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Sistemas de potencia
de gas - 6
Mejoras del ciclo
Ayudas visuales para el instructor
Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
Capítulo 8. Módulo 6. Transparencia ‹#›
Sistemas de potencia de gas -6
Mejoras del ciclo de una turbina
Mejoras del ciclo
• Regeneración
– Reduce los requerimientos de entrada de calor y
disminuye el calor que se elimina.
• Interenfriamiento
– Disminuye la temperatura media del proceso de
compresión.
• Recalentamiento
– Eleva la temperatura media del proceso de
adición de calor.
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
Capítulo 8. Módulo 6. Transparencia ‹#›
Sistemas de potencia de gas -6
Mejoras del ciclo de una turbina
El ciclo Brayton con
regeneración
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
Capítulo 8. Módulo 6. Transparencia ‹#›
Sistemas de potencia de gas -6
Mejoras del ciclo de una turbina
QH
Se muestra el ciclo Brayton
estándar como un ciclo abierto.
2
3
1
La regeneración se
logra
precalentando el
quemador con el
gas exhausto de la
turbina.
WENTRA 4
WSALE
5
QH
2
1
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
3
WCOMP
4
WTURB
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Mejoras del ciclo de una turbina
T,h
QH
3
x
4
2
y
1
QC
Transferencia de
calor interna,
Estados 2 - x.
s
El beneficio máximo de la regeneración se obtiene cuando
la temperatura exhausta Ty se lleva a la temperatura
T2 mediante el intercambiador de calor regenerativo.
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Capítulo 8. Módulo 6. Transparencia ‹#›
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Mejoras del ciclo de una turbina
T,h
QH
3
El
regenerador
ideal
4
El regenerador ideal
calentará el aire de la
combustión hasta T4
x
2
y
1
QC
(h2  h1 )
 1
h3  h4
s
ηCICLO
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Mejoras del ciclo de una turbina
T,h
QH
3
x
x
y
2
y
1
QC
4
El regenerador
real
La transferencia de calor interna
real ocurre entre los estados
2 - x’.
La efectividad del regenerador es la
transferencia de calor real dividida entre
la transferencia máxima posible de calor.
s
C p (Tx  T2' )
(Tx  T2 )


C p (T4  T2 ) (T4  T2 )
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Mejoras del ciclo de una turbina
T,h
QH
3
Eficiencia térmica
La regeneración reduce la
entrada neta de calor a la
temperatura alta
x
x
y
2
4
y
1
QC
s
ηciclo
(h3  h4 )  (h2  h1 )

h3  hx
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Mejoras del ciclo de una turbina
El ciclo Brayton con
interenfriamiento
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Mejoras del ciclo de una turbina
El ciclo Brayton estándar en la etapa
de interenfriamiento
7
QH
WCOMP
1
5
3
WTURB
4
6
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Mejoras del ciclo de una turbina
3
T
7’
7
6
5 5’
4
4’
1
s
Una etapa de interenfriamiento con
ineficiencias de la turbina y el compresor.
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Mejoras del ciclo de una turbina
El ciclo Brayton con
recalentamiento
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Mejoras del ciclo de una turbina
3
T,h
QH  Q23  Q45
4
5
6
2
1
Qc  Q61
s
El recalentamiento del fluido a presión
intermedia eleva la entrada de entalpía al ciclo
sin aumentar la temperatura del
almacenamiento térmico externo.
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Mejoras del ciclo de una turbina
Ejemplo
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Mejoras del ciclo de una turbina
Este ejemplo compara varias modificaciones al ciclo Brayton
básico: compresión y expansión en etapas múltiples con
recalentamiento, interenfriamiento y regeneración.
Descripción:
En una máquina de turbina de gas de aire estándar entra
al compresor aire estándar a 60o F y 1 atm, con una razón
de presión de 5:1. La temperatura de la toma de la
turbina es de 1500o F, y la presión exhausta, de 1 atm.
Determine la razón del trabajo de la turbina al trabajo
del compresor y la eficiencia térmica en las condiciones de
operación siguientes.
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Mejoras del ciclo de una turbina
Condiciones de operación:
(a) La máquina opera en un ciclo Brayton ideal.
(b) Las eficiencias adiabáticas de la turbina
y el compresor son de 0.83 y 0.93, respectivamente.
(c ) Las condiciones del inciso (b) se mantienen y se
introduce un regenerador cuya efectividad es del
0.65.
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Mejoras del ciclo de una turbina
Condiciones de operación:
(d) Se mantienen las condiciones de los
incisos (b) y (c ), y se agrega un
interenfriador que enfría el aire a 60o F a
presión constante de 35 psia.
(e) Se retira el interenfriador y se agrega un
recalentador que calienta el fluido a 1500o F
a presión constante de 35 psia.
(f) Se mantienen las condiciones del inciso
(e) y se regresa el enfriador del inciso (d).
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Mejoras del ciclo de una turbina
Suposiciones:
(1) Todos los ciclos operan sobre la base de aire
estándar.
(2) Gas ideal
(3) Calores específicos constantes; k = constante,
Cp = 0.24 BTU/lbm-R, k = 1.40 = constante.
(4) Procesos internamente reversibles, excepto
cuando la eficiencia isentrópica (eficiencia
adiabática) es menor que 1.
(5) 1 atm = 14.7 psia.
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Mejoras del ciclo de una turbina
Solución:
(a) La máquina opera como un ciclo Brayton ideal.
 k 1 


 k 
3
T
T4  P4 
  
T3  P3 
h3 4  C p T3 4
4
2
1
s
D atos de Estado
Estado
1
2
3
4
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
h1 2  C p T1 2
P
(psia)
14.7
73.5
73.5
14.7
T
(R)
520
825
1960
1237
Capítulo 8. Módulo 6. Transparencia ‹#›
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Mejoras del ciclo de una turbina
Cantidades del proceso
Cantidades del proceso
h
BTU/Lbm
Q
BTU/lbm
1-2
2-3
3-4
4-1
Total
73.1
272.4
-173
-172
0.5 (~0)
0
272.4
0
-172
100.32
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Mejoras del ciclo de una turbina
Cantidades del proceso
W34  h34  C p (T3  T4 )  173 BTU lbm
W12  h12  73.1 BTU lbm
Wturbina
W34 173


 2.37
Wcompresor
W12 73.1
Wneto W34  W12 h23  h12
h ciclo 


h23
Q 2 3
Q 2 3
173  73.1

 0.367
(0.24)(1960  825)
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Mejoras del ciclo de una turbina
(b) La eficiencia adiabática del compresor y la turbina
son de 0.83 y 0.92, respectivamente.
T
 k 1 


 k 
T4  P4 
  
T3  P3 
h3 4  C p T3 4
3
2’
2
4 4’
1
s
h1 2  C p T1 2
hT  0.92, hcomp  0.83
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Mejoras del ciclo de una turbina
D atos de estado
Estado
P
(psia)
14.7
73.5
73.5
14.7
1
2
3
4
T
(R)
520
825
1960
1237
Ws ,1 2 T2  T1
h comp 

W1 2
T2  T1
T2  T1
T2  T1 
 887 R
h comp
h turb
W3 4

 T4  1295 R
W s , 3 4
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Capítulo 8. Módulo 6. Transparencia ‹#›
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Mejoras del ciclo de una turbina
D atos de estado
Estado
1
2’
3
4’
P
(psia)
14.7
73.5
73.5
14.7
T
(R)
520
887
1960
1295
W3 4  h3 4  C p (T3  T4 )  159.5 BTU lbm
W1 2  h1 2  88.8 BTU lbm
Wturbina W3 4 159.5


 1.81
Wcompresor W1 2 88.8
hciclo
Wneto W3 4  W1 2 h3 4  h1 2



Q23
Q23
h23
159.5  88.8

 0.28
(0.24)(1960  887)
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
Capítulo 8. Módulo 6. Transparencia ‹#›
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Mejoras del ciclo de una turbina
(c) Se mantienen las condiciones del inciso (b) y se
introduce un regenerador con efectividad de 0.65.
 k 1 


 k 
3
T
2’
x
2
4’
y
1
s
T4  P4 
  
T3  P3 
h3 4  C p T3 4
h1 2  C p T1 2
(Tx  T2 ' )

 0.65
(T4 '  T2 ' )
Tx  T2   (T4  T2 )  1052 R
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
hT  0.92
h comp  0.83
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Datos de estado
Estado
1
x’
3
4’
P
(psia)
14.7
73.5
73.5
14.7
T
(R)
520
1052
1960
1295
W3 4  h3 4  C p (T3  T4 )  159.5 BTU lbm
W1 2  h1 2  88.8 BTU lbm
Wturbina W3 4 159.5


 1.81
Wcompresor W1 2 88.8
hciclo
Wneto W3 4  W1 2 h3 4  h1 2



Qx   3
Qx   3
hx3
159.5  88.8

 0.37
(0.24)(1960  1052)
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Mejoras del ciclo de una turbina
(d) Se mantienen las condiciones de los incisos (b) y (c )
y se agrega un interenfriador que enfría el aire a 60o F
a 35 psia.
3
T
P = 35 psia
x
7’
520 R
6
5’
y
4’
1
s
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
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Sistemas de potencia de gas -6
Mejoras del ciclo de una turbina
3
T
P = 35 psia
x
7’
520 R
6
5’
y
1
s
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
4’
Calcule T5’ ,T7’ y la
temperatura real
entres el estado 7’ y x
debido a la
regeneración (7”).
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Mejoras del ciclo de una turbina
D atos de estado
Estado
P
(psia)
14.7
35
35
14.7
73.5
73.5
73.5
73.5
14.7
73.5
14.7
1
5
5’
6
7
7’
7’’
3
4’
x
y
 k 1 


 k 
T5  P5 
  
T1  P1 
T5  667 R
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
T5  T1 
T
(R)
520
667
697
520
643
668
616
1960
520
1295
888
1

(T5  T1 )
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T
3
P = 35 psia
7’
6
x
5’
4’
W3 4  159.5 BTU / lbm
y
W15  W67  78 BTU / lbm
1
s
s
Wturbina
 2.04
Wcompresor
Wneto
h
 0.38
C p (T3  T7 )
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
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Mejoras del ciclo de una turbina
(e) Se elimina el interenfriador, pero se agrega un
recalentador de una etapa a 1500o F.
h  0.38
(f) Combinar los incisos (d) y (e).
h  0.40
Wturbina
 2.28
Wcompresor
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
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Mejoras del ciclo de una turbina
Resumen de resultados:
h
Razón de
Trabajo
Wt
Wt/Wc
(a) Ciclo ideal
(b) Ciclo básico real
(c) Ciclo Básico Real
y Regenerador ( =
0.65)
(d) Ciclo Real con
Interenfriador a 35
o
psia a 60 F e inciso
(c)
(e) Ciclo Básico Real
con Recalentamiento
a 35 psia e inciso (c)
(f) Incisos (c ) ,(d), y
(e) combinados
0.37
0.28
0.37
2.37
1.81
1.18
173
160
160
0.38
2.04
160
0.38
2.02
178
0.40
2.28
178
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Calor, trabajo y energía. Primer curso de termodinámica
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Mejoras del ciclo de una turbina
Fin de Sistemas de potencia de gas - 6
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Términos y conceptos clave
Interenfriamiento
Regeneración
Recalentamiento
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