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CICLO BRAYTON
El ciclo de Brayton fue propuesto primero por George Brayton para uso en una maquina de combustión reciprocante que él desarrolló alrededor de 1870. Hoy, esto es usado para turbinas de gas donde solo ambos la compresión y la expansión procesos que toman lugar en la maquinaria rotativa. Las turbina de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como se muestra en la figura 1-1. Fig. 1-1 Ciclo abierto de una maquina de gas-turbina
El aire libre en condiciones ambientales es conducido al compresor donde la temperatura y presión son elevadas. La alta temperatura del aire procede dentro de la cámara de combustión donde el combustible arde a presión constante. Los gases resultantes a alta temperatura luego entran a la turbina donde son expandidos la presión atmosférica, por lo tanto produce potencia. Los gases omitidos en la turbina son expulsados hacia la atmósfera, causando que el ciclo sea clasificado como un ciclo abierto. El ciclo de turbina de gas abierto, a continuación se describe como un ciclo cerrado, como lo muestra la figura 1-2, suponiendo la utilización de aire estandar. Fig. 1-2 Ciclo cerrado de una maquina de gas-turbina
Aquí los proceso de compresión y expansión son llamados de la misma forma, pero el proceso de combustión es reemplazado por un proceso adición térmica a presión constante de una fuente externa, y el proceso de escape que es reemplazado por un proceso de rechazo de calor a presión constante. El ciclo Brayton posee cuatro procesos internamente reversibles: PROCESO 1-2 Compresión isentrópica (en un compresor)PROCESO 2-3 P = adición de calor, constante.PROCESO 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina)PROCESO 4-1 P = rechazo de calor, constante.Los diagramas de PV y TS se muestran de la siguiente manera: Fig. 1-3. Diagrama PV y TS para el Ciclo Brayton.
Las turbinas y los compresores reales no son isentrópicos. Para los ciclos de aire estándar, la eficiencia de cada componente, se incluye fácilmente en los análisis. El compresor y la turbina reales tienen la misma presión de salida que los aparatos isentrópicos correspondientes las eficiencias de la turbina y del compresor de Brayton generalmente se dan con respecto a los aparatos isentrópicos y no a los isotérmicos. El diagrama TS para el Ciclo Brayton (sin regeneración) modificado para incluir un compresor y una turbina reales, se ven en la figura 1-3.
Las más modernas unidades de turbinas de gas operan con una relación de presión que varia desde cerca de 5 para compresores pequeños, de una sola etapa, hasta aproximadamente 20 para motores de aeronaves militares con un buen comportamiento. Una modificación común al ciclo Brayton que puede producir un aumento en la eficiencia se llama regeneración. La regeneración involucra el uso de los gases de escape a elevada temperatura provenientes de la turbina para calentar el gas conforme éste abandona el compresor. Un esquema del proceso de regeneración solo con el diagrama TS para un ciclo Brayton ideal modificado con regeneración se presenta en la figura 1-4. |
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Fig. 1-4 Esquema y diagrama de procesos TS para un ciclo Brayton ideal con regeneración.
El proceso de regeneración produce un incremento en la eficiencia térmica del ciclo Brayton debido a que la energía que por lo general es rechazada a los alrededores por los gases de escape de la turbina se utiliza para recalentar el aire que entra a la cámara de combustión. La posibilidad de regeneración se hace mas aparente cuando es considerada la temperatura de los gases a la salida de la turbina. Los gases de escape de la turbina y el compresor que entran al regenerador se supone que siguen procesos a presión constante, internamente reversibles, ya que el proceso del intercambiador de calor se supone ser ideal. Como indica el diagrama de procesos TS en la figura 1-4, el gas sale del compresor en el estado 2 y sigue una trayectoria a presión constante hasta el estado 3. Aun bajo las condiciones más ideales, la temperatura de los gases que salen del regenerador nunca podrían exceder de T4, la temperatura del gas de escape de la turbina. Por abandonar el regenerador en el estado 5'. El gas de escape de la turbina entra al regenerador en el estado 4 y sigue una trayectoria a presión constante. Conforme los gases de escape de la turbina pasan a través del regenerador, la temperatura nunca podría caer debajo de T2, la temperatura mas baja que ocurre dentro del regenerador. El punto del estado 6, por consiguiente, representa la temperatura de los gases abandonando el regenerador bajo las condiciones más ideales. La transferencia de calor real y máxima de los gases de escape pueden expresarse como sigue: Q regen,real = h5 - h2Y Q regen,max = h5' - h2 = h4 - h2La extensión para el cual un regenerador se aproxima a un regenerador ideal es llamado eficiencia e y es definido como e = Qregen,real / Qregen,max = (h5 - h2) / (h4 - h2)Cuando las suposiciones de aire-frio estándar son utilizadas, la ecuación se reduce a e @ (T5 - T2)/(T4 - T2)Es obvio que el regenerador con una eficacia alta salvara una gran cantidad de combustible y recalentara el aire a una alta temperatura previo a la combustión. Sin embargo, lograr una alta eficacia requere el uso de un regenerador mas largo, lo cual involucra un alto precio y causa una caida de presion mas grande. Por ello, el uso de un regenerador con una mas alta eficacia no puede ser economicamente justificado a menos que la reserva del gasto de combustible exceda el gasto adicional involucrado. Los regeneradores mas usados en la practica tienen una efectividad de 0.7 o menor. Bajo las condiciones de suposicion de aire-estandar, la eficiencia térmica de un ciclo Brayton ideal con regeneración es h th,regen = 1 - (T1/T3) (rp)^[(k-1)/k]Por ello, la eficiencia térmica del un ciclo Brayton con regeneración depende de la relación de temperatura máxima y mínima tal como la relación de presion. |
