CICLO TERMODINÁMICO BRAYTON

Edwin Samir Aguilar Barón

Solvey Viviana Mariño

Nelsy Yaneth Bernal

Universidad Nacional Abierta y A Distancia

Ingeniería Ambiental

CEAD Duitama

2015

1. DESCRIPCIÓN DEL CICLO

El ciclo Brayton al igual que la mayoría de los ciclos termodinámicos está conformado básicamente por cuatro procesos que se complementan para precisamente darle el carácter cíclico, por ejemplo cuenta con un proceso de compresión de aire que se complementa con uno de expansión, e igualmente cuenta con un proceso de adición de calor que contrasta con uno de liberación de calor.

Este tipo de ciclo se caracteriza normalmente mediante su aplicación en las turbinas de gas, las cuales son empleadas principalmente en la propulsión de aviones, en centrales eléctricas y en modernos sistemas de propulsión marina.

El principio de funcionamiento de este ciclo comienza con la admisión de aire estándar (entendido como gas), el cual es llevado a un compresor para elevar su presión y temperatura a entropía constante; luego el gas es llevado a una cámara donde se adiciona combustible, la mezcla del gas con el combustible produce la combustión de éste último para adicionar calor (energía) al gas mientras su presión se mantiene constante; posteriormente el gas es dirigido hacia una turbina a través de la cual pasa el gas expandiéndose adiabáticamente y produciendo el movimiento de los álabes de la turbina para hacer girar el eje central de la misma; finalmente los gases de escape (que aún contienen calor) son liberados a presión constante a la atmósfera, por tanto no vuelven a recircular y de allí que el ciclo se considere abierto.

También se puede presentar el ciclo de Brayton en un modelo cerrado, reemplazando la cámara de combustión por un intercambiador de calor y adicionando otro para hacer recircular los gases de escape luego de extraerles el calor que traían consigo, y posteriormente enviarlo de nuevo al compresor para su admisión.

Las turbinas de gas tienen una elevada relación de trabajo de retroceso comparadas con las turbinas de vapor, ya que gran parte de la energía generada y transmitida al eje central debe ser transferida al compresor para su funcionamiento, es por esta razón que las centrales eléctricas que utilizan turbinas de gas son más grandes que las que usan turbinas de vapor, ya que deben generar la energía para la operación del compresor y la energía para suplir la demanda de producción.

2. ETAPAS DEL CICLO

Compresión adiabática: Es la primera etapa del ciclo, en la cual se comprime el gas (aire estándar normalmente) para elevar su presión y temperatura mientras la entropía se mantiene constante, se caracteriza por no existir transferencia de calor.

Adición de calor: Es la segunda etapa del ciclo, aquí se recibe el gas comprimido y se le adiciona combustible para crear un proceso de combustión que adicione calor (energía) al gas, la presión se mantiene constante mientras la temperatura y la entropía aumentan.

Expansión adiabática: Es la tercer etapa del ciclo, donde el gas caliente pasa a la turbina la cual aprovecha la energía térmica del gas para convertirla en energía cinética, a la vez el gas se expande sin transferencia de calor y su presión y temperatura disminuyen mientras la entropía se mantiene constante.

Liberación de calor: Es la cuarta etapa del ciclo, en la cual salen los gases de escape aún con calor (demostrando que ninguna máquina térmica puede ser 100% eficiente) y son liberados a la atmósfera (en ciclo abierto) o enfriados y redireccionados de nuevo al compresor (ciclo cerrado), aquí la presión se mantiene constante mientras la temperatura y la entropía disminuyen.

3. ESQUEMA DEL CICLO

Esquema para ciclo abierto

Cámara de combustión

Compresor

Turbina

Combustible

Aire fresco Gases de escape

W interno W neto

Generación de calor

Intercambiador de calor

Compresor

Turbina

Liberación de calor

Airerecirculado

Gases de escape

W interno W neto

Adición de calor

Intercambiador de calor

Liberación de calor

Esquema para ciclo cerrado

4. DIAGRAMA P-v DEL CICLO

W= Trabajo realizado por la máquina durante un ciclo.

Qc= Magnitud del calor transferido entre una fuente de alta temperatura y la máquina térmica.

Qf= Magnitud del calor transferido entre una la máquina térmica y una fuente de baja temperatura.

P

v

1

2 3

4

P2=P3

P1=P4

v1 v2 v3 v4

Qc

Qf

W

Proceso isentrópicoProceso isentrópico

5. APLICACIONES INDUSTRIALES DEL CICLO

El ciclo termodinámico es representado en la Turbina de Gas, la cual tiene entre otras las siguientes dos aplicaciones industriales:

Propulsión de aviones: Para la propulsión de aviones se emplean las turbinas de gas, ya que los gases de escape que salen a altas velocidades son los responsables de producir el empuje a las aeronaves.

Generación de electricidad en plataformas petroleras: Algunas plataformas petroleras emplean la energía cinética producida por las turbinas de gas para accionar generadores de electricidad que permitan suministrar este servicio a las instalaciones, teniendo en cuenta que se encuentran en altamar donde deben ser “autosuficientes”.

Referencias

Cengel, Yunus. Boles, Michael. (2009). Termodinámica Sexta Edición. Recuperado de http://descargalibros-gratis.com/termodinamica-yunus-a-cengel-michael-a-boles-7ma-edicion/

Universidad Nacional Abierta y A Distancia. (2013). 201012 - Termodinámica. Recuperado de http://datateca.unad.edu.co/contenidos/201015/201015_Termodinamica_Modulo_2013.pdf