Ciclo Brayton

I.- CICLO BRAYTON
El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina degas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento, caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos, respectivamente–, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.
1.1.-Descripción del ciclo
El ciclo Brayton describe elcomportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:


Figura 1.1.- Descripción del ciclo Brayton.
A) Admisión
El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina.
B) Compresor
El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que estafase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática A→B.
C) Cámara de combustión
En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso isóbaro B→C.
D) Turbina
El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfríarápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.
E) Escape
Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la aproximación de suponer unarecirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un enfriamiento a presión constante D→A.

Figura 1.2.- Grafica del ciclo Brayton.
Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo delciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto.



Figura 1.3.- Motor de turbina de gas de ciclo abierto.

Figura 1.4.- Motor de turbina de gas de ciclo cerrado.
1.2.- Eficiencia en función del calor
1.2.1.- Intercambio de calor
De los cuatro procesos que forman el ciclo cerrado, no se intercambia calor en los procesos adiabáticos A→B y C→D, por definición. Sí se intercambiaen los dos procesos isóbaros.

a) En la combustión B→C, una cierta cantidad de calor Qc (procedente de la energía interna del combustible) se transfiere al aire. Dado que el proceso sucede a presión constante, el calor coincide con el aumento de la entalpía.

El subíndice "c" viene de que este calor se intercambia con un supuesto foco caliente.
b) En la expulsión de los gases D→A el aire sale a unatemperatura mayor que a la entrada, liberando posteriormente un calor | Qf | al ambiente. En el modelo de sistema cerrado, en el que nos imaginamos que es el mismo aire el que se comprime una y otra vez en el motor, modelamos esto como que el calor | Qf | es liberado en el proceso D→A, por enfriamiento. El valor absoluto viene de que, siendo un calor que sale del sistema al ambiente, su signo esnegativo. Su valor, análogamente al caso anterior, es

El subíndice "f" viene de que este calor se cede a un foco frío, que es el ambiente.
1.2.2. - Trabajo realizado
En este ciclo (a diferencia de lo que ocurre en el ciclo Otto) se realiza trabajo en los cuatro procesos. En dos de ellos el trabajo es positivo y en dos es negativo.
a) En la compresión de la mezcla A→B, se realiza un trabajo...