Análisis 139: Ciclo regenerativo alternativo de TG con Jet-A

Un ciclo de Brayton regenerativo alternativo es empleado como motor de impulsión de un avión. El combustible empleado es A-2 (Jet-A). Se conoce el coeficiente de exceso de aire de 3.7 (370 % del aire estequiométrico). El aire y el combustible entran en condiciones standard, y los productos de combustión salen a 1310ºC. La presión en el lado de alta es de 1800 kPa. La eficacia del intercambiador regenerativo es del 70 %. El compresor tiene una eficiencia isoentrópica del 88 %. La TG (LP) tiene una eficiencia isoentrópica del 90 %. La pérdida de carga en el lado caliente del intercambiador regenerativo y en la cámara de combustión es de 14 kPa.

Determinar:

a) Eficiencia de la cámara de combustión.

b) Eficiencia isoentrópica de la turbina TG(HP) para una presión de salida de 584 kPa.

c) Balance energético de la instalación.

d) Temperatura adiabática de la llama.

e) Exergía del combustible.

f) Eficiencia exergética de la TG.

g) Eficiencia isoentrópica de la TG.

h) Irreversibilidades en cada elemento de la instalación.

i) Balance exergético de la instalación.

Se presenta una configuración alternativa para un ciclo de motor de turbina de gas regenerativo que produce eficiencias de ciclo más altas que los ciclos regenerativos simples o convencionales que funcionan en las mismas condiciones.

La esencia del esquema es precalentar el aire de descarga del compresor con gases de combustión a alta temperatura antes de que estos últimos se expandan por completo en la turbina. La eficiencia mejora porque el aire entra en la cámara de combustión a una temperatura más alta y, por lo tanto, la adición de calor en la cámara de combustión se produce a una temperatura media más alta. Las condiciones de funcionamiento del intercambiador de calor son más exigentes que las de una configuración de regeneración convencional, pero están dentro de la capacidad de los intercambiadores de calor modernos. Para compensar este inconveniente, se pueden usar componentes de motor más grandes, lo que aumenta el costo inicial de la planta. Pero, para los motores que deben funcionar continuamente, la eficiencia del ciclo puede considerarse como el parámetro más importante al diseñar la planta.

Los modelos de rendimiento del ciclo exhiben varios puntos porcentuales de mejora en relación con los ciclos simples o los esquemas de regeneración convencionales. Las eficiencias máximas de la configuración de regeneración alternativa ocurren en relaciones de presión óptimas que son significativamente más bajas que las requeridas para el ciclo simple. Además, la generación de entropía para un ciclo alternativo siempre es menor en comparación con el convencional cuando funcionan en las mismas condiciones.

El Jet A y el Jet A-1 son los combustibles para aviones más comunes en la aviación comercial. El A-1 se utiliza principalmente en aeronaves con motores de turbina. Presentan propiedades similares y están ampliamente disponibles a nivel mundial. Estos combustibles tienen puntos de congelación bajos, lo que los hace adecuados para operaciones en climas fríos.

Sin embargo, existen algunas diferencias entre ambos. El combustible Jet A-1 está formulado con aditivos antiestáticos adicionales para minimizar el riesgo de acumulación de electricidad estática durante las operaciones de repostaje. Además, el Jet A-1 tiene un punto de congelación más bajo, de aproximadamente -47 °C, lo que lo hace ideal para vuelos internacionales de larga distancia y operaciones en climas más fríos.