Ciclo de Brayton

Summary

En este script, el profesor Mario Toledo de la Universidad Técnica Federico Santa María, explica el ciclo de Brayton, un proceso termodinámico idealizado utilizado en turbinas de gas. Se describen los cuatro estados termodinámicos y procesos, incluyendo compresión, combustión, expansión y rechazo de calor. El ciclo es modelado como cerrado con un intercambiador de calor para analizar pérdidas térmicas. El rendimiento de la turbina y el compresor se calcula a partir de diferencias de entalpía, destacando la importancia de entender las irreversibilidades en los procesos reales.

Takeaways

• 👋 Hola, el nombre del profesor es Mario Toledo y es del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Federico Santa María.
• 🔍 En esta clase se analiza el ciclo de potencia de gas, conocido como ciclo Brayton, utilizado en turbinas de gas.
• 🔧 El ciclo consta de tres equipos principales: el compresor, la cámara de combustión y la turbina.
• 🔄 El ciclo es abierto, lo que significa que el aire y los gases de escape entran y salen continuamente.
• 📈 El análisis termodinámico se realiza modelando el ciclo como cerrado, con un intercambiador de calor para representar las pérdidas térmicas.
• 🌡️ El proceso de compresión (estado 1 a 2) implica un aumento de temperatura y presión, manteniendo la entropía constante.
• 🔥 El proceso de suministro de calor (estado 2 a 3) se mantiene a presión constante, con un aumento significativo de temperatura.
• 🌀 La expansión en la turbina (estado 3 a 4) mantiene la entropía constante y disminuye la presión, aumentando el volumen específico.
• 🔙 El rechazo de calor (estado 4 a 1) vuelve a la presión inicial, disminuyendo el volumen específico para completar el ciclo.
• ⚙️ Los rendimientos de la turbina y el compresor se calculan a partir de las diferencias de entalpía o temperatura entre los estados termodinámicos.
• 🔄 La irreversibilidad de los procesos reales, como la generación de potencia en la turbina y la compresión del aire, se refleja en el aumento de entropía.

Q & A

¿Qué es el ciclo de Brayton y cómo se relaciona con las turbinas de gas?

El ciclo de Brayton, también conocido como ciclo de potencia de gas, es el ciclo termodinámico idealizado utilizado en turbinas de gas. Consiste en un proceso de compresión, combustión, expansión y rechazo de calor que permite la generación de potencia.

¿Cuáles son los tres equipos principales asociados con el ciclo de Brayton?

Los tres equipos principales asociados con el ciclo de Brayton son el compresor, la cámara de combustión y la turbina.

¿Qué ocurre en el compresor durante el ciclo de Brayton?

En el compresor, se realiza la compresión del aire que entrará en el proceso, lo cual se representa en el estado termodinámico 1 al estado 2, manteniendo la entropía constante y aumentando la temperatura.

¿Qué proceso ocurre en la cámara de combustión del ciclo de Brayton?

En la cámara de combustión, se mezcla el aire comprimido con el combustible, lo que genera una reacción química y la entrega de calor al proceso, pasando del estado termodinámico 2 al estado 3.

¿Cómo se genera la potencia en la turbina del ciclo de Brayton?

La potencia se genera en la turbina a través de la expansión del gas caliente, que se produce en la cámara de combustión, y se representa en el proceso entre los estados termodinámicos 3 y 4, manteniendo la entropía constante y disminuyendo la presión.

¿Qué es la potencia neta en el ciclo de Brayton y cómo se calcula?

La potencia neta es la diferencia entre la potencia generada en la turbina y la potencia necesaria para el funcionamiento del compresor. Se calcula como la resta de la potencia en la turbina menos la potencia que se entrega al compresor.

¿Cuáles son los cuatro procesos termodinámicos definidos en el ciclo de Brayton?

Los cuatro procesos termodinámicos son: compresión (1-2), suministro de calor (2-3), expansión (3-4) y rechazo de calor (4-1).

¿Cómo se modela un ciclo de Brayton para un análisis termodinámico más detallado?

Para un análisis termodinámico más detallado, se modela el ciclo de Brayton como un ciclo cerrado, incorporando un intercambiador de calor que representa las pérdidas de calor del ciclo.

¿Qué fluido se utiliza como modelo para el aire en el ciclo de Brayton y por qué?

Se utiliza el aire considerado como un gas ideal para el modelo del ciclo de Brayton, ya que simplifica las cálculos y permite entender mejor los procesos termodinámicos involucrados.

¿Cómo se calcula el rendimiento de la turbina en el ciclo de Brayton?

El rendimiento de la turbina se calcula como el trabajo o potencia real que genera la turbina, dividido por el trabajo idealizado que se esperaría en un proceso reversible, utilizando diferenciales de entalpía o temperatura.

¿Qué implica la irreversibilidad en los procesos del ciclo de Brayton y cómo se refleja en el diagrama?

La irreversibilidad implica que los procesos reales no son reversibles y que hay pérdidas de energía, lo que se refleja en un aumento de la entropía en la turbina y en la compresión, como se ve en el diagrama TS.