Qué son los tipos de ciclo de Brayton – Abierto – Cerrado – Ciclo inverso – Definición

Ciclo Brayton – Motor de turbina

En 1872, un ingeniero estadounidense, George Bailey Brayton, avanzó el estudio de los motores térmicos patentando un motor de combustión interna a presión constante, que inicialmente usaba gas vaporizado pero luego usaba combustibles líquidos como el queroseno. Este motor térmico se conoce como ” Motor Listo de Brayton “ . Significa que el motor Brayton original usaba un compresor de pistón y un expansor de pistón en lugar de una turbina de gas y un compresor de gas.

Hoy en día, los modernos motores de turbina de gas y los motores de inyección de aire también son motores de calor de presión constante, por lo tanto, describimos su termodinámica por el ciclo de Brayton . En general, el ciclo de Brayton describe el funcionamiento de un motor térmico de presión constante .

Es uno de los ciclos termodinámicos más comunes que se pueden encontrar en las centrales eléctricas de turbinas de gas o en aviones. A diferencia del ciclo de Carnot , el ciclo de Brayton no ejecuta procesos isotérmicos , ya que estos deben realizarse muy lentamente. En un ciclo Brayton ideal , el sistema que ejecuta el ciclo se somete a una serie de cuatro procesos: dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isobáricos.

Dado que el principio de Carnot establece que ningún motor puede ser más eficiente que un motor reversible ( un motor térmico de Carnot ) que opera entre los mismos depósitos de alta temperatura y baja temperatura, una turbina de gas basada en el ciclo Brayton debe tener una eficiencia menor que la eficiencia de Carnot.

Una gran turbina de gas de un solo ciclo típicamente produce, por ejemplo, 300 megavatios de energía eléctrica y tiene una eficiencia térmica del 35-40%. Las plantas modernas de turbina de gas de ciclo combinado (CCGT), en las que el ciclo termodinámico consta de dos ciclos de planta de energía (por ejemplo, el ciclo Brayton y el ciclo Rankine), pueden lograr una eficiencia térmica de alrededor del 55%.

Tipos de ciclo de Brayton

Tipos de ciclo de Brayton

Ciclo de Brayton abierto (palabras clave)

Como la mayoría de las turbinas de gas se basan en el ciclo Brayton con combustión interna (por ejemplo, motores a reacción), se basan en el ciclo abierto de Brayton . En este ciclo, el aire de la atmósfera ambiente es comprimido a una presión y temperatura más altas por el compresor. En la cámara de combustión, el aire se calienta aún más quemando la mezcla de combustible y aire en el flujo de aire. Los productos de combustión y los gases se expanden en la turbina a presión cercana a la atmosférica (motores que producen energía mecánica o eléctrica) o a la presión requerida por los motores a reacción. El ciclo abierto de Brayton significa que los gases se descargan directamente a la atmósfera .

Ciclo cerrado de Brayton

En un ciclo cerrado de Brayton, el medio de trabajo (por ejemplo, helio) recircula en el circuito y el gas expulsado de la turbina se reintroduce en el compresor. En estas turbinas, generalmente se usa un intercambiador de calor (combustión externa) y solo el medio limpio sin productos de combustión viaja a través de la turbina de potencia. El ciclo cerrado de Brayton se utiliza, por ejemplo, en turbinas de gas de ciclo cerrado y reactores de alta temperatura refrigerados por gas.

Ciclo Brayton inverso – Ciclo de refrigeración Brayton

Un ciclo de Brayton que se conduce en dirección inversa se conoce como el ciclo de Brayton inverso. Su propósito es mover el calor del cuerpo más frío al más caliente, en lugar de producir trabajo. De conformidad con la segunda ley de la termodinámica, el calor no puede fluir espontáneamente del sistema frío al sistema caliente sin realizar un trabajo externo en el sistema. El calor puede fluir del cuerpo más frío al más caliente, pero solo cuando es forzado por un trabajo externo. Esto es exactamente lo que logran los refrigeradores y las bombas de calor. Estos son impulsados ​​por motores eléctricos que requieren trabajo de su entorno para funcionar. Uno de los ciclos posibles es un ciclo de Brayton inverso, que es similar al ciclo de Brayton ordinario pero se conduce en reversa, a través de la entrada de trabajo neto. Este ciclo también se conoce como ciclo de refrigeración de gas o ciclo de Bell Coleman. Este tipo de ciclo se usa ampliamente en aviones a reacción para sistemas de aire acondicionado que usan aire de los compresores del motor. También se usa ampliamente en la industria de GNL, donde el ciclo Brayton inverso más grande es para subenfriar GNL utilizando 86 MW de potencia de un compresor impulsado por turbina de gas y refrigerante de nitrógeno.