Ciclo de brayton

El ciclo de Brayton es un ciclo termodinámico que describe el funcionamiento de ciertos motores térmicos que tienen aire o algún otro gas como fluido de trabajo. Los motores Brayton originales utilizaban un compresor de pistón y un expansor de pistón, pero los motores de turbina de gas modernos y los motores a reacción con respiración de aire también siguen el ciclo Brayton. Aunque el ciclo normalmente se ejecuta como un sistema abierto (y de hecho debe ejecutarse como tal si se utiliza combustión interna), se supone convencionalmente para los propósitos del análisis termodinámico que los gases de escape se reutilizan en la admisión, lo que permite el análisis como un sistema cerrado. sistema.

El ciclo del motor lleva el nombre de George Brayton (1830–1892), el ingeniero estadounidense que lo desarrolló originalmente para su uso en motores de pistón, aunque fue propuesto y patentado originalmente por el inglés John Barber en 1791. También se lo conoce a veces como el ciclo de Joule. El ciclo Joule invertido utiliza una fuente de calor externa e incorpora el uso de un regenerador. Un tipo de ciclo Brayton está abierto a la atmósfera y utiliza una cámara de combustión interna; y otro tipo es cerrado y utiliza un intercambiador de calor.

Historia

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 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 entraba al compresor mediante un carburador de superficie calentada. 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. 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.

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 n.° 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.

En 1878, George B. Selden patentó el primer automóvil de combustión interna. Inspirándose en el motor de combustión interna inventado por Brayton expuesto en la Exposición del Centenario de Filadelfia en 1876, Selden patentó un coche de cuatro ruedas trabajando en una versión más pequeña, ligera 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 el 5 de noviembre de 1895. En 1903, Selden demandó a Ford por infracción de patente y Henry Ford luchó contra Selden. patente 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.

En 1887, Brayton desarrolló y patentó un motor de aceite de inyección directa de cuatro tiempos. El sistema de combustible utilizaba una bomba de cantidad variable y una inyección de tipo rociador de alta presión y combustible líquido. 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 cuatro tiempos con chorro de aire y aceite. El sistema de combustible entregaba 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.

• Ejemplos de motores Brayton
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  Motor de gas de Brayton 1872

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  Brayton motor de viga pie 1872

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  Brayton motor 1875

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  Brayton motor de doble acción de presión constante cortado 1877

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  Brayton motor de explosión de aire de cuatro tiempos 1889

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  Brayton motor de explosión de aire de cuatro tiempos 1890

Historia temprana de las turbinas de gas

• 1791 Primera patente para una turbina de gas (John Barber, Reino Unido)
• 1904 Proyecto de turbina de gas sin éxito por Franz Stolze en Berlín (primer compresor axial)
• 1906 Turbina de gas Armengaud-Lemale en Francia (compresor centrífugo, sin poder útil)
• 1910 Primera turbina de gas con combustión intermitente (Holzwarth, 150 kW, combustión de volumen constante)
• 1923 Primer turbocompresor de gases de escape para aumentar la potencia de los motores diesel
• 1939 Primera turbina de gas del mundo para la generación de energía de Brown-Boveri, Neuchâtel, Suiza

(quemador velox, aerodinámica de Stodola)

Modelos

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:

1. proceso istrópico – el aire ambiente se introduce en el compresor, donde se presuriza.
2. proceso isobarico – el aire comprimido pasa a través de una cámara de combustión, donde se quema el combustible, calentando ese aire – un proceso de presión constante, ya que la cámara está abierta a fluir y salir.
3. proceso isentrópico – el aire calentado, presurizado y luego abandona su energía, expandiéndose a través de una turbina (o serie de turbinas). Algunos de los trabajos extraídos por la turbina se utilizan para conducir el compresor.
4. proceso isobarico – rechazo al calor (en la atmósfera).

Ciclo Brayton real:

1. proceso adiabático – compresión
2. proceso isobarico – adición de calor
3. proceso adiabático – expansión
4. proceso isobarico – rechazo al calor

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.

La eficiencia del ciclo Brayton ideal es .. =1− − T1T2=1− − ()P1P2)()γ γ − − 1)/γ γ {displaystyle eta =1-{frac {T_{1} {T_{2}}=1-left({frac} {f} {f}}}=1-left({fc} {fc}} {f} {f}}}}} {f}}}}} {f}}}}}}=1-cfnf}}} [P_{1} {P_{2}}}right)}{(gamma -1)/gamma }, donde γ γ {displaystyle gamma } es la relación de capacidad de calor. La Figura 1 indica cómo cambia la eficiencia del ciclo con un aumento de la relación de presión. La Figura 2 indica cómo cambia la potencia específica con un aumento de la temperatura de entrada de turbina de gas para dos valores de relación de presión diferentes.

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  Gráfico 1: Eficiencia del ciclo de Brayton

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  Figura 2: Producción de potencia específica del ciclo de Brayton

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.

Métodos para aumentar la potencia

La potencia de salida de un motor Brayton se puede mejorar mediante:

• El recalentamiento, donde el fluido de trabajo —en la mayoría de los casos el aire— explota a través de una serie de turbinas, se pasa a través de una segunda cámara de combustión antes de expandirse a la presión ambiental a través de un conjunto final de turbinas, tiene la ventaja de aumentar la potencia posible para una determinada relación de compresión sin exceder las restricciones metalúrgicas (normalmente alrededor de 1000 °C). El uso de un postburner para los motores de aviones de chorro también se puede llamar "recaliente"; es un proceso diferente en que el aire recalentado se expande a través de una boquilla de empuje en lugar de una turbina. Las limitaciones metalúrgicas son algo aliviadas, permitiendo temperaturas de recalentamiento mucho mayores (unos 2000 °C). El recalentamiento se utiliza más a menudo para mejorar la potencia específica, y generalmente se asocia con una disminución de la eficiencia; este efecto se pronuncia especialmente en los postcombustibles debido a las cantidades extremas de combustible extra utilizado.
• En la sobrepray, después de la primera etapa del compresor, el agua se inyecta en el compresor, aumentando así el flujo de masa dentro del compresor, aumentando significativamente la potencia de salida de la turbina y reduciendo las temperaturas de salida del compresor. En la segunda etapa del compresor, el agua se convierte completamente en forma de gas, ofreciendo un poco de intercooling a través de su calor latente de vaporización.

Métodos para mejorar la eficiencia

La eficiencia de un motor Brayton se puede mejorar mediante:

• Aumentar la relación de presión, como muestra la Figura 1 supra, aumentar la relación de presión aumenta la eficiencia del ciclo Brayton. Esto es análogo al aumento de la eficiencia observado en el ciclo de Otto cuando aumenta la relación de compresión. Sin embargo, existen límites prácticos cuando se trata de aumentar la relación de presión. En primer lugar, aumentar la relación de presión aumenta la temperatura de descarga del compresor. Dado que la temperatura de la turbina tiene un límite determinado por las limitaciones metalúrgicas y vitales, el aumento permitido de la temperatura (combustible añadido) en el combustión se vuelve más pequeño. Además, debido a que la longitud de las cuchillas del compresor se vuelve progresivamente más pequeña en las etapas de presión superior una brecha de funcionamiento constante, a través del compresor, entre las puntas de la cuchilla y el casquillo del motor se convierte en un mayor porcentaje de la altura de la cuchilla del compresor aumentando la fuga de aire en las puntas. Esto causa una caída en la eficiencia del compresor, y es más probable que ocurra en turbinas de gas más pequeñas (ya que las cuchillas son inherentemente más pequeñas para empezar). Finalmente, como se puede ver en la Figura 1, los niveles de eficiencia a medida que aumenta la relación de presión. Por lo tanto, se espera poco aumento aumentando aún más la relación de presión si ya está a un nivel elevado.
• Recuperador – Si el ciclo Brayton se ejecuta a una baja presión y un aumento de alta temperatura en la cámara de combustión, el gas de escape (después de la última etapa de turbina) podría ser aún más caliente que el gas de entrada comprimido (después de la última etapa de compresión pero antes del combustión). En ese caso, se puede utilizar un intercambiador de calor para transferir energía térmica del escape al gas ya comprimido, antes de entrar en la cámara de combustión. La energía térmica transferida se reutiliza eficazmente, aumentando así la eficiencia. Sin embargo, esta forma de reciclaje de calor sólo es posible si el motor se ejecuta en un modo de baja eficiencia con baja relación de presión en primer lugar. Transfiriendo el calor de la salida (después de la última turbina) a la entrada (antes de la primera etapa del compresor) reduciría la eficiencia, ya que el aire de entrada más caliente significa más volumen, por lo tanto más trabajo para el compresor. Para motores con combustibles criogénicos líquidos, a saber, hidrógeno, podría ser factible, sin embargo, utilizar el combustible para enfriar el aire de entrada antes de la compresión para aumentar la eficiencia. Este concepto es ampliamente estudiado para el motor SABRE.
• Un motor Brayton también forma la mitad del sistema de ciclo combinado, que combina con un motor Rankine para aumentar aún más la eficiencia general. Sin embargo, aunque esto aumenta la eficiencia general, en realidad no aumenta la eficiencia del propio ciclo Brayton.
• Los sistemas de cogeneración utilizan el calor de desperdicios de los motores Brayton, típicamente para la producción de agua caliente o la calefacción espacial.

Variantes

Ciclo cerrado de Brayton

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 cerrado de Brayton se utiliza, por ejemplo, en la generación de energía espacial y con turbinas de gas de ciclo cerrado.

Ciclo solar de Brayton

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. 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. Esta tecnología se amplió hasta los 4,6 MW dentro del proyecto Solugas ubicado cerca de Sevilla, donde actualmente se demuestra a escala precomercial.

Ciclo Brayton inverso

Un ciclo Brayton que se impulsa en reversa, a través de una entrada de trabajo neto, y cuando el aire es el fluido de trabajo, es el ciclo de refrigeración de gas o ciclo Bell Coleman. Su propósito es mover calor, en lugar de producir trabajo. 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. También se utiliza en la industria del GNL, donde el ciclo Brayton inverso más grande es para subenfriar el GNL utilizando 86 MW de potencia de un compresor impulsado por turbina de gas y refrigerante de nitrógeno.

Ciclo de Brayton invertido