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Ciclo de Brayton

En la entrada de hoy es turno de hablar acerca del ciclo Brayton, el cual también se conoce como ciclo Joule. A continuación explicaremos de qué se trata, cómo son sus etapas y otros aspectos importantes que permitirán entender el tema de forma óptima.

¿Qué es el ciclo de Brayton?

Es un conjunto de procesos termodinámicos que a medida que ocurren, logran regresar el sistema a su etapa inicial para permitir reiniciar los pasos nuevamente. En este caso el ciclo Brayton ideal explica el funcionamiento del motor de una turbina de gas.

Diagrama del ciclo de Brayton

Se caracteriza por ser uno de los principales ciclos termodinámicos debido a su amplia utilización en diversas áreas industriales. Por ejemplo, la fabricación de turbinas para las aeronaves. Su objetivo es convertir la energía en forma de calor en trabajo, por lo que su rendimiento es medido según la eficiencia térmica.

Este ciclo se intentó utilizar por primera vez en motores de pistones, los cuales ya no circulan en la actualidad; mientras que los de flujo continuo son los que se utilizan para la creación de la turbina de gas desde hace varios años.

Historia del ciclo Joule Brayton

Su origen se remonta al año 1791, en el que John Barber patentó una máquina relacionada al ciclo. Sin embargo, su modelo fracasó debido al éxito que tuvo la máquina de vapor creada por James Watt.

Luego en 1840 James Prescott Joule logró plantear el ciclo por primera vez de una forma teórica y formal; quedándose en la teoría hasta que George Brayton patentó su Ready Motor en el año 1872.

Aunque Brayton solo logró desarrollar el motor de pistones con errores, la aparición de la turbina fue consecuencia de intentar solucionar el problema principal del ciclo de Brayton; ya que el motor de éstas utilizan el aire como fluido que se admite y expulsa de manera continua, siendo un motor de flujo continuo.

* Es importante señalar que aunque se considera un ciclo termodinámico, la verdad es que en las turbinas de gas no se cumple un ciclo completamente (ciclo real); esto se debe a que termina en un estado distinto al del inicio. Por esa razón también se le denomina como “ciclo abierto”.

Fases del ciclo de Brayton

El ciclo básico Brayton ideal está compuesto por cuatro etapas, el cual a su vez requiere de cuatro elementos:

  • Compresor, donde sucede la compresión isentrópica.
  • Cámara de combustión, donde se adiciona calor al fluido a presión constante.
  • Turbina, para realizar la expansión isentrópica.
  • Intercambiador de calor, para remover el calor del fluido a presión constante.

Para entender el funcionamiento del ciclo se puede explicar los procesos de la siguiente manera:

  1. El ciclo inicia cuando el fluido de trabajo pasa al intercambiador de calor y a presión constante se logra elevar la temperatura.
  2. Ahora el fluido pasa a la turbina donde sucede la expansión isentrópica y logrando potencia.
  3. De allí sale al intercambiador de calor donde se enfría a presión constante, estando listo para pasar al compresor.
  4. Finalmente el fluido se comprime en el compresor de manera isentrópica, volviendo a su estado original.

Al ser el ciclo ideal, se trata de un ciclo cerrado donde no se tienen en cuenta distintas variaciones que pueden aparecer. Por ello el fluido vuelve a su estado original, al contrario de lo que habíamos mencionado anteriormente.

Comparación entre el ciclo Brayton real e ideal

Variantes del ciclo

El ciclo básico cuenta con diferentes variantes que sirven como mejoras de eficiencia y rendimiento. Entre ellas encontramos el ciclo regenerativo y el ciclo combinado, los cuales veremos a continuación.

Ciclo Brayton Regenerativo

En algunas ocasiones los gases que salen de la turbina tiene una mayor temperatura que el aire que expulsa el compresor.

Para ello existe el ciclo de Brayton con regeración, el cual aprovecha la energía térmica de los gases que salen de la turbina para pasarlo al aire expulsado del compresor en un intercambiador de calor.

El ciclo varía en su estado ideal o real al igual que el básico, presentado la siguiente diferencia:

  • En el ideal existe una muy pequeña diferencia térmica, lo que permite que el calor fluya normalmente en el regenerador.
  • Por su parte, en el real la diferencia de temperatura es lo que definirá la eficiencia del ciclo.

Ciclo combinado

Diagrama del ciclo combinado (Rankine y Brayton)

El ciclo combinado es aquel que utiliza dos ciclos termodinámicos, uno que utiliza el vapor del agua (ciclo rankine) y otro un gas producido mediante combustión (ciclo Brayton). Para su funcionamiento utiliza los siguientes elementos que están enumerados para entender la imagen anterior:

  1. Generadores eléctricos.
  2. Turbina de vapor.
  3. Condensador.
  4. Bomba impulsora.
  5. Intercambiador de calor.
  6. Turbina de gas.

Ejercicios resueltos del ciclo Brayton

A través del siguiente vídeo de Youtube es posible practicar con ejercicios resueltos del ciclo básico Brayton ideal. También en este enlace encontrarán un vídeo con ejercicios del ciclo real (no ideal).

Finalmente, dejamos este archivo del ciclo Brayton PDF para descargar, el cual incluye información complementaria e ideal para los estudiantes de ciclos termodinámicos. El mismo está proporcionado por la Universidad Tecnológica Nacional de Argentina.