Turbinas de gas

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Unidad IV: Turbinas de gas

UNIDAD IV
Turbinas de gas
4.1 Ciclo Brayton El ciclo Brayton fue propuesto por vez primera por George Brayton para emplearlo en el motor reciprocante que quemaba aceite que construyó en 1870. Hoy día se utiliza en turbinas de gas donde los procesos, tanto de compresión como de expansión, suceden en maquinaria rotatoria.

Las turbinas de gas generalmente operan enun ciclo abierto, como se observa en la siguiente figura:

Figura 4.1: Ciclo Brayton abierto

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. Luego los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde seexpanden 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 circulan), lo que provoca que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.

El ciclo de turbina de gas abierto recién descrito puede modelarse como un ciclo cerrado, del modo que se indica en la siguiente figura mediante las suposiciones de aireestándar.

Figura 4.2: Ciclo Brayton cerrado

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Unidad IV: Turbinas de gas

En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una fuente externa, y el proceso de escape se reemplaza por uno de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. El ciclo idealque el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, que está integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1-2 Compresión isoentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a presión constante 3-4 Expansión isoentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a presión constante Los diagramas T-s y P-v de un ciclo Brayton se muestra en la siguiente figura.Advierta que los cuatro procesos del ciclo se ejecutan en dispositivos de flujo estable.

Figura 4.3: Diagramas T-s y P-v del ciclo Brayton

Cuando los cambios en la energía cinética y potencial se ignoran, la ecuación de la conservación de la energía para un proceso de flujo estable puede expresarse por unidad de masa como:
(4-1)

Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y del fluido detrabajo es:
(4-2) (4-3)

En este caso la eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal bajo las suposiciones de aire frío estándar se convierte en:
(4-4)

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Considerando los procesos 1-2 y 3-4 son isoentrópicos y P2 = P3 y P4 = P1
(4-5)

Si se sustituyen estas ecuaciones en la relación de eficiencia térmica y se simplifica se obtiene
(4-6)

Donde k es larelación de calores específicos y rp es la relación de presiones P2/P1. La eficiencia térmica de un ciclo Brayton depende de: la relación de presiones de la turbina de gas, la relación de calores específicos del fluido de trabajo. En la siguiente figura se presenta un gráfica de la eficiencia térmica en función de la relación de presiones para k = 1.4

Figura 4.4: Eficiencia del ciclo Braytonsimple

El ciclo Brayton con regeneración En los motores de turbinas de gas, la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suelen ser bastante mayor que la temperatura del aire que abandona el compresor. Por consiguiente, el aire de alta presión que sale del compresor puede calentarse transfiriéndole calor de los gases de escape calientes en un intercambiador de calor acontra-flujo, el cual se conoce también como un regenerador o recuperador.
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Figura 4.5: Esquema y diagrama T-s del ciclo Brayton con regeneración

La eficiencia térmica del ciclo Brayton aumenta debido a la regeneración, en virtud de que la porción de energía de los gases de escape que normalmente se libera en los alrededores ahora se usa para precalentar el aire que...
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