Instituto Tecnológico Superior de San Andrés Tuxtla
Nombre del alumno: Terpsycore Comi González Grupo: 702-A Carrera: Ingeniería Electromecánica Catedrático:
Instituto Tecnológico Superior de San Andrés Tuxtla
Nombre del alumno: Terpsycore Comi González Grupo: 702-A Carrera: Ingeniería Electromecánica Catedrático:
Contenido Competencias Competencias específicas. específicas. ................................ ................................ .. 4 Temario ............................................................................................... 5 Criterios de evaluación ............................ ................................ ............ 7 Introducción.............................. ................................ ........................... 8 Unidad 3.- Ciclo de gas. gas. ................................ ................................ ...... 9 3.1 Ciclo Brayton ideal............................. ................................ ............ 9 3.2 Ciclo Brayton real. ............................. ................................ ...........12 3.3 Ciclo Brayton con regeneración. .............................. .....................14 3.4 Ciclo Brayton con interenfriamiento. interenfriamiento. ............................. ................16 3.5 Ciclo Brayton con recalentamiento. ..............................................19 3.6 Eficiencia ............................ ................................ ..........................20 Actividades Actividades en clase ................................ ................................ ...........25 Conclusión................................ ................................ ..........................28 Referencias bibliográficas bibliográficas.............................. ................................ .....29
Competencias específicas. Realizar la evaluación energética, el balance térmico de los diferentes motores de combustión interna y de los ciclos de vapor, ciclos de gas, ciclos combinados compresores, así como su selección y fundamentos para su mantenimiento.
Temario
Unidad 1.- Ciclo de vapor 1.1 Ciclos Rankine 1.2 Ciclo de Hirn 1.3 Ciclo Carnot 1.4 Eficiencia
Unidad 2.- Motores de combustión interna. 2.1 Clasificación de los motores de combustión interna. 2.2 Motor Otto 2.3 Motor Diésel. 2.4 Sistemas auxiliares (Sistema de encendido sistema de inyección, sistema de lubricación, sistema de enfriamiento). 2.5 Motores de propulsión a chorro.
Unidad 4.- Ciclos combinados. 4.1 Tipos de ciclos combinados 4.2 En la generación de energía 4.3 En la cogeneración 4.4 Eficiencia energética
Unidad 5.- Compresores. 5.1 Clasificación 5.2 Análisis de la primera ley de la termodinámica en un compresor reciprocante y centrífugos 5.3 Compresión multietapa con enfriamiento intermedio 5.4 Eficiencia isotérmica del compresor
Criterios de evaluación Investigación: Se utilizara lista de cotejo para revisar la investigación cumpliendo con los siguientes lineamientos: Portada, Introducción; desarrollo del tema, ortografía, calidad del contenido, conclusión y mínimo 3 referencias bibliográficas. (25%)
Exposición: se evaluara con guía de observación. Considerando aspectos como: puntualidad, uso del tiempo, tono de voz, vocabulario, dominio del tema, atención a la audiencia, tamaño de la letra, síntesis de la información, calidad de contenido. (30%)
Resolución de ejercicios prácticos: Ejercicios que al alumno resolverá en clase y extra clase, en forma correcta acorde con el tema (libreta de apuntes). Se evaluara con lista de cotejo. (25%)
Examen escrito: Se evaluaran conocimientos adquiridos. (20%)
Introducción La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos, y el estudio de los ciclos de potencia es una parte interesante e importante de la termodinámica, y precisamente en este escrito trataremos la base para los motores de turbina de gas el Ciclo Brayton. Los ciclos que se efectúan en dispositivos reales son difíciles de examinar porque hay demasiadas variaciones y detalles que se tienen que tomar en cuenta al mismo tiempo y se complica demasiado el entorno. Para facilitar el estudio de los ciclos se optó por crear el llamado ciclo ideal, en el cual se eliminan todas esas complicaciones que no permiten un análisis eficaz, por lo tanto se llega a alejar de la realidad pero en una manera moderada. En el siguiente esquema se puede llegar a apreciar una aproximación entre un ciclo ideal y uno real. Se puede notar que difieren pero se encuentran aproximadamente en el mismo rango.
Unidad 3.- Ciclo de gas. 3.1 Ciclo Brayton ideal. Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión
Siendo r = p B / p A la relación de presión igual al cociente entre la presión al final del proceso de compresión y al inicio de él.. El método para obtener este resultado es análogo al empleado para el Ciclo Otto. El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:
Compresor El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.
C ámara de combus tión En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.
Turbina El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.
Escape Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al
Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto.
3.2 Ciclo Brayton real. En un ciclo de una turbina de gas, se usa distinta maquinaria para los diversos procesos del ciclo. Inicialmente el aire se comprime adiabáticamente en un compresor rotatorio axial o centrífugo. Al final de este proceso, el aire entra a una cámara de combustión en la que el combustible se inyecta y se quema a presión constante. Los productos de la combustión se expanden después al pasar por una turbina, hasta que llegan a la presión de los alrededores. Un ciclo compuesto de estos tres pasos recibe el nombre de ciclo abierto, porque el ciclo no se completa en realidad. Los ciclos de las turbinas de gas reales son ciclos abiertos, porque continuamente se debe alimentar aire nuevo al compresor. Si se desea examinar un ciclo cerrado, los productos de la combustión que se han expandido al pasar por la
El ciclo Brayton está integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1-2
Compresión isoentrópica en un compresor.
2-3 Adición de calor a P=constante. 3-4 Expansión isoentrópica en una turbina. 4-1
Rechazo de calor a P=constante.
3.3 Ciclo Brayton con regeneración. Para el ciclo Brayton, la temperatura de salida de la turbina es mayor que la temperatura de salida del compresor. Por lo tanto, un intercambiador de calor puede ser colocado entre la salida de los gases calientes de la turbina y la salida de los gases fríos que salen del compresor. Este intercambiador de calor es conocido como regenerador o recuperador. La regeneración conviene solo cuando la relación de presión en la expansión es baja, ya que de esta manera se puede asegurar que el calor máximo estará dado por la corriente que en un ciclo simple se desprende hacia el ambiente, este calor máximo se aprovecha para precalentar el aire que va a entrar a la cámara de combustión, significando esto un ahorro energético significativo. Para el caso contario, es decir, relación de presiones altas, este calor será muy bajo, pues saldrá a temperatura muy baja, producto de la expansión excesiva, perdiéndose este calor al ambiente, sin poder aprovecharlo.
Usando un análisis de ciclo cerrado y tratando la adición de calor y rechazo de calor como procesos de flujo estable, la eficiencia térmica del ciclo regenerativo es:
Note que la transferencia de calor que ocurre dentro del regenerador no está incluida en los cálculos de la eficiencia porque esta energía no es una transferencia de calor a través de la frontera del ciclo. Asumiendo un regenerador ideal €regen = 1 y calores específicos constantes, se pueden decir que todo el calor de la corriente superior se transfiere hacia la corriente inferior, pero esto nunca ocurrirá en la realidad, son aproximaciones que se asumen cuando no contamos con datos suficientes para resolver el problema, esto más que todo se hace cuando no nos suministran el valor de la eficiencia del regenerador.
3.4 Ciclo Brayton con interenfriamiento. Cuando se emplea la compresión en múltiples etapas, enfriar el fluido de trabajo entre etapas reduce la cantidad de trabajo requerido por el compresor. El trabajo del compresor es reducido porque el enfriamiento del fluido de trabajo reduce el volumen específico promedio del fluido y por lo tanto reduce la cantidad de trabajo en el fluido para alcanzar el aumento de presión dado.
3.5 Ciclo Brayton con recalentamiento. A menudo es efectivo utilizar junto al ciclo de Interenfriamiento una turbina multietapa, ya que permite que los gases se expandan solo parcialmente antes de que vuelvan a otra cámara de combustión, designada como cámara de combustión para el recalentamiento. En la cámara de recalentamiento el calor se transfiere idealmente a presión constante hasta que se alcanza la temperatura límite en el estado 5. Después tiene lugar otra expansión hasta alcanzar la presi ón ambiente en el estado 6.
A continuación se muestra el diagrama T-S para una turbina de gas de aire estándar con recalentamiento.
3.6 Eficiencia
Eficiencia en función del calor. Intercambio de calor. De los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabáticos A→B y C→D, por definición. Sí se intercambia en los dos
procesos isobaros.
En la combustión B→C, una cierta cantidad de calor Qc (procedente de la
energía interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a presión constante, el calor coincide con el aumento de la entalpía
El subíndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto foco caliente.
En la expulsión de los gases D→A el aire sale a una temperatura mayor que a
la entrada, liberando posteriormente un calor | Qf | al ambiente. En el modelo
En la combustión el gas se expande a presión constante, por lo que el trabajo es igual a la presión por el incremento de volumen, cambiado de signo:
Este trabajo es negativo, ya que es el aire, al expandirse, el que realiza el trabajo. Aplicando la ecuación de los gases ideales y que pB = pC , podemos escribir este trabajo como
En la expansión C→D es el aire el que realiza trabajo sobr e el pistón. De nuevo
este trabajo útil equivale a la variación de la energía interna
Este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza.
Rendimiento. El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general como “lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que sacamos es el
trabajo neto útil, | W |. Lo que nos cuesta es el calor Qc , que introducimos en la combustión. No podemos restarle el calor | Qf | ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violaría el enunciado de Kelvin-Planck) . Por tanto
Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores
Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica.
Con γ = 1.4 la relación entre las capacidades caloríficas a presión constante y a volumen
constante.
Sustituyendo
aquí
la
ecuación
de
los
gases
ideales V = nRT / p nos quedan las relaciones entre presiones y temperaturas
Sustituyendo la igualdad de presiones
y dividiendo la segunda por la primera, obtenemos la igualdad de proporciones
Restando la unidad a cada miembro
Puesto que T B < T C, siendo T C la temperatura máxima que alcanza el aire, vemos ya que este ciclo va a tener un rendimiento menor que un ciclo de Carnot que opere entre esas las temperaturas T A y T C.
Eficiencia en función de la relación de la presión. Aplicando de nuevo la relación de Poisson
Podemos expresar el rendimiento como
Con r = pB / V A la relación de presión entre la presión final y la inicial. La eficiencia teórica de un ciclo Brayton depende, por tanto, exclusivamente de la relación de presiones. Para un valor típico de 8 esta eficiencia es del 44.8%.
Actividades en clase
Conclusión El ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas. Tiene como 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 otras aplicaciones. Este puede ser operado de varias maneras, ya sea abierto o cerrado, existen formas de optimizar su rendimiento, pero hay que tener mucho cuidado en examinar si vale la pena hacer cambios. Una manera de mejorar un ciclo cerrado es la regeneración empleando parte de la energía desechada para calentar los gases que dejan 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 los mismos en la que se eliminan ciertos puntos para no complicar su razonamiento, en estas formas de análisis todos los procesos son reversibles.
Referencias bibliográficas 1. http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Brayton 2. https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/guia-tema-41.pdf 3. http://www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas_termicas/03-turbina_a_gas.pdf 4. https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/05/tema-iv-ciclosbrayton6.pdf
INSTITUTO TECNOLÒGICO SUPERIOR DE SAN ANDRES TUXTLA
PRODUCTO: PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS
ASIGNATURA: MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS II
GRUPO: 702 A
CARRERA: INGENIERIA ELECTROMECANICA PERIODO ESCOLAR: AGOSTO – DICIEMBRE DE 2017 NOMBRE DEL DOCENTE: ING. ALEJANDRO OLIVERIO COPETE PAXTIAN
SEMESTRE: SEPTIMO
FECHA: 19 de octubre de 2017 TEMA No. 3.
FIRMA DE EL (LA) ALUMNO NOMBRE DE EL (LA) ALUMNO (A): Terpsycore Comi (A): González NOMBRE DEL TEMA: 3.- Ciclo de gas SUBTEMA EXPUESTO: 3.4 Ciclo Brayton ideal.
GUIA DE OBSERVACION PARA EXPOSICION CRITERIOS DE EVALUACION Aspectos generales. Puntualidad. Uso del tiempo Tono de voz.
Desempeño. Dominio del Tema
PUNTAJE
PORCENTA JE
CALIFICACIO N
INSTITUTO TECNOLÒGICO SUPERIOR DE SAN ANDRES TUXTLA
PRODUCTO: PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS
ASIGNATURA: MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS II
GRUPO: 702 A
CARRERA: INGENIERIA ELECTROMECANICA NOMBRE DEL DOCENTE: ING. ALEJANDRO OLIVERIO COPETE PAXTIAN
FECHA: 19
NOMBRE DE EL (LA) ALUMNO (A): NOMBRE DEL TEMA: 3.-
Terpsycore Comi González
Ciclo de gas
SEMESTRE: SEPTIMO
de octubre de 2017
TEMA No. 2
FIRMA:
SUBTEMA DEL PROBLEMARIO: 3.4
Ciclo Brayton
ideal. RUBRICA DE PROBLEMARIO DEL TEMA PUNTAJE
9.5 - 10
8.5 – 9.4
7.5 – 8.4
7.0 – 7.4
0
CRITERIO/ CALIDAD
Excelente
Notable
Bueno
Suficiente
Insuficient e
Tiene completo nombre de la escuela (logotipo), Carrera, Asignatura, Profesor, Alumnos, Matricula, Grupo, Lugar y fecha de entrega.
Casi completo nombre de la escuela (logotipo), Carrera, Asignatura, Profesor, Alumnos, Matricula, Grupo, Lugar y fecha de entrega.
Unos pocos errores de nombre de la escuela (logotipo), Carrera, Asignatura, Profesor, Alumnos, Matricula, Grupo, Lugar y fecha de entrega.
Presenta calidad y limpieza.
Presenta poca calidad y limpieza.
Al finalizar el tema correspondiente,
Al finalizar el tema correspondiente,
Varios errores de nombre de la escuela (logotipo), Carrera, Asignatura, Profesor, Alumnos, Matricula, Grupo, Lugar y fecha de entrega. Presenta muy poca calidad y limpieza. Al finalizar el tema
Muchísimos errores de nombre de la escuela (logotipo), Carrera, Asignatura, Profesor, Alumnos, Matricula, Grupo, Lugar y fecha de entrega. No presenta calidad y limpieza. Al finalizar el tema
Hoja de presentación
Calidad del problemario
Presenta excelente calidad y limpieza. Al finalizar el tema correspondiente,
Puntos
INSTITUTO TECNOLÒGICO SUPERIOR DE SAN ANDRES TUXTLA ASIGNATURA: MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS II CARRERA: INGENIERIA ELECTROMECANICA NOMBRE DEL DOCENTE: ING. ALEJANDRO OLIVERIO COPETE PAXTIAN NOMBRE DEL ALUMNO (A): NOMBRE DEL TEMA:
Terpsycore Comi González
3.- Ciclo de gas
PRODUCTO: PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS GRUPO: 702 A FECHA: 19 TEMA
No.
SEMESTRE: SEPTIMO
de octubre de 2017 FIRMA:
2
SUBTEMA INVESTIGADO: 3.4
Ciclo Brayton ideal.
RUBRICA DE TRABAJO DE INVESTIGACION PUNTAJE
9.5 - 10
8.5 - 9.4
7.5 – 8.4
7.0 – 7.4
0
CRITERIO/ CALIDAD
Excelente
Notable
Bueno
Suficiente
Insuficiente
Hoja de presentació n
Tiene completo nombre de la escuela (logotipo), Carrera, Asignatura, Profesor, Alumnos, Matricula, Grupo, Lugar y fecha de entrega.
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Muchísimos errores de nombre de la escuela (logotipo), Carrera, Asignatura, Profesor, Alumnos, Matricula, Grupo, Lugar y fecha de entrega.
Tiene una poca introducción dan una idea clara del contenido del trabajo, motivando al lector a continuar con su lectura y revisión
Tiene mínima introducción dan una idea clara del contenido del trabajo, motivando al lector a continuar con su lectura y revisión
No tiene introducción dan una idea clara del contenido del trabajo, motivando al lector a continuar con su lectura y revisión
Introducción
Tiene una amplia introducción dan una idea clara del contenido del trabajo, motivando al lector a continuar con su lectura y revisión
Casi completo nombre de la escuela (logotipo), Carrera, Asignatura, Profesor, Alumnos, Matricula, Grupo, Lugar y fecha de entrega. Tiene una mediana introducción dan una idea clara del contenido del trabajo, motivando al lector a continuar
Puntos
INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE SAN ANDRES TUXTLA RUBRICA PARA EVALUAR LA PARTICIPACION EN CLASE NOMBRE DEL ALUMNO:
Terpsycore Comi González
CARRERA:
INGENIERIA ELECTROMECANICA
FECHA: MATERIA:
MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS II
GRUPO:
702 A
TEMA:
3.- Ciclo de gas 3.4 Ciclo Brayton ideal.
19 de octubre de 2017
SUBTEMA: NOMBRE DEL DOCENTE:
CRITERIOS: EL O LA ESTUDIANTE Domina el tema
ING. ALEJANDRO OLIVERIO COPETE PAXTIAN
EXCELENTE 19 - 20 PUNTOS
Realiza aportaciones de calidad
BUENO 15 – 16.8 PUNTOS
SUFICIENTE 14 – 14.8 PUNTOS
INSUFICIENTE 0 PUNTOS
PUNTUACION LOGRADA
Juzga excelencia en el Convence en el Analiza el manejo Lista los conceptos de No maneja los temas clave. manejo de los temas manejo de los clave de los los temas clave. clave. temas clave. conceptos.
Participación en el Apoya trabajo colaborativo constructivamente el trabajo de otros. Sustenta Justifica evidencias que teóricamente sus apoyan sus opiniones, opiniones de acuerdo con su experiencia y lecturas previas del material.
Realiza aportes innovadores en las discusiones
NOTABLE 17- 18.8 PUNTOS
Frecuentemente evalúa nuevas interpretaciones del material que se discute. Contribuye con contenido relevante e invita a la reflexión.
Critica constructivamente el trabajo de otros. Selecciona evidencias que apoyan sus opiniones, de acuerdo con su experiencia y lecturas previas del material. Explica nuevas interpretaciones del material que se discute. Discute con contenido relevante e invita a la reflexión.
Ordena constructivamente el trabajo de otros. Examina evidencias que apoyan sus opiniones, de acuerdo con su experiencia y lecturas previas del material.
Es capaz de distinguir en ciertos aspectos el trabajo de otros. Tiene habilidades básicas para apoyar sus opiniones y demuestra conocimiento del material de estudio.
Nunca expresa su opinión sobre los temas discutidos
Distingue nuevas interpretaciones del material que se discute. Participa de forma regular en la discusión con aportes interesantes.
Expone interpretaciones del material que se discute. Ofrece puntos de vista cortos, superficiales e irrelevantes.
No emite nuevas perspectivas a los temas discutidos.
No aporta evidencias que apoyen sus opiniones.
3
No contribuye con ningún contenido relevante.
Puntuación total Puntuación Calificación de la rubrica
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