ciclos de vapor

ciclo Brayton

El modelo termodinámico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton, a pesar de que se generaliza como ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este finaliza en un estado diferente al que tenía cuando inició los procesos, se podría decir que es un ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo.

El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos:

• 1-2. Compresión isentrópica en un compresor.
• 2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de combustión.
• 3-4. Expansión isentrópica en una turbina.
• 4-1. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera.

En el ciclo Brayton, el trabajo neto realizado por unidad de masa es la diferencia entre el trabajo obtenido en la expansión y el trabajo invertido en la compresión, es decir:

 

Wnet = Wt - Wc

La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal depende de la compresión. Si se aumenta la relación de compresión en el ciclo será necesario suministrar más calor al sistema debido a que las líneas de presión constante divergen hacia arriba y hacia la derecha en el diagrama T-s y la temperatura máxima del ciclo será mayor. Como el calor suministrado es mayor, la eficiencia térmica aumentará con el ratio de compresión.

Debido a las irreversibilidades que presentan los ciclos reales, los procesos de suministro de calor no son completamente isobáricos, y los de expansión y compresión tampoco son completamente a entropía constante, como se puede apreciar en el diagrama T-s que se muestra a continuación:

 

ciclo Brayton con regeneracion

Para el ciclo Brayton, la temperatura de salida de la turbina es mayor que la temperatura de salida del compresor. Por lo tanto, un intercambiador de calor puede ser colocado entre la salida de los gases calientes de la turbina y la salida de los gases fríos que salen del compresor. Este intercambiador de calor es conocido como regenerador o recuperador. La regeneración conviene solo cuando la relación de presión en la expansión es baja, ya que de esta manera se puede asegurar que el calor máximo estará dado por la corriente que en un ciclo simple se desprende hacia el ambiente, este calor máximo se aprovecha para precalentar el aire que va a entrar a la cámara de combustión, significando esto un ahorro energético significativo. Para el caso contrario, es decir, relación de presiones altas, este calor será muy bajo, pues saldrá a temperatura muy baja, producto de la expansión excesiva, perdiéndose este calor al ambiente, sin poder aprovecharlo. 

Definiremos la efectividad del regenerador como el índice del calor transferido a los gases del compresor en el regenerador, a la transferencia de calor máximo posible a los gases del compresor.

ciclo Brayton con interenfriamiento

 cuando se emplea la compresión en múltiples etapas, enfriar el fluido de trabajo entre etapas reduce la cantidad de trabajo requerido por el compresor. el trabajo del compresor es reducido porque el enfriamiento del fluido de trabajo reduce el volumen especifico promedio y por lo tanto reduce la cantidad de trabajo en el fluido para alcanzar el aumento de presión dado.

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. 

referencias:

http://www.cicloscombinados.com/index.php/el-ciclo-brayton

https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/guia-tema-41.pdf