

producir el empu#e necesario para accionar la aeronave. Las turbinas de gas tambi'n seutilian como centrales estacionarias que producen energa el'ctrica. Asta se genera mediantecentrales el'ctricas de vapor. Las centrales el'ctricas de turbina de gas son empleadas por laindustria de generacin el'ctrica en emergencias y durante perodos picos gracias a su ba#ocosto y rpido tiempo de respuesta. Las turbinas de gas tambi'n se utilian con las centralesel'ctricas de vapor en el lado de alta temperatura, formando un ciclo dual. $n estas plantas,los gases de escape de las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. $l

ciclo de turbina de gas tambi'n puede e#ecutarse como un ciclo cerrado para ser utiliado encentrales nucleoel'ctricas. $sta ve el fluido de traba#o no se limita al aire., y puedeemplearse un gas con caractersticas ms convenientes 3como el helio4.


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odos los procesosreci'n descritos son

internamente reversibles,y el ciclo e#ecutado esel ciclo ideal derefrigeracin de gas. $nlos ciclos reales derefrigeracin de gas, los

procesos de compresiny epansin se desviarande los isentrpicos, y T- ser ms alta que T8 a menos que el intercambiador de calor seainfinitamente largo. $n un diagrama T-s, el rea ba#o la curva del proceso B*) representa elcalor removido del espacio refrigerado2 el rea encerrada )*+*-*B*) representa la entrada neta

de traba#o. La relacin de estas reas es el &H! para el ciclo, que se epresa como(

1 pesar de su ba#o &H!, los ciclos de refrigeracin de gas tienen dos caractersticasdeseables( incluyen componentes simples ms ligeros 3que los hacen adecuados para elenfriamiento de aviones4 y pueden incorporar regeneracin 3por lo que son adecuados en lalicuefaccin de gases y en las aplicaciones criog'nicas4. Un sistema de enfriamiento de avin,que opera en un ciclo abierto, se muestra en la figura ))*)7. $l aire atmosf'rico se comprime

por medio de un compresor, se enfra mediante el aire circundante y se epande en unaturbina. $l aire fro que sale de la turbina es dirigido despu's a la cabina.


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de manera considerable durante el proceso de transferencia de calor. $n consecuencia, losciclos de refrigeracin de gas tienen &H! menores respecto de los ciclos de refrigeracin porcompresin de vapor o con relacin al ciclo de &arnot invertido. $sto tambi'n se deduce deldiagrama T-s en la figura ))*)>. $l ciclo de &arnot invertido consume una fraccin deltraba#o neto 3rea rectangular )A-B4, pero produce una cantidad mayor de refrigeracin 3rea

triangular ba#oB)4.

Ciclo de refrigeracin de gas con regeneracin.

El enfriamiento regenerativo se logra al insertar un intercambiador decalor a contraujo dentro del ciclo. Sin regeneracin, la temperatura deentrada ms baja de la turbina es T0, la temperatura de los alrededores ode cualquier otro medio de enfriamiento. Con regeneracin, el gas de alta

presin se enfra a!n ms "asta T# antes de e$pandirse en la turbina. %adisminucin de la temperatura de entrada de la turbina reduceautomticamente la temperatura de salida de la misma, que es latemperatura mnima en el ciclo. Es posible conseguir temperaturas mu&bajas cuando este proceso se repite.

Conclusiones

$l ciclo rayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas. iene comofuncin transformar energa que se encuentra en forma de calor a potencia para realiar un


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traba#o, tiene varias aplicaciones, principalmente en propulsin de aviones, y la generacin deenerga el'ctrica, aunque se ha utiliado tambi'n en otras aplicaciones, como en el queanaliamos en este documento el de refrigeracin.

Las venta#as ms notables del ciclo invertido de rayton es que incluyen componentessimples ms ligeros 3que los hacen adecuados para el enfriamiento de aviones4, ya que loayuda a mantener un peso ba#o y me#or aerodinmico2 adems pueden incorporarregeneracin 3por lo que son adecuados en la licuefaccin de gases y en las aplicacionescriog'nicas4.

$ste puede ser operado de varias maneras, ya sea abierto o cerrado, eisten formas deoptimiar su rendimiento, pero hay que tener mucho cuidado en eaminar si vale la penahacer cambios. !ara el me#or estudio de los ciclos de potencia se utilia una maneraidealiada de los mismos en la que se eliminan ciertos puntos para no complicar su

raonamiento, en estas formas de anlisis todos los procesos, son reversibles.

!eferencias

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