Ciclo Brayton P3 Laboratorio

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO “LUIS CABALLERO MEJÍAS”
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
CÁTEDRA: LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA
CICLO BRAYTON
(Práctica N°3)
Profesor: Integrante:
Carlos Herrera Yisbel Reales. Exp. 2011203006
Sec. 01
Caracas, julio 2015
INTRODUCCIÓN
Un motor de tipo Brayton consta de tres componentes: un compresor de gas, una cámara de mezcla, un expansor. El termino ciclo Brayton ha sido aplicado posteriormente al motor de turbina de gas. Este también tiene tres componentes: un compresor de gas, un quemador (o cámara de combustión), una turbina de expansión. 
El ciclo Brayton aparece por primera vez asociado a la patente de una máquina de gas del inventor inglés John Barber, en 1791. Formalmente, el motor de Barber podría ser clasificado como de flujo discontinuo, por su rudimentario sistema de compresión y las complicaciones asociadas al emplear aire en vez de vapor de agua, hicieron que el motor fracasara estrepitosamente frente a la mucho más eficaz máquina de vapor de James Watt. Del mismo modo en que ocurrió con otros motores de la época, como el motor Stirling, la idea de Barber cayó en el olvido.En el año 1873 George Brayton (1830 – 1892) expuso el principio de funcionamiento del ciclo que lleva su nombre que originariamente se desarrolló empleando una máquina de pistones con inyección de combustible, para luego realizarlo como ciclo abierto simple llamado turbina a gas. Si bien se le llama ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no realiza un ciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que egresa son gases de combustión, o sea en un estado diferente al que se tenía cuando se inició el proceso, por eso se dice que es un ciclo abierto. 
En la actualidad, el ciclo Brayton se asocia al motor de turbina de gas, cuyo fin es convertir la energía en forma de calor a trabajo, para ser aplicado principalmente en la propulsión de aviones o en la generación de energía eléctrica. Para estudiar el ciclo, es necesario ver el comportamiento de la presión y temperatura en cada paso, calcular su eficiencia y consumo de calor.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
El ciclo Brayton, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluidotermodinámicocompresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento (caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente), hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.
FIG. 1. DIAGRAMA DEL CICLO BRAYTON TEÓRICO Y REAL, EN FUNCIÓN DE LA ENTROPIA Y LA TEMPERATURA.
DESCRIPCIÓN DEL CICLO
El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas. Las etapas del proceso son las siguientes:
· Admisión:
El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca del compresor.
· Compresor:
El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática (A→B). 
· Cámara de combustión:
En la cámara, el aire es calentado por la combustión del combustible. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isobárico(B→C). 
· Turbina:
El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática (C→D). 
· Escape:
Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante (D→A). 
FIG. 2. DIAGRAMA P-V DEL CICLO BRAYTON.
CICLO SIMPLE CON TURBINA A GAS DE UN EJE
Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas de combustión interna a flujo continuo. El objetivo de ésta máquina térmica es convertir energía calórica contenida en el combustible utilizado en energía mecánica(trabajo mecánico) en el eje de la misma.
VENTAJAS:
a)	Muy buena relación potencia vs peso y tamaño.
b)	Bajo costo de instalación.
c)	Rápida puesta en servicio.
d)	Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los movimientos roto alternativos de los motores de combustión interna).
e)	Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente perfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativos.
f)	Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión interna).
g)	Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento.
h)	Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente.
i)	Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja presiones).
j)	El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constante en la cámara de combustión (diferente a los motores de combustión interna).
k)	Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión y turbina propiamente dicha.
l)	No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un condensador).
m)	Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene, gasoil, gas natural, carbón pulverizado, siempre que los gases de combustión no corroan los álabes o se depositen en ellos.
n)	El par motor es uniforme y continuo.
DESVENTAJAS:
Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a: 
1. 	Alta pérdida de calor alambiente que se traduce por la alta temperatura de salida de los gases de escape por chimenea, entre 495ºC a 560 ºC.
2. 	Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial, en el orden de las ¾ partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina.
 (
1
) (
4
) (
3
) (
2
)
FIG. 3. CICLO SIMPLE CON TURBINA A GAS.
RENDIMIENTO
El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general como la energía aprovechada entre la energía introducida. En este caso, la energía aprovechada es el trabajo neto útil, |W|. La energía introducida es el calor |Qc|, que se introduce en la combustión. No se puede restar el calor |Qf| ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado. Por tanto:
Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores:
Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica, que por lo general está entre un 20% y un 25%. 
DATOS EXPERIMENTALES
VALORES REALES
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	
	
	
	
	
	
	
	
	900
	0,08
	0,0011
	5
	1600
	2,7
	85
	14,7
	0,19
	1100
	0,12
	0,0016
	8
	1700
	2,2
	85
	14,7
	0,17
	1250
	0,14
	0,0021
	9,5
	1800
	2,0
	85
	14,7
	0,16
Eficiencia interna de la turbina y el compresor: 
Eficiencia del generador eléctrico: 
Eficiencia mecánica de la turbina y el compresor: 
Poder calorífico: 
Donde HHV; es el poder calorífico superior del combustible, y LHV es el inferior.
CÁLCULOS Y RESULTADOS
· P2
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	PROCEDIMIENTO
	900
	
	1100
	
	1250
	
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	RESULTADO
	900
	
	1100
	
	1250
	
· ENTALPIAS
Estado 1
T1 es igual para 900, 1100 y 1250 revol/seg. Entonces h1 también es la misma para cada velocidad.
Tabla: 
h1= 130,26 BTU/lbm
Pr1= 1,43305
Estado 2s
	VELOCIDADDEL EJE (Revol/seg)
	PROCEDIMIENTO
	RESULTADO
	900
	
	
	1100
	
	
	1250
	
	
	Tabla:
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	h2s(BTU/lbm)
	900
	206,59
	1100
	236,22
	1250
	248,02
Estado 2
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	PROCEDIMIENTO
	RESULTADO
	900
	
	
	1100
	
	
	1250
	
	
Estado 3
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	T3
	900
	
	2060°R
	1100
	
	2160°R
	1250
	
	2260°R
Tabla:
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	h3 (BTU/lbm)
	Pr3
	900
	521,39
	196,16
	1100
	549,35
	238,00
	1250
	577,51
	286,60
Estado 5s
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	PROCEDIMIENTO
	RESULTADO
	900
	
	
	1100
	
	
	1250
	
	
	
Tabla:
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	h5s(BTU/lbm)
	900
	334,44
	1100
	309,44
	1250
	310,67
Estado 5
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	PROCEDIMIENTO
	RESULTADO
	900
	
	
	1100
	
	
	1250
	
	
· EFICIENCIA TÉRMICA DEL CICLO
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	
	
	900
	0,176
	0,00243
	1100
	0,265
	0,00353
	1250
	0,309
	0,00463
Procedimiento
900 Revol/seg
1100 Revol/seg
1250 Revol/seg
Resultados
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	
	900
	0,247924,79%
	1100
	0,273527,35%
	1250
	0,272927,29%
· CONSUMO ESPECÍFICO DE CALOR
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	PROCEDIMIENTO
	900
	
	1100
	
	1250
	
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	RESULTADO
	900
	
	1100
	
	1250
	
GRÁFICAS
1- P2 VS Revol/seg.
	P2(Psia)
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	73,5 
	900
	117,6 
	1100
	139,65 
	1250
 (
P
2
)
 (
Revol/seg
)
2- mAVS Revol/seg.
	
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	0,08
	900
	0,12
	1100
	0,14
	1250
 (
Revol/seg
)
3- mCVS Revol/seg.
	
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	0,0011
	900
	0,0016
	1100
	0,0021
	1250
 (
Revol/seg
)
4- ηTCVS Revol/seg.
	
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	0,2479 
	900
	0,2735
	1100
	0,2729 
	1250
 (
Revol/seg
)
5- HR VS Revol/seg.
	HR [(KW/BTU)/Hr]
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	13767,65
	900
	12478,98
	1100
	12506,41
	1250
 (
HR
)
 (
Revol/seg
)
6- T3VS Revol/seg.
	T3(°F)
	VELOCIDAD DEL EJE (Revol/seg)
	1600
	900
	1700
	1100
	1800
	1250
 (
T
3
)
 (
Revol/seg
)
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Al observar los resultados puede notarse que el comportamiento del ciclo para los distintos experimentos no es el esperado, ya que hay una variación en el experimento de 1250 revoluciones por segundo. La eficiencia térmica del ciclo va aumentando conforme aumenta la velocidad, pero a esa velocidad de eje esta vuelve a disminuir. Lo mismo sucede con el consumo específico de calor, va disminuyendo y luego vuelve a aumentar. Lo extraño de los resultados es que la potencia neta del generador disminuye conforme aumenta la velocidad a pesar de que el rendimiento va en aumento y con la tercera velocidad la eficiencia disminuye. El resto de los valores si se observan en un estado de crecimiento o decrecimiento, según sea el caso, de manera continua.
El comportamiento teórico del ciclo se mantiene para cada uno de los experimentos, pero al ver el comportamiento de un experimento en comparación con el otro, se espera que el próximo sea igual; lo cual no sucedió. Esta variación ocurre específicamente en el punto 5, luego de salir de la turbina 2, donde ocurre el cambio en la presión reducida, en los valores ideales, y por lo tanto en los valores reales; es por esta razón el cambio brusco que hay en los resultados obtenidos.
Las presiones y temperaturas reales se comportan con un crecimiento constante, como es lo esperado para cada experimento. El ciclo se aprovecha mejor solo para 900 y 1100 revoluciones por segundo, sin embargo no está de más una revisión del procedimiento del ciclo, u otras pruebas futuras.
CONCLUSIÓN
La continua búsqueda de eficiencias térmicas más altas ha originado modificaciones innovadoras en las centrales eléctricas convencionales, por esta razón el mejoramiento en los ciclos termodinámicos.
El ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas. Tiene como función transformar energía que se encuentra en forma de calor a potencia para realizar un trabajo, tiene varias aplicaciones, principalmente en propulsión de aviones, y la generación de energía eléctrica, aunque se ha utilizado también en otras aplicaciones.
Puede considerarse que el ciclo es más eficiente a menor costo, porque implica menor cantidad de alimentación en masa de aire y combustible, y la variación que hay en comparación con los otros resultados no es tan grande. Para una planta es viable el uso de este ciclo porque consume menor cantidad de masa para generar alto rendimiento, aunque debe estudiarse el caso de que a una mayor eficiencia se tiene menor potencia en el generador, y esta sigue aumentando a pesar de que la eficiencia disminuye. Pero como este ciclo es usado principalmente para generar electricidad, y esta es la energía que alimenta cualquier complejo industrial, el beneficio que se obtiene es de provecho para el desempeño de la empresa.
RECOMENDACIONES
· Realizar nuevos experimentos para verificar el funcionamiento del ciclo alimentando para diversas velocidades la misma cantidad de flujo másico de aire y de combustible.
· Utilizar parte de la energía que se desecha para realimentar el ciclo, no solo sirve para experimentar, sino que estudios revelan que aumenta la eficiencia, es decir, colocar un regenerador.
· Realizar un nuevo experimento a una mayor velocidad para observar el comportamiento y verificar si la eficiencia disminuirá o aumentara.
· Ubicar el equipo en otro lugar del laboratorio donde el escape de los gases sea a un lugar más amplio y alejado.
BIBLIOGRAFÍA
Fernández, J. (2009). Ciclo Brayton. Turbinas a gas. Documento en línea. Disponible: http://www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas_termicas/03-turbina_a_gas.pdf Consulta: [12/07/2015]
Universidad de Sevilla. Ciclo Brayton. Página web en línea. Disponible: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Brayton Consulta: [12/07/2015]
Wikipedia. La enciclopedia libre. Ciclo Brayton. Página web en línea. Disponible: https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Brayton Consulta: [12/07/2015]
900	1100	1250	73.5	117.6	139.65	900	1100	1250	8.0000000000000029E-2	0.12000000000000002	0.14000000000000001	900	1100	1250	1.1000000000000005E-3	1.6000000000000005E-3	2.0999999999999999E-3	900	1100	1250	0.24790000000000006	0.27350000000000002	0.27290000000000009	900	1100	1250	13767.65	12478.98	12506.41	900	1100	1250	1600	1700	1800