ciclos de potencia gas

7/16/2019 Ciclos de Potencia Gas

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1

U U N N I I V V E E RRSSI I DD A ADD N N A AC C I I OON N A ALL SS A AN N A AGGU U SST T Í Í N N

F F A AC C U U LLT T A ADD DDE E I I N N GGE E N N I I E E RRI I A A DDE E

P P RROODDU U C C C C I I OON N Y Y SSE E RRV V I I C C I I OOSS

E E SSC C U U E E LL A A P P RROOF F E E SSI I OON N A ALL DDE E

I I N N GGE E N N I I E E RRI I A A MME E C C A AN N I I C C A A

CURSO:TERMODINAMCA APLICADA

TEMA:

CICLOS DE POTENCIA A GAS

DOCENTE

ING. CAMILO FERNANDEZ

(EN CONSTRUCCIÓN)

A ARRE E QQUUIIPP A A – –

PPE E RRUU



2

INDICE

I INTRODUCCION___________________________________________________________3

II OBJETIVOS________________________________________________________________3

III CICLO DE CARNOT__________________________________________________________3

IVSUPOCISIONES DE AIRE ESTANDAR_____________________________________________5

V CICLO OTTO_______________________________________________________________5

VI CICLO DIESEL______________________________________________________________9

VIICILOS STIRLING Y ERICSSON__________________________________________________12

VIIICICLO BRYTON___________________________________________________________14

IX CICLO BRAYTON REGENERATIVO__________________________________________18 X CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN__22 XIOBJETIVO DEL CILO BRAYTON Y SUS APLICACIONES_____________________________24

XII CONCUSIONES__________________________________________________________24

XIII PROBLEMAS DE APLICACIÓN _____________________________ _________________



3

CICLOS DE POTENCIA DE GAS1.- INTRODUCCIÓN

Los ciclos de potencia de gas o dispositivos cíclicos generadores de potencia revisten de granimportancia en el estudio de la termodinámica ya que varios sistemas y maquinas se basan ensu funcionamiento.Los modernos motores automotrices, camiones, barcos, turbinas de gas son ejemplo deaplicaciones extremadamente útiles de estos procesos. Los motores endotérmicos son maquinas motrices cíclicas en las que la energía interna queposee un fluido (vapor, gas) se transforma parcialmente en energía mecánica, dicho fluido esel medio al que se le proporciona o sustrae en adecuados puntos del ciclo operativo.

2.-OBJETIVOS

El desarrollo del siguiente capitulo tiene por objetivo principal servir de guía de ayuda

a futuros estudiantes de termodinámica aplicada para el mejor entendimiento de los

ciclos de potencia a gas.

comprender el funcionamiento de los motores de combustión interna en los ciclos

Otto, Diesel y dual.

Analizar y entender la producción eléctrica a partir del ciclo Brayton.

Poder aumentar la eficiencia en los ciclos de potencia a gas.

3.-CICLO DE CARNOT

El Ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal reversible entre dos fuentes de temperatura

y cuatro procesos, en el cual el rendimiento es máximo. Fue estudiado por Sadi Carnot en sutrabajo. Una máquina térmica que realiza este ciclo se denomina máquina de Carnot. Trabaja

http://www.monografias.com/trabajos14/trmnpot/trmnpot.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtml



http://www.monografias.com/trabajos/origtermod/origtermod.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/motore/motore.shtml


http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCE


http://www.monografias.com/trabajos12/moviunid/moviunid.shtml

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1mico

http://es.wikipedia.org/wiki/Nicolas_L%C3%A9onard_Sadi_Carnot

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_t%C3%A9rmica

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_Carnot

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/Carnot_engine_scheme.svg

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_Carnot

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http://es.wikipedia.org/wiki/Nicolas_L%C3%A9onard_Sadi_Carnot


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http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/origtermod/origtermod.shtml







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absorbiendo una cantidad de calor Q 1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q 2 a lade baja temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. El rendimiento viene definido,como en todo ciclo, por

Y, como se verá adelante, es mayor que cualquier máquina que funcione cíclicamente entre lasmismas fuentes de temperatura. Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo idealson reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría ycede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo deesta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es aportarcalor a la fuente caliente bomba de calor.

Expansión isoterma: (proceso 1 → 2 en el diagrama) Se parte de una situación en que

el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente

caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura

T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero

absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal,

al no cambiar la temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los

cambios en la energía potencial y la cinética, a partir de la 1ª ley de la termodinámica

vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo:

Expansión adiabática: (2 → 3) La expansión isoterma termina en un punto tal que el

resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el

sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior.

Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la

temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse

disminuye su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo alanterior proceso.

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_isot%C3%A9rmico


http://es.wikipedia.org/wiki/Gas_ideal

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_interna

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Conservaci%C3%B3n_de_la_energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_adiab%C3%A1tico


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/06/Carnot_cycle_p-V_diagram.svg


http://es.wikipedia.org/wiki/Conservaci%C3%B3n_de_la_energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica

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http://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento

http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor



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Compresión isoterma: (3 → 4) Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor

de temperatura T2 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura

porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo

hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre

el sistema.

Compresión adiabática: (4 → 1) Aislado térmicamente, el sistema evoluciona

comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía

interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema.

4.-SUPOCISIONES DE AIRE ESTANDAR

Modelo de aire estándar ciclo cerrado aire se modela como gas ideal sólo procesosinternamente reversibles sustituye la combustión por adición de calor qH desde una fuenteexterna sustituye el escape de productos por la eliminación de calor qL al ambiente aire fríoestándar: además, supone calores específicos cp y cv constantes para el aire.

5.-CICLO OTTO: EL CICLO IDEAL PARA LAS MAQUINAS DE ENCENDIDO POR CHISPA

El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustióninterna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. El ciclo consta deseis procesos, dos de los cuales se cancelan mutuamente:

E-A: admisión a presión constante A-B: compresión isentrópica B-C: combustión, aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva

rápidamente antes de comenzar el tiempo útil C-D: fuerza, expansión isentrópica o parte del ciclo que entrega trabajo D-A: Escape, cesión del calor residual al ambiente a volumen constante A-E: Escape, vaciado de la cámara a presión constante.

Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y losmotores de cuatro tiempos. Este, junto con el motor diésel, es el más utilizado en losautomóviles ya que tiene un buen rendimiento y contamina mucho menos que el motor dedos tiempos






http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combusti%C3%B3n_interna



http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_di%C3%A9sel










6

Ciclos del motor Otto

Motor de dos tiempos

1. (Admisión - Compresión). Cuando el pistón alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior)empieza a desplazarse hasta el PMS (Punto Muerto Superior), creando una diferenciade presión que aspira la mezcla de aire y gasolina por la lumbrera de admisión. Cuandoel pistón tapa la lumbrera, deja de entrar mezcla, y durante el resto del recorrido elpistón la comprime.

2. (Expansión - Escape de Gases). Una vez que el pistón ha alcanzado el PMS y la mezclaestá comprimida, se la enciende por una chispa entre los dos electrodos de la bujía, liberando energía y alcanzando altas presiones y temperaturas en el cilindro. El pistónse desplaza hacia abajo, realizando trabajo hasta que se descubre la lumbrera de

escape. Al estar a altas presiones, los gases quemados salen por ese orificio.

El rendimiento de este motor es inferior respecto al motor de 4 tiempos, ya que tiene unrendimiento volumétrico menor y el escape de gases es menos eficaz. También son máscontaminantes. Por otro lado, suelen dar más potencia para la misma cilindrada, ya que estehace una explosión en cada revolución, mientras el motor de 4 tiempos hace una explosión porcada 2 revoluciones, y cuenta con más partes móviles. Éste tipo de motores se utilizanmayoritariamente en motores de poca cilindrada (ciclomotores, desbrozadoras, corta setos,moto sierras, etc.), ya que es más barato y sencillo de construir.

Motor de cuatro tiempos

1. Durante la primera fase el pistón se desplaza hasta el PMI y la válvula de admisiónpermanece abierta, permitiendo que se aspire la mezcla de combustible y aire haciadentro del cilindro.

2. Durante la segunda fase las válvulas permanecen cerradas y el pistón se mueve haciael PMS, comprimiendo la mezcla de aire y combustible. Cuando el pistón llega al finalde esta fase, la bujía se activa y enciende la mezcla.

3. Durante la tercera fase se produce la combustión de la mezcla, liberando energía queprovoca la expansión de los gases y el movimiento del pistón hacia el PMI. Se produce

la transformación de la energía química contenida en el combustible en energía

http://es.wikipedia.org/wiki/Pist%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Buj%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_(motor)

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclomotor

http://es.wikipedia.org/wiki/Motosierra

http://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1lvula

http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible

http://es.wikipedia.org/wiki/Aire


http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_qu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nica


http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_qu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa


http://es.wikipedia.org/wiki/Aire

http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible

http://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1lvula

http://es.wikipedia.org/wiki/Motosierra

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclomotor

http://es.wikipedia.org/wiki/Cilindro_(motor)


http://es.wikipedia.org/wiki/Pist%C3%B3n



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mecánica trasmitida al pistón. El la trasmite a la biela, y la biela la trasmite al cigüeñal, de donde se toma para su utilización.

4. En la cuarta fase se abre la válvula de escape y el pistón se mueve hacia el PMS,expulsando los gases producidos durante la combustión y quedando preparado paraempezar un nuevo ciclo.

Para mejorar el llenado del cilindro, también se utilizan sistemas de sobrealimentación, ya seamediante turbocompresores (turbos o mediante compresores volumétricos o tambiénllamados compresores de desplazamiento positivo


http://es.wikipedia.org/wiki/Biela

http://es.wikipedia.org/wiki/Cig%C3%BCe%C3%B1al

http://es.wikipedia.org/wiki/Sobrealimentaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbocompresores&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbo

http://es.wikipedia.org/wiki/Compresor

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Compresores_de_desplazamiento_positivo&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Compresores_de_desplazamiento_positivo&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Compresor

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbo

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbocompresores&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Sobrealimentaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Cig%C3%BCe%C3%B1al

http://es.wikipedia.org/wiki/Biela




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No hay trabajo involucrado durante los dos procesos de transferencia de calor por que ambos

toman lugar a volumen constante. Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluidode trabajo puede expresarse como:

Eficiencia de Otto

La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros, lapérdida de energía por la fricción y la refrigeración.

En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende de la relación de compresión, proporción entre los volúmenes máximo y mínimo de la cámara de combustión. Estaproporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se puedenutilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, peroeste diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octanos. Una relación decompresión baja requiere combustible con bajo número de octanos para hacer que elcombustible alcance su punto de ignición. De la misma manera, una compresión alta requiereun combustible de alto número de octanos, para evitar los efectos de detonación del

combustible, es decir, que se produzca un auto ignición del combustible antes de producirse lachispa en la bujía. La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 25 a un 30%, inferior alrendimiento alcanzado con motores diesel, que llegan a rendimientos del 30 al 45%. En el cicloOtto los motores trabajan en un rango de presiones de 5 a 10 bares, una relación decompresión de 7 a 10, donde el exceso de aire (factor lambda), toma valores de 0,9 a 1,1.

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentropicos y y por lo tanto:

http://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Relaci%C3%B3n_de_compresi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Factor_lambda&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Factor_lambda&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Relaci%C3%B3n_de_compresi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n



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6.-CICLO DIESEL: EL CICLO IDEAL PARA LAS MAQUINAS DE ENCENDIDO POR COMPRESION

El ciclo del motor diesel lento (en contraposición al ciclo rápido, más aproximado a la realidad)ideal de cuatro tiempos es una idealización del diagrama del indicador de un motor Diesel, enel que se omiten las fases de renovado de la masa y se asume que el fluido termodinámico que

evoluciona es un gas perfecto, en general aire. Además, se acepta que todos los procesos sonideales y reversibles, y que se realizan sobre el mismo fluido. Aunque todo ello lleva a unmodelo muy aproximado del comportamiento real del motor, permite al menos extraer unaserie de conclusiones cualitativas con respecto a este tipo de motores.

v

Consta de las siguientes fases:

Compresión, proceso 1-2: es un proceso de compresión adiabática reversible(isentrópica). Viene a simbolizar el proceso de compresión de la masa fresca en el motorreal, en el que en el pistón, estando en el punto muerto inferior (PMI), empieza sucarrera de ascenso, comprimiendo el aire contenido en el cilindro. Ello eleva el estadotermodinámico del fluido, aumentando su presión, su temperatura y disminuyendo su

volumen específico, en virtud del efecto adiabático. En la idealización, el proceso vienegobernado por la ecuación de la isentrópica.


http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_adiab%C3%A1tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_adiab%C3%A1tico




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Combustión, proceso 2-3: en esta idealización, se simplifica por un proceso isóbaro. Sinembargo, la combustión Diesel es mucho más compleja: en el entorno del PMS (engeneral un poco antes de alcanzarlo debido a problemas relacionados con la inerciatérmica de los fluidos), se inicia la inyección del combustible (en motores de automóviles,gasóleo, aunque basta con que el combustible sea lo suficientemente autoinflamable y

poco volátil). El inyector pulveriza y perliza el combustible, que, en contacto con laatmósfera interior del cilindro, comienza a evaporarse. Como quiera que el combustiblede un motor Diesel tiene que ser muy autoinflamable (gran poder detonante), ocurreque, mucho antes de que haya terminado la inyección de todo el combustible, lasprimeras gotas de combustible inyectado se autoinflaman y dan comienzo a una primeracombustión caracterizada por ser muy turbulenta e imperfecta, al no haber tenido lamezcla de aire y combustible tiempo suficiente como para homogeneizarse. Esta etapaes muy rápida, y en el presente ciclo se obvia, pero no así en el llamado ciclo Dieselrápido, en el que se simboliza como una compresión isocora al final de la compresión.Posteriormente, se da, sobre la masa fresca que no ha sido quemada, una segundacombustión, llamada combustión por difusión, mucho más pausada y perfecta, que es la

que aquí se simplifica por un proceso isóbaro. En esta combustión por difusión se suelequemar en torno al 80% de la masa fresca, de ahí que la etapa anterior se suela obviar.Sin embargo, también es cierto que la inmensa mayoría del trabajo de presión y de laspérdidas e irreversibilidades del ciclo se dan en la combustión inicial, por lo que omitirlasin más sólo conducirá a un modelo imperfecto del ciclo Diesel. Consecuencia de lacombustión es el elevamiento súbito del estado termodinámico del fluido, en realidaddebido a la energía química liberada en la combustión, y que en este modelo ha deinterpretarse como un calor que el fluido termodinámico recibe, y a consecuencia delcual se expande en un proceso isóbaro reversible.

Expansión, proceso 3-4: se simplifica por una expansión isentrópica del fluidotermodinámico, hasta el volumen específico que se tenía al inicio de la compresión. En larealidad, la expansión se produce a consecuencia del elevado estado termodinámico delos gases tras la combustión, que empujan al pistón desde el PMS hacia el PMI,produciendo un trabajo. Nótese como, como en todo ciclo de motor de cuatro tiempos,sólo en esta carrera, en la de expansión, se produce un trabajo.

Última etapa, proceso 4-1: esta etapa es un proceso isocórico desde la presión final de

expansión hasta la presión inicial de compresión. En rigor, carece de cualquier significadofísico, y simplemente se emplea ad hoc, para poder cerrar el ciclo ideal. Sin embargo, hayautores que no satisfechos con todas las idealizaciones realizadas, insisten en dar unsignificado físico a esta etapa, y la asocian el renovado de la carga, pues, razonan, es estolo que se produce en las dos carreras que preceden a la compresión y siguen a laexpansión: el escape de masa quemada y la admisión de masa fresca. No obstante, elescape es un proceso que requiere mucho más trabajo que el que implica este proceso(ninguno), y además ninguno de los dos procesos se da, ni por asomo, a volumenespecífico constante.

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_isoc%C3%B3rico

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_isoc%C3%B3rico



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Si se observa que el ciclo diesel se ejecuta en un dispositivo de pistón y cigüeñal, que forma unsistema cerrado, la cantidad de calor añadida al fluido de trabajo a presión constante y

rechazada por este a volumen constante puede expresarse como:

Relación de corte de admisión:

* +



12

7.-CICLOS STIRLING Y ERISCSSONSon ciclos Reversibles con Regeneración, las condiciones necesarias para ciclos Reversibles la

diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y la fuente o sumidero de energía térmica

nunca debe exceder una cantidad diferencial de temperatura, dT durante cualquier proceso de

transferencia de calor. (Procesos Isotérmicos a TL y TH) → Carnot.

Los Ciclos Stirling y Ericsson difieren del ciclo de Carnot en que los procesos isentrópicos son

reemplazados por procesos de regeneración

Ciclo Carnot

Ciclo Stirling

El ciclo teórico de Stirling consta de las 4 etapas: 2 transformaciones isocoras en las que el gas

de trabajo pasa a través de un regenerador absorbiendo o cediendo calor, y 2

transformaciones isotermas, en las que el gas está en contacto con una fuente caliente o una

fría, a Tc y a Tf respectivamente. El ciclo se muestra a continuación en un diagrama P-V.

Veamos cada una de las etapas.

1-2 Expansión a T = constante (adición de calor de una fuente externa)

TL

TH

1 2

34

S

=

c o n

s t a n t e

S

=

c o n

s t a n t e

qen

qsal

T

S

P

v

1

3

4

2

qen

qsal

T H =

c o n s t a

n t e

T L = c o n s t a n t e

TL

TH

1 2

34

v =

c o n s t a n t e

v =

c o n s t a n t e

qen

qsal

T

S

Regeneración

R e g e n e r a c i ó n

P1

3

4

2

qen

qsal

T H =

c o n s t a

n t e

T L = c

o n s t a n t e



13

2-3 Pregeneración a v = constante (transferencia de calor interna del fluido de trabajo

al regenerador)

3-4 Compresión a T = constante (rechazo de calor en un sumidero externo)

4-1 Regeneración a v = constante (transferencia de calor interna de un regenerador denuevo al fluido de trabajo)

Sistema de cilindro con dos émbolos a los lados y un regenerador en medio.

El regenerador es un tapón poroso con alta masa térmica (masa por calor específico), puede

ser una malla metálica o de cerámica.

Masa de fluido dentro del Regenerador en cualquier instante se considera despreciable

Proceso 1-2: Se añade calor al gas a TH de una fuente a TH. El gas se expande

isotérmicamente (el embolo de la izquierda se mueve hacia afuera), efectúa trabajo yla presión del gas disminuye.

Proceso 2-3: Los dos émbolos se mueven hacia la derecha a la misma velocidad

(volumen constante), el gas es empujado hacia la cámara derecha. Cuando el gas pasa

por el regenerador se transfiere calor al regenerador y el gas disminuye temperatura

de TH a TL (diferencia de temperatura entre el gas y regenerador no debe ser mayor de

dT ). Temperatura del Regenerador del lado izquierdo es TH y la temperatura del fluido

del lado derecho es TL

Proceso 3-4: El émbolo de la derecha se mueve hacia adentro y comprime el gas.

Transferencia de calor del gas al sumidero a TL, mientras aumenta la presión.

Proceso 4-1: Los dos émbolos se mueven hacia la izquierda a velocidad constante para

mantener el volumen constante y empujan el gas hacia la cámara izquierda. La

temperatura del gas aumenta de TL a TH al pasar por el regenerador y toma la energía

térmica almacenada anteriormente en el proceso 2-3 y se da por completo el ciclo.

Transferencia neta de calor al regenerador es cero.

La cantidad de calor almacenada por el regenerador durante el proceso 2-3 es igual a

la cantidad tomada por el gas en el proceso 4-1.



14

ciclo Ericsson

Los procesos de expansión y compresión isotérmicos se llevan a cabo en la turbina y el

compresor como se muestra en la figura siguiente.

El regenerador es un intercambiador de calor de contra flujo. La transferencia de calor sucede

entre las dos corrientes

En el caso ideal la diferencia de temperatura entre las dos corrientes no excede una cantidad

diferencial dT . La corriente de fluido fría sale del intercambiador de calor a la temperatura de

entrada de la corriente caliente.

Eficiencia de los ciclos Stirling y Ericsson

Los ciclos Stirling y Ericsson son totalmente reversibles, como el ciclo Carnot; por lo tanto, de

acuerdo con el principio de Carnot, los tres ciclos tendrán la misma eficiencia térmica cuando

operen entre los mismos límites de Temperatura.

TL

TH

1 2

34

P = c o n s t a n t e

P = c o n s t a n t e

qen

qsal

T

S

Regeneración

v

R e g e n e r a c i ó n

P

1

3

4

2

qen

qsal

T H =

c o n s t a

n t e

T L = c o n s t a n t e



15

8.-CICLO BRAYTON

El ciclo Brayton también llamado de Joule fue propuesto por primera vez por George Brayton,se desarrollo originalmente empleando una máquina de pistones con inyección decombustible, pero ahora es común realizarlo en turbinas con ciclos abiertos o cerrados. La

máquina de ciclo abierto puede emplearse tanto con combustión interna como contransferencia de calor externa, en tanto que la máquina con ciclo cerrado tiene una fuente deenergía externa.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 termodinámica, y precisamenteen este trabajo trataremos la base para los motores de turbina de gas el Ciclo Brayton.

El ciclo ideal para los motores de turbina de gas. Ciclo abierto

1−2 compresión isentrópica (en un compresor) 2−3 Adición de calor a P=constante 3−4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4−1 Rechazo de calor a P=constante Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura 1. aire

fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y

presión se eleva. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión donde el

combustible se quema a presión constante.



16

Luego los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta

la presión atmosférica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de

la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), lo que provoca que el ciclo se clasifique

como un ciclo abierto.

El ciclo de turbina de gas abierto recién escrito para modelarse como un ciclo cerrado, delmodo que se muestra en la figura siguiente, mediante las suposiciones de aire estándar.En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso decombustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una fuenteexterna, y el proceso de escape se reemplaza pro uno de rechazo de calor a presión constantehacia el aire ambiente.El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, queesta integrado por cuatro proceso internamente reversibles:

DIAGRAMAS T-S Y P-V PARA EL CICLO BRAYTON IDEAL



17

1 – 2 Compresión Isoentrópica2 – 3 Adición de calor a P=cte3 – 4 Expansión Isoentrópica4 – 1 Cesión de calor a P=cte

Qabs =ΔH2→3=ncP(T 3 – T 2)

Qced =ΔH4→1= ncP (T 4 – T 1)

Ejemplo de ciclo ideal vs. real

1) En un ciclo Brayton ideal con aire frío standard, el aire ingresa al compresor con 100 kPa, 15

oC y sale del mismo a 1 MPa. La temperatura máxima del ciclo es 1100 oC .a) temperaturas en todos los puntos del ciclo.b) trabajo neto y eficienciac) relación de trabajos wc/wtB) idem si turbina y compresor tienen eficiencias adiabáticas _s,t = 0, 85 y _s,c = 0, 80 yhay una caída de presión de 15 kPa entre el compresor y la turbina.



18

Relaciones adiabáticas, para caso ideal

trabajos ideales

trabajo neto

el 41% del trabajo generado se consume.

Análisis real :

el nuevo trabajo isentrópico en la turbina es:

y los trabajos reales son:

con esto se obtienen las temperaturas:

el trabajo neto es. W=

la fracción usada en el compresor es:



19

9.-CICLO BRAYTON REGENERATIVO

También se puede aumentar el rendimiento del ciclo, o sea, obtener más energía con la mismacantidad de combustible, empleando parte del calor perdido que se llevan los gases de escape

de la turbina, para precalentar el aire a la salida del compresor, antes de su entrada a lacámara de combustión, lo que permite gastar menos combustible para llegar a la mismatemperatura de ingreso a la máquina.En este caso, se recurre al ciclo BRAYTON regenerativo, que utiliza el esquema de instalaciónque se indica en la Fig. 2

Donde:

Q1 = Calor ganado por el aireQ3 = Calor cedido por los gases de combustiónQ2 = Calor aportado por la oxidación del combustible



20

Diagramas t-s y p-v ideales

Diagramas t-s y p-v reales



21

RegeneradoresLos regeneradores o intercambiadores de calor empleados en las turbinas a gas son del tipo decoraza y tubos, o bien, del tipo rotativo, siendo los primeros los más empleados. En ellos losgases de escape pasan por el interior de los tubos y el aire a precalentar por el exterior de losmismos. El empleo de regeneradores presenta tres inconvenientes:

a) Gran superficie de intercambio de calor.b) Dificultad para la limpieza de la misma.c) Aumento de la resistencia al paso de los gases de escape.En un regenerador ideal, en donde suponemos que no hay pérdidas de calor, el balance deenergía se establece igualando toda la energía que recibe el aire a la energía entregada por losgases de escape, es decir:

ma x cpa x (t3 – t2) = mg x cpg x (t5 – t6)

o bien:

ma x (h3 – h2) = mg x (h5 – h6)

Donde: ma = caudal másico de aire (kg/h) mg = caudal másico de gases (kg/h) Cpa = calor específico a presión constante del aire (Kcal/kg .ºC) Cpg = calor específico a presión constante de los gases (Kcal/kg .ºC) t2 = temperatura del aire a la entrada del regenerador (ºC) t3 = temperatura del aire a la salida del regenerador (ºC) t5 = temperatura de los gases a la entrada del regenerador (ºC)

t6 = temperatura de los gases a la salida del regenerador (ºC)

h2 = entalpía del aire a la entrada del regenerador (Kcal/kg) h3 = entalpía del aire a la salida del regenerador (Kcal/kg) h5 = entalpía de los gases a la entrada del regenerador (Kcal/kg) h6 = entalpía de los gases a la salida del regenerador (kcal/kg)

En la realidad podemos observar que:a) El calor específico a presión constante de los gases es mayor que el del aire debido a que losgases están a mayor temperatura.b) El caudal másico de gases es superior al del aire en virtud de que es la suma del caudalmásico del aire más el del combustible quemado.

Por estas razones es que:

La elevación de temperatura del aire será mayor que la disminución de temperatura en losgases. La Fig. representa la variación de temperatura que sufre el aire y los gases de escape enfunción de la superficie de intercambio de calor del regenerador, para el caso ideal ( = 100%)y para el caso real ( < 100%).



22

La eficiencia o rendimiento de un regenerador se expresa como:

10.-CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN

El trabajo neto de un ciclo de turbina de gas es la diferencia entre la salida de trabajo de laturbina y la entrada de trabajo del compresor, y puede incrementarse si se reduce el trabajodel compresor o si aumenta el de la turbina o ambos. El trabajo requerido para comprimir ungas entre dos presiones especificadas puede disminuirse al efectuar el proceso de compresiónen etapas y al enfriar el gas entre ellas, es decir, si se emplea con presión de etapas múltiples

con interenfriamiento. Cuando aumenta el número de etapas, el proceso de compresión sevuelve isotérmico a la temperatura de entrada del compresor y el trabajo de compresióndisminuye. De igual modo, la salida de trabajo de un turbina que opera entra dos niveles depresión aumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlo entre ellas, esto es, si se usaexpansión de múltiples etapas con recalentamiento. Esto se lleva a cabo sin elevar latemperatura máxima en el ciclo. Cuando aumenta el número de etapas, el proceso deexpansión se vuelve isotérmico. El argumento anterior se basa en un simple principio: eltrabajo de compresión o expansión de flujo permanente es proporcional al volumen específicode fluido. Por consiguiente, el volumen específico del fluido de trabajo debeser los mas bajo posible durante un proceso de compresión y lo mas alto posible durante unproceso de expansión. Esto es precisamente lo que logran el interenfriamiento y el

recalentamiento. El fluido de trabajo sale del compresor a una temperatura menor y de laturbina a una temperatura más alta, cuando se usa en interenfriamiento y recalentamiento.



23

Esto hace que la regeneración sea más atractiva ya que existe un mayor potencial para ella.Además los gases que salen del compresor pueden calentarse a una temperatura más altaantes de que entren a la cámara de combustión debido a la temperatura mas elevada delescape de la turbina.

Un diagrama esquemático del arreglo físico de un ciclo de turbina de gas de dos etapas coninterenfriamiento, recalentamiento y regeneración se muestra en la figura:

el gas entra a la primera etapa del compresor en el estado 1, se comprime de modoisentrópico hasta una presión intermedia P2 ; se enfría hasta una presión constante hasta el

estado 3 (T3 = T1 ) y se comprime en la segunda etapa isentrópicamente hasta la presión finalP4. En el estado 4 el gas entra al regenerador, donde se calienta hasta T5 a una presiónconstante. En un regenerador ideal, el gas saldrá del regenerador a la temperatura del escapede la turbina, es decir, T5 = T9. El proceso de adición de calor (o combustión) primario tomalugar entre los estados 5 y 6. El gas entra a la primera etapa de la turbina en el estado 6 y seexpande isentrópicamente hasta el estado 7, donde entra al recalentador. Se recalienta apresión constante.Hasta el estado 8 (T8 = T6), donde entra a la segunda etapa de la turbina. El gas sale de laturbina en el estado 9 y entra al regenerador, donde se enfría hasta el estado 1 a presiónconstante. El ciclo se completa cuando el gas enfría hasta el estado inicial.La relación de trabajo de retroceso de un ciclo de turbina de gas mejora debido al

interenfriamiento y el recalentamiento. Sin embargo, esto no significa que la eficiencia térmicatambién mejorará. El hecho es que el interenfriamiento y el recalentamiento siempredisminuirán la eficiencia térmica a menos que se acompañen de la regeneración. Ya que elinterenfriamiento disminuye la presión promedio a la cual se añade el calor, y elrecalentamiento aumenta la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza,. Por tanto, encentrales eléctricas de turbina de gas, el interenfriamiento y recalentamiento se utilizansiempre en conjunción con la regeneración.

11.-OBJETIVO DEL CICLO BRAYTON Y SUS APLICACIONES

El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir energía en forma de calor entrabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica. Las dos



24

principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y lageneración de energía eléctrica.Las centrales eléctricas de turbina de gas son empleadas por la industria de generacióneléctrica en emergencias y durante períodos picos gracias a su bajo costo y rápido tiempo derespuesta. La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental ya utilizan motores de

turbinas de gas para propulsión y para la regeneración de energía eléctrica. Comparadas con laturbina de vapor y los sistemas de propulsión diesel, la turbina de gas ofrece mayor potenciapara un tamaño y peso determinados, alta confiabilidad, larga vida y operación masconveniente.

12.-CONCLUSIONES

Este trabajo nos ayudo a comprender mejor la teoría hecho en clase.

Nos ayudo a comprender el funcionamiento de los motores de combustión interna.

El ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas. Tienecomo función transformar energía que se encuentra en forma de calor a potencia para

realizar un trabajo, tiene varias aplicaciones, principalmente en propulsión de aviones,y la generación de energía eléctrica, aunque se ha utilizado también en otrasaplicaciones. Este puede ser operado de varias maneras, ya sea abierto o cerrado,existen formas de optimizar su rendimiento, pero hay que tener mucho cuidado enexaminar si vale la pena hacer cambios. Una manera de mejorar un ciclo cerrado es laregeneración empleando parte de la energía desechada para calentar los gases quedejan el compresor y, por ende, reducir la transferencia de calor requerida por el ciclo.Para el mejor estudio de los ciclos de potencia se utiliza una manera idealizada de losmismos en la que se eliminan ciertos puntos para no complicar su razonamiento, enestas formas de análisis todos los procesos, son reversibles.

13.-PROBLEMAS DE APLICACIÓN

PROBLEMAS PROSPUESTOS DEL LIBRO ÇENGEL -CICLOS DE POTENCIA A GAS

PROB.-1

Un Ciclo de Otto ideal tiene una relación de compresión de 8. Al principio del proceso

de compresión el aire esta a 95 KPa y 27ºC y se transfiere 750KJ/Kg de calor hacia el

aire durante el proceso de adicción de calor a volumen constante. Tome en cuenta la

variación de los calores especifico con la temperatura y determine a) la presión y la

temperatura al final del proceso de adicción del calo, b) la salida neta de trabajo, c)laeficiencia termina y d) la presión media efectiva para el ciclo.



25

a) Proceso de 1 a 2 (expansión isentropica)

Proceso de 2a 3 (v=Cte.)

b) Proceso de 3 a 4 (compresión isentropica)

Proceso de 4 a 1 (v=Cte.)



26

PROB.-2

La relación de compresión del ciclo de un ciclo de Otto de aire estándar es de 9.5.

Antes del proceso isentropico de compresión, el aire esta a 100KPa, 35ºC y 600 .La

temperatura al final del proceso de expansión isentropica es de 800k. Usando valores

de de calores específicos a temperatura ambiente, determine a) la temperatura y

presión mas alta del ciclo, b) la cantidad de calor transferido, en KJ, c) la eficiencia

térmica y d) la presión media efectiva

a) Proceso de 1 a 2 (compresión isentropica)

Proceso de 3 a 4 (expansión isentropica)



27

Proceso de 2 a3 (v=Cte.)

c) Proceso de 4 a 1 (v=Cte.)

PROB.-3

Un ciclo Otto ideal con aire como fluido de trabajo tiene una relación de compresión

de 8. Las temperaturas mínima y máxima del ciclo son 540 y 2400 R. Si se considera la

variación del calor especifico debido a la temperatura determine a) la cantidad de calor

transferido hacia el aire durante el proceso de adicción de calor, b) la eficiencia

termina y c) la eficiencia de un ciclo de carnot que opera entre esos dos limites de

temperatura.



28

Proceso 1 a 2 (compresión isentropica)


b) Proceso de 3 a 4 (expansión isentropica)

Proceso de 4 a1 (v=Cte.)



29

PROB.-4

Repita el problema anterior pero use argón como fluido de trabajo.

Las propiedades del argón cp = 0.1253 Btu/lbm.R, cv = 0.0756 Btu/lbm.R, y k = 1.667

a) Proceso de 1 a 2 (compresión isotérmica)

Proceso de 2a 3 (v=Cte.)

b) Proceso de 3 a 4 (compresión isentropica)




30

PROB.-5

Un ciclo Diesel de aire estándar tiene una relación de compresión de 16 y una de corte

de 2. Al principio del proceso de compresión el aire esta a 95KPa y a 27ºC.tome en

cuenta la variación de temperaturas de los calores específicos con la temperatura y

determine a) la temperatura después del proceso de adición de calor. b) la eficiencia

térmica y c) la presión media efectiva.

a) Proceso de 1 a 2 (compresión isotérmica)

Proceso de 2 a 3 (p=Cte.)





31

PROB.-6

Repita el problema anterior y emplee calores específicos constantes a temperatura

ambiente.

Las propiedades del aire a temperatura ambiente: cp = 1.005 kJ/kg·K, cv = 0.718 kJ/kg·K,

R = 0.287 kJ/kg·K, y k = 1.4


Proceso de 2 a3 (p=Cte.)




32


PROB.-7

Un ciclo de aire estándar tiene una relación de compresión de 18.2.el aire esta a 80ºF y

14.7psi al principio del proceso de compresión y a 3000 R al final del proceso de

adicción de calor. Considere la variación de calor específico debido a la temperatura y

determine a) la relación de corte, b) el rechazo de calor por unidad de masa y c) la

eficiencia térmica.

Proceso de 1 a 2 (compresión isentropico)



33



Proceso de 4 a 1 (v=cte.)

PROB.-8

Repita el problema anterior y emplee calores específicos constantes a temperatura

ambiente.


R = 0.287 kJ/kg·K, y k = 1.4




34




PROB.-9

Una maquina térmica diesel ideal tiene una relación de compresión de 20 y usa aire

como fluido de trabajo. El estado del aire al principio del proceso de compresión es de

95Kpa y 20ºC. Si la temperatura máxima del ciclo no excede 2200 k determine a) la

eficiencia térmica, b) la presión media efectiva. Suponga calores específicos constantes

para el aire a temperatura ambiente


R = 0.287 kJ/kg·K, and k = 1.4




35



PROB.-10

La relación de compresión de un ciclo dual ideal es 14. El aire esta a 100KPa y 300K al

principio del proceso de compresión, y a 2200 K al final del proceso de adicción de

calor. A volumen y presión constantes, la transferencia de calor hacia el aire es parcial

y asciende a 1520,4 kJ/Kg. Suponiendo calores específicos variables para el aire

determine a) la fracción del calor transferido a volumen constante y b) la eficienciatérmica del ciclo.



36

a) Proceso de 1 a 2 (expansión isentropica)

Proceso de 2 a x, de x a 3 (adicción de calor a v=Cte. y p= Cte.)

Por tanteo, llegamos: Tx = 1300 K y hx = 1395.97, ux = 1022.82 kJ /kg.


PROB.-11

Un motor Ericsson ideal q usa helio como fluido de trabajo opera entre los limites de

temperatura de 550 y 3000 R y los limites de presión de 25 y 2000 psi. Si se supone un

flujo másico 14lb/s. determine a) la eficiencia térmica del ciclo b) la tasa de

transferencia de calor en el regenerador y c) la potencia entregada.



37

La constante del gas y el calor específico de helio en la temperatura del cuarto son R =

0.4961 Btu/lbm.R y cp = 1.25 Btu/lbm · R

a) La eficiencia termal de este ciclo completamente reversible está resuelta de:

b) La cantidad de calor transferido en el regenerador es:

)

c) La salida neta de poder está resuelta de:

PROB.-12

Considere un ciclo Ericsson ideal como fluido de trabajo ejecutado en un sistema de

flujo estable. El aire se encuentra a 27⁰C y 120 KPa al principio del proceso de

compresión isotérmica durante el cual 150 KJ/kg de calor se rechaza. La transferencia

de calor hacia el aire sucede a 1200 K determine a) la presión máxima del ciclo, b) la

salida neta de trabajo por unidad de masa del aire c) la eficiencia térmica del ciclo.



38

El gas constante de aire es R = 0.287 kJ/kg.K

a) El cambio de entropía durante 3-4 de proceso es:

b) Para los ciclos reversibles

La eficiencia termal de este ciclo completamente reversible está resuelta de:

PROB.-13

Un motor Stirling ideal que usa helio como fluido de trabajo opera entre los límites de

temperatura de 300 y 2000 K y entre los limites de presión de 150 KPa y 3 MPa.

Suponiendo que la masa de helio utilizada en el ciclo es de 0.12 kg determine a) la

eficiencia del ciclo, b) la cantidad de calor transferido en el regenerador y c) la salida

de trabajo por ciclo



39

La constante del gas y el calor específico de helio en la temperatura del cuarto son R =2.0769 kJ/kg.K, cv = 3.1156 kJ/kg.K y cp = 5.1926 kJ/kg.K

a) La eficiencia termal de este ciclo completamente reversible está resuelta de:

b) La cantidad de calor transferido en el regenerador es:

c) La salida neta de trabajo está resuelta de:

PROB.-14

Una central eléctrica de gas que opera en un ciclo brayton ideal tiene una relación de presión

de 8. La temperatura del gas es de 300K en la entrada del compresor y de 1300K en la entrada

de la tabina. Determinar a) temperatura del gas ala salida del compresor y de la turbina, b) la

relación del trabajo de retroceso y c) la eficiencia térmica.

a)

Proceso 1-2 (compresión isentropica)

⁄



40

⁄

Proceso 3-4(expansión isentropica)

⁄

⁄

b) = 244.16 ⁄

⁄

c)

⁄

⁄

PROB.-15

Suponga una eficiencia del compresor de 80 por ciento y una de la turbina de 85 por ciento.

Determine a) la relación de trabajo de retroceso, b) la eficiencia térmica, y c) la temperatura

de salida de la turbina de gas del problema anterior

Analizando el compresor

=305.20

⁄ ⁄

b)

⁄

Por lo tanto



41

⁄

⁄

C)

”

PROB.-17

Un Ciclo Brayton simple que usa aire como fluido de trabajo tiene una relación de

presión de 8. Las temperaturas mínima y máxima en el ciclo son: 310 K y 1160 K.

suponiendo una eficiencia isentropica de 75 por ciento para el compresor y 82 por

ciento para la turbina, determine:

a) La temperatura del aire a la salida de la turbina.

b) La salida neta de trabajo.

c) La eficiencia térmica.

SOLUCION

PARTE (A):

El proceso 1-2s es isoentropico:



42

( )

PARTE (B):

PARTE (C):

DIAGRAMA T. S



43

PROB.-18

En un ciclo brayton simple se emplea como fluido de trabajo aire que tiene una

relación de presiones de 12, una temperatura de entrada del compresor de 300 K yuna temperatura de entrada de la turbina de 1000 K. Determine el flujo másico

requerido del aire para una salida neta de potencia de 70 MW; suponga que tanto el

compresor como la turbina tienen una eficiencia isentropica de:

a) 100 por ciento.

b) 85 por ciento.

Suponga calores específicos constantes a temperatura ambiente

Parte (A)

Para el aire cp=1.005 KJ/Kg.K K=1.4

Usando las relaciones isentropicas:

( )

( )



44

Parte (B)

Tomando en cuenta ahora una eficiencia isentropica de 85 por ciento tanto en la

turbina como el compresor el nuevo trabajo neto isentropico es:

POR LO TANTO:

DIAGRAMA T-S

PROB.-19

Una central electrica de turbina de gas estacionaria opera en un ciclo brayton ideal

simple con aire como fluido de trabajo. El aire entra al compresor a 95kpa y 290 k,mientras que a la turbina lo hace a 760 kpa y 1100k. se transfiere calor hacia el aire a

una tasa de 35000 KJ/s. determine la potencia entregada por esta central:

a) Suponiendo calores especificos constantes a temperatura ambiente.

b) Considerando la variacion de los calores especificos con la temperatura.

c)

SOLUCION

PARTE (A)Asumimos calores especificos constantes



45

DATOS

PARTE (B)

Consideramos la variacion de los calores especificos con la temperatura



46

PROB.-20

Una central eléctrica de turbina de gas opera en un ciclo brayton simple con aire como

fluido de trabajo. El aire entra a la turbina a 120 psia y 2000 R y sale a 15 psia y 1200 R.

se emite calor hacia los alrededores a una tasa de 6400 Btu/s y el aire fluye por el ciclo

a una tasa de 40 lbm/s. si se supone que la turbina es isentropica y que el compresor

tiene una eficiencia isentropica de 80 por ciento, determine la salida neta de potencia

de la central. Considere la variación de los calores específicos con la temperatura.Solución:

Datos



47

DIAGRAMA T-S

PROB.-21

Una Central electrica de turbina de gas opera en un ciclo brayton simple con aire como

fluido de trabajo y entrega 32MW de potencia. Las temperaturas minima y máxima en

el ciclo son 310 y 900 K, y la presión del aire a la salida del compresores 8 veces el valor

a la entrada del compresor. Suponiendo una eficiencia isentropica de 80 por ciento

para el compresor y 86 por ciento para la turbina, determine el flujo masico del aire en

el ciclo. Tome en cuenta la variación de los calores específicos con la temperatura.

SOLUCION

DATOS:



48

PROB.-22

Un Ciclo Brayton ideal con regeneración tiene una relación de presiones de 10. El aire

entra al compresor a 300 K, mientras que a la turbina lo hace a 1200 K. si la eficacia del

generador es del 100 por ciento, determine la salida neta de trabajo y la eficiencia

térmica del ciclo. Considere la variación de los calores específicos con la temperatura.

SOLUCIÓN:

DATOS



49

Asi mismo

Tambien

Y



50

PROB.-23

Considere un ciclo de turbina de gas ideal con dos etapas de compresión y otras dos de

expansión. La relación de presiones en cada etapa del compresor es de 3. El aire entra

a cada etapa a 300K y a cada etapa de la turbina a 1200K. Determine la relación de4

trabajo de retroceso la eficiencia térmica del ciclo, suponiendo a) que no utiliza

regenerador, y b) que usa un regenerador con un 75por ciento de de eficacia.

(a)

⁄

⁄

⁄

( ) ⁄

⁄

⁄

⁄

⁄



51

(b)

⁄ ⁄

PROB.-24

Repita el problema anterior suponiendo una eficiencia de 80% en cada etapa del

compresión y una de 85% en cada etapa de la turbina.

(a)

⁄

⁄

⁄

⁄

( ) ⁄

⁄

⁄

⁄



52

⁄

⁄

(b)

⁄

⁄

PROB.-25

Considere una central eléctrica de turbina de gas regenerativa con dos etapas de

compresión y dos de expansión. La relación de presión global es de 9. El aire entra en

cada etapa del compresor a 300K y a cada etapa de la turbina a 1200K. Considere la

variación de los calores específicos con la temperatura, determine el flujo másico del

aire necesario para desarrollar una salida de potencia neta de 110MW.

⁄ ,

⁄

⁄ ,

( ) ⁄

⁄

⁄

⁄

⁄ ⁄ =249.6 ⁄

PROB.-26

Un motor de turbina de gas con regeneración opera con dos etapas de compresión y

otras dos de expansión. La relación de compresión en cada etapa del compresor y deturbina es de 3.5. el aire entra a cada etapa del compresor a 300K y a cada etapa de la



53

turbina a 1200K. la eficiencias del compresor y de la turbina son de 78 y 86 por ciento,

respectivamente, y la eficacia de regenerador es de 72 por ciento. Determine la

relación del trabajo de retroceso y la eficiencia térmica del ciclo, suponiendo calores

específicos constantes para el aire a temperatura ambiente.

[ ]

[ ]



54

PROB.-27

Una central eléctrica de turbina a gas opera sobre el ciclo Brayton regenerativo con

dos fases de recalentamiento y dos etapas de interenfriamiento entre los limites de

presión de 100 y 1200KPa. El fluido de trabajo es el aire, el cual entra en la primera y

segunda etapa de la turbina a 1400k y 1300K, respectivamente,. Suponiendo que el

compresor y la turbina tiene una eficiencia isentrópica de 80 por ciento y el

regenerador tiene una eficacia de 75 por ciento y usando calores específicos variables

determine a) la relación de trabajo de retroceso y la salida del trabajo neto, b) la

eficiencia térmica y c) la eficiencia de la segunda ley del ciclo. También determine d)las exergias ala salida de la cámara de combustión (estado 6) y el regenerador

(estado10).

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄



55

⁄

Proceso 6 -7, 8 -9: expansión

⁄ ⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄



56

PROB.-28

Un avión de propulsión a reacción vuela con una velocidad de 320m/s a una altitud de

9150m, donde las condiciones ambientales son 32KPa y -32°C, la relación de presioneen el compresor es de 12 y la temperatura a la entrada de la turbina es de 1400K. el

aire entra al compresor a una tasa de de 60kg/s y el combustible del avión tiene un

poder calorífico de 42700kj/kg. Suponiendo una operación ideal para todos los

componentes y de calores específicos para el aire a temperatura ambiente, determine

a) la velocidad de los gases de escape, b) la potencia de propulsión desarrollada y c) la

tasa de consumo de combustible.



57

Compresor

()

Turbina

PROB.-29

Considere un avión impulsado por un turborreactor que tiene una relación de presión

de 12. El avión se encuentra estacionario sobre el suelo, mantenido fijo mediante sus

frenos. El aire ambiente esta a27°C y 95KPa y entra a la maquina a una tasa de 10kg/s.

el combustible del avión tiene un poder calorífico de 42700kj/kg y se quema

completamente a una tasa de 0.2kg/s. sin considerar el efecto del difusor y

descartando el ligero incremento en la masa a la salida del motor, así como la

ineficiencia s de los componentes de este, determine la fuerza que debe de aplicarse

sobre los frenos para mantener el avión estacionario.



58

Compresor:

Turbine:

⁄ ⁄

√

PROB.-30

A un motor de propulsión a reacción entra aire a 7°C a una tasa de 16kg/s y a una

velocidad de 300m/s (relativa al motor), el aire se calienta en la cámara de combustión

a una tasa de 15000kj/s y sale4 del motor a 427°C. Determine el empuje producido por

este motor de propulsión a reacción (sugerencia: elija todo el motor como un volumen

de control).



59

* +

PROB.-31

Un avión de propulsión a reacción vuela con una velocidad de 900km/h a una altitud

ala que la temperatura y la presión del aire es de -35°C y 40KPa. El aire sale del difusor

a 50KPa con una velocidad de 15m/s y los gases de combustión entran ala turbina a

450KPa y 950°C. La turbina produce 500KW de potencia, la cual se usa completamente

para accionar el compresor. Suponiendo una eficiencia isentrópica de 83 por ciento

para el compresor, la turbina y la tobera y utilizando calores específicos variables,

determine a) la presión de los gases de combustión a la salida de la turbina, b) el flujo

masico de aire a través del compresor, c) la velocidad de los gases a la salida de la

tobera y d) la potencia y la eficiencia propulsiva para es motor.



60

ciclos de potencia gas

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