Teroináica ara ingeniero PCP Cap. 13 Ciclo Joule -Braytonmiguelhadzich.com/wp-content/uploads/...13-Ciclo-Joule-Brayton-Had… · los problemas. Este ciclo Joule - Brayton tiene

Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.1

Termodinámica para ingenieros PUCP

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 màqui-nas, 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.

El Thrust SSC con propulsiòn a cohete rompiò la barrera del so-nido en el desierto de Nevada, en 1997, connuna velocidad media de 1228 km/h.-

Cap. 13

Ciclo Joule -Brayton

Vista de corte de un motor de avión que funciona con el ciclo Joule - Brayton.

Ciclo Joule-Brayton 13 - Pág.3Ciclo Joule-Brayton 13-Pág.2

Termodinámica para ingenieros PUCPCiClo Joule - Brayton

13.1 CICLO JOULE - BRAYTON (Centrales Térmicas a gas)

Este ciclo usa aire como portador de energías, la consid-eraremos como gas ideal y por lo tanto tendremos que usar fórmulas, no tablas !!

CICLO JOULE - BRAYTON

- Turbina a Gas.- Central Térmica a Gas.

Procesos:

1-2 : Compresión Adiabática.2-3 : Calentamiento Isobárico.3-4 : Expansión Adiabática.4-1 : Enfriamiento Isobárico (se asume).

Eficiencia del Ciclo:

A

B

)32(

)14(

)32(

)14()32(

)32(

)21(t)43(t

sum

tth

Q

Q1

Q

Q1

Q

QQ

Q

WW

Q

W

−=−=−

=−

==−

−

−

−−

−

−−∑η

ESQUEMA DE UNA TURBINA A GAS

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

Diga el nombre de cada una de las partes



Dónde se utiliza este Ciclo ? 13.2 .- CICLO JOULE - BRAYTON IDEAL

DIAGRAMA T - s CICLO JOULE - BRAYTON REAL

Motor de Helicoptero - Lab. Energia PUCP

Turbina a gas - Record Mundial de velocidad

Maquinas comerciales y de guerra

Turbina a gas de 40 KW - Lab. de Energia PUCP - 40,000 RPM

Concorde

Centrla Térmica a gas de Ventanilla, Perú. Se in-stalo en 1997, Siemens, dos de 160 MW cada uno.

Boeing 747



13.3 Compresores

- Aproximadamente adiabática.

Los compresores sir-ven para dar el flujo de masa m , y elevar la presión en gases !!

1. COMPRESOR:

Como h = Cp T, entonces

Wt 12 = m Cp (T2 - T1)

la entropia de un sistema adiabatico siempre tiene que aumentar

ww

w.nasatech.com

ww

w.aeat.com

ww

w.grc.nasa,gov

Diga las caracteristicas de los compresores

Indique las partes



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:

PCm

Q

Q

Q

c

)32(

c

sumcc ×

== −

η

PC: Poder Calorífico del Combustible en kJ/kg.

TIPOS DE COMPRESORES:

COMPRESORES ROTATORIOS Y CENTRIFUGOS

COMPRESORES DE PISTON O ALTERNATIVOS

Temperatura en un Com-presor de Pistón

Diga los nombres de los tipos de compresores

Quién le da potencia a los compresores ?

Señale con una flecha la Ubicación de los quemadores



13.5.- Turbinas a gas1. TURBINA A GAS:

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:

tmec

mec

WT

técnico Trabajoeje el en Trabajo

ωη

η

×=

=

1. GENERADOR ELECTRICO:

En la transformación de la energía eléctrica se pierde una pequeña cantidad de energía. Esta se expresa mediante:

ωη

×=

TVI

gen

Wt 34 = m Cp (T 3 - T4)

Perfiles Aerodinámicos

Diga algunas especificaciones de las turbinasTúnel de viento en Laboratorio

Dibuje el perfil aerodinámico de un ala de avión y explique su funcionamiento

Cuál es la diferencia entre sus perfiles ?





Esquema de una Turbina a Gas de eje único:



- CON RECALENTAMIENTO:Conforme aumenta la Relaciòn de Presiones Rp, el rendimiento tambièn aumen-ta 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 SOFT-WARE de Termodinàmica.

Ciclo con Regeneración

MODIFICACIONES EN EL CICLO:

- CON REGENERACIÓN:

4

6352

p

6352

TTTT :Entonces

Ideal)(Gas Tch :Ademáshmhmhmhm :Ley imeraPr

+=+

=+=+

13.6 Mejoras al Ciclo teòrico

Analice el area del diagrama cuando la relacion de presiones crece, es mejor o peor ?



Compresores de varias etapas

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

Ciclo con Recalentamiento

En este caso se mejora el àrea y el rendimiento total mejora.

Cual es el rendimiento de este ciclo ?



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.



13.8.- Ciclos Binarios





13.9 Curiosidades de estas tecnologìas



Cómo vuelan los grandes aviones ? Còmo vuelan los helicòpteros ?

Hacia donde deben girar las hélices ?



Misiles y CohetesVelocidades supersónicas

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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CiClo Joule - Brayton

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