04-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. Consiste en dar presión al aire para luego calentarlo a base de quemar combustible. Posteriormente este gas a alta temperatura 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 (pulsa sobre la imagen de la derecha para ver la animación).


El ciclo termodinámico detallado es el que aparece abajo (pulsa sobre la imagen para ver la animación):



- En el proceso 1-2 se produce una compresión del gas en la que apenas se pierde calor, por lo que se considera adiabática.

- Durante el proceso 2-3 se introduce calor manteniendo constante la presión.

- La expansión del proceso 3-4 también se realiza de forma adiabática. Del trabajo total que se obtiene en la turbina, una parte se aprovecha para hacer girar el compresor, con lo cual el trabajo útil será la diferencia de ambos.

- Por último, en la transformación 4-1 se refrigera el gas para devolverlo a sus condiciones iniciales. En la realidad este paso consiste en liberar los gases de escape a la atmósfera.


El trabajo útil obtenido se calcula fácilmente mediante el primer principio de la Termodinámica:


y a partir de esta igualdad se demuestra que el rendimiento es igual a la siguiente expresión, donde rP es la relación de compresión del ciclo, ésto es, el cociente entre la presión de salida y la presión de entrada del gas al compresor. γ es el coeficiente adiabático del gas, que en el caso del aire vale 1,4.


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.



Los compresores centrífugos basan su funcionamiento en impulsar el aire por fuerza centrífuga hacia una cámara que recorre toda la periferia del compresor. En los dibujos se puede ver la forma del rodete y el funcionamiento de un ventilador centrífugo de pequeña potencia.







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. 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.


Funcionamiento de una turbina de gas
 

En los aviones a reacción, la turbina sólo extrae el trabajo necesario para hacer girar al 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.




Turboreactor

Reactor de F- 18 en el taller de un portaaviones




Para saber más:

Brayton cycle modifications

Renovetec: Turbinas de gas




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