El ciclo Brayton , también conocido como ciclo Joule, es un ciclo termodinámico que describe el funcionamiento de ciertos motores térmicos que tienen aire o algún otro gas como fluido de trabajo . Se caracteriza por la compresión y expansión isoentrópicas , y la adición y eliminación de calor isobárica , aunque los motores prácticos tienen pasos adiabáticos en lugar de isoentrópicos.
La aplicación actual más común es en motores a reacción con respiración de aire y motores de turbinas de gas .
El ciclo del motor recibe su nombre de George Brayton (1830-1892), el ingeniero estadounidense que desarrolló el Brayton Ready Motor en 1872, utilizando un compresor de pistón y un expansor de pistón. [1] Un motor que utilizaba el ciclo fue propuesto y patentado originalmente por el inglés John Barber en 1791, utilizando un compresor alternativo y un expansor de turbina. [2]
Existen dos tipos principales de ciclos Brayton: cerrado y abierto. 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, se supone convencionalmente para fines de análisis termodinámico 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 funcionaba con un ciclo de potencia de gas. El motor era de dos tiempos y producía potencia en cada revolución. Los motores Brayton utilizaban 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 cuando ingresaba al compresor; se usaba gas ciudad o también se usaba un carburador de superficie para el funcionamiento móvil. [3] El combustible/aire estaba contenido en un depósito/tanque y luego se admitía en el cilindro de expansión y se quemaba. A medida que la mezcla de combustible/aire ingresaba al cilindro de expansión, se encendía con una llama piloto. Se usaba una pantalla para evitar que el fuego ingresara 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 agregando el combustible justo antes del cilindro expansor. El motor ahora utilizaba combustibles más pesados, como queroseno y fueloil. El encendido seguía siendo una llama piloto. [4] Brayton produjo y vendió "Ready Motors" para realizar una variedad de tareas como bombeo de agua, operación de molinos, generadores en funcionamiento y propulsión marina. Los "Ready Motors" se produjeron desde 1872 hasta algún momento de la década de 1880; es probable que se fabricaran varios cientos de motores de este tipo durante este período de tiempo. Brayton licenció el diseño a Simone en el Reino Unido. Se utilizaron muchas variaciones del diseño; algunos eran de acción simple y otros de doble acción. Algunos tenían vigas móviles debajo; otros tenían vigas móviles en la parte superior. Se construyeron modelos tanto horizontales como verticales. Los tamaños variaban desde menos de uno a 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 para la propulsión. En 1875, John Holland utilizó un motor Brayton para propulsar el primer submarino autopropulsado del mundo (Holland boat #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 de 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] Inspirado por el motor de combustión interna inventado por Brayton que se exhibió en la Exposición del Centenario en Filadelfia en 1876, Selden patentó un automóvil de cuatro ruedas que funcionaba en una versión más pequeña, liviana y multicilíndrica. Luego presentó una serie de enmiendas a su solicitud que alargaron el proceso legal, lo que resultó en una demora de 16 años antes de que se otorgara la patente [6] el 5 de noviembre de 1895. En 1903, Selden demandó a Ford por violación de patente y Henry Ford luchó contra la patente de Selden hasta 1911. Selden nunca había producido realmente un automóvil que funcionara, por lo que durante el juicio se construyeron dos máquinas de acuerdo con los dibujos de la patente. Ford argumentó que sus automóviles usaban el ciclo de cuatro tiempos Alphonse Beau de Rochas o ciclo Otto y no el motor de ciclo Brayton usado en el automóvil de 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 e inyección de combustible líquido a alta presión, de tipo pulverizador. El líquido se forzaba a pasar a través de una válvula de alivio accionada por resorte (inyector) que hacía que el combustible se dividiera en pequeñas gotas. La inyección se cronometraba para que se produjera en el pico de la carrera de compresión o cerca de él. Un encendedor de platino proporcionaba la fuente de ignición. Brayton describe la invención como: "He descubierto que los aceites pesados se pueden convertir mecánicamente en un estado finamente dividido dentro de una porción de encendido del cilindro, o en una cámara de encendido 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 un estado finamente dividido altamente favorable para la combustión inmediata". Este fue probablemente el primer motor en utilizar un sistema de combustión pobre para regular la velocidad y la potencia del motor. De esta manera, el motor se activaba en cada carrera de potencia y la velocidad y la potencia estaban controladas 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 suministraba 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 a medida que ingresaba al cilindro. Un pequeño compresor accionado por manivela proporcionaba la fuente de aire. Este motor también utilizaba el sistema de combustión pobre.
Rudolf Diesel propuso originalmente un ciclo de compresión muy alta y temperatura constante donde el calor de compresión superaría al 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 soplado de aire que fue desarrollado por Brayton 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 son casi siempre del tipo de turbina, aunque Brayton solo fabricaba motores de pistón. En el motor Brayton original del siglo XIX, el aire ambiente se introduce en un compresor de pistón, donde se comprime ; idealmente un proceso isoentrópico . El aire comprimido pasa luego a través de una cámara de mezcla donde se agrega combustible, un proceso isobárico . Luego, la mezcla de aire y combustible presurizados se enciende en un cilindro de expansión y se libera energía, lo que hace que el aire calentado y los productos de la combustión se expandan a través de un pistón/cilindro, otro proceso idealmente isoentrópico. 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 inevitables . En general, aumentar la relación de compresión es la forma más directa de aumentar la potencia total de salida de un sistema Brayton. [12]
La eficiencia del ciclo Brayton ideal es , donde es la relación de capacidad térmica . [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 potencia de salida 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 se produce donde se transfiere el trabajo a la turbina de alta presión (entrada del rotor). Esta es inferior a 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 misma. Esto también limita las relaciones de presión que se pueden utilizar en el ciclo. Para una temperatura de entrada de turbina fija, la salida de trabajo neto por ciclo aumenta con la relación de presión (por lo tanto, la eficiencia térmica ) y la salida de trabajo neto. Con una salida de trabajo menor por ciclo, se necesita un caudal másico mayor (por lo tanto, un sistema más grande) para mantener la misma salida de potencia, lo que puede no ser económico. En los diseños más comunes, la relación de presión de una turbina de gas varía de aproximadamente 11 a 16. [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 Brayton cerrado 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 Brayton cerrado se utiliza, por ejemplo, en turbinas de gas de ciclo cerrado y en la generación de energía espacial. [ eliminar o aclarar ]
En 2002, se puso en funcionamiento por primera vez un ciclo solar Brayton híbrido abierto de forma consistente y eficaz, con la publicación de artículos relevantes, en el marco del programa SOLGATE de la UE. [17] El aire se calentó desde 570 hasta más de 1000 K en la cámara de combustión. Se logró una mayor hibridación durante el proyecto Solhyco de la UE, que puso en funcionamiento un ciclo Brayton híbrido con energía solar y biodiésel únicamente. [18] Esta tecnología se amplió a 4,6 MW en el marco del proyecto Solugas, situado cerca de Sevilla, donde actualmente se está demostrando a escala precomercial. [19]
Un ciclo Brayton que funciona en sentido inverso utiliza trabajo para mover 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 Bell Coleman. [20]
Esta técnica de enfriamiento por aire se utiliza ampliamente en los aviones a reacción para los sistemas de aire acondicionado que utilizan aire purgado extraído de los compresores del motor. [ ¿Cómo? ] [ dudoso – discutir ]
También se utiliza en la industria del GNL para subenfriar el GNL utilizando la energía de una turbina de gas para impulsar el compresor. [ dudoso – discutir ] [ cita requerida ]
Se trata de un ciclo Brayton abierto que también genera trabajo a partir del calor, pero con un orden diferente de las etapas. El aire entrante se calienta primero a presión atmosférica y luego pasa por 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 aumentar la presión para que el gas pueda ser expulsado a la atmósfera.
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