Ciclo de Brayton
Summary
TLDREn 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.
Outlines
🔬 Ciclo de Potencia de Gas Brayton
El primer párrafo presenta un ciclo de potencia de gas, específicamente el ciclo Brayton, utilizado en turbinas de gas. Mario Toledo, profesor de la Universidad Técnica Federico Santa María, explica que este ciclo es termodinámicamente idealizado y se compone de tres equipos principales: el compresor, la cámara de combustión y la turbina. El aire entra en el compresor, se mezcla con combustible en la cámara de combustión, donde ocurre una reacción química que libera calor, y finalmente, en la turbina, se genera potencia. Se menciona la potencia neta, que es la diferencia entre la potencia producida por la turbina y la consumida por el compresor. El ciclo se modela como cerrado, con un intercambiador de calor para representar las pérdidas térmicas. El aire se considera un gas ideal, y se utilizan cuatro procesos y estados termodinámicos para analizar el ciclo, con diagramas de temperatura-entropía y presión-volumen específico para entender mejor los cambios en el proceso.
🔧 Consideraciones sobre la Irreversibilidad en el Ciclo Brayton
El segundo párrafo continúa la explicación del ciclo de potencia de gas, enfocándose en la irreversibilidad de los procesos en la turbina y el compresor. Aunque el ciclo se modela idealmente, en la realidad estos procesos no son reversibles, lo que conlleva a un aumento de entropía. Esto se manifiesta durante la expansión en la turbina y la compresión en el compresor, donde se producen pérdidas de eficiencia. Se discuten las fórmulas para calcular el rendimiento de la turbina y el compresor, utilizando diferenciales de entalpía o temperatura. El rendimiento de la turbina se calcula como la relación entre el trabajo real generado y el trabajo ideal, mientras que el compresor, que consume potencia, se evalúa de manera similar. El párrafo concluye destacando la importancia de comprender estas irreversibilidades en el diseño y optimización de ciclos de potencia de gas.
Mindmap
Keywords
💡Ciclo de Brayton
💡Compresor
💡Cámara de combustión
💡Turbina
💡Potencia neta
💡Intercambiador de calor
💡Gas ideal
💡Estados termodinámicos
💡Diagramas TS y PV
💡Rendimiento
💡Irreversibilidad
Highlights
Mario Toledo, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica Federico Santa María, presenta el ciclo de potencia de gas o ciclo de Brayton.
El ciclo de Brayton es un ciclo termodinámico idealizado utilizado en turbinas de gas.
Se describen tres equipos principales asociados al ciclo: compresor, cámara de combustión y turbina.
El compresor es el lugar de ingreso de aire para el proceso, aumentando su presión.
La cámara de combustión es donde se mezcla el combustible con el aire, generando una reacción química y entrega de calor.
La turbina es el componente donde se genera la potencia, aprovechando los gases de escape.
Se define la potencia neta como la diferencia entre la potencia en la turbina y la entregada al compresor.
El ciclo de Brayton es un ciclo abierto, con intercambio de calor y pérdidas térmicas.
Se modela el ciclo como cerrado para un análisis termodinámico más preciso, incluyendo un intercambiador de calor.
El aire se utiliza como fluido de trabajo, considerado un gas ideal para el análisis.
Se definen cuatro estados termodinámicos y cuatro procesos en el ciclo de Brayton.
Los diagramas de temperatura-entropía y presión-volumen específico son herramientas clave para el análisis.
El proceso de compresión (estado 1 a estado 2) se caracteriza por una entropía constante y un aumento de temperatura.
El proceso de suministro de calor (estado 2 a estado 3) mantiene la presión constante y aumenta la temperatura.
La expansión en la turbina (estado 3 a estado 4) se asocia con una constante entropía y una disminución de presión.
El rechazo de calor (estado 4 a estado 1) es un proceso isocórico que lleva al aire de vuelta a su estado inicial.
La irreversibilidad de los procesos y el aumento de entropía en la turbina y compresor son discutidos.
El rendimiento de la turbina y el compresor se calcula a partir de diferenciales de entalpía o temperatura.
Se concluye la presentación con una visión de los ciclos reales, destacando la importancia de la idealización y las irreversibilidades presentes.
Transcripts
hola muy buenas mi nombre es mario
toledo profesor del departamento de
ingeniería mecánica de la universidad
técnica federico santa maría y en esta
clase vamos a ver el ciclo great on como
ciclo de potencia de gas
el ciclo termodinámico idealizado para
lo que son turbinas de gas como podemos
ver en la imagen tenemos tres equipos
asociados a este ciclo en primer lugar
el compresor donde está el ingreso de
aire para el proceso posteriormente
tenemos la cámara de combustión donde el
ingreso de combustible la mezcla con el
aire genera la reacción química y la
entrega de calor a este proceso y
finalmente tenemos la turbina donde se
genera la potencia de este siglo
saliendo los gases de escape
finalmente la potencia neta que vemos
ahí en la imagen señalada es la resta de
la potencia en la turbina menos la
potencia que uno entrega al compresor
este ciclo como se ve es un ciclo
abierto en las imágenes superiores
podemos ver la imagen de una turbina y
el ciclo con los tres equipos que
mencionamos recientemente y para poder
desarrollar un buen análisis
termodinámico lo modelamos como un ciclo
cerrado incorporando un tipo de
intercambiador de calor que se ve en la
zona baja aquí es donde estarían las
pérdidas de calor que tendría este ciclo
como su puesto de trabajo nuestro fluido
va a ser el aire considerado como gas
ideal
para entenderlo tenemos cuatro equipos
tenemos cuatro procesos tenemos cuatro
estados termodinámicos definidos tenemos
los dos diagramas temperatura y entropía
y presión y volumen específico acá en
las imágenes y partimos el análisis con
el primer proceso entre el estado
termodinámico 1 y 2 que es el de
compresión y centro pica en el diagrama
ts podemos ver que la entropía se
mantiene constante y hay un aumento de
la temperatura del estado termodinámico
1 al estado termodinámico 2 en el
diagrama pd pp podemos ver que hay un
aumento importante de la presión desde
la presión baja que tiene el ciclo hasta
la presión más alta del mismo
posteriormente desde el estado
termodinámico 2 al estado termodinámico
3 tenemos un proceso de suministro de
calor y sobar y ccoo mantenemos la
presión constante y tenemos un aumento
importante de la temperatura como se ve
en el diagrama ts llegamos a la máxima
temperatura que tiene el ciclo entre 3 y
en el diagrama pdv podemos ver que la
presión se mantiene constante y hay un
leve aumento
el volumen específico posteriormente
entre el proceso 3-4 tenemos la
expansión y centro pica mantenemos la
entropía constante como se ve en el
diagrama ts y entre 3 y 4 hay una
disminución de la presión y un aumento
importante del volumen específico en
este ciclo entre los estados
termodinámicos 4 y 1 mantenemos la
presión constante existe un rechazo de
calor y pasamos entonces a lograr el
estado termodinámico inicial con el cual
el aire va a ingresar al compresor en el
diagrama pp podemos ver que hay una
disminución importante del volumen
específico hasta llegar al estado
termodinámico
como los ciclos reales existen la
irreversibilidad es y los procesos no
son y centro picos entre los estados
termodinámicos 3 y 4 que es donde se
encuentra la expansión el proceso de
generación de potencia en la turbina hay
un aumento de la entropía a la salida de
ésta a la entropía del fluido y en la
zona de compresión entre el estado
termodinámico 1 y 2 a la salida también
hay un aumento de la entropía ambos
rendimientos tanto de la turbina y
compresor se pueden ver acá la forma de
calcular los y vemos que el rendimiento
y centro pico de la turbina se puede
calcular en la parte superior como el
trabajo o potencia real que estaría
generando la turbina con los
diferenciales de entalpía dado que
estamos trabajando como un gas ideal se
pueden igualar o diferenciar sólo las
temperaturas para conocer cuál es el
valor de este potencia o trabajo real y
en el denominador tenemos el proceso y
centro pico idealizado con las
diferencias de entalpía o diferencias de
temperatura como podemos ver en el mismo
diagrama ts
que está a mano izquierda el rendimiento
y centro pico del compresor y dado que
aquí es donde uno suministra potencia al
ciclo se calcula mediante la potencia
idealizada que uno entrega al proceso de
compresión diferenciales de entalpía o
diferenciales de temperatura y en el
denominador podemos calcular la potencia
real que uno aporta el ciclo con sus
diferenciales de entalpía o
diferenciales de temperatura con esto
terminamos la presentación de lo que es
un ciclo brayton considerando la
idealización y con los procesos ir de
irreversibilidad que hay tanto en
turbina y compresor
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