El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por primera vez, para usarlo en el motor reciprocante que

quemaba aceite desarrollado por l alrededor de I870.

Actualmente se utiliza en turbinas de gas donde los

procesos tanto de compresin como de expansin

suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas

generalmente operan en un rielo abierto, como se

observa en la figura:

Se introduce aire fresco en condiciones ambiente 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. Los

gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina,

donde se expanden hasta la presin atmosfrica, produciendo

potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se

expulsan haca fuera (no se recirculan), 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, como se ndica

en la figura, empleando las suposiciones de aire

estndar.

En este caso los procesos de compresin y expansin permanecen iguales, pero el proceso de combustin se

sustituye por uno de adicin de calor a presin constante

desde una fuente externa, mientras que el proceso de

escape se remplaza por otro de rechazo de calor a

presin constante hacia el aire ambiente.

El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, el cual est integrado

por cuatro procesos internamente reversibles:

1-2 Compresin isentrpica (en un compresor)

2-3 Adicin de calor a presin constante

3-4 Expansin isentrpica (en una turbina)

4-1 Rechazo de calor a presin constante

Los diagramas T-s y P-v de un ciclo Brayton ideal se muestran en la figura:

Observe que los cuatro procesos del ciclo Brayton se ejecutan en dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto deben analizarse como procesos de flujo estacionario.

Cuando los cambios en las energas cintica y potencial son insignificantes, el balance de energa para un proceso de flujo estacionario puede expresarse, por unidad de masa como:

( q de entrada - q salida ) + ( W entrada- W salida ) = h salida h entrada

Por lo tanto, la transferencia de calor del ciclo de Bryton y desde el fluido de trabajo es:

q entrada= h3-h2 = Cp ( T3 T2 )

q salida = h4 h1 = Cp ( T4 T1)

Entonces, la eficiencia termica del ciclo Bryton ideal bajo las supocisiones de aire estandar frio se convierte en:

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentropicos, por lo que P2 = P3 Y P4 = P. Por lo tanto

Al sustituir estas ecuaciones en la relacion de eficviencia termica y al simplificar se obtiene:

Donde

rp =

La eficiencia de este ciclo vara con la relacin de presiones, es directamente proporcional, el cambio es ms significativo para relaciones de presin de 5 a 15 luego a medida que va aumentando esta relacin de presiones el cambio es menos brusco, como se puede observar en el grfico:

La temperatura ms alta en el ciclo ocurre al final del proceso de combustin (estado 3; y est limitada por lu temperatura

mxima que los alabes de la turbina pueden resistir. Esto

tambin limita las relaciones de presin que pueden utilizarse

en el ciclo.

La turbina de gas ha experimentado un progreso y un crecimiento fenomenal desde su primer desarrollo

exitoso en 1930. Las primeras turbinas de gas cons-

truidas en 1940 e incluso en 1950 tenan eficiencias de

ciclo simple de alrededor de 17 porciento debido a las

bajas eficiencias del compresor y de la turbina. as 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 reas:

1. Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina (O de quemado). ste ha sido el principal enfoque lomado

para mejorar la eficiencia de la turbina de gas. Las

temperaturas de entrada de stas han aumentado en forma

constante desde aproximadamente 540aC (1000*F en 1940,

hasta 1 423C (2 600O*F) actualmente. Estos incrementos

fueron posibles gracias al desarrollo de nuevos materiales y

por tas innovadoras tcnicas de enfriamiento para

componentes crticos, como la de revestir los alabes de la

turbina con capas cermicas y enfriarlos con el aire de

descarga del compresor.

2. Incremento de las eficiencias de los componentes de turbo maquinara.

El desempeo de las primeras turbinas sufra grandemente de las ineficiencias de turbinas y

compresores. Sin embargo, el advenimiento de las

computadoras y de tcnicas avanzadas de diseo

asistido por computadora hizo posible disear estos

componentes aerodinmicamente cuyas prdidas son

mnimas. Las eficiencias incrementadas de las turbinas y

compresores resultaron en un aumento significativo en la

eficiencia de) ciclo.

3. Adicin de modificaciones al ciclo bsico.

Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas fueron prcticamente duplicadas al incorporar interenfriamiemo, regeneracin (o recuperacin) y recalentamiento, los cuales se analizan en las siguientes dos secciones. Desde luego, estas mejoras se realizaron a expensas de mayores costos tanto inicial como de operacin y no pueden justificarse a menos que la disminucin en los costos de combustible contrarreste el incremento en otras reas. Los costos relativamente bajos de los combustibles, el deseo general de la industria para minimizar los costos de instalacin y el tremendo aumento en la eficiencia del ciclo simple a cerca de 40 por ciento, dej pocos deseos de optar por estas modificaciones.

Una central elctrica de turbina de gas que opera en un ciclo Brayton ideal tiene una relacin de presin de 8. La temperatura del gas es de 300 K en la entrada del compresor y de 1 300 K en la entrada da la turbina. Utilice las suposiciones de aire estndar y determine la temperatura del gas a la salida del compresor y de la turbina, b) la relacin del trabajo de retroceso y. c) la eficiencia trmica.

Solucin Se tiene una planta de energa que opera en un ciclo Bryton ideal. Se determinarn la temperatura de! gas a la salida del compresor y de la turbina, la relacin del trabajo de retroceso y la eficiencia trmica. Suposiciones 1 Existen condiciones estacionarias de operacin. 2 Son aplicables las suposiciones de aire estndar. 3 Los cambios de energa cintica y potencial son insignificantes. 4 Se considerar la variacin de los calores especficos con la temperatura.

Anlisis El diagrama T-s del ciclo Brayton ideal descrito se muestra en la figura, en la que se observa que los

componentes involucrados en el ciclo Brayton son dispositivos

de flujo estacionario.

2 = 2

1 Pr1= (8 * 1.368)= 11.09

T2 = 540 K ( a salida de compresor) h2= 544. 35 KJ

Proceso 3-4 ( expancion isentropica de un gas ideal)

T3= 1300 K h3= 1395.97 KJ

Pr3= 330.9

4 = 4

3 Pr3=(

1

8 )330.9= 41.36 T4= 770 K ( a la salida de la

turbina)

h4 = 789. 37 KJ

T1 = 300 k h1 = 300.19KJ

Pr1= 1.386

a) Las temperaturas del aire en la salida del compresor y la turbina se determinan de las relaciones isentrpicas.

Proces 1-2 (compresin isentrpica de un gas ideal)

b) Para encontrar la relacin del trabajo de retroceso, se necesita

encontrar la entrada de trabajo al compresor y la salida de trabajo de la

turbina.

Wcomp.entrada = h2 h1 = 544.35 300.19 = 244.16 KJ

Wturb.salida = h3 h4 = 1395.97 789.37 = 606.60 KJ

rbw= Wcomp.entradaWturb.salida

= 244.16606.60 = 0.403

Es decir, 40.3 por ciento de la salida del trabajo de la turbina se emplea

nicamente para activar el compresor.

c) La eficiencia trmica del ciclo es la relacin entre la salida de potencia

neta y la entrada de calor total:

Qentrada = h3 h2 = 1395.97 544.35 = 851.32 KJ

Wneto = wsalida wntrada = 606. 60 244.16 = 362.4 KJ

rbw= Wcomp.entradaWturb.salida

= 244.16606.60 = 0.403

Por lo tanto: El rendimiento termico es:

=W.entrada

Q salida = 362.4

851.32 = 0.426 =42.6 %