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1ENERGÍA 2
CICLOS DE POTENCIA A GAS
TURBINAS A GAS
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Ciclo Brayton
Este ciclo es utilizado en turbinas de gas donde los
procesos tanto de compresión como de expansión
suceden en maquinaria rotaria. Las turbinas de gas
operan generalmente en un ciclo abierto, como se
aprecia en la figura.
Este ciclo de turbina de gas abierto puede modelarse
como un ciclo cerrado, empleando las suposiciones
de aire estándar. Aquí los procesos de compresión y
expansión permanecen iguales, pero el proceso de
combustión se sustituye por uno de adición de calor
a presión constante desde un fuente externa. El
proceso de escape se reemplaza por uno de rechazo
de calor a presión constante.
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Procesos del Ciclo Brayton
Compresión Isentrópica: proceso 1-2
Adición de calor a presión constante: proceso 2-3
Expansión Isentrópica: proceso 3-4
Rechazo de calor a presión constante: proceso 4-1
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El balance de energía par un flujo estacionario sería:
La transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo es:
La eficiencia termica sería:
   entrada salida entrada salida salida entradaq q W w h h    
 
 
3 2 3 2
4 1 4 1
entrada p
salida p
q h h c T T
q h h c T T
   
   
 
 
 
 
   
4 1 1 4 1
,
3 2 2 3 2
2 3 4 1
1 / 1 /
32 2
1 1 4
/ 1
1 1 1
/ 1
Como (Procesos Isentrópico) tendríamos:
 
pneto salida
ter Brayton
entrada entrada p
k k k k
c T T T T Tw q
q q c T T T T T
P P y P P
PT P
T P P

 
 
      
 
 
   
    
   
 
3
4
, 1 /
2
p
1
1
 1 
 Donde r es la relación de presión 
ter Brayton k k
p
p
T
T
r
P
r
P



 
 
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IMPORTANTE
En las turbinas de gas el aire realiza dos importantes funciones:
•Suministra el oxidante necesario para la combustión del combustible y sirve
como un refrigerante para mantener la temperatura de diversos componentes
dentro de límites seguros. Esta segunda función se realiza al extraer más aire
del necesario para la combustión completa del combustible.
Las dos principales áreas de aplicación de las turbinas de gas son la propulsión
de aviones y la generación de energía eléctrica.
•En la propulsión de aviones la turbina de gas produce la potencia suficiente
para accionar tanto al compresor como a un pequeño generador que a su vez
acciona al equipo auxiliar.
•En las centrales eléctricas de turbina de gas, la relación entre el trabajo del
compresor y el trabajo de la turbina, denominada relación del trabajo de
retroceso, es muy alta.
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Ejemplo 3.1.1
Una central eléctrica de turbina de gas que opera en un ciclo
Brayton ideal tiene una relación de presión de 8. La temperatura
de gas es de 300 K en la entrada del compresor a una presión de
100 kPa y de 1300 K en la entrada de la turbina. Utilice las
suposiciones de aire estándar y determine: la temperatura de gas
a la salida del compresor y de la turbina, la relación del trabajo de
retroceso y la eficiencia térmica.
Tabla A-17
-
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Desviación de los ciclos reales de turbina de gas
Los ciclos reales de turbina de gas difieren del ciclo
Brayton por varias razones:
•La disminución de la presión durante los procesos de
adición y rechazo de calor es inevitable.
•La entrada de trabajo real al compresor será mayor y
la salida de trabajo real de la turbina será menor
debido a irreversibilidades.
•La desviación del comportamiento real del compresor
y la turbina del comportamiento isentrópico idealizado
puede tomarse en cuenta con precisión si se utilizan
las eficiencias isentrópicas de la turbina y el
compresor como:
2 1
2 1
3 4
3 4
s s
C
a a
a a
T
s s
w h h
w h h
w h h
w h h



 


 

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Ejemplo 3.1.2
Suponga una eficiencia del compresor de 80 por ciento y una
eficiencia de la turbina de 85 por ciento. Determine: la relación
del trabajo de retroceso, la eficiencia térmica y la temperatura de
salida de la turbina del ciclo de la turbina de gas del ejemplo
anterior.
Rpta: 0.592 – 26.6% - 853 K
Tabla A-17
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Desarrollo de las turbinas de gas
Las primeras turbinas de gas tenían eficiencia de ciclo alrededor de 17 por ciento
debido a las bajas eficiencias del compresor y de la turbina, así como a las bajas
temperaturas de entrada de la turbina dadas las limitaciones de la metalurgia de
aquellos tiempos. Por lo tanto la eficiencia se ha tratado de mejorar
principalmente en tres áreas:
•Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina
Los incrementos de temperatura fueron posibles gracias al desarrollo de nuevos
materiales y por las innovadoras técnicas de enfriamiento para componentes
críticos. La utilización de vapor de agua como refrigerante permitió un aumento
de las temperaturas de entrada a la turbina sin un incremento en la
temperatura de combustión.
•Incremento de las eficiencias de los componentes de turbomáquinas
Gracias al avance de las computadoras y técnicas avanzadas de diseño los
componentes aerodinámicos se han podido diseñar con pérdidas mínimas. Por
lo tanto, las eficiencias de las turbinas y compresores resultaron en un aumento
significativo en la eficiencia del ciclo.
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•Adición de modificaciones al ciclo básico
Las eficiencias del ciclo simple de las primeras turbinas de gas fueron duplicadas
al incorporar interenfriamiento, regeneración y recalentamiento. Estas mejoras
se realizaron a expensas de mayores costos tanto inicial como de operación y
no pueden justificarse a menos que la disminución en los costos de combustible
contrarreste el incremento en otras áreas.
Además los costos bajos de los combustibles, el deseo general de la industria
para minimizar los costos de instalación y el tremendo aumento en la eficiencia
del ciclo simple a cerca de 40 por ciento, dejó pocos deseos de optar por estas
modificaciones.
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Ciclo Brayton con Regeneración
En las turbinas de gas, la temperatura de las gases de escape suelen ser mayores que las del
aire. Por lo tanto, el aire de alta presión que sale del compresor puede calentarse
transfiriéndole calor desde los gases de escape caliente mediante un intercambiador de calor,
denominado regenerador o recuperador.
Con esto la eficiencia del ciclo Brayton aumenta, ya que la porción de energía de los gases de
escape que normalmente se libera hacia los alrededores ahora se usa para precalentar el aire
que entra a la cámara de combustión.
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Debemos tener en cuenta que el uso del regenerador sólo se recomienda cuando la
temperatura de escape de la turbina es más alta que la temperatura de salida del compresor.
Si no el calor fluirá en la dirección inversa y la eficiencia se reducirá.
Un generador con una eficiencia más alta, ahorrará una gran cantidad de combustible porque
precalentará el aire a una temperatura más elevada antes de la combustión. Sin embargo, para
una mayor eficacia se requiere usar un regenerador más grande, lo que implica un precio
superior y una caída de presión considerable.
Aquí vemos que la regeneración es más efectiva 
con relaciones de presión inferiores y bajas 
relaciones de temperatura mínima y máxima.
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Ciclo Brayton con Interenfriamiento, recalentamiento
•El trabajo neto de un ciclo de turbina de gas es la diferencia entre la salida de trabajo de la
turbina y la entrada de trabajo del compresor y puede incrementarse si se reduce el trabajo
del compresor o si se aumenta el de la turbina o ambas cosas.
•Ahora el trabajo requerido para comprimir un gas puede disminuir al efectuar un proceso de
compresión en etapas y al enfriar el gas entre éstas. Esto es unacompresión en etapas
múltiples con interenfriamiento. Cuando el número de etapas aumenta, el proceso de
compresión se aproxima al proceso isotérmico a la temperatura de entrada del compresor y
el trabajo de compresión disminuye.
•También la salida de trabajo que opera entre dos niveles de presión aumenta al expandir el
gas en etapas y recalentarlo entre estas, es decir utilizando la expansión en múltiples etapas
con recalentamiento. Esto se lleva a cabo sin elevar la temperatura máxima en el ciclo;
cuando el número de etapas aumenta, el proceso de expansión se aproxima al proceso
isotérmico.
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El fluido de trabajo sale del compresor a una temperatura menor, mientras que de la turbina lo
hace a una temperatura más alta, cuando se usa interenfriamiento y recalentamiento. Esto hace
que la regeneración sea más atractiva dado que existe un mayor potencial para realizarla.
Aquí observamos un esquema de un ciclo de turbina de gas de dos etapas con interenfriamiento,
recalentamiento y regeneración.
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Debemos saber …
•Suposiciones de aire estándar.
•Máquinas reciprocantes.
•Ciclo de Otto
•Ciclo Diesel
•Regeneración
•Relación de presión
•Trabajo de retroceso
•Ciclo Brayton
•Ciclo Brayton con regeneración
•Ciclo Brayton con interenfriamiento,
recalentamiento y regeneración.
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