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Pontificia Universidad Católica Madre y Maestra

Ciclo Brayton

Introducción a la Termodinámica

Lunes 30 de noviembre del 2015 Santo Domingo, D.N.

Introducción La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos, y el estudio de los ciclos de potencia es una parte interesante e importante de la termodinámica, y precisamente en este escrito trataremos la base para los motores de turbina de gas el Ciclo Brayton. Mostraremos todo lo que hay que saber sobre este ciclo, sus diferentes usos y formas de aplicarlo a nuestro día a día. De cómo gracias a la termodinámica hemos llegado a realizar cosas sorprendentes que no creíamos posible. Podemos observar en este trabajo los diferentes ciclos de Brayton, Aplicaciones, Ventajas, etc. En fin con este trabajo queremos demostrar todo lo que se debe saber sobre este grandioso ciclo y su funcionamiento. Ya que con este conocimiento se puede crear grandes cosas.

Ciclo Brayton: El Ciclo ideal para los Motores de Turbina de Gas El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por primera vez para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por el alrededor de 1870. Actualmente es utilizado en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresión como de expansión suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas generalmente operan en un ciclo abierto. Se le introduce aire fresco en condiciones ambientales dentro del compresor, donde la 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 resultan 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, 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 la 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. El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, el cual está integrado por cuatro procesos internamente reversibles.

Un motor de turbina de gas de ciclo abierto

Un motor de turbina de gas de ciclo cerrado

1-2 Compresion isentropica (compresor) 2-3 Adicion de calor a presion constante 3-4 Expansion isentropica (turbina) 4-1 Rechazo de calor a presion Constante Observamos que los cuatros procesos del ciclo Brayton se ejecutan en dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto deben analizarse como procesos de flujo estacionario. Bajo las suposiciones de aire estandar frio la eficicencia termica de un ciclo Brayton ideal depende de la relacion de rpesion de la turbina de gas y de la relacion de calores especificos de fluido de trabajo. La eficicencia termica aumenta con ambos parametros, que tambien es el caso para las turbinas de gases reales. La temperatura mas alta en el ciclo ocurre al final del proceso de combustion y esta limitada por la tempreatura maxima que los alabes de la turbina pueden resisitir. Esto tambien limita las relaciones de presion que pueden utilizarse en el ciclo. Para una temperatura de entrada fija de la turbina T3, y la salida de trabajo neto por ciclo aumenta con la relacion de presiones, alcanza un maximo y despues empieza a disminuir. Por lo tanto, debe haber un compromiso entre la relacion de presion y la salida de trabajo neto. Con una menor salide de trabajo por ciclo se necesita una tasa de flujo masica mas grande para mantener la misma salida de potencia , lo cual no puede ser economico. En turbinas de gas el aire realiza dos importantes funciones: suministra el oxidante necesario para la combustion del ombustible y sirve como un refigerante para mantener la temperatura de diversos componentes dentro de limitres seguros. La segunda funcion se realiza al extraer mas aire del necesario para la combustion completa del combustible. En turbinas de gas una realacion de masa de aire y combustible de 50 o mayor es muy comun. Por lo tanto, en un analisis del ciclo, considerar como aire a los gases de combustion no causara un error significativo. Ademas, el flujo masico por la turbina sera mas grande que a traves del compresor, pues la diferencia es igual al flujo masico del combustible. Asi, suponer una tasa de flujo masico constante en el ciclo produce resultados conservadores en motores de turbinas de gas de ciclo abierto.

Las dos principales areas de aplicación de las turbinas de gas son la propulsion de aviones y la generacion de energia electrica. Cuando se emplean en propulsion de aviones, la turbina de gas produce la potencia suficinete para accionar tanto al comrpesor como a un pequeno generador que a su vez acciona al quipo auxiliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de producir el empuje necesario para impuslar la aeronave. Las turbinas de gas tambien se utilizan como centrales electricas estacionarias que producen energia electrica como unidades independietnes o en conjunto con las centrales electricas de vapor en el lado de alta temperatura. En estas centrales los gases de escape de las turbinas de gas sirven como fuente de calor para el vapor. El ciclo de turbina de gas tambien puede ejecutarse como un ciclo cerrado para su utilizacion en centrales nucleares, en las que el fluido de trabajo no se limita al aire y puede emplearse un gas con caracteristicas mas convenientes. La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental ya utilizan motores de turbinas de gas para propulsión y para la generación de energía eléctrica. Muchos sistemas de propulsión marina modernos utilizan turbinas de gas junto con motores diésel debido al alto consumo de combustible de los motores de turbinas de gas de ciclo simple. En sistemas combinados de diésel y turbinas de gas, el diésel se utiliza para proporcionar de manera eficiente baja potencia y operación de crucero, mientras que la turbina de gas se emplea cuando se necesitan altas velocidades. En las centrales eléctricas de turbina de gas, la relación entre el trabajo del compresor y el trabajo de la turbina, denominada relación del trabajo de retroceso, es muy alta. Usualmente más de la mitad de la salida de trabajo de la turbina se utiliza para activar el compresor. La situación es aún peor cuando las eficiencias isentrópicas del compresor y de la turbina son bajas. Esto contrasta considerablemente con las centrales eléctricas de vapor, donde la relación de trabajo de retroceso es solamente un pequeño porcentaje. Sin embargo, esto no sorprende dado que un líquido se comprime en las centrales de energía de vapor en lugar de un gas, y el trabajo de flujo estacionario reversible es proporcional al volumen específico del fluido de trabajo. Una central eléctrica con una alta relación del trabajo de retroceso requiere una turbina más grande para suministrar los requerimientos de energía adicionales del compresor. En consecuencia, las

turbinas utilizadas en las centrales de turbina de gas son más grandes que las que se utilizan en las de vapor que para la misma salida de potencia neta. Desarrollo de las turbinas de gas La turbina de gas ha experimentado un progreso y un crecimiento fenomenal desde su primer desarrollo exitoso en la década de 1930. Las primeras turbinas de gas construidas en la década de 1940 e incluso en la de1950 tenían eficiencias de ciclo simple de alrededor de 17 por ciento debido a las bajas eficiencias del compresor y de la turbina, así como a las bajas temperaturas de entrada de la turbina dadas las limitaciones de la metalurgia de aquellos tiempos. Por lo tanto, las turbinas de gas tuvieron un uso limitado a pesar de su versatilidad y su capacidad de quemar gran variedad de combustibles. Los esfuerzos para mejorar la eficiencia del ciclo se concentraron en tres áreas: 1. Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina Éste ha sido el principal enfoque tomado para mejorar la eficiencia de la turbina de gas. Las temperaturas de entrada de éstas han aumentado en forma constante desde aproximadamente 540 °C en la década de 1940, hasta 1 425 °C e incluso mayor actualmente. Estos incrementos fueron posibles gracias al desarrollo de nuevos materiales y por las innovadoras técnicas de enfriamiento para componentes críticos, como la de revestir los álabes de la turbina con capas cerámicas y enfriarlos con aire de descarga del compresor. Mantener altas temperaturas de entrada a la turbina con la técnica de enfriamiento por aire requiere que la temperatura de combustión sea mayor para compensar el efecto de enfriamiento. 2. Incremento de las eficiencias de los componentes de turbo maquinaria El desempeño de las primeras turbinas sufría grandemente de las ineficiencias de turbinas y compresores. Sin embargo, el advenimiento de las computadoras y de técnicas avanzadas de diseño asistido por computadora hizo posible diseñar estos componentes aerodinámicamente cuyas pérdidas son mínimas. Las eficiencias incrementadas de las turbinas y compresores resultaron en un aumento significativo en la eficiencia del ciclo.

3. Adición de modificaciones al ciclo básico Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas fueron prácticamente duplicadas al incorporar interenfriamiento, regeneración y recalentamiento. Desde luego, estas mejoras se realizaron a expensas de mayores costos tanto inicial como de operación y no pueden justificarse a menos que la disminución en los costos de combustible contrarreste el incremento en otras áreas.

La primera turbina de gas para una central generadora de energía eléctrica fue instalada en 1949 en Oklahoma como parte de una central eléctrica de ciclo combinado. En el pasado la generación de potencia eléctrica para carga base estaba dominada por grandes centrales generadoras que funcionaban con carbón y energía nuclear. Sin embargo, ha habido un cambio histórico hacia las turbinas de gas impulsadas por gas natural debido a sus mayores eficiencias, menores costos de capital, tiempos más cortos de instalación y mejores características respecto a las emisiones contaminantes, además de la abundancia de suministro de gas natural. Se prevé que más de la mitad de todas las centrales que se instalarán en el futuro sean de turbina de gas o combinarán las turbinas de gas y de vapor. Desviación de los ciclos reales de turbina de gas en comparación con los idealizados Los ciclos reales de turbina de gas difieren del ciclo Brayton ideal por varias razones. Por un lado, alguna disminución de presión durante los procesos de adición y rechazo de calor es inevitable. Más importante aún es que la entrada de trabajo real al compresor será mayor y la salida de trabajo real de la turbina será menor debido a irreversibilidades. La desviación del comportamiento real del compresor y la turbina del comportamiento isentrópico idealizado pueden tomarse en cuenta con precisión si se utilizan las eficiencias isentrópicas de la turbina y el compresor.

Ciclo Brayton con Regeneración En las máquinas de turbinas de gas la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suele ser considerablemente mayor que la del aire que sale del compresor. Por lo tanto, el aire de alta presión que sale del compresor puede calentarse transfiriéndole calor desde los gases de escape calientes mediante un intercambiador de calor a contraflujo, el cual se conoce también como regenerador o recuperador. La eficiencia térmica del ciclo Brayton aumenta como resultado de la regeneración, ya que la porción de energía de los gases de escape que normalmente se libera hacia los alrededores ahora se usa para precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Esto a su vez disminuye los requerimientos de entrada de calor para la misma salida de trabajo neto. Observe, sin embargo, que el uso de un regenerador sólo se recomienda cuando la temperatura de escape de la turbina es más alta que la temperatura de salida del compresor. De otro modo, el calor fluirá en la dirección inversa y la eficiencia se reducirá. Esta situación se encuentra en las máquinas de turbina de gas que operan con relaciones de presión muy altas.

El alcance al que un regenerador se aproxima a un regenerador ideal se llama eficacia o efectividad. Un regenerador con una eficacia más alta obviamente ahorrará una gran cantidad de combustible porque precalentará el aire a una temperatura más elevada antes de la combustión. Sin embargo, lograr una mayor eficacia requiere el uso de un regenerador más grande, lo que implica un precio superior y causa una caída de presión más grande. La eficiencia térmica de un ciclo Brayton con regeneración depende de la relación entre las temperaturas mínima y máxima, así como de la relación de presión.

Ciclo Brayton con Interenfriamiento, Recalentamiento y Regeneración El trabajo neto de un ciclo de turbina de gas es la diferencia entre la salida de trabajo de la turbina y la entrada de trabajo del compresor, y puede incrementarse si se reduce el trabajo del compresor o si aumenta el de la turbina o ambas cosas. El trabajo requerido para comprimir un gas entre dos presiones especificadas puede disminuirse al efectuar el proceso de compresión en etapas y al enfriar el gas entre éstas, es decir, usando compresión en etapas múltiples con interenfriamiento. Cuando el número de etapas aumenta, el proceso de compresión se aproxima al proceso isotérmico a la temperatura de entrada del compresor y el trabajo de compresión disminuye. De igual modo, la salida de trabajo de una turbina que opera entre dos niveles de presión aumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlo entre éstas; es decir, si se utiliza expansión en múltiples etapas con recalentamiento. Esto se lleva a cabo sin que se eleve la temperatura máxima en el ciclo. Cuando aumenta el número de etapas, el proceso de expansión se aproxima al proceso isotérmico. El argumento anterior se basa en un principio simple: el trabajo de compresión o expansión de flujo estacionario es proporcional al volumen específico del fluido. Por lo tanto, el volumen específico del fluido de trabajo debe ser lo más bajo posible durante un proceso de compresión y lo más alto posible durante un proceso de expansión. Esto es precisamente lo que logran el interenfriamiento y el recalentamiento. La combustión en las turbinas de gas ocurre comúnmente con cuatro veces la cantidad requerida de aire para la completa combustión, para evitar temperaturas excesivas. Por lo tanto, los gases de escape son ricos en oxígeno y el recalentamiento puede lograrse sencillamente rociando combustible adicional en los gases de escape entre dos estados de expansión. El fluido de trabajo sale del compresor a una temperatura menor, mientras que de la turbina lo hace a una temperatura más alta, cuando se usa interenfriamiento y recalentamiento. Esto hace que la regeneración sea más atractiva dado que existe un mayor potencial para realizarla. También, los gases que salen del compresor pueden calentarse a una temperatura más alta antes de que entren a la cámara de combustión debido a la temperatura más elevada del escape de la turbina.

Una Maquina de turbina de gas con compresión en dos etapas con interenfriamiento, expansión en dos etapas con recalentamiento y regeneración. La entrada de trabajo en un compresor de dos etapas se minimiza cuando se mantienen relaciones de presión iguales en cada etapa. Puede demostrarse que este procedimiento también maximiza la salida de trabajo de la turbina. En el análisis de los ciclos reales de turbina de gas, las irreversibilidades que están presentes dentro del compresor, la turbina y el regenerador, así como las caídas de presión en los intercambiadores de calor, deben ser consideradas. La relación del trabajo de retroceso de un ciclo de turbina de gas mejora debido al interenfriamiento y el recalentamiento. Sin embargo, esto no significa que la eficiencia térmica también mejorará. El hecho es que el interenfriamiento y el recalentamiento siempre disminuirán la eficiencia térmica a menos que estén acompañados de la regeneración. Esto se debe a que el interenfriamiento disminuye la temperatura promedio a la cual se añade el calor, y el recalentamiento aumenta la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza. Por lo tanto, en centrales eléctricas de turbina de gas, el interenfriamiento y el recalentamiento se utilizan siempre en conjunción con la regeneración.

Aplicaciones Las turbinas de gas han tenido muchos usos a pesar de que su intenso desarrollo ha estado en proceso durante un período relativamente corto, como aquel del turbo jet. En algunas aplicaciones su uso ha sido más bien firmemente establecido, tal como en la generación de electricidad y para mover helicópteros. Sin embargo, en otras aplicaciones como en automóviles de pasajeros, el desarrollo y la investigación continúan. Las aplicaciones de las turbinas se pueden clasificar en varios campos: 

Turbinas de gas para camiones, autobuses, vehículos grandes militares.

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Turbinas de gas para coches o automóviles.

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Turbinas de gas para helicópteros y aeronaves de hélice pequeñas.

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Turbinas de gas para generación eléctrica.

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Turbinas de gas para uso múltiples.

Ventajas de las Turbinas de Gas Las turbinas de gas tienen varias ventajas. Al principio de la lista está la potencia suave, libre de vibraciones que produce. No hay partes alternativas, solo movimiento rotativo continuo. Es característico de las turbinas a gas requerir poco tiempo de calentamiento; pueden pasar a su potencia máxima de operación en un tiempo corto. Naturalmente, las ventajas varían con la aplicación pero se puede decir adicionalmente: 1. Compiten muy bien con otros motores primarios en tamaño y peso por caballo de fuerza. 2. Operan bien usando una amplia variedad de combustibles relativamente económicos. 3. No presentan los problemas significativos de mantenimiento y de hecho se les considera fácil de mantener.

Conclusión El ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas. Tiene como función transformar energía que se encuentra en forma de calor a potencia para realizar un trabajo, tiene varias aplicaciones, principalmente en propulsión de aviones, y la generación de energía eléctrica, aunque se ha utilizado también 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 regeneración empleando parte de la energía desechada para calentar los gases que dejan el compresor y, por ende, reducir la transferencia de calor requerida por el ciclo Para el mejor estudio de los ciclos de potencia se utiliza una manera idealizada de los mismos en la que se eliminan ciertos puntos para no complicar su razonamiento, en estas formas de análisis todos los procesos, son reversibles. Esperamos que con toda esta información sobre el ciclo de Brayton y sus usos, logre identificar e incluso poner en práctica el conocimiento adquirido en este trabajo.

Bibliografía Yunes Cengel. (2012). Termodinámica. México: Mc Graw Hill. Zoila Pontiles. (2011). Ciclos de Gases, Ciclo Brayton. 30/11/15, de Word Press Sitio web: https://conversionenergias11.files.wordpress.com/.../guia-7-ciclo-brayton Gaby García Guerrero. (2013). Aplicaciones del Ciclo Brayton. 30/11/15, de Scribd Sitio web: http://www.scribd.com/doc/94410738/Aplicaciones-Del-Ciclo-Brayton#scribd