Ciclo Brayton

Termodinmica1El ciclo Brayton aparece por primera vez asociado a la patente de una mquina de gas del inventor ingls John Barber, en 1791. Era incapaz de alcanzar siquiera las 2 atmsferas de presin, y las elevadsimas prdidas de calor asociadas al sistema de calentamiento, as como las complicaciones asociadas al emplear aire en vez de vapor de agua.En la dcada de 1840 el fsico britnicoJames Prescott Jouleplante de manera terica y formal, por primera vez, el ciclo Brayton..Una vez delineadas las caractersticas del ciclo, el primer intento relevante por llevarlo a la prctica se produjo en 1872, cuandoGeorge Braytonpatent suReady Motor. La compresin se realizara en un cilindro, tras lo cual el aire comprimido, que habra pasado a una cmara de calentamiento, se calentara por una fuente de calor externa, para finalmente expandirse en el cilindro de expansin, produciendo un trabajo. El motor presentaba importantes problemas, al no poder garantizar a la perfeccin la constancia de la presin en la etapa de calentamiento del aire comprimidoEn la actualidad, el ciclo Brayton se asocia al motor de turbina de gas, aunque el fluido termodinmico sufre los mismos procesos que aquellos a los que se someta en su versin de motor de pistones, esta presenta la caracterstica diferencial de que es un motor de flujo continuo. Ello implica que el fluido es continuamente admitido y continuamente expulsado del motor.Historia

2 En la actualidad

3Para facilitar el estudio de los ciclos se opt por crear el llamado ciclo ideal, en el cual se eliminan todas esas complicaciones que no permiten un anlisis eficaz, por lo tanto se llega a alejar de la realidad pero en una manera moderada. En el siguiente esquema se puede llegar a apreciar una aproximacin entre un ciclo ideal y uno real. Se puede notar que difieren pero se encuentran aproximadamente en el mismo rango. Desarrollo:

4Las idealizaciones y simplificaciones empleadas en los anlisis de los ciclos de potencia, por lo comn pueden resumirse del modo siguiente:1.- El ciclo no implica ninguna friccin. Por lo tanto el fluido de trabajo no experimenta ninguna reduccin de presin cuando fluye en tuberas o dispositivos como los intercambiadores de calor.2.- Todos los procesos de compresin y expansin se dan en el modo de cuasi equilibrio.3.- Las tuberas que conectan a los diferentes componentes de un sistema estn muy bien aisladas y la transferencia de calor por ellas es despreciable. Desarrollo:

5El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir energa en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en trminos de eficiencia trmica.Las dos principales reas de aplicacin de la turbinas de gas son la propulsin de aviones y la generacin de energa elctrica.

Objetivos y aplicaciones

6Cuando se emplean en propulsin de aviones, la turbina de gas produce la potencia suficiente para accionar el compresor y a un pequeo generador que alimenta el equipo auxiliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de producir el empuje necesario para accionar la aeronave.Las turbinas de gas tambin se utilizan como centrales estacionarias que producen energa elctrica. sta se genera mediante centrales elctricas de vapor. Las centrales elctricas de turbina de gas son empleadas por la industria de generacin elctrica en emergencias y durante perodos picos gracias a su bajo costo y rpido tiempo de respuesta.

7Las turbinas de gas tambin se utilizan con las centrales elctricas de vapor en el lado de alta temperatura, formando un ciclo dual. En estas plantas, los gases de escape de las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas tambin puede ejecutarse como un ciclo cerrado para ser utilizado en centrales nucleoelctricas.

Ciclo combinado8Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura 1, aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presin se eleva. El aire de alta presin sigue hacia la cmara de combustin donde el combustible se quema a presin constante. Luego los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presin atmosfrica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), lo que provoca que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.Ciclo abierto

9El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor a temperatura elevada en el estado 1, donde se le agrega energa a un proceso de presin constante, hasta que alcanza la temperatura elevada del estado 2. Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansin isoentrpica, produciendo cierta potencia. El fluido sale de la turbina al estado 3 y pasa a ser enfriado, en un proceso a presin constante, en el intercambiador de calor de temperatura baja, de donde sale al estado 4, listo para entrar al compresor. Ah el fluido es comprimido isoentrpicamente al estado 1 y el ciclo se repite.Ciclo Cerrado:

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11En los motores de las turbinas de gas, la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suelen ser bastante mayor que la temperatura del aire que abandona el compresor. Por consiguiente, el aire de alta presin que sale del compresor puede calentarse transfirindole calor de los gases de escape calientes en un intercambiador de calor a contraflujo, el cual se conoce tambin como un regenerador o recuperador.

Ciclo Brayton con regeneracin

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El gas entra a la primera etapa del compresor , se comprime de modo isoentrpico hasta una presin intermedia P2 ; se enfra hasta una presin constante (T3 = T1 ) y se comprime en la segunda etapa isoentrpicamente hasta la presin final P4. El gas entra al regenerador, donde se calienta hasta T5 a una presin constante. En un regenerador ideal, el gas saldr del regenerador a la temperatura del escape de la turbina, es decir, T5 = T9. El proceso de adicin de calor (o combustin) primario sucede despus de la salida del regenerador. El gas entra a la primera etapa de la turbina y se expande isoentrpicamente, donde entra al recalentador. Se recalienta a presin constante (T8 = T6), donde entra a la segunda etapa de la turbina. El gas sale de la turbina y entra al regenerador, donde se enfra hasta el a presin constante. El ciclo se completa cuando el gas enfra hasta el estado inicial.

13El ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas. Tiene como funcin transformar energa que se encuentra en forma de calor a potencia para realizar un trabajo, tiene varias aplicaciones, principalmente en propulsin de aviones, y la generacin de energa elctrica, aunque se ha utilizado tambin en otras aplicaciones.

Este puede ser operado de varias maneras, ya sea abierto o cerrado, existen formas de optimizar su rendimiento, pero hay que tener mucho cuidado en examinar si vale la pena hacer cambios. Una manera de mejorar un ciclo cerrado es la regeneracin empleando parte de la energa desechada para calentar los gases que dejan el compresor y, por ende, reducir la transferencia de calor requerida por el ciclo

Conclusin14

Muchas gracias por su atencin!

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