El ciclo de Brayton , también conocido como ciclo de Joule, es un ciclo termodinámico que describe el funcionamiento de ciertos motores térmicos que tienen como fluido de trabajo aire o algún otro gas . Se caracteriza por compresión y expansión isentrópicas y adición y rechazo de calor isobárico , aunque los motores prácticos tienen pasos adiabáticos en lugar de isentrópicos.
La aplicación actual más común es en motores a reacción que respiran aire y motores de turbina de gas .
El ciclo del motor lleva el nombre de George Brayton (1830-1892), el ingeniero estadounidense que desarrolló el motor Brayton Ready en 1872, utilizando un compresor de pistón y un expansor de pistón. [1] El inglés John Barber propuso y patentó originalmente un motor que utilizaba el ciclo en 1791, utilizando un compresor alternativo y un expansor de turbina. [2]
Hay dos tipos principales de ciclos Brayton: cerrados y abiertos. En un ciclo cerrado, el gas de trabajo permanece dentro del motor. El calor se introduce con un intercambiador de calor o combustión externa y se expulsa con un intercambiador de calor. Con el ciclo abierto, se aspira aire de la atmósfera, pasa por tres pasos del ciclo y se expulsa nuevamente a la atmósfera. Los ciclos abiertos permiten la combustión interna . Aunque el ciclo es abierto, a los efectos del análisis termodinámico se supone convencionalmente que los gases de escape se reutilizan en la admisión, lo que permite el análisis como un ciclo cerrado.
En 1872, George Brayton solicitó una patente para su "Ready Motor", un motor térmico alternativo que funciona con un ciclo de energía de gas. El motor era de dos tiempos y producía potencia en cada revolución. Los motores Brayton usaban un compresor de pistón y un expansor de pistón separados, con aire comprimido calentado por fuego interno cuando ingresaba al cilindro expansor. Las primeras versiones del motor Brayton eran motores de vapor que mezclaban combustible con aire al entrar en el compresor; Se utilizó gas ciudad o también se utilizó un carburador de superficie para funcionamiento móvil. [3] El combustible/aire estaba contenido en un depósito/tanque y luego era admitido en el cilindro de expansión y quemado. Cuando la mezcla de combustible y aire entró en el cilindro de expansión, una llama piloto lo encendió. Se utilizó una pantalla para evitar que el fuego entrara o regresara al depósito. En las primeras versiones del motor, esta pantalla a veces fallaba y se producía una explosión. En 1874, Brayton resolvió el problema de la explosión añadiendo el combustible justo antes del cilindro expansor. El motor ahora utilizaba combustibles más pesados, como queroseno y fueloil. El encendido siguió siendo una llama piloto. [4] Brayton produjo y vendió "Ready Motors" para realizar una variedad de tareas como bombeo de agua, operación de molinos, funcionamiento de generadores y propulsión marina. Los "Ready Motors" se produjeron desde 1872 hasta algún momento de la década de 1880; Es probable que se produjeran varios cientos de motores de este tipo durante este período. Brayton otorgó la licencia del diseño a Simone en el Reino Unido. Se utilizaron muchas variaciones del diseño; algunos eran de simple efecto y otros de doble efecto. Algunos tenían vigas debajo; otros tenían vigas elevadas. Se construyeron modelos tanto horizontales como verticales. Los tamaños variaban desde menos de uno hasta más de 40 caballos de fuerza. Los críticos de la época afirmaban que los motores funcionaban sin problemas y tenían una eficiencia razonable. [4]
Los motores de ciclo Brayton fueron algunos de los primeros motores de combustión interna utilizados como fuerza motriz. En 1875, John Holland utilizó un motor Brayton para propulsar el primer submarino autopropulsado del mundo (barco Holland nº 1). En 1879, se utilizó un motor Brayton para propulsar un segundo submarino, el Fenian Ram . Los submarinos de John Philip Holland se conservan en el Museo Paterson en el distrito histórico Old Great Falls de Paterson, Nueva Jersey . [5]
En 1878, George B. Selden patentó el primer automóvil de combustión interna. [6] Inspirándose en el motor de combustión interna inventado por Brayton exhibido en la Exposición del Centenario en Filadelfia en 1876, Selden patentó un automóvil de cuatro ruedas trabajando en una versión más pequeña, liviana y multicilíndrica. Luego presentó una serie de enmiendas a su solicitud que prolongaron el proceso legal, lo que resultó en un retraso de 16 años antes de que se concediera la patente [6] el 5 de noviembre de 1895. En 1903, Selden demandó a Ford por infracción de patente y a Henry Ford. Luchó contra la patente de Selden hasta 1911. Selden nunca había producido un automóvil que funcionara, por lo que durante la prueba, se construyeron dos máquinas de acuerdo con los dibujos de la patente. Ford argumentó que sus autos usaban el ciclo Alphonse Beau de Rochas o el ciclo Otto de cuatro tiempos y no el motor de ciclo Brayton usado en el automóvil Selden. Ford ganó la apelación del caso original. [7]
En 1887, Brayton desarrolló y patentó un motor de aceite de inyección directa de cuatro tiempos. [8] El sistema de combustible utilizaba una bomba de cantidad variable y una inyección de combustible líquido, de alta presión y tipo rociador. El líquido fue forzado a través de una válvula de alivio (inyector) accionada por resorte, lo que provocó que el combustible se dividiera en pequeñas gotas. La inyección se programó para que ocurriera en o cerca del pico de la carrera de compresión. Un encendedor de platino proporcionó la fuente de ignición. Brayton describe la invención como: "He descubierto que los aceites pesados se pueden convertir mecánicamente en una condición finamente dividida dentro de una porción de disparo del cilindro o en una cámara de disparo comunicante". Otra parte dice: "Por primera vez, hasta donde alcanza mi conocimiento, he regulado la velocidad controlando de forma variable la descarga directa de combustible líquido en la cámara de combustión o cilindro en una condición finamente dividida altamente favorable para la combustión inmediata". Este fue probablemente el primer motor en utilizar un sistema de mezcla pobre para regular la velocidad y la potencia del motor. De esta manera, el motor se disparaba en cada golpe de potencia y la velocidad y la potencia se controlaban únicamente por la cantidad de combustible inyectado.
En 1890, Brayton desarrolló y patentó un motor de aceite de cuatro tiempos con chorro de aire. [9] El sistema de combustible entregó una cantidad variable de combustible vaporizado al centro del cilindro bajo presión en o cerca del pico de la carrera de compresión. La fuente de ignición era un encendedor hecho de alambre de platino. Una bomba de inyección de cantidad variable proporcionaba el combustible a un inyector donde se mezclaba con aire cuando entraba al cilindro. Un pequeño compresor accionado por manivela proporcionaba la fuente de aire. Este motor también utilizaba el sistema de mezcla pobre.
Rudolf Diesel propuso originalmente un ciclo de temperatura constante y compresión muy alta donde el calor de compresión excedería el calor de combustión , pero después de varios años de experimentos, se dio cuenta de que el ciclo de temperatura constante no funcionaría en un motor de pistón. Los primeros motores diésel utilizan un sistema de chorro de aire del que Brayton fue pionero en 1890. En consecuencia, estos primeros motores utilizan el ciclo de presión constante. [10]
(quemador velox, aerodinámica de Stodola)
Un motor tipo Brayton consta de tres componentes: un compresor , una cámara de mezcla y un expansor .
Los motores Brayton modernos casi siempre son del tipo turbina, aunque Brayton solo fabricaba motores de pistón. En el motor Brayton original del siglo XIX, el aire ambiente ingresa a un compresor de pistón, donde se comprime ; idealmente un proceso isentrópico . Luego, el aire comprimido pasa a través de una cámara de mezcla donde se agrega combustible, un proceso isobárico . Luego, la mezcla de aire presurizado y combustible se enciende en un cilindro de expansión y se libera energía, lo que hace que el aire calentado y los productos de combustión se expandan a través de un pistón/cilindro, otro proceso idealmente isentrópico. Parte del trabajo extraído por el pistón/cilindro se utiliza para impulsar el compresor a través de una disposición de cigüeñal.
Los motores de turbina de gas también son motores Brayton, con tres componentes: un compresor de aire, una cámara de combustión y una turbina de gas.
Ciclo Brayton ideal:
Ciclo Brayton real:
Dado que ni la compresión ni la expansión pueden ser verdaderamente isentrópicas, las pérdidas a través del compresor y el expansor representan fuentes de ineficiencias de trabajo ineludibles . En general, aumentar la relación de compresión es la forma más directa de aumentar la potencia total de un sistema Brayton. [12]
La eficiencia del ciclo Brayton ideal es , donde es la relación de capacidad calorífica . [13] La Figura 1 indica cómo cambia la eficiencia del ciclo con un aumento en la relación de presión. La Figura 2 indica cómo cambia la producción de potencia específica con un aumento en la temperatura de entrada de la turbina de gas para dos valores de relación de presión diferentes.
La temperatura más alta del gas en el ciclo ocurre donde tiene lugar la transferencia de trabajo a la turbina de alta presión (entrada del rotor). Esta es más baja que la temperatura más alta del gas en el motor (zona de combustión). La temperatura máxima del ciclo está limitada por los materiales de la turbina y la vida útil requerida de la turbina. Esto también limita las relaciones de presión que se pueden utilizar en el ciclo. Para una temperatura de entrada de turbina fija, la producción neta de trabajo por ciclo aumenta con la relación de presión (por lo tanto, la eficiencia térmica ) y la producción neta de trabajo. Con menos producción de trabajo por ciclo, se necesita un mayor caudal másico (por lo tanto, un sistema más grande) para mantener la misma producción de potencia, lo que puede no ser económico. En los diseños más comunes, la relación de presiones de una turbina de gas oscila entre 11 y 16 aproximadamente. [14]
La potencia de salida de un motor Brayton se puede mejorar mediante:
La eficiencia de un motor Brayton se puede mejorar mediante:
Un ciclo cerrado de Brayton recircula el fluido de trabajo ; el aire expulsado de la turbina se reintroduce en el compresor, este ciclo utiliza un intercambiador de calor para calentar el fluido de trabajo en lugar de una cámara de combustión interna. El ciclo cerrado de Brayton se utiliza, por ejemplo, en la generación de energía espacial y con turbinas de gas de ciclo cerrado . [ eliminar o aclarar es necesaria ]
En 2002, se operó por primera vez de manera consistente y efectiva un ciclo Brayton solar abierto híbrido y se publicaron artículos relevantes, en el marco del programa SOLGATE de la UE. [17] El aire se calentó de 570 a más de 1000 K en la cámara de combustión. Se logró una mayor hibridación durante el proyecto Solhyco de la UE que ejecuta un ciclo Brayton hibridado con energía solar y biodiesel únicamente. [18] Esta tecnología se amplió hasta 4,6 MW dentro del proyecto Solugas ubicado cerca de Sevilla, donde actualmente se demuestra a escala precomercial. [19]
Un ciclo de Brayton que se conduce a la inversa utiliza trabajo para mover el calor. Esto lo convierte en una forma de ciclo de refrigeración de gas . Cuando el aire es el fluido de trabajo, se conoce como ciclo de Bell Coleman. [20]
Esta técnica de refrigeración por aire se utiliza ampliamente en aviones a reacción para sistemas de aire acondicionado que utilizan aire purgado extraído de los compresores del motor. [ ¿cómo? ] [ dudoso ]
También se utiliza en la industria del GNL para subenfriar el GNL utilizando la energía de una turbina de gas para accionar el compresor. [ dudoso ] [ cita necesaria ]
Se trata de un ciclo abierto de Brayton que también genera trabajo a partir de calor, pero con un orden de etapas diferente. El aire entrante primero se calienta a presión atmosférica y luego pasa a través de la turbina, generando trabajo. El gas, ahora a una presión inferior a la atmosférica, se enfría en un intercambiador de calor. El compresor vuelve a elevar la presión para que el gas pueda ser expulsado a la atmósfera.
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