Ciclos de Potencia Del Gas Informe

Escuela Militar de Ingeniería

CICLOS DE POTENCIA DEL GAS 1. INTRO INTRODUC DUCCI CIÓN ÓN Los dispositivos o sisteas !ue se usan para producir una salida neta de potencia se llaan a enudo otores o a!uinas t"ricas o los ciclos terodin#icos en los !ue operan se llaan ciclos de potencia. Los dispositivos o sisteas !ue se usan para producir un e$ecto de re$r re$rig iger erac aci% i%n n se lla llaan an re$r re$rig igera erado dore res& s& acon acondi dici cion onad ador ores es de aire aire o 'o'as t"ricas& ( los ciclos en los !ue operan se llaan ciclos de re$rigeraci%n. La a(or parte de los dispositivos !ue producen potencia operan en ciclos& ( el estudio de los ciclos de potencia es una parte interesante e iportante de la terodin#ica. Los ciclos !ue se llevan a ca'o en los dispositivos reales son di$íciles de anali)ar de'ido a la presencia de e$ectos coplicados coo la $ricci%n ( $alta de tiepo su*ciente para esta'lecer las condiciones de e!uili'rio durante el ciclo para !ue sea $acti'le. El estudio analítico de un ciclo es necesario antener estas cople+idades en un nivel ane+a'le ( utili)ar algunas ideali)aciones. Cuan Cuando do el cicl ciclo o real eal se le eli eliin inan an toda todass las las irr irrever eversi si'i 'ili lida dade dess ( cople+idades internas se consigue *nalente un ciclo !ue se parece en gran edida al real pero !ue est# $orado en su totalidad de procesos internaente irreversi'les tal ciclo es llaado un ciclo ideal. Los ciclos de potencia de gas o dispositivos cíclicos generadores de potencia revisten de gran iportancia en el estudio de la terodin#ica (a !ue varios sisteas ( a!uinas se 'asan en su $uncionaiento. Los odernos otores autootrices& caiones& 'arcos& tur'inas de gas son e+eplo de aplicaciones e,treadaente -tiles de estos e stos procesos. Los otores endot"ricos son a!uinas otrices cíclicas en las !ue la energía interna !ue posee un uido /vapor& /va por& gas0 se trans$ora parcialente en energía ec#nica& dico uido es el edio al !ue se le proporciona o sustrae en adecuados puntos del ciclo operativo.

Terodin# Terodin#ica ica

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2. M3RCO TEORICO 2.1.

Ciclo de 4ra(ton

El ciclo de 4ra(ton $ue propuesto priero por 5eorge 4ra(ton para uso en una a!uina de co'usti%n reciprocante !ue "l desarroll% alrededor de 1678. 9o(& esto es usado para tur'inas de gas donde solo a'os la copresi%n ( la e,pansi%n procesos !ue toan lugar en la a!uinaria rotativa.

Un ciclo Brayton /o Joule0 ideal odela el coportaiento de una tur'ina& coo las epleadas en las aeronaves. Este ciclo est# $orado por cuatro pasos reversi'les& seg-n se indica en la *gura. :rue'e !ue el rendiiento de este ciclo viene dado por la e,presi%n

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;iendo r < pB = p A la relación de presión igual al cociente entre la presi%n al *nal del proceso de copresi%n ( al inicio de "l.. El "todo para o'tener este resultado es an#logo al epleado para el Ciclo Otto. O4>ETI?O DEL CICLO 4R3@TON @ ;U; 3:LIC3CIONE; El o'+etivo del ciclo 4ra(ton de tur'ina de gas es convertir energía en $ora de calor en tra'a+o& por lo cual su rendiiento se e,presa en t"rinos de e*ciencia t"rica. Las dos principales #reas de aplicaci%n de la tur'inas de gas son la propulsi%n de aviones ( la generaci%n de energía el"ctrica. Cuando se eplean en propulsi%n de aviones& la tur'ina de gas produce la potencia su*ciente para accionar el copresor ( a un pe!ueAo generador !ue alienta el e!uipo au,iliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsa'les de producir el epu+e necesario para accionar la aeronave. Las tur'inas de gas ta'i"n se utili)an coo centrales estacionarias !ue producen energía el"ctrica. Bsta se genera ediante centrales el"ctricas de vapor. Las centrales el"ctricas de tur'ina de gas son epleadas por la industria de generaci%n el"ctrica en eergencias ( durante períodos picos gracias a su 'a+o costo ( r#pido tiepo de respuesta. Las tur'inas de gas ta'i"n se utili)an con las centrales el"ctricas de vapor en el lado de alta teperatura& $orando un ciclo dual. 3 continuaci%n se uestra el ciclo 4ra(ton en su odalidad de ciclo a'ierto.

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El ciclo ideal !ue el uido de tra'a+o e,perienta en este ciclo cerrado es el ciclo 4ra(ton& !ue est# integrado por cuatro proceso internaente reversi'les 12 copresi%n isentr%pica /en un copresor0 2 3dici%n de calor a :
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El uido de tra'a+o en ciclo cerrado entra al interca'iador de calor de teperatura elevada en el estado1& donde se le agrega energía a un proceso de presi%n constante& asta !ue alcan)a la teperatura elevada del estado 2. Entonces& el uido entra a la tur'ina ( tiene lugar una e,pansi%n isentr%pica& produciendo cierta potencia. El uido sale de la tur'ina al estado  ( pasa a ser en$riado& en un proceso a presi%n constante& en el interca'iador de calor de teperatura 'a+a& de donde sale al estado F& listo para entrar al copresor. 3í el uido es copriido isentr%picaente al estado 1 ( el ciclo se repite.

2.1.1.

Ciclo de 4ra(ton con regeneraci%n

En las #!uinas de tur'inas de gas la teperatura de los gases del escape !ue salen de la tur'ina suele ser considera'leente a(or !ue la del aire !ue sale del copresor. :or lo tanto el aire de alta presi%n !ue sale del copresor puede calentarse trans*ri"ndole calor desde los gases de escape calientes ediante un interca'iador de calor a contra u+o& el cual se conoce ta'i"n coo regenerador o recuperador.

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La e*ciencia t"rica del ciclo de 4ra(ton auenta coo resultado de la regeneraci%n (a !ue la porci%n de energía de los gases de escape !ue noralente se li'era acia los alrededores se usa para precalentar el aire !ue entra a la c#ara de co'usti%n esto a su ve) disinu(e los re!ueriientos de entrada de calor ( por ende de co'usti'le para la isa salida de tra'a+o neto. El uso de un regenerador solo se recoienda cuando la teperatura de escape de la tur'ina es #s alta !ue la teperatura de salida del copresor& de otro odo el calor uir# en la direcci%n inversa %sea acia los gases de escape ( la e*ciencia se regenera. Esta situaci%n se encuentra en las #!uinas de tur'inas de gas !ue operan con relaciones de presiones u( altas. Un regenerador con una e*cacia #s alta o'viaente aorrara una cantidad de co'usti'le !ue precalentara el aire a una teperatura #s elevada antes de la co'usti%n& sin e'argo lograr una a(or e*cacia re!uiere el uso de un regenerador #s grande& lo !ue iplica un precio superior ( causa una caída de presi%n #s grande. :or lo tanto el uso de un regenerador con una e*cacia u( alta no puede +usti*carse econ%icaente a enos !ue los aorros en costos de co'usti'le superen los gastos adicionales involucrados. La a(oría de los regeneradores utili)ados en la pr#ctica vienen e*cacias por de'a+o de 8.6G. :or consiguiente la e*ciencia t"rica de un ciclo de 4ra(ton con regeneraci%n depende de la relaci%n entre las teperaturas inina ( #,ia. En los otores de las tur'inas de gas& la teperatura de los gases de escape !ue salen de la tur'ina suelen ser 'astante a(or !ue la teperatura del aire !ue a'andona el copresor. :or consiguiente& el aire de alta presi%n !ue sale del copresor puede calentarse trans*ri"ndole calor de los gases de escape calientes en un interca'iador de calor a contrau+o& el cual se conoce ta'i"n coo un regenerador o recuperador. DI35R3M3 DE L3 MHUIN3 DE TUR4IN3 DE 53; CON RE5ENER3DOR

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La e*ciencia t"rica del ciclo 4ra(ton auenta de'ido a la regeneraci%n& en virtud de !ue la porci%n de energía de los gases de escape !ue noralente se li'era en los alrededores aora se usa para precalentar el aire !ue entra a la c#ara de co'usti%n. Esto& a su ve)& disinu(e los re!ueriientos de entrada de calor /( en consecuencia& de co'usti'le0 para la isa salida de tra'a+o neta. O'serve& sin e'argo !ue el epleo de un regenerador se recoienda solo cuando la teperatura de escape de la tur'ina es as alta !ue la teperatura de salida del copresor. De otro odo& el calor uir# en la direcci%n inversa /acia los gases de escape0& ( reducir# e*ciencia. Bsta relaci%n se encuentra en las #!uinas de tur'ina de gas !ue operan a relaciones de presi%n u( altas. Es evidente !ue un regenerador con una e*cacia as alta aorrar# una gran cantidad de co'usti'le puesto& !ue precalentar# el aire a una teperatura #s elevada& antes de la co'usti%n. ;in e'argo& lograr una e*cacia a(or re!uiere el epleo de un regenerador #s grande& el cual iplica un precio superior ( provoca una caída de presi%n #s grande. En consecuencia& el uso de un regenerador con e*cacia u( alta no puede +usti*carse econ%icaente a enos !ue los aorros de co'usti'le superen los gastos adicionales involucrados. La a(oría de los regeneradores utili)ados en la pr#ctica tienen e*cacias por de'a+o de 8.6G. :or consiguiente la efciencia térmica de un ciclo Brayton con regeneración depende de la relaci%n entre la ínia ( la #,ia teperaturas& así coo la relaci%n de presi%n.

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2.1.2.

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Ciclo de 4ra(ton sin regeneraci%n

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2.2.

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Ciclo de Otto

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2..

Ciclo de di"sel

Este se le conoce coo ciclo de encendido por copresi%n ( se reali)a a presi%n constante. El "todo utili)ado a!uí es en elevar la teperatura de la e)cla de co'usti'le ( aire por encia de su teperatura de ignici%n utili)ando relaciones de copresi%n en el intervalo 1F1 a 2F1 ( presiones de copresi%n de F88 a 788 l'=in 2. El ciclo !ue descri'e el coportaiento de este proceso es el ciclo Diesel& coo el ciclo te%rico es liitado solo se descri'ir#n sus características '#sicas. Este ciclo se copone de F procesos internaente reversi'les& este solo di*ere del ciclo de Otto en la $ase de co'usti%n /20& prevista a presi%n constante. Mediante un ciclo de aire est#ndar 'asado en capacidades t"ricas especí*cas constantes se puede acer un an#lisis -til del ciclo Diesel. En esas condiciones& los calores de entrada ( salida del ciclo est n dados por !.ent < cp/t  t20 ( !.sal < cv/tF  t10 en consecuencia .Diesel < cp/t  t20  cv/tF  t10= cp/t  t20 < 1  tF  t1=/t  t20 El ciclo Diesel te%rico es $undaentalente $unci%n de la relaci%n de copresi%n r& la relaci%n de co'usti%n rc ( la relaci%n de capacidades t"ricas especí*cas . La e*ciencia de este es siepre enor a la de un ciclo Otto para la isa relaci%n de copresi%n& si rc es a(or !ue la unidad. En caso de tener !ue considerar las capacidades t"ricas especí*cas varia'les& la ecuaci%n de la e*ciencia se convierte en .Diesel < 1 uFu1=2 Donde u (  se eval-an de ta'las& las teperaturas de los estados 2 ( F se calculan ediante las relaciones isoentropicas vr2 < vr1 ?2=?1


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Ciclo del otor diesel est#ndar de aire El t"rino encendido por copresi%n se usa tipicaente en la literatura t"cnica para descri'ir otores odernos& llaados usualente otores diesel. Esto est# en contraposici%n con encendido por cispa& de los típicos otores de gasolina de los auto%viles& !ue operan en un ciclo derivado del ciclo Otto. Rudolp Diesel patent% el ciclo de encendido por copresi%n !ue lleva su no're desde la d"cada de 16K8.

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. C#lculos

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F. Conclusi%n :ara el e+or estudio de los ciclos de potencia de gas se utili)a una anera ideali)ada de los isos en la !ue se eliinan ciertos puntos para no coplicar su ra)onaiento& en estas $oras de an#lisis todos los procesos& son reversi'les

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G. 4i'liogra$ía ttp==es.iipedia.org=ii=CicloP4ra(ton ttp==teroaplicadaune$.*les.ordpress.co=288K=82=guia teaF1.pd$

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