Termodinamica - Cengel 7th - espanhol

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CAPÍTULO 9
donde
r p
P 2
P 1
(9-18)
es la relación de presión y k la relación de calores específicos. En la ecuación
9-17 se muestra que bajo las suposiciones de aire estándar frío la eficiencia térmica
de un ciclo Brayton ideal depende de la relación de presión de la turbina
de gas y de la relación de calores específicos del fluido de trabajo. La eficiencia
térmica aumenta con ambos parámetros, que también es el caso para las turbinas
de gases reales. Una gráfica de la eficiencia térmica contra la relación de presión
se presenta en la figura 9-32 para k 1.4, el cual es el valor de la relación de
calores específicos del aire a temperatura ambiente.
La temperatura más alta en el ciclo ocurre al final del proceso de combustión
(estado 3) y está limitada por la temperatura máxima que los álabes de la turbina
pueden resistir. Esto también limita las relaciones de presión que pueden
utilizarse en el ciclo. Para una temperatura de entrada fija de la turbina T 3 , la
salida de trabajo neto por ciclo aumenta con la relación de presiones, alcanza
un máximo y después empieza a disminuir, como se observa en la figura 9-33.
Por lo tanto, debe haber un compromiso entre la relación de presión (por consiguiente
la eficiencia térmica) y la salida de trabajo neto. Con una menor salida
de trabajo por ciclo se necesita una tasa de flujo másico más grande (y de este
modo un sistema mayor) para mantener la misma salida de potencia, lo cual no
puede ser económico. En muchos diseños comunes la relación de presión de
turbinas de gas varía de 11 a 16.
En 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.
La segunda función se realiza al extraer más aire del necesario para la combustión
completa del combustible. En turbinas de gas una relación de masa de aire y
combustible de 50 o mayor es muy común. Por lo tanto, en un análisis del ciclo,
considerar como aire a los gases de combustión no causará un error significativo.
Además, el flujo másico por la turbina será más grande que a través del compresor,
pues la diferencia es igual al flujo másico del combustible. Así, suponer una
tasa de flujo másico constante en el ciclo produce resultados conservadores en
motores de turbinas de gas de ciclo abierto.
Las dos principales áreas de aplicación de las turbinas de gas son la propulsión
de aviones y la generación de energía eléctrica. Cuando se emplean en 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. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de producir el
empuje necesario para impulsar la aeronave. Las turbinas de gas también se utilizan
como centrales eléctricas estacionarias que producen energía eléctrica como
unidades independientes o en conjunto con las centrales eléctricas de vapor en el
lado de alta temperatura. En estas centrales los gases de escape de las turbinas de
gas sirven como fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas también
puede ejecutarse como un ciclo cerrado para su utilización en centrales nucleares,
en las que el fluido de trabajo no se limita al aire y puede emplearse un gas con
características más convenientes (como el helio).
La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental ya utilizan motores
de turbinas de gas para propulsión y para la generación de energía eléctrica. Las
turbinas de gas General Electric LM2500 utilizadas para impulsar barcos tienen
una eficiencia térmica de ciclo simple de 37 por ciento. Las turbinas de gas
General Electric WR-21 equipadas con interenfriamiento y regeneración tienen
una eficiencia térmica de 43 por ciento y producen 21.6 MW (29 040 hp). La
η
tér,Brayton
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
5
Relaciones de
presión típicas
para motores
de turbinas de gas
10 15 20 25
Relación de presión, r p
FIGURA 9-32
Eficiencia térmica de un ciclo Brayton
ideal como una función de la relación
de presión.
T
T máx
1 000 K
2
T mín
300 K 1
r p = 15
r p
= 8.2
w neto,máx
3
4
r p
= 2
FIGURA 9-33
Para valores fijos de T mín y T máx , el
trabajo neto del ciclo Brayton aumenta
primero con la relación de presión,
después alcanza un máximo a r p
(T máx /T mín ) k/[2(k 1)] y finalmente
disminuye.
s