turbinas termodinamica

Análisis termodinámico de ciclos. Ciclos de turbina de gas
1 Ciclo de Joule o Brayton ideal.
1.
ideal
2. Ciclo Brayton real. Rendimiento
3. Influencia de los diferentes parámetros sobre el rendimiento,
trabajo y calor en el ciclo Brayton.
4. Turbina de gas regenerativa.
5. Minimización del trabajo realizado por un compresor.
6. Turbina de gas regenerativa con recalentamiento yrefrigeración.
7. Ciclo combinado: Turbina de gas y turbina de vapor.
8. Ejemplos
Bibliografía:
Capítulo 10. Libro Termodinámica Aplicada. SPUPV. Ref. 2005-508.
Capítulo 9. Fundamentos de termodinámica Técnica. Vol. 2. M.J.Moran,
H.N.Shapiro. Editorial Reverté. Vol.1 1993.
Capítulo 8. Termodinámica. Y.A. Çengel, M. A. Boles. Ed.McGraw-Hill. 1996.

1. Ciclo de Joule o Brayton.
Las turbinas de gasdebido a su tamaño y peso poseen una relación potencia/peso que las hace especialmente
interesantes en los sistemas de propulsión.
Representación de una turbina de gas simple: a) abierta. b) cerrada.
combustible

Qe
Intercambiador
de calor

Intercambiador
de calor
Turbina

Compresor

Turbina

Compresor

Intercambiador
de calor
Qs
(a) MCI

(b) MCE

Ciclo Brayton simpleideal
p
2

qe

dh  Tds  vdp
T

3

qe

s=cte

s=cte
1

qs

4

p=cte

3

 h 
  T
 s  p

4

2
p=cte

qs

1
v

s

T
 h 
 T 
 T 
   cp 
 T 
 
 s  p
 s  p
 s  p c p

1

2. Ciclo de Brayton. Irreversibilidades. Rendimiento.
Q e
 h3  h2
m
Q s
 h1  h4
m

Suponiendo que la turbina opera de formaadiabática

WT
 h3  h4
m

WC
 h1  h2
m

WNeto  WT  WC  WT  WC

Rendimiento de un ciclo Brayton ideal
WT WC

Wneto
t
m  (h3  h4 )  (h1  h2 )  1  h4  h1
η 
 m

Q e
Qe
h3  h2
h3  h2
m
Razón de trabajos
W

rw 

c

WT



  1

T
η  1 1
T2

1
 p2 


 p1 

k 1
k

 1

1

p

T1
 p
T3

Efecto de larazón de presiones
CA: Mayor
rendimiento

T

3’

3

2’

Temperatura
entrada en la
Turbina. T3

4

2

CB: Mayor trabajo neto
por unidad de masa

4’
1

El ciclo CA posee mayor razón de
compresión que el CB y por tanto el
rendimiento será mayor. Sin embargo, el
área encerrada por el ciclo CB, que supone
un trabajo neto mayor, es más grande que la
encerrada por el cicloCA. Esto significa que
la potencia neta que por unidad de masa
desarrolla la turbina en el ciclo CB es mayor
que la que desarrolla en el ciclo CA.

s

2. Ciclo de Brayton. Irreversibilidades. Rendimiento.
Ciclo Brayton simple real: Rendimiento

T
p2‐3=cte

3

2s 2

 s ,c

W T 

m 

4

 s ,T  

4s

W T 

m 

S

p4‐1=cte

1

W
η  neto
Q
eW c 
 m 

 S h2 s  h1 T2 s  T1



h2  h1
T2  T1
W C 

m 




h3  h 4
T  T4
 3
h3  h4 s T3  T4 s

s
WT WC

m  (h3  h4 )  (h1  h2 )  1  T4  T1
 m
Q
h h
T T
e

3

2

3

2

m

Llamando:  

T3
T1



1
( p  1)
T2  T1 1 

  s ,c


1 
T4  T3 1   s ,T (1  )
 p 



1 T3 1   s ,T (1  )  T1
 p 


  1


1
T3  T1 1 
( p  1)

s
,
c



   s ,T   s , c  



1 
)  1
 p 


  1


1
( p  1)
  1 
  s ,c


  1   s ,c (  1)

 1   s ,T (1 

(   p )(1 



1

p

)

(   p )

2

3. Ciclo de Brayton. Influencia de los distintos parámetros sobre eltrabajo y el
calor y el rendimiento
El trabajo neto y el calor absorbido en un ciclo Brayton:

W m 

Neto

c p T1



 s ,c

(   p )  (1 

1

p

)





Q e m 

c pT

 s ,C 1

(   p )

(   p )(1 



ad
dimensional // MJ/kg

10
1,0

1

p

)

(   p )

0,8

ideal

0,6
0,4

WIdeal

02
0,2
Wreal

0,0
1,0...