Cicle de Brayton

De Viquipèdia
(S'ha redirigit des de: Cicle Brayton)
Dreceres ràpides: navegació, cerca

El cicle de Brayton és un cicle termodinàmic que descriu el funcionament d'una màquina tèrmica a pressió constant com, per exemple, una turbina de gas. Tot i que el cicle de Brayton sol funcionar en un sistema obert, quan s'analitza termodinàmicament es considera que els gasos expulsats són reutilitzats a l'entrada, cosa que permet analitzar-lo com un sistema tancat.

El cicle de Brayton s'anomena en honor a George Brayton (1830-1892), enginyer americà que el desnevolupà, encara que originalment fou proposat i patentat per l'anglès John Barber l'any 1791.[1] També es coneix en ocasions com a cicle de Joule. El cicle d'Ericsson és similar al cicle de Brayton però utilitza calor externa i incorpora l'ús d'un regenerador. Existeixen dos tipus de cicles de Brayton: els oberts a l'atmosfera i que utilitzen una cambra de combustió, i els que són tancats i utilitzen un intercanviador de calor.

Descripció[modifica | modifica el codi]

Una màquina del tipus Brayton està formada per tres components:

  1. Un compressor
  2. Una cambra de barreja
  3. Una cambra d'expansió

En la màquina de Brayton original (segle XIX), l'aire ambiental es fa entrar en un pistó compressor, on és comprimit (idealment, un procés isentròpic). Després l'aire comprimit passa a través d'una cambra de barreja un s'afegeix combustible (procés isobàric). La barreja de combustible i aire escalfat (per compressió) i pressuritzat s'encén en un cilindre d'expansió i s'allibera energia, la qual cosa fa que els productes de combustió i l'aire s'expandeixin (un altre procés isentròpic). Part del treball extret del pistó/cilindre es fa servir per moure el compressor mitjançant un cigonyal.

Tanmateix, més recentment el terme «cicle de Brayton» s'ha fet servir per descriure la màquina de turbina de gas, que també té tres components:

  1. Un compressor de gas
  2. Una cambra de combustió
  3. Una turbina d'expansió

El cicle de Brayton ideal, doncs, consisteix en quatre etapes

  1. Es fa entrar l'aire ambiental al compressor, on és pressuritzat (procés isentròpic).
  2. L'aire comprimit es fa passar a través de la cambra de combustió, on es crema combustible que escalfa l'aire (procés isobàric).
  3. L'aire escalfat i comprimit allibera la seva energia expandint-se en una turbina (o sèrie de turbines; procés isentròpic). Part del treball extret per la turbina es fa servir per alimentar el compressor.
  4. La calor restant s'allibera a l'atmosfera (procés isobàric).

Cicle de Brayton real:

  1. Compressió (procés adiabàtic)
  2. Addició de calor (procés isobàric)
  3. Expansió (procés adiabàtic)
  4. Expulsió de calor (procés isobàric)
Cicle de Brayton ideal

Com que ni la compressió ni l'expansió poden ser del tot isentròpiques, les pèrdues en el compressor i l'expansor comporten pèrdues de rendiment. En general, augmentar la relació de compressió és la manera més directa d'incrementar la potència total generada pel sistema de Brayton.[2]

El rendiment del cicle idea de Brayton és  \eta = 1 - \frac {T_1}{T_2} = 1 - \left(\frac{P_1}{P_2}\right)^{(\gamma-1)/\gamma} , on \gamma és el coeficient de dilatació adiabàtica.[3] La Figura 1 indica com canvia el rendiment del cicle amb un augment de la relació de pressions. La Figura 2 indica com la potencia generada canvia amb un increment de la temperatura d'entrada de la turbina de gas per dos valors diferents de relacions de pressió.

Figura 1: rendiment del cicle de Brayton
Figura 1: rendiment del cicle de Brayton
Figura 2: generació de potència del cicle de Brayton
Figura 2: generació de potència del cicle de Brayton

La temperatura més elevada del cicle és al final del procés de combustió, i només es troba limitada per la temperatura màxima que poden aguantar els àleps de la turbina. Això també limita les relacions de pressió que es poden utilitzar en el cicle. En els dissenys més comuns, la relació de pressions de la turbina de gas està al rang 11-16.[4]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. Segons Gas Turbine History (en anglès)
  2. Lester C. Lichty, Combustion Engine Processes, 1967, McGraw-Hill, Inc., Lib.of Congress 67-10876 (en anglès)
  3. http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node27.html Ideal cycle equations, MIT lecture notes (en anglès)
  4. Çengel, Yunus A., and Michael A. Boles. "9-8." Thermodynamics: An Engineering Approach. 7a ed. Nova York: McGraw-Hill, 2011. 508-09 (en anglès)