Ciclo Brayton

Ciclo Brayton

I.

Fundamentos te teóricos.

El ciclo Brayton (o ciclo de Joule) representa el funcionamiento de un motor de turbina de gas. Los componentes de un dispositivo de ciclo Brayton de propulsión a chorro se muestran en la Figura 3.!. "ormalmente #amos a representar estos componentes de forma es$uem%tica& como en la 'gura 3.. En la pr%ctica& los ciclos reales Brayton toman una de las dos formas. Figura 3. (a) muestra una *ciclo abierto+& donde el ,uido de traba-o entra y luego sale del dispositivo. Esta es la forma en $ue un ciclo de propulsión a chorro funciona. Figura 3. (b) muestra la alternativa& un *ciclo cerrado+& $ue hace recircular el ,uido de traba-o. e utili/an ciclos cerrados& por e-emplo& en la generación de energ0a en el espacio.

Figura 3.14: Esquema de motores de turbina de gas militares típicas. Top: turborreactores con postcombustión, inferior: GE F404 baja relación de deriación turboentilador con postcombustión !"ill # $eterson, %&&'(.

Figura 3.15: modelo termodin)mico de ciclo de motor de turbina de gas para la generación de energía

1

2peración de ciclo abierto4

2operación de ciclo cerrado4 Figura 3.16: *pciones para el ciclo de los motores de turbina de gas de operación +ra#ton

II.

Etapas del Ciclo

El ciclo consta de cuatro procesos& como se muestra en la 'gura 3.3 -unto a un boceto de un motor5 •

•

•

a 6 b adiab%tico& cuasi6est%tica (o reversible) de compresión en la entrada y el compresor7 b 6 c constante $uema de combustible de presión (ideali/ado como una presión constante adición de calor)7 c 6 d adiab%tico& cuasi6est%tica (o reversible) de e8pansión en la tobera de la turbina y de escape& con el $ue

3

. llevar algo de traba-o en el aire y lo utili/an para accionar el compresor& y 1. tomar el traba-o restante y utili/arlo para acelerar el ,uido de propulsión a chorro& o para activar un generador para la generación de energ0a el9ctrica7 •

d 6 :n enfriamiento del aire a presión constante para volver a su estado inicial.

Figura 3.13: -etc de los componentes de motores a reacción # los correspondientes estados termodin)micos

III.

Efciencia del Ciclo

El ob-etivo ahora es encontrar el traba-o hecho& el calor absorbido y la e'ciencia t9rmica del ciclo. ;astreando la ruta $ue se muestra en todo el ciclo de 6 6 6 y de nuevo a la primera ley da (ecuaciones en t9rminos de una unidad de masa)&

<$u0 es cero por$ue es una función de estado& y cual$uier ciclo devuelve el sistema a su estado de partida . =or tanto& el traba-o neto reali/ado es

>onde& se de'nen como calor recibido por el sistema (es negativo). =or lo tanto tenemos $ue evaluar el calor transferido en los procesos 6 y 6. =ara una presión constante& cuasi6est%tica proceso de intercambio de calor por unidad de masa es

!

=odemos ver esto escribiendo la primera ley en t9rminos de

y la entalpia.

El intercambio de calor puede e8presarse en t9rminos de diferencias de entalp0a entre los estados pertinentes. e trata el ,uido de traba-o como un gas perfecto con calores espec0'cos constantes& para la adición de calor desde la c%mara de combustión&

El calor recha/ado es& de manera similar&

El traba-o neto por unidad de masa est% dada por

La e'ciencia t9rmica del ciclo de Brayton ahora se puede e8presar en t9rminos de las temperaturas5

=ara seguir adelante& debemos e8aminar las relaciones entre las diferentes temperaturas. abemos $ue en los puntos y estamos en un proceso de presión constante al igual $ue los puntos y& ?. Las otras dos ramas del ciclo son adiab%tica reversible y& por lo $ue

=or lo tanto& o& por @ltimo. :sando esta relación en la e8presión para la e'ciencia t9rmica& se obtiene una e8presión para la e'ciencia t9rmica de un ciclo Brayton5



La relación de temperatura a trav9s del compresor. En t9rminos de la relación de temperatura del compresor& y usando la relación para un proceso adiab%tico reversible podemos escribir la e'ciencia en t9rminos de $ue el compresor (y ciclo) relación de presión& $ue es el par%metro com@nmente utili/ado5

IV.

Aplicaciones prácticas

:n diagrama es$uem%tico de un estatorreactor se da en la Figura 3.1.

Figura 3.25 estatorreactor Adeal 2JL errebrocC& motores de a!ión y tur"inas de gas4 . En el estatorreactor hay DD no hay partes móviles  Los procesos $ue ocurren en este dispositivo de propulsión son5 •

 5 >ifusión isentrópico (desaceleración) y compresión& con una disminución en el n@mero de ach&.

•

 5 La combustión de presión constante.

•

 5 E8pansión isoentrópica trav9s de la bo$uilla.

La e'ciencia estatorreactor ciclo termodin%mico se puede escribir en t9rminos de n@mero de ach de vuelo&

de la siguiente manera5



y

asi $ue

V.

#e$erencias

G