Ciclo Brayton

MÁSTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL

-UNIVERSIDAD DE DEUSTO-

“Estudio del ciclo Brayton”

Nombre: Alfredo Ortega Lázaro Curso: 2013/2014 Asignatura: Ingeniería térmica de fluidos

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA DEUSTO-ESIDE

Máster en Ingeniería Industrial “INGENIERÍA TÉRMICA Y DE FLUIDOS”

Alfredo Ortega Lázaro Página 2 de 8

ÍNDICE:

1. ENUNCIADO .............................................................................................................................................. 3

2. CICLO BRAYTON SIMPLE ....................................................................................................................... 3

3. CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN ............................................................................................. 4

4. CICLO BRAYTON CON REGENERACION E INTERCOOLING ............................................................ 5

5. CICLO BRAYTON CON IRREVERSIBILIDADES .................................................................................... 7




1. ENUNCIADO El objetivo de esta actividad es comparar el trabajo y la eficiencia de diferentes configuraciones de ciclos de turbinas de gas. En primer lugar se consideran tres ciclos reversibles, y finamente un ciclo que incluye diferentes irreversibilidades en los sistemas del ciclo. Los cuatro ciclos a analizar son:

1. Ciclo Brayton simple. 2. Ciclo Brayton con regeneración. 3. Ciclo Brayton con regeneración y con intercooling. 4. Ciclo con irreversibilidades.

Debéis entregar este documento imprimido, en el que se rellenarán los campos indicados. Además, los cálculos llevados a cabo los entregaréis en hojas manuscritas como anexo. 2. CICLO BRAYTON SIMPLE Una turbina de gas trabaja según un ciclo Brayton simple. En el compresor axial entran 20 kg/s de aire a P1 = 1 bar y T1 = 15 ºC. La relación de presiones del compresor es 8. La temperatura máxima de funcionamiento de la turbina es de 760 ºC. Suponiendo un ciclo teórico de aire, usar PROPGASES para obtener los estados que definen el ciclo.

ESTADO P (bar) T (K) v (m3/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) 1 1 288.15 0.8272 289.3 6.8 2 8 519.66 0.1865 525.2 6.8 3 8 1033.15 0.3707 1087.6 7.547 4 1 599.93 1.7221 609.0 7.547




Calcular, en kJ/kg de aire: 1.- Trabajo de compresión wc=h1 –h2=-235.9 2.- Calor aportado en la combustión qin= h3 –h2=562.4 3.- Trabajo de expansión we= h3 –h4=478.6 4.- Calor cedido al medio ambiente qout= h1 –h4= -319.7

Obtener la eficiencia del ciclo.

Calcular en kW la potencia de la instalación.

· ·m ( 235.9 478.6) ·20 4854netoE E m kJ kgP W kWt m t kg s

= = = = − + =

3. CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN Se desea evaluar el efecto de añadir un regenerador de eficiencia η = 0.7. Volver a obtener los estados.

ESTADO P (bar) T (K) v (m3/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) 1 1 288.15 0.8272 289.3 6.8

2 8 519.66 0.1865 525.2 6.8

3 8 1033.15 0.3707 1087.6 7.547 4 1 599.93 1.7221 609.0 7.547

5’ 8 575.98 0.2067 583.86 6.907 6’ 1 543.89 1.5613 550.34 7.445

235.9 478.6 43.15%562.4

neto

in

Wq

η − += = =




Calcular, en kJ/kg de aire: 1.- Trabajo de compresión wc=h1 –h2=-235.9 2.- Calor aportado en la combustión qin= h5 –h3=503.8 3.- Trabajo de expansión we= h3 –h4=478.6 4.- Calor cedido al medio ambiente qout= h1 –h4= -261




= = = = − + =

Obtener el ahorro de combustible respecto el ciclo simple:

1 2

1

(562.4 503.8) / 562.4 10.41%in in

in

q qAhorroq−

= = − =

4. CICLO BRAYTON CON REGENERACION E INTERCOOLING Se desea evaluar el efecto de añadir un intercooler al ciclo regenerativo, comprimiendo el aire en dos etapas y enfriándolo hasta la temperatura ambiente.

235.9 478.6 48.17%503.8

neto

in

Wq

η − += = =

Alfredo

Nota adhesiva

EL qin esta mal seria entre los puntos 7 y 5





2 2.828 387.67 0.3935 389.9 6.8 3 2.83 288.15 0.2925 289.3 6.5 4 8 387.71 0.1391 389.9 6.5 5 8 1033.15 0.3707 1087.6 7.54 6 1 599.93 1.7221 609 7.54 7 8 537.1 0.1927 543.3 6.834 8 1 452.15 1.2979 455.6 7.252

Calcular, en kJ/kg de aire:

1.- Trabajo de compresión wc=-201.2 2.- Calor aportado en la combustión qin= h7 –h5=544.3 3.- Trabajo de expansión we= h5 –h6=478.6 4.- Calor cedido al medio ambiente qout= -266.9




= = = = − + =

Comparar y comentar los resultados respecto al caso anterior: Conseguimos una potencia superior invirtiendo más combustible, sin embargo al combustible invertido se aprovecha mejor consiguiendo mediante dos etapas de compresión y un intercooling aumentar el rendimiento de la instalación.

201.2 478.6 50.96%544.3

neto

in

Wq

η − += = =




5. CICLO BRAYTON CON IRREVERSIBILIDADES Las dos etapas de compresión se realizan según politrópicas de exponente n = 1.5. En el lado frío del regenerador, el aire sufre una pérdida de presión de 0.20 bar y en la cámara de combustión 0.15 bar. En el lado caliente del regenerador existe una pérdida de carga de 0.18 bar. Se sabe que el rendimiento isentrópico de la turbina es 0.88, y el rendimiento mecánico del conjunto 0.94.


2A 2.83 387.67 0.3935 389.9 6.8 2S 2.83 407.49 0.4136 410 6.85 3 2.83 288.15 0.2925 289.3 6.501

4A 8 387.71 0.1391 389.9 6.501 4S 8 407.53 0.1462 410.1 6.552 5 8 1033.15 0.3707 1087.6 7.547 5’ 7.65 1033.15 0.3877 1087.6 7.560 6S 1.18 634.82 1.5443 645.9 7.56 6A 1.18 684.32 1.6647 698.9 7.64 7 7.8 602.89 0.2219 612.2 6.963 8 1 492,15 1,4128 496,74 7,34

Calcular, en kJ/kg de aire:

1.- Trabajo de compresión wc=-241.4 2.- Calor aportado en la combustión qin= h5’ –h7=475.22 3.- Trabajo de expansión we=388.7 4.- Calor cedido al medio ambiente qout= h1 –h4= -328.1




= = = = − + =

Comparar y comentar los resultados respecto al caso anterior: Se observa una caída de rendimiento y potencia respecto a los casos anteriores, al contemplar la situación real donde existen caídas de presión

241.4 388.7 31.08%475.22

neto

in

Wq

η − += = =




en los instrumentos, perdidas mecánicas y de rozamiento, etc. Ello provoca un distanciamiento respecto al caso ideal que se traduce en una menor eficiencia. Calcular el exponente politrópico de la expansión en la turbina.

5' 5' 6 6

5'

6

6

5'

ln( ) ln(7.65 /1.18) 1.2827ln(1.6647 / 0.3877)ln( )

a a

a

a

P V P VP

PV

V

λ λ

λ

=

= = =

Calcular el rendimiento isentrópico de los compresores.

2 1

2 1

389.9 289.3 83.34%410 289.3

s

a

h hh h

η − −= = =

− −

Al calcular la presión intermedia de la etapa mediante la media geométrica, y al ser la temperatura de entrada la misma en ambos compresores su rendimiento también es idéntico.

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