Facultad de Ingeniería
Mecánica - Energía
Ciclos BRAYTON
Jueves 23 de Enero 2013
FIME - TERMODINAMICA II – Verano 2014 Ing° Samuel Silva B. - Ing. Oscar Crisostomo G.
1. Un ciclo Brayton ideal simple con aire como fluido de trabajo tiene una relación de presiones de 10.
El aire entra al compresor a 520 R y a la turbina a 2.000 R. Tomando en cuenta la variación de calores
específicos con la temperatura, determine a) la temperatura del aire a la salida del compresor, b) la
relación del trabajo de retroceso y c) la eficiencia térmica.
2. Un ciclo Brayton ideal simple usa helio como fluido de trabajo, opera con 12 psia y 60 °F a
la entrada del compresor, tiene una relación de presiones de 14, y una temperatura máxima
de ciclo de 1 300 °F. ¿Cuánta potencia producirá este ciclo cuando el flujo de circulación del
helio por el ciclo es 100 lbm/min? Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente.
3. Considere un ciclo Brayton simple que usa aire como fluido de trabajo, tiene una relación de
presiones de 12, una temperatura máxima de ciclo de 600 °C, y la entrada al compresor opera a 90
kPa y 15 °C. ¿Qué tendrá mayor impacto en la relación de trabajo de retroceso: una eficiencia
isentrópica de compresor de 90 por ciento o una eficiencia isentrópica de turbina de 90 por
ciento? Use calores específicos constantes a temperatura ambiente.
4. Un motor de avión opera en un ciclo Brayton ideal simple con una relación de presiones de
10. Se agrega calor al ciclo a razón de 500 kW; el aire pasa a través del motor a razón de 1
kg/s, y el aire al principio de la compresión está a 70 kPa y 0 °C. Determine la potencia
producida por este motor y su eficiencia térmica. Use calores específicos constantes a
temperatura ambiente.
5. Una planta eléctrica de turbina de gas opera en un ciclo Brayton simple entre los límites de
presión de 100 y 2 000 kPa. El fluido de trabajo es aire, que entra al compresor a 40 °C y una razón
de 700 m3/min y sale de la turbina a 650 °C. Usando calores específicos variables para el aire y
suponiendo una eficiencia isentrópica de compresión de 85 por ciento y una eficiencia isentrópica
de turbina de 88 por ciento, determine a) la producción neta de potencia, b) la relación del trabajo
de retroceso y c) la eficiencia térmica.
6. Una planta eléctrica con turbina de gas opera en el ciclo Brayton simple entre los límites de presión
de 100 y 800 kPa. El aire entra al compresor a 30 °C y sale a 330 °C a un flujo másico de 200 kg/s. La
temperatura máxima del ciclo es 1 400 K. Durante la operación del ciclo, la producción neta de
potencia se mide experimentalmente como 60 MW. Suponga propiedades constantes para el aire a
300 K, con cv = 0.718 kJ/ kg · K, cp = 1.005 kJ/kg · K, R = 0.287 kJ/kg · K, k = 1.4. a) Trace el diagrama Ts para el ciclo. b) Determine la eficiencia isentrópica de la turbina para estas condiciones de
operación.
c) Determine la eficiencia térmica del ciclo.
Ciclo Brayton con Regeneración
7. Una turbina de gas para un automóvil se diseña con un regenerador. El aire entra al
compresor de este motor a 100 KPa y 20°C. La relación de presiones del compresor es 8, la
temperatura máxima del ciclo es 800°C y el flujo del aire frio sale del regt3enerador 10°C más
frio que el flujo de aire caliente a la entrada del regenerador. Suponiendo que tanto el
compresor como la turbina son isentrópicos, determine las tasas de adición y rechazo de calor
para este ciclo cuando produce 150KW. Use calores específicos constantes a temperatura
ambiente.
FIME - TERMODINAMICA II – Verano 2014
Ing° Samuel Silva B. - Ing. Oscar Crisostomo G.
Ciclo Brayton con Regeneración
8. Un motor de turbina de gas opera en el ciclo Brayton ideal con regeneración, tal como se
muestra en la figura. Ahora se modifica la instalación del regenerador de modo que los flujos de
aire en los estados 2 y 5 entran por un lado del regenerador y los flujos 3 y 6 salen por el otro
lado (es decir, se realiza la instalación de flujos paralelos de un intercambiador de calor).
Considere este sistema cuando el aire entra al compresor a 100 KPa y 20°C; la relación de
presiones del compresor es 7, la temperatura máxima del ciclo es de 727°C y la diferencia entre
las temperaturas de aire caliente y frío es de 6°C en el lado del regenerador por el que sale el
flujo frío. ¿La instalación del ciclo como se muestra en la figura es más o menos eficiente que
esta instalación? Suponga que tanto el compresor como la turbina son isentrópicos, y use
calores específicos constantes a temperatura ambiente.
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Ciclo Brayton con Regeneración
9. La turbina de gas 7FA fabricada por General Electric se reporta que tiene una eficiencia de
35,9 por ciento en el modo de ciclo simple y que produce 159 MW de potencia neta. La relación
de presiones es 14,7; y la temperatura de entrada a la turbina es de 1 288 °C. El flujo másico a
través de la turbina es de 1,536,000 kg/h. Tomando las condiciones ambientes como 30 °C y 100
KPa, determine la eficiencia isentrópica de la turbina y del compresor. Determine también la
eficiencia térmica de este ciclo si se agrega un regenerador con una efectividad de 65 por ciento.
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Ciclo Brayton con Regeneración
10. Un ciclo Brayton con regeneración que usa aire como fluido de trabajo tiene una relación de
presiones de 7. Las temperaturas mínima y máxima en el ciclo son 310 y 1 150 K. Suponiendo
una eficiencia isentrópica de 75% para el compresor y de 82% para la turbina, y una efectividad
de 65% para el regenerador, determine a) la temperatura del aire a la salida de la turbina, b) la
producción neta de trabajo y c) la eficiencia térmica.
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Ciclo Brayton con Regeneración
11. Una planta eléctrica de turbina de gas opera estacionariamente en un ciclo Brayton
regenerativo ideal (ε= 100%) con aire como fluido de trabajo. El aire entra al compresor a 95 KPa
y 290 K y a la turbina a 760 kPa y 1 100 K. Se transfiere calor al aire de una fuente externa a
razón de 75 000 kJ/s. Determine la potencia que produce esta planta a) suponiendo calores
específicos constantes a temperatura ambiente y b) tomando en cuenta la variación de los
calores específicos con la temperatura.
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Ciclo Brayton con Regeneración
12. Entra aire al compresor de un ciclo regenerativo de turbina de gas, a 310 K y 100 kPa, y se
comprime a 900 kPa y 650 K. El regenerador tiene una efectividad de 80 por ciento, y el aire
entra a la turbina a 1.400 K. Para una eficiencia de la turbina de 90 por ciento, determine a) la
cantidad de calor que se transfiere en el regenerador y b) la eficiencia térmica. Suponga calores
específicos variables para el aire.
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