Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 9
Si el número de etapas de compresión y expansión aumenta, el ciclo ideal de
turbina de gas con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración se aproxima
al ciclo Ericsson, como se ilustra en la figura 9-45, y la eficiencia térmica se
aproximará al límite teórico (la eficiencia de Carnot). Sin embargo, la contribución
de cada etapa adicional a la eficiencia térmica es cada vez menor y el uso de
más de dos o tres etapas no puede ser justificado económicamente.
T
T H,prom
P = constante
P = constante
EJEMPLO 9-8 Una turbina de gas con recalentamiento
e interenfriamiento
T L,prom
Un ciclo de turbina de gas ideal con dos etapas de compresión y otras dos
de expansión tiene una relación de presión total de 8. En cada etapa del
compresor entra aire a 300 K y en cada etapa de la turbina entra a 1 300 K.
Determine la relación del trabajo de retroceso y la eficiencia térmica de este
ciclo de turbina de gas, suponiendo que a) no hay regeneradores y b) hay un
regenerador ideal con eficacia de 100 por ciento. Compare los resultados con
los obtenidos en el ejemplo 9-5.
Solución Se tiene un ciclo de turbina de gas ideal con dos etapas de compresión
y dos de expansión. Se determinarán la relación del trabajo de retroceso
y la eficiencia térmica de este ciclo de turbina de gas para los casos en
que no hay regeneradores y de regeneración máxima.
Suposiciones 1 Existen condiciones estacionarias de operación. 2 Son aplicables
las suposiciones de aire estándar. 3 Los cambios en las energías cinética
y potencial son insignificantes.
Análisis El diagrama T-s del ciclo de la turbina de gas descrito se observa en
la figura 9-46. Se observa que el ciclo involucra dos etapas de expansión y
dos de compresión y regeneración.
Para compresión y expansión de dos etapas, la entrada de trabajo se minimiza
mientras que la de salida de trabajo se maximiza cuando ambas etapas
del compresor y de la turbina tienen la misma relación de presión. Por lo tanto,
P 2
P 1
P 4
P 3
28 2.83y
El aire entra en cada etapa del compresor a la misma temperatura y cada
etapa tiene la misma eficiencia isentrópica (100 por ciento en este caso).
Por lo tanto, la temperatura (así como la entalpía) del aire a la salida de cada
etapa de compresión será la misma. Un argumento similar se puede usar para
la turbina. Por consiguiente,
A las entradas:
A las salidas:
T 1 T 3 ,h 1 h 3 y
T 2 T 4 ,h 2 h 4 y
T 6 T 8 ,h 6 h 8
T 7 T 9 ,h 7 h 9
Bajo estas condiciones, la entrada de trabajo en cada etapa del compresor será
la misma y también la salida de trabajo de cada etapa de la turbina.
a) En ausencia de regeneración, la relación del trabajo de retroceso y la eficiencia
térmica se determinan a partir de los datos de la tabla A-17, como:
T 1 300 K h 1 300.19 kJkg
P r1 1.386
P 6
P 7
P 8
P 9
28 2.83
FIGURA 9-45
Cuando aumenta el número de etapas
de compresión y expansión, el ciclo de
turbinas de gas con interenfriamiento,
recalentamiento y regeneración se
aproxima al ciclo Ericsson.
T, K
1 300
300
4
3
q primario
2
1
5
6
7
10
q salida
8
9
s
s
q recalentamiento
FIGURA 9-46
Diagrama T-s del ciclo de turbina de
gas analizado en el ejemplo 9-8.
P r2
P 2
P 1
P r1 8 1.386 3.92 T 2 403.3 K
h 2
404.31 kJkg