Ciclo de potencia de gas
José Flavio Millán Salgado
Introducción
El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo
Froude, es un ciclo termodinámico,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, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se
emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o
algún otro aprovechamiento.
En la década de 1840 el físico británico James Prescott
Joule planteó de manera teórica y formal, por primera vez, el ciclo Brayton. Su
trabajo se limitó al ámbito teórico y termodinámico, al reconocer que la
obtención de elevadas potencias mecánicas del ciclo exigiría o bien elevados
costes de combustible, o sistemas de compresión de gas extremadamente grandes y
resistentes, ya que Joule planteó la implantación del ciclo Brayton como un ciclo
de flujo discontinuo, en el que el gas debía comprimirse mediante un cilindro y
un pistón.
3.1 ciclo brayton ideal
El Ciclo de Brayton es un modelo utilizado para evaluar los
trabajos en las máquinas térmicas de presión constante que utilizan un gas como
fluido como el caso de las turbinas de impulsión de una aeronave. Este tipo de
máquinas puede también ser utilizada como elemento motriz para impulsar un
generador en centrales eléctricas. Si bien el ciclo se emplea en circuitos
abiertos, con expulsión de los gases de escape de la turbina a la atmósfera, se
considera en forma teórica que los mismos son reutilizados a la entrada del
proceso.
El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor
de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso
son las siguientes:
Admisión: El aire frío y a presión
atmosférica entra por la boca de la turbina
Compresor: El aire es
comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor
(movido por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante
una compresión adiabática A→B.
Cámara de
combustión: En la cámara, el aire es calentado por la combustión del
queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo
que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.
Turbina: El aire
caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande
y se enfría rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C
→D.
Escape: Por último,
el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al
exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que
escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí
entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de
suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente
cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV
esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A
3.2 ciclo brayton real
Los ciclos de las turbinas de gas reales son ciclos
abiertos, porque continuamente se debe alimentar aire nuevo al compresor. Si se
desea examinar un ciclo cerrado, los productos de la combustión que se han
expandido al pasar por la turbina deben pasar por un intercambiador de calor,
en el que se desecha calor del gas hasta que se alcanza la temperatura inicial.
El uso del aire como único medio de trabajo en todo el ciclo
es un modelo bastante aproximado, porque es muy común que en la operación real
con hidrocarburos combustibles corrientes se usen relaciones aire-combustible
relativamente grandes, por lo menos 50:1 aproximadamente en términos de la
masa.
En el ciclo
Brayton se supone que los procesos de compresión y expansión son isoentrópicos
y que los de suministro y extracción de calor ocurren a presión constante.
3.3ciclo brayton con regeneración
3.4 ciclo brayton con interenfriamiento y 3.5 ciclo brayton con recalentamiento
Lo que se hace en este ciclo
básicamente es aumentar la cantidad de ciclo ya sea para la compresión
(interenfriamiento) como para turbina (recalentamiento) aproximando cada
proceso al isotérmico disminuyendo su trabajo tanto de compresión como de
expansión.
La combustión en las entradas de las
turbinas ocurre comúnmente en 4 veces la cantidad requerida de aire para la
completa combustión, para evitar temperaturas excesivas. Por lo tanto el
recalentamiento puede lograrse sencillamente rociando combustible adicional a
gases de escape entre dos estados de expansión.
El trabajo neto de un ciclo de turbina de gas es la diferencia entre trabajo
neto de turbina y entrada de trabajo de compresor y puede incrementar si se
reduce el trabajo del compresor o si aumenta el de la turbina, o ambos. El
trabajo para comprimir un gas entre dos presiones especificadas puede disminuir
si se efectúa compresión de etapas múltiples con ciclo Brayton con
regeneración.
El trabajo neto de un ciclo de turbina de gas es la diferencia entre trabajo neto de turbina y entrada de trabajo de compresor y puede incrementar si se reduce el trabajo del compresor o si aumenta el de la turbina, o ambos. El trabajo para comprimir un gas entre dos presiones especificadas puede disminuir si se efectúa compresión de etapas múltiples con ciclo Brayton con regeneración.
3.6 eficiencia
El rendimiento del ciclo de Brayton de aire estándar está dado por:
conclusión
Las turbinas de gas se describen termodinámicamente por el
ciclo de Brayton. El ciclo de Brayton es un proceso cíclico generalmente
asociado con la turbina de gas. Como otros ciclos de potencia de combustión
interna es un sistema abierto, aunque para el análisis termodinámico es una
suposición conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en la
aspiración, lo que posibilita el análisis como un sistema cerrado. Fue nombrado
por George Brayton, y es también conocido como ciclo de Joule Un motor de tipo
Brayton consta de tres componentes: un compresor de gas, una cámara de mezcla,
un expansor. El termino ciclo Brayton ha sido aplicado posteriormente al motor
de turbina de gas. Este también tiene tres componentes: un compresor de gas, un
quemador (o cámara de combustión), una turbina de expansión. El Aire ambiente
es introducido en el compresor, donde es presurizado, en un proceso
teóricamente isentrópico. El aire comprimido a continuación, se conduce a
través de una cámara de combustión, donde se quema combustible, calentando este
aire, en un proceso presión constante, ya que la cámara está abierta a la
entrada y salida de flujo. El aire caliente, presurizado, a continuación, cede
su energía, al expandirse a través de una turbina (o una serie de turbinas),
otro proceso
Las turbinas de gas se describen termodinámicamente por el
ciclo de Brayton. El ciclo de Brayton es un proceso cíclico generalmente
asociado con la turbina de gas. Como otros ciclos de potencia de combustión
interna es un sistema abierto, aunque para el análisis termodinámico es una
suposición conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en la
aspiración, lo que posibilita el análisis como un sistema cerrado. Fue nombrado
por George Brayton, y es también conocido como ciclo de Joule Un motor de tipo
Brayton consta de tres componentes: un compresor de gas, una cámara de mezcla,
un expansor. El termino ciclo Brayton ha sido aplicado posteriormente al motor
de turbina de gas. Este también tiene tres componentes: un compresor de gas, un
quemador (o cámara de combustión), una turbina de expansión. El Aire ambiente
es introducido en el compresor, donde es presurizado, en un proceso
teóricamente isentrópico. El aire comprimido a continuación, se conduce a
través de una cámara de combustión, donde se quema combustible, calentando este
aire, en un proceso presión constante, ya que la cámara está abierta a la
entrada y salida de flujo. El aire caliente, presurizado, a continuación, cede
su energía, al expandirse a través de una turbina (o una serie de turbinas),
otro proceso
1. Hopkins,
Hannah Clarke Bailey, Records of the Bailey family : descendants of William
Bailey of Newport, R.I., chiefly in the line of his son, Hugh Bailey of East
Greenwich, R.I. Providence, R.I.: unknown, 1895, p. 75-6. 2. "IMPROVEMENT
IN GAS-ENGINES (Patent no. 125166)". Google Patent Search.
http://www.google.com/patents?id=vWlxAAAAEBAJ&dq=george+brayton+1872.
Retrieved 2007-07-29. 3. ^ "George Brayton's Engine". Today In
Science History.
http://www.todayinsci.com/B/Brayton_George/BraytonGeorgeEngine2.htm. Retrieved
2007-07-29. 4. ^ "Holland Submarines". Paterson Friends of the Great
Falls.
http://patersongreatfalls.com/0325pgf/00a.cgi?cr=12a01a00&hd=dhd&ft=dft.
Retrieved 2007-07-29.
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