El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por primera vez, para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por l alrededor de I870. Actualmente se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresin como de expansin suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas generalmente operan en un rielo abierto, como se observa en la figura:

Se introduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor, donde su temperatura y presin se eleva. El aire de alta presin sigue hacia la cmara de combustin, donde el combustible se quema a presin constante. Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presin atmosfrica, produciendo potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan haca fuera (no se recirculan), causando que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.

El ciclo de turbina de gas abierto descrito anteriormente puede modelarse como un ciclo cerrado, como se ndica en la figura, empleando las suposiciones de aire estndar.

En este caso los procesos de compresin y expansin permanecen iguales, pero el proceso de combustin se sustituye por uno de adicin de calor a presin constante desde una fuente externa, mientras que el proceso de escape se remplaza por otro de rechazo de calor a presin constante hacia el aire ambiente.

El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, el cual est integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1-2 Compresin isentrpica (en un compresor) 2-3 Adicin de calor a presin constante 3-4 Expansin isentrpica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a presin constante

Los diagramas T-s y P-v de un ciclo Brayton ideal se muestran en la figura:

Observe que los cuatro procesos del ciclo Brayton se ejecutan en dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto deben analizarse como procesos de flujo estacionario. Cuando los cambios en las energas cintica y potencial son insignificantes, el balance de energa para un proceso de flujo estacionario puede expresarse, por unidad de masa como: ( q de entrada - q salida ) + ( W entrada- W salida ) = h salida h entrada Por lo tanto, la transferencia de calor del ciclo de Bryton y desde el fluido de trabajo es: q entrada= h3-h2 = Cp ( T3 T2 ) q salida = h4 h1 = Cp ( T4 T1)

Entonces, la eficiencia termica del ciclo Bryton ideal bajo las supocisiones de aire estandar frio se convierte en:

Los procesos 1-2 y 3-4 son isentropicos, por lo que P2 = P3 Y P4 = P. Por lo tanto

Al sustituir estas ecuaciones en la relacion de eficviencia termica y al simplificar se obtiene:

Donde rp =

La eficiencia de este ciclo vara con la relacin de presiones, es directamente proporcional, el cambio es ms significativo para relaciones de presin de 5 a 15 luego a medida que va aumentando esta relacin de presiones el cambio es menos brusco, como se puede observar en el grfico:

La temperatura ms alta en el ciclo ocurre al final del proceso de combustin (estado 3; y est limitada por lu temperatura mxima que los alabes de la turbina pueden resistir. Esto tambin limita las relaciones de presin que pueden utilizarse en el ciclo.

La turbina de gas ha experimentado un progreso y un crecimiento fenomenal desde su primer desarrollo exitoso en 1930. Las primeras turbinas de gas construidas en 1940 e incluso en 1950 tenan eficiencias de ciclo simple de alrededor de 17 porciento debido a las bajas eficiencias del compresor y de la turbina. as como a las bajas temperaturas de entrada de la turbina dadas las limitaciones de la metalurgia de aquellos tiempos.

Por lo tanto, las turbinas de gas tuvieron un uso limitado a pesar de su versatilidad y su capacidad de quemar gran variedad de combustibles. Los esfuerzos para mejorar la eficiencia del ciclo se concentraron en tres reas: 1. Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina (O de quemado). ste ha sido el principal enfoque lomado para mejorar la eficiencia de la turbina de gas. Las temperaturas de entrada de stas han aumentado en forma constante desde aproximadamente 540aC (1000*F en 1940, hasta 1 423C (2 600O*F) actualmente. Estos incrementos fueron posibles gracias al desarrollo de nuevos materiales y por tas innovadoras tcnicas de enfriamiento para componentes crticos, como la de revestir los alabes de la turbina con capas cermicas y enfriarlos con el aire de descarga del compresor.

2. Incremento de las eficiencias de los componentes de turbo maquinara. El desempeo de las primeras turbinas sufra grandemente de las ineficiencias de turbinas y compresores. Sin embargo, el advenimiento de las computadoras y de tcnicas avanzadas de diseo asistido por computadora hizo posible disear estos componentes aerodinmicamente cuyas prdidas son mnimas. Las eficiencias incrementadas de las turbinas y compresores resultaron en un aumento significativo en la eficiencia de) ciclo.

3. Adicin de modificaciones al ciclo bsico. Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas fueron prcticamente duplicadas al incorporar interenfriamiemo, regeneracin (o recuperacin) y recalentamiento, los cuales se analizan en las siguientes dos secciones. Desde luego, estas mejoras se realizaron a expensas de mayores costos tanto inicial como de operacin y no pueden justificarse a menos que la disminucin en los costos de combustible contrarreste el incremento en otras reas. Los costos relativamente bajos de los combustibles, el deseo general de la industria para minimizar los costos de instalacin y el tremendo aumento en la eficiencia del ciclo simple a cerca de 40 por ciento, dej pocos deseos de optar por estas modificaciones.

Una central elctrica de turbina de gas que opera en un ciclo Brayton ideal tiene una relacin de presin de 8. La temperatura del gas es de 300 K en la entrada del compresor y de 1 300 K en la entrada da la turbina. Utilice las suposiciones de aire estndar y determine la temperatura del gas a la salida del compresor y de la turbina, b) la relacin del trabajo de retroceso y. c) la eficiencia trmica. Solucin Se tiene una planta de energa que opera en un ciclo Bryton ideal. Se determinarn la temperatura de! gas a la salida del compresor y de la turbina, la relacin del trabajo de retroceso y la eficiencia trmica. Suposiciones 1 Existen condiciones estacionarias de operacin. 2 Son aplicables las suposiciones de aire estndar. 3 Los cambios de energa cintica y potencial son insignificantes. 4 Se considerar la variacin de los calores especficos con la temperatura.

Anlisis El diagrama T-s del ciclo Brayton ideal descrito se muestra en la figura, en la que se observa que los componentes involucrados en el ciclo Brayton son dispositivos de flujo estacionario.

a) Las temperaturas del aire en la salida del compresor y la turbina se determinan de las relaciones isentrpicas. Proces 1-2 (compresin isentrpica de un gas ideal)

T1 = 300 k

h1 = 300.19 Pr1= 1.386

KJ

2 =

2 1

Pr1= (8 * 1.368)= 11.09 h2= 544. 35 KJ

T2 = 540 K ( a salida de compresor) Proceso 3-4 ( expancion isentropica de un gas ideal)

T3= 1300 K

h3= 1395.97

KJ

Pr3= 330.94 = 3 Pr3=( 8 )330.9= 41.36 turbina) KJ h4 = 789. 37 4 1

T4= 770 K ( a la salida de la

b) Para encontrar la relacin del trabajo de retroceso, se necesita encontrar la entrada de trabajo al compresor y la salida de trabajo de la turbina. Wcomp.entrada = h2 h1 = 544.35 300.19 = 244.16 Wturb.salida = h3 h4 = 1395.97 789.37 = 606.60 rbw= Wcomp.entrada 244.16 = = 0.403 606.60 Wturb.salidaKJ KJ

Es decir, 40.3 por ciento de la salida del trabajo de la turbina se emplea nicamente para activar el compresor.

c) La eficiencia trmica del ciclo es la relacin entre la salida de potencia neta y la entrada de calor total:Qentrada = h3 h2 = 1395.97 544.35 = 851.32 KJ

Wneto = wsalida wntrada = 606. 60 244.16 = 362.4rbw= Wcomp.entrada 244.16 = 606.60 = 0.403 Wturb.salida

KJ

Por lo tanto:El rendimiento termico es: = W.entrada 362.4 = = 0.426 =42.6 % Q salida 851.32