CICLO DE BRAYTON

INTRODUCCION

El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas.

Diagrama del ciclo Brayton teórico (en negro) y real (en azul), en función de la entropía S y la temperatura T.

El ciclo Brayton es la aproximación del ciclo de aire estándar ideal para los motores de turbinas de gas. Este ciclo difiere de los ciclos Otto y Diesel en que los procesos que componen el ciclo ocurren en sistemas abiertos o volúmenes de control. Por lo tanto, un sistema abierto, el análisis de flujo estable es usado para determinar la transferencia de calor y trabajo para el ciclo.

Asumiremos que el fluido de trabajo es aire y que los calores específicos son constantes y consideraremos el ciclo estándar de aire frio.

En la realidad el ciclo Brayton es un ciclo abierto como se puede observar en la siguiente figura:

Pero para efectos de cálculos se puede simular como un sistema cerrado, quedando de la siguiente manera:

DESCRIPCION DEL CICLO

Se introduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor donde su temperatura y presión se elevan. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión, donde el combustible se quema a presión constante.

Los gases de alta temperatura que entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, produciendo potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia afuera (no se recirculan), causando que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.

El ciclo de turbina de gas abierto descrito anteriormente puede modelarse como un ciclo cerrado, empleando las suposiciones de aire estándar. En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por uno de adición de calor a presión constante desde una fuente externa, mientras que el proceso de escape se reemplaza por otro de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente.

PROCESOS DEL CICLO

El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos:

1-2. Compresión isentrópica en un compresor. 2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un

intercambiador de calor o una cámara de combustión. 3-4. Expansión isentrópica en una turbina. 4-1. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en

un intercambiador de calor o en la atmósfera.

Aplicando la ecuación general de la primera ley a través de los balances de energía en cada dispositivo, podemos conseguir la energía presente

en cada uno de ellos, bien sea calor o trabajo, ya que la energía cinética y potencial es despreciable en este tipo de dispositivos:

Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo es :

qentrada=h3−h2=C p(T 3−T 2)

Y qsalida=h4−h1=Cp(T 4−T1)

De esta manera podemos emplear la ecuación de la eficiencia para el ciclo Brayton simple bajo suposiciones para aire frio:

ε=W neto

qentrada

ε=1−T 1(T 4T 1

−1)

T 2(T 3T 2

−1)

Se sabe que para los procesos isentrópicos 1-2, 3-4, por lo que P2=P3 y P4= P1 ; se cumple que:

Sustituyendo estas relaciones isoentrópicas podemos simplificar un poco la ecuación de la eficiencia:

Donde:

r p=P2P1

k = relacion de calores específicos

En la ecuación se muestra que bajo las suposiciones de aire frio estándar la eficiencia termica de un ciclo Brayton ideal depende de la relación de presiones de la turbina de gas y de la relación de calores específicos del fluido de trabajo. La eficiencia térmica aumenta con ambos parámetros que tambien es el caso para las turbinas de gases reales.

DESVIACIONES QUE PRESENTA EL CICLO REAL RESPECTO AL IDEAL

Debido a las irreversibilidades que presentan los ciclos reales, los procesos de suministro de calor no son completamente isobáricos, y los de expansión y compresión tampoco son completamente a entropía constante, como se puede apreciar en el diagrama T-s que se muestra a continuación:

Estas desviaciones se miden a través de las eficiencias isoentrópicas del compresor y la turbina:

APLICACIONES

El campo de aplicación de las turbinas de gas es más amplio que el de las turbinas de vapor. Esto es así por el hecho de que son los motores térmicos con mayor potencia específica que existe (es decir, kW de potencia/kg de peso de la máquina).

Las turbinas de gas se usan profusamente en aplicaciones de cogeneración y, sobre todo, en la aviación. En este último campo, además de su alta relación potencia/peso que permite construir motores potentes que sean muy ligeros, se aprovecha el gran caudal de gases que mueven para generar el empuje necesario para hacer avanzar el avión.

Se utiliza como trabajo mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento, en el caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.

Tuberías para transmisión de gas. Es de las industrias que más utilizan turbinas de gas. Las turbinas de gas han sido instaladas para impulsar compresores en medidas superiores  a 22500 KW (300 HP). Esta es una aplicación excelente ya que el gas natural es un combustible ideal y se requiere una gran cantidad de fuerza motriz.

Transporte: En barcos, la alta potencia específica de las turbinas de gas permite realizar diseños de altas velocidades. Esto es muy útil para barcos tipo containers, botes moto-torpedo y grandes barcos de guerra. También se usan en ferrocarriles, en locomotoras de carga y trenes ligeros de pasajeros, pero solo en los últimos ha representado un cambio significativo.

Aeromodelismo: Actualmente se construyen pequeñas turbinas de gas que impulsan aeromodelos a control remoto. Estas se han vuelto las favoritas de los seguidores de este hobby ya que le brindan al modelo una gran velocidad y potencia, mejorando su rendimiento y versatilidad.

Generación eléctrica: Las compañías de servicios eléctricos las utilizan para cargas pico de trabajo en primer lugar. Los costos de instalación y operación, siempre que se usen combustibles refinados, son favorables para trabajos intermitentes. Los motores de aviación adaptados para este servicio disponen de un rápido arranque,  aproximadamente dos minutos para arrancar a plena carga. se han instalado plantas de potencia a carga pico arriba de 150 MW con un solo generador.

BIBLIOGRAFIA:

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Brayton

http://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/guia-tema-41.pdf

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Brayton#Eficiencia

https://www.academia.edu/5128955/Ciclos_de_potencia_a_base_de_gas-_Brayton-Otto