Ciclo de Refirgeracion de Gas

Escuela Superior Politécnica del Litoral ESPOL

Trabajo de investigación: Ciclo de refrigeración por gas: Brayton invertido

Termodinámica II

Profesor: Ing. Eduardo Rivadeneira

Estudiante: Maria Jose Albuja Ayala

I Término 2015-2016

Fecha: 24 de Agosto del 2015 Introducción

Una de las principales áreas de la termodinámica es la refrigeración, que es la transferencia de calor de una región de temperatura inferior hacia una temperatura superior, esto con el fin de disminuir la temperatura para mantener un ambiente agradable. Los dispositivos que producen refrigeración son conocidos comúnmente como "refrigeradores, o acondicionador de aire", y los ciclos en los que operan se denominan ciclos de refrigeración por compresión de vapor, en donde el refrigerante es evaporado y condensado alternadamente, para luego comprimirse en la fase de vapor. La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos, y el estudio de los ciclos de potencia es una parte interesante e importante de la termodinámica, y precisamente en este escrito trataremos la base para los motores de turbina de gas el Ciclo Brayton. Los ciclos que se efectúan en dispositivos reales son difíciles de examinar porque hay demasiadas variaciones y detalles que se tienen que tomar en cuenta al mismo tiempo y se complica demasiado el entorno. Para facilitar el estudio de los ciclos se optó por crear el llamado ciclo ideal, en el cual se eliminan todas esas complicaciones que no permiten un análisis eficaz, por lo tanto se llega a alejar de la realidad pero en una manera moderada. En el siguiente esquema se puede llegar a apreciar una aproximación entre un ciclo ideal y uno real. Se puede notar que difieren pero se encuentran aproximadamente en el mismo rango.

Los ciclos ideales son internamente reversibles pero, a diferencia del ciclo de Carnot, no es necesario que sean externamente reversibles. Es decir, pueden incluir irreversibilidades externas al sistema como la transferencia de calor debida a una diferencia de temperatura finita. Entonces, la eficiencia térmica de un ciclo ideal, por lo general, es menor que la de un ciclo totalmente reversible que opere entre los mismos límites de temperatura. Sin embargo, aún es considerablemente más alta que la eficiencia térmica de un ciclo real debido a las idealizaciones empleadas. Las idealizaciones y simplificaciones empleadas en los análisis de los ciclos de potencia, por lo común pueden resumirse del modo siguiente: 1.- El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto el fluido de trabajo no experimenta ninguna reducción de presión cuando fluye en tuberías o dispositivos como los intercambiadores de calor. 2.- Todos los procesos de compresión y expansión se dan en el modo de cuasiequilibrio.

3.- Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema están muy bien aisladas y la transferencia de calor por ellas es despreciable. Los diagramas de propiedades P-v y T-s han servido como auxiliares valiosos en el análisis de procesos termodinámicos. Tanto en los diagramas P-v como en los T-s, el area encerrada en las curvas del proceso de un ciclo representa el trabajo neto producido durante el ciclo, lo cual es equivalente a la transferencia de calor neta en ese ciclo.

El ciclo Brayton también llamado de Joule fue propuesto por primera vez por George Brayton, se desarrolló originalmente empleando una máquina de pistones con inyección de combustible, pero ahora es común realizarlo en turbinas con ciclos abiertos o cerrados. La máquina de ciclo abierto puede emplearse tanto con combustión interna como con transferencia de calor externa, en tanto que la máquina con ciclo cerrado tiene una fuente de energía externa. A continuación analizaremos un ciclo de refrigeración por gas, es decir un ciclo donde la sustancia de trabajo nunca cambia de fase, más específicamente siempre se mantiene como gas. A estudiaremos el ciclo de refrigeración de gas, mejor conocido como ciclo invertido Brayton; en el cual, el refrigerante permanece todo el tiempo en fase gaseosa.

Descripción del ciclo de Brayton El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:

Admisión El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina

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 queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro 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 Ultima etapa en la que sale el trabajo de turbina, puede ir acoplada a otro dispositivo como motor eléctrico.

George Bailey Brayton

George Brayton (1830-1892), ingeniero mecánico de EE.UU. y pionero en el desarrollo de motores de combustión interna, además de fundamentar un ciclo con el que puede funcionar la turbina de gas, la cual es usada actualmente en aviones y otras aplicaciones. Inventó el motor de explosión continua encendido por chispa que más tarde se convirtió en la base para el motor de la turbina. Se cree que es el primero en los Estados Unidos para la fabricación y venta de turbinas de gas comercial (en el área Providence, Rhode Island,).[1] Empezó a trabajar en motores de combustión interna en la década de 1870. Su motor de combustión interna contiene una membrana a través del cual la llama entra en el cilindro refrigerado por agua, creando la combustión (George B. Selden más tarde patentó una máquina idéntica a la de Brayton, salvo que se omitió el diafragma). Nació el 3 de octubre 1830, Rhode Island, y murieron 17 de diciembre 1892, Londres, Inglaterra.[2]

Ciclo Invertido de Brayton

El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir energía en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica. Las dos principales áreas de aplicación de la 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 el compresor y a un pequeño generador que alimenta el equipo auxiliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de producir el empuje necesario para accionar la aeronave. Las turbinas de gas también se utilizan como centrales estacionarias que producen energía eléctrica. Ésta se genera mediante centrales eléctricas de vapor. Las centrales eléctricas de turbina de gas son empleadas por la industria de generación eléctrica en emergencias y durante períodos picos gracias a su bajo costo y rápido tiempo de respuesta. Las turbinas de gas también se utilizan con las centrales eléctricas de vapor en el lado de alta temperatura, formando un ciclo dual. En estas plantas, los gases de escape de las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas también puede ejecutarse como un ciclo cerrado para ser utilizado en centrales nucleoeléctricas. Esta vez el fluido de trabajo no se limita al aire., y puede emplearse un gas con características más convenientes (como el helio).[3] La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental ya utilizan motores de turbinas de gas para propulsión y para la regeneración de energía eléctrica. Comparadas con la turbina de vapor y los sistemas de propulsión diésel, la turbina de gas ofrece mayor potencia para un tamaño y peso determinados, alta confiabilidad, larga vida y operación más conveniente. El tiempo de arranque de la máquina ha sido reducido de las 4 horas requeridas de un sistema de propulsión típico a menos de 2 minutos para una turbina de gas. Muchos sistemas de propulsión marina modernos, utilizan turbinas de gas junto a motores diésel, debido al alto consumo de combustible de los motores de turbina de gas de ciclo simple. En sistemas combinados, el quipo diésel se utiliza para dar de manera eficiente baja potencia y operación de crucero, y la turbina de gas se utiliza cuando se necesitan altas velocidades. También han sido aplicadas a vehículos pero en la actualidad solo existe algún proyecto, como el Volvo ECC (híbrido eléctrico-turbina de gas). Los problemas que dificultan su aplicación en automoción son que aceptan mal los arranques y las paradas y les cuesta mucho cambiar de régimen (son muy lentas acelerando). De hecho el funcionamiento habitual de las turbinas de gas es siempre al mismo régimen y las variaciones de demanda de potencia se hacen manteniendo el régimen y variando el par (fuerza de giro) generado. Ahora vamos a analizar el ciclo invertido. Considere el ciclo de refrigeración de gas que se muestra en la figura 11-16. Los alrededores están a T0 y el espacio refrigerado se va a mantener a TL. El gas se comprime durante el proceso 1-2. El gas a presión y temperatura altas en el estado 2 se enfría después a presión constante hasta T0 al rechazar calor hacia los alrededores. Esto es seguido por un proceso de expansión en una turbina, durante el cual la temperatura del gas disminuye hasta T4. (¿Es posible lograr el efecto de enfriamiento con una válvula de estrangulamiento en lugar de una turbina?) Por último, el gas frío absorbe calor del espacio refrigerado hasta que su temperatura se eleva hasta T1.

Todos los procesos recién descritos son internamente reversibles, y el ciclo ejecutado es el ciclo ideal de refrigeración de gas. En los ciclos reales de refrigeración de gas, los procesos de compresión y expansión se desviaran de los isentrópicos, y T3 será más alta que T0 a menos que el intercambiador de calor sea infinitamente largo. En un diagrama T-s, el área bajo la curva del proceso 4-1 representa el calor removido del espacio refrigerado; el área encerrada 1-2-3-4-1 representa la entrada neta de trabajo. La relación de estas áreas es el COP para el ciclo, que se expresa como:

A pesar de su bajo COP, los ciclos de refrigeración de gas tienen dos características deseables: incluyen componentes simples más ligeros (que los hacen adecuados para el enfriamiento de aviones) y pueden incorporar regeneración (por lo que son adecuados en la licuefacción de gases y en las aplicaciones criogénicas). Un sistema de enfriamiento de avión, que opera en un ciclo abierto, se muestra en la figura 11-18. El aire atmosférico se comprime por medio de un compresor, se enfría mediante el aire circundante y se expande en una turbina. El aire frío que sale de la turbina es dirigido después a la cabina.[4]

Comparación del ciclo invertido de Brayton con el ciclo invertido de Carnot. El ciclo de refrigeración de gas se desvía del ciclo de Carnot invertido debido a que los procesos de transferencia de calor no son isotérmicos. De hecho, la temperatura del gas varía

de manera considerable durante el proceso de transferencia de calor. En consecuencia, los ciclos de refrigeración de gas tienen COP menores respecto de los ciclos de refrigeración por compresión de vapor o con relación al ciclo de Carnot invertido. Esto también se deduce del diagrama T-s en la figura 11-17. El ciclo de Carnot invertido consume una fracción del trabajo neto (área rectangular 1A3B), pero produce una cantidad mayor de refrigeración (área triangular bajo B1).

Ciclo de refrigeración de gas con regeneración. El enfriamiento regenerativo se logra al insertar un intercambiador de calor a contraflujo dentro del ciclo. Sin regeneración, la temperatura de entrada más baja de la turbina es T0, la temperatura de los alrededores o de cualquier otro medio de enfriamiento. Con regeneración, el gas de alta presión se enfría aún más hasta T4 antes de expandirse en la turbina. La disminución de la temperatura de entrada de la turbina reduce automáticamente la temperatura de salida de la misma, que es la temperatura mínima en el ciclo. Es posible conseguir temperaturas muy bajas cuando este proceso se repite.

Conclusiones: 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, como en el que analizamos en este documento el de refrigeración. Las ventajas más notables del ciclo invertido de Brayton es que incluyen componentes simples más ligeros (que los hacen adecuados para el enfriamiento de aviones), ya que lo ayuda a mantener un peso bajo y mejor aerodinámico; además pueden incorporar regeneración (por lo que son adecuados en la licuefacción de gases y en las aplicaciones criogénicas). Este puede ser operado de varias maneras, ya sea abierto o cerrado, existen formas de optimizar su rendimiento, pero hay que tener mucho cuidado en examinar si vale la pena hacer cambios. Para el mejor estudio de los ciclos de potencia se utiliza una manera idealizada de los mismos en la que se eliminan ciertos puntos para no complicar su razonamiento, en estas formas de análisis todos los procesos, son reversibles.

Referencias [1] «George Brayton - Wikipedia, the free encyclopedia». [En línea]. Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/George_Brayton. [Accedido: 09-feb-2015]. [2] «Brayton, George Bailey | rafaelgonzalez21». [En línea]. Disponible en: https://rafaelgonzalez21.wordpress.com/biografias/brayton-george-bailey/. [Accedido: 09-feb-2015]. [3] «Ciclo Brayton». [En línea]. Disponible en: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Brayton. [Accedido: 09-feb-2015]. [4] «Ciclo de refrigeración por gas: Ciclo invertido de Brayton». Termodinámica de Yunus & Cengel 5ta Edición