Contenidos
- 1 Ciclo Brayton
- 1.1 Ciclo Brayton con regeneración
- 1.2 Ciclo Brayton con intercooler y recalentamiento
Ciclo Brayton
Este es un ciclo con aire, que es ampliamente utilizado en los motores de reacción de los aviones, y
en todas aquellas centrales termoeléctricas que no operan con vapor de agua.
El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule, es un ciclo termodinámico consistente, en su
forma más sencilla, en:
una etapa de compresión adiabática, (dar presión al gas, aire): se realiza en el compresor.
una etapa de calentamiento isobárico (dar calor al aire) mediante la quema de combustible;
se realiza en la cámara de combustión
y una expansión adiabática del gas a alta temperatura; el gas se hace pasar por una turbina
donde se extrae su energía; una parte de esa energía se emplea para impulsar el compresor,
y la energía restante se utiliza para girar un generador eléctrico (si fuese necesario).
Animación turbina
El ciclo detallado de una central termoeléctrica es el siguiente:
Proceso 1-2: compresión en la que apenas se pierde calor, por lo que se considera adiabática.
Proceso 2-3: se introduce calor manteniendo constante la presión.
Proceso 3-4: se realiza de forma adiabática. Del trabajo total que se obtiene en la turbina, una parte
se aprovecha para hacer girar el compresor.
Transformación 4-1 se refrigera el gas para devolverlo a sus condiciones iniciales.
El trabajo útil obtenido se calcula fácilmente mediante el Primer Principio de la Termodinámica
A partir de esta igualdad se demuestra el
rendimiento, que es igual a la siguiente expresión,
donde:
rp es la relación de compresión del ciclo, es decir, el cociente entre la presión de salida y
la presión de entrada del gas al compresor.
γ es el coeficiente adiabático del gas; en el caso del aire su valor es 1,4.
Ciclo Brayton - Turbina de gas. Univ Pol. Valencia (10 min)
Ciclo Brayton con regeneración
En una turbina de gas, la temperaturas de los gases de escape que salen de la turbina suelen
ser mayores a la del aire que sale del compresor.
Por lo tanto el aire de alta de presión que sale del compresor puede calentarse transfiriéndole calor
desde los gases de escape mediante un generador como se aprecia en la figura.
La eficiencia térmica del ciclo Brayton aumenta como resultado de la regeneración disminuyendo
también el combustible para la salida de trabajo neto.
Ciclo Brayton con intercooler y recalentamiento
Lo que se hace en este ciclo básicamente es aumentar “la cantidad de ciclo” ya sea para la compresión (intercooler) como para turbina (recalentamiento) aproximando cada proceso al isotérmico disminuyendo su trabajo tanto de compresión como 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 se 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.
Ver ANIMACIÓN C. Brayton con recalentamiento.
Videos:
1: Ciclo Brayton abierto (8 seg)
2: Ciclo Brayton cerrado (30 seg)
Tanto en el caso de las centrales termoeléctricas como en los turborreactores de avión, las máquinas
son siempre rotativas, y realizan la compresión de dos posibles formas:
En los compresores axiales se impulsa la corriente de aire hacia secciones menores mediante
una serie de hélices provistas de aspas o álabes giratorios alternados con álabes fijos.
A cada pareja de hélice móvil y hélice fija se le llama escalón de compresión.
Compresor axial |
Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Axial_compressor.gif Autor: http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/caxial.html |
Compresor centrífugo |
Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7a/Centrifugal_fan.gif |
La expansión en las turbinas se realiza haciendo pasar el gas de alta energía por escalones similares
a los del compresor, pero de sección cada vez mayor para compensar la progresiva pérdida de
presión del gas.
En la siguiente animación hay que hacer notar que el estátor está colocado delante del rótor, para
así adaptar la corriente y que incida de la forma más eficiente sobre los álabes del rótor.
Fuente: www. dlr.de
En los aviones a reacción, la turbina sólo extrae el trabajo necesario para mover el compresor, y como el gas aún tiene energía en forma de presión, temperatura y velocidad, se aprovechan éstas para impulsar la aeronave, haciendo pasar la corriente de gas a través de una pieza con forma de embudo llamada tobera.
Videos:
3: Como funciona el motor de un avión (3 ½ min) (En inglés)
4: Funcionamiento de una turbina de gas, paso a paso (8 min)
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