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Investigación del ciclo brayton, y su eficiencia practica...

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CICLO BRAYTON. Pablo García, Junior Japón, Edgar Orellana, Marco Rodríguez, Ing. Juvenal Ortiz. Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas, Carrera de Ingeniería Industrial Asignatura: Termodinámica II, Cuenca – Ecuador, Fecha de entrega: 08/05/2019 i

I.INTRODUCCIÓN

Como base del estudio de termodinámica se tiene conocimiento que las turbinas de gas operan mediante el suministro de un flujo másico de aire el cual tiene ciertas propiedades termodinámicas que deben ser consideradas para aumentar el desempeño de estos componentes, si se logra reducir la temperatura ambiente la capacidad y eficiencia de las turbinas aumentaría. Además, es importante tomar en cuenta ciertos parámetros físicos como es la presión atmosférica ya que esta influye en la densidad del aire así también se debe tener conocimiento sobre el combustible que mejor rendimiento ocasione en el ciclo. A continuación se da a conocer los métodos que han sido investigados para mejorar la eficiencia del ciclo, como son, incrementar las temperaturas de entrada de la turbina, mejorar la calidad de los materiales en las turbo máquinas, así también como adherir al sistema simple equipos que modifiquen las propiedades del sistema.

La eficiencia térmica del ciclo Brayton simple depende esencialmente de la compresión del flujo másico, de manera que si se aumenta la relación de compresión se da la necesidad de proporcionar un mayor suministro de calor al sistema, esto se debe a que las líneas de presión constante difieren hacia arriba y hacia la derecha dentro de un diagrama T-s y la temperatura máxima del ciclo será mayor. Como se suministra mayor calor, la eficiencia térmica del ciclo aumentara en base la ratio de compresión. Los estudios para mejorar la eficiencia del ciclo Brayton se concentra en 3 puntos: 1. Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina: El principio de incremento de temperaturas en la turbina de gas es el enfoque principal para mejorar su eficiencia. Utilizar vapor de agua como refrigerante permite el aumento de las temperaturas de entrada de la turbina sin que haya un incremento en la temperatura de combustión. En base a estudios realizados en la vida real se puede tener como un dato de referencia que las temperaturas de entrada en la turbina

II.

OBJETIVOS

Objetivo general Mejorar la eficiencia térmica de un ciclo Brayton. Objetivos específicos  



Conocer y determinar las condiciones de operación del ciclo. Aplicar los conocimientos obtenidos, para buscar una forma eficiente mediante termodinámica para mejorar el ciclo Brayton. Investigar y desarrollar un simulador, para resolver de una manera fácil el ciclo.

III.

DESARROLLO DEL TRABAJO

Formas de mejorar la eficiencia en el funcionamiento de un ciclo Brayton simple.

han tenido un aumento en forma constante desde 540 °C hasta 1425 °C e incluso más en la actualidad, esto es posible gracias al desarrollo de nuevos materiales y por las constantes innovaciones técnicas de enfriamiento para componentes, de forma que una de las más importantes es la de revestir los alavés de la turbina con capas cerámicas y proceder al enfriamiento de los mismos mediante la descarga de aire del compresor. 2. Incremento de las eficiencias de los componentes de turbo maquinaria. Por medio del advenimiento de las computadoras y de las técnicas avanzadas de diseño asistido por computadora es posible diseñar componentes aerodinámicos, que pueden ser probados mediante una simulación de trabajo mejorando la eficiencia de los componentes, de modo que las pérdidas son

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mínimas. Este proceso conlleva a un estudio mecánico de resistencia de materiales. 3. Adición de modificaciones al ciclo básico. Las eficiencias del ciclo simple de las primeras turbinas de gas fueron prácticamente duplicadas al incorporar al ciclo un sistema de interenfriamiento, regeneración y recalentamiento. 3.1. Ciclo con enfriamiento intermedio del aire. Mediante este método lo que se hace es comprimir los gases que ingresan al sistema en dos etapas, con una refrigeración intermedia, para permitir que salga parte del calor que han adquirido los gases en la primera etapa de compresión. De manera que es evidente que el trabajo que realiza el compresor de 1 a 2 es mayor que el del compresor de 3 a 4, al tener un menor trabajo de compresión, el trabajo neto del ciclo con enfriador será mayor que el trabajo neto del ciclo sin enfriador.(Fig. 1)

3.3. Ciclo regenerativo. En ocasiones la temperatura del aire que sale de la turbina es superior a la temperatura con la que sale el aire del compresor, por lo que se adhiere al ciclo un sistema regenerativo. El trabajo neto desarrollado en el ciclo regenerativo en los puntos 1-2-3-4-5-6, es el mismo que en el ciclo Brayton simple en los puntos 1-2-4-1 porque el trabajo realizado por el compresor y el trabajo producido por la turbina no varía en los dos casos. Pero al requerir menor calor de adición para elevar la temperatura al valor máximo del ciclo (T4), se obtiene eficiencias térmicas más favorables para el ciclo regenerativo. (Fig.3)

3.2. Ciclo con recalentamiento intermedio. La expansión de los gases se realizan en dos etapas, además,se incrementa una segunda cámara de combustión a la salida de la turbina de alta presión para elevar la temperatura de los gases que entran a la turbina de baja presión, el trabajo de compresión es el mismo para el ciclo con y sin recalentamiento, sin embargo, el trabajo de la turbina de baja presión es superior en ambos casos.(Fig. 2) IV.

EJERCICIO PROPUESTO.

La turbina de gas 7FA fabricada por General Electric se reporta que tiene una eficiencia de 35,9 % en el modo de ciclo simple y que produce 159 MW de potencia neta. La relación de presiones

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es 14,7, y la temperatura de entrada a la turbina es de 1288 °C. El flujo másico a través de la turbina es de 1536000 kg/h. Tomando las condiciones ambientes como 30 °C y 100 kPa. a) Determine la eficiencia isentrópica de la turbina y del compresor. b) Usando Excel u otro software como MATLAB, analice el problema para varias eficiencias isentrópicas y relaciones de presión, de manera que se pueda visualizar gráficamente como afectan dichas variables a la eficiencia térmica y a la salida de potencia neta. c) Determine para que valor razonable de relación de presiones la salida de potencia neta sería máxima manteniendo el mismo rango de temperaturas. Nota: Detalle y explique brevemente todas las suposiciones realizadas. SOLUCION:

LITERAL A: Datos: Potencia (P)= 159 Mw x 1000 Kw/1 Mw=159000Kw. Eficiencia térmica (ηter)= 0.359 Relación de presión (rp)= 14.7 Flujo másico (m)= 1536000 Kg/h x 1h/3600s= 426.67 Kg/s Incognitas: Eficiencia de la turbina Eficiencia del comprensor ηT =? ηC=? Grafico: Ciclo Brayton.

h2s= 653.247 KJ/Kg Pr2s=21.1027 E3 T=1288 ℃= 1561K h3= 1710.17 KJ/Kg Pr3= 712.475 E4s h4s= 825.21KJ/Kg Pr4s=48.467

h2a=672.15 KJ/Kg

E4a h4a=968.578 KJ/Kg

Cálculos: Entalpia1 (h1) y presión relativa 1 (Pr1) Tabla de propiedades de gas ideal del aire (A-17) T1(K) h1(KJ/Kg) Pr1 300 300.19 1.3860 303 h1 Pr1 305 305.22 1.4686 303-300/305-300=h1-300.19/305.22-300.19 h1= 303.208 KJ/Kg 303-300/305-300=Pr1-1.3860/1.4686-1.3860 Pr1= 1.43556 Entalpia2s (h2s) y presión relativa 2s (Pr2s) Tabla de propiedades de gas ideal del aire (A-17) rp= 14.7 Pr1=1.43556 rp=Pr2s/Pr1 Pr2s=rpxPr1 Pr2s=14.7x1.43556=21.1027 Pr2s h2s (KJ/Kg) 20.64 649.22 21.1027 h2s 21.86 659.84 21.1027-20.64/21.86-20.64=h2s-649.22/659.84-649.22 h2s= 653.247 KJ/Kg Entalpia3 (h3) y presión relativa 3 (Pr3) Tabla de propiedades de gas ideal del aire (A-17) T3 (K) h3 (KJ/Kg) Pr3 1560 1708.82 710.5 1561 h3 Pr3 1580 1733.17 750 1561-1560/1580-1560=h3-1708.82/1733.17-1708.82 h3= 1710.0375 KJ/Kg 1561-1560/1580-1560=Pr3-710.5/750-710.5 Pr3= 712.475 Entalpia4s (h4s) y presión relativa 4s (Pr4s) Tabla de propiedades de gas ideal del aire (A-17) rp= 14.7 Pr3=712.475 rp=Pr3/Pr4s Pr4s=Pr3/rp Pr4s=712.475/14.7= 48.467

Estados del ciclo: E1 T=30 ℃= 303K P1= 100Kpa h1= 303.208 KJ/Kg Pr1=1.43556 E2s

E2a

Pr4s h4s (KJ/Kg) 47.75 821.95 48.467 h4s 52.59 843.98 48.467-47.75/52.59-47.75=h4s-821.95/843.98-821.95 h4s=825.21 KJ/Kg

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Trabajo Neto (Wneto) P= 159000Kw = 159000KJ/s m= 426.67 Kg/s P= Wneto x m Wneto=P/m Wneto= 159000Kj/s/426.67 Kg/s Wneto= 372.65 KJ/Kg Calor de entrada (Qin) ηter= 0.359 Wneto= 372.65 KJ/Kg ηter= Wneto/Qin Qin=Wneto/ ηter Qin= 372.65 KJ/Kg/0.359 Qin= 1038.02 KJ/Kg Entalpia2a (h2a) Qin= 1038.02 KJ/Kg Qin= h3-h2a h2a=h3-Qin h2a= (1710.17-1038.02)KJ/Kg h2a= 672.15 KJ/Kg

Ws= 884.96KJ/Kg Trabajo de la turbina real (Wa) h3= 1710.17 KJ/Kg h4a= 968.578 KJ/Kg Wa= h3-h4a Wa= (1710.17-968.578) KJ/Kg Wa= 741.592KJ/Kg Eficiencia del comprensor ηC Ws= 350.039KJ/Kg Wa= 368.942KJ/Kg ηC= Ws/Wa ηC= 350.039KJ/Kg/368.942KJ/Kg ηC=0.948 x 100 ηC= 94.8 % Eficiencia de la turbina ηT Ws= 884.96KJ/Kg Wa= 741.592KJ/Kg ηT= Wa/Ws ηT= 741.592/884.96=0.8379=83.79% LITERAL B. Graficas obtenidas por matlab. 1. Eficiencia de la turbina vs Potencia neta.

Calor de salida (Qo) Wneto= 372.65 KJ/Kg Qin= 1038.02 KJ/Kg Wneto=Qin-Qo Qo= Qin-Wneto Qo= (1038.02-372.65)KJ/Kg Qo= 665.37KJ/Kg Entalpia 4a (h4a) Qo= 665.37KJ/Kg h1= 303.208KJ/Kg Qo= h4a-h1 h4a= Qo+h1 h4a= = (665.37-303.208)KJ/Kg h4a= 968.578 KJ/Kg Trabajo del compresor teórico (Ws) h2s= 653.247 KJ/Kg h1= 303.208 KJ/Kg Ws= h2s-h1 Ws= (653.247-303.208) KJ/Kg Ws= 350.039KJ/Kg Trabajo del compresor real (Wa) h2a= 672.15 KJ/Kg h1= 303.208 KJ/Kg Wa= h2a-h1 Wa= (672.15-303.208) KJ/Kg Wa= 368.942KJ/Kg Trabajo de la turbina teórico (Ws) h3= 1710.17 KJ/Kg h4s= 825.21 KJ/Kg Ws= h3-h4s Ws= (1710.17-825.21) KJ/Kg

2.

Eficiencia del compresor vs Potencia neta.

5 3.

Relación de presión vs Potencia neta.

4.

Relación de presión vs eficiencia térmica.

6.

Eficiencia del compresor vs Eficiencia térmica.

LITERAL C.

Tomando en cuenta los valores experimentales el trabajo real de la turbina es de 741592Kj/kg se hace la suposición de que se tiene una eficiencia térmica de 65% y que los calores específicos son constantes. De manera que se obtendría lo siguiente en función de la relación de presiones:

5.

Eficiencia de la turbina vs eficiencia térmica.

V. 

CONCLUSIONES

Como conclusión tenemos que, gracias a las constantes innovaciones, desarrollo de nuevos materiales técnicas de enfriamiento para componentes, revestimiento de los alabes de la turbina con materiales cerámicos haciendo que la temperatura pueda ascender de manera desmedida y proceder al enfriamiento de los materiales mediante la descarga de aire del compresor,

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estas pequeñas modificaciones provocan un aumento de eficiencia térmica del ciclo.  Otra de las conclusiones es que gracias a las adaptaciones de los dispositivos en el ciclo Brayton, tales como: regenerador, recalentador, interenfriador, ayudan a un notable incremento de eficiencia térmica comparado con un ciclo simple. VI. RECOMENDACIONES.  Se recomienda realizar un breve análisis entre los costos de los dispositivos que se adaptan al ciclo que aumenta bastante la eficiencia y los costos que se dan por los revestimientos y técnicas de enfriamiento que son mucho más básicas pero que también incrementan la eficiencia. VII.

BIBLIOGRAFIA.

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