Ciclo de Brayton

El ciclo de Brayton , también conocido como ciclo de Joule , es un ciclo termodinámico que describe el funcionamiento de ciertas máquinas térmicas que utilizan aire u otro gas como fluido de trabajo . Se caracteriza por la compresión y expansión isoentrópicas , y la adición y cesión de calor isobáricas , aunque las máquinas prácticas presentan etapas adiabáticas en lugar de isoentrópicas.

Su aplicación más común en la actualidad se encuentra en los motores a reacción de respiración atmosférica y en los motores de turbina de gas .

El ciclo del motor recibe su nombre de George Brayton (1830-1892), el ingeniero estadounidense que desarrolló el Brayton Ready Motor en 1872, utilizando un compresor de pistón y un expansor de pistón. ^{[ 1 ]} Un motor que utilizaba este ciclo fue propuesto y patentado originalmente por el inglés John Barber en 1791, utilizando un compresor alternativo y un expansor de turbina. ^{[ 2 ]}

Existen dos tipos principales de ciclos Brayton: cerrado y abierto. En un ciclo cerrado, el gas de trabajo permanece dentro del motor. El calor se introduce mediante un intercambiador de calor o combustión externa y se expulsa mediante otro intercambiador de calor. En el ciclo abierto, se aspira aire de la atmósfera, que pasa por tres etapas del ciclo y se expulsa de nuevo a la atmósfera. Los ciclos abiertos permiten la combustión interna . Si bien el ciclo es abierto, para el análisis termodinámico se suele asumir que los gases de escape se reutilizan en la admisión, lo que permite analizarlo como un ciclo cerrado.

En 1872, George Brayton solicitó una patente para su "Ready Motor", un motor térmico alternativo que funcionaba con un ciclo de potencia 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 el aire comprimido calentado por fuego interno al entrar en el cilindro expansor. Las primeras versiones del motor Brayton eran motores de vapor que mezclaban combustible con aire al entrar en el compresor; se utilizaba gas ciudad o un carburador de superficie para su funcionamiento móvil. ^{[ 3 ]} La mezcla de combustible y aire se almacenaba en un depósito y luego se introducía en el cilindro de expansión, donde se quemaba. Al entrar en el cilindro de expansión, la mezcla se encendía mediante una llama piloto. Se utilizaba una rejilla para evitar que el fuego entrara o regresara al depósito. En las primeras versiones del motor, esta rejilla 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 seguía siendo mediante llama piloto. ^{[ 4 ]} Brayton fabricaba y vendía "Ready Motors" para realizar diversas tareas, como bombeo de agua, funcionamiento de molinos, funcionamiento de generadores y propulsión marina. Los "Ready Motors" se fabricaron desde 1872 hasta algún momento de la década de 1880; probablemente se produjeron varios cientos de estos motores durante este período. Brayton cedió la licencia del diseño a Simone en el Reino Unido. Se utilizaron muchas variaciones de la configuración; algunas eran de simple efecto y otras de doble efecto. Algunas tenían balancines inferiores; otras, balancines superiores. Se construyeron modelos tanto horizontales como verticales. Los tamaños variaban desde menos de un caballo de fuerza hasta más de 40 caballos de fuerza. Los críticos de la época afirmaban que los motores funcionaban sin problemas y tenían una eficiencia razonable. ^{[ 4 ]}

Los motores de ciclo Brayton fueron algunos de los primeros motores de combustión interna utilizados para la propulsión. En 1875, John Holland utilizó un motor Brayton para impulsar el primer submarino autopropulsado del mundo (el submarino Holland n.° 1). En 1879, se utilizó un motor Brayton para impulsar un segundo submarino, el Fenian Ram . Los submarinos de John Philip Holland se conservan en el Museo de Paterson, en el distrito histórico de Old Great Falls de Paterson, Nueva Jersey . ^{[ 5 ]}

En 1878, George B. Selden patentó el primer automóvil de combustión interna. ^{[ 6 ]} Inspirado por el motor de combustión interna inventado por Brayton y exhibido en la Exposición del Centenario de Filadelfia en 1876, Selden patentó un automóvil de cuatro ruedas que funcionaba con una versión multicilíndrica más pequeña y ligera. Luego presentó una serie de enmiendas a su solicitud que prolongaron el proceso legal, lo que resultó en una demora de 16 años antes de que la patente ^{[ 6 ]} fuera otorgada el 5 de noviembre de 1895. En 1903, Selden demandó a Ford por infracción de patente y Henry Ford luchó contra la patente de Selden hasta 1911. Selden nunca había producido un automóvil funcional, por lo que durante el juicio se construyeron dos máquinas de acuerdo con los planos de la patente. Ford argumentó que sus automóviles utilizaban el ciclo de cuatro tiempos Alphonse Beau de Rochas o ciclo Otto y no el motor de ciclo Brayton utilizado en el automóvil de Selden. Ford ganó la apelación del caso original. ^{[ 7 ]}

En 1887, Brayton desarrolló y patentó un motor de aceite de cuatro tiempos con inyección directa. ^{[ 8 ]} El sistema de combustible utilizaba una bomba de cantidad variable y un sistema de inyección de combustible líquido a alta presión y tipo pulverizador. El líquido se forzaba a través de una válvula de alivio accionada por resorte (inyector), lo que provocaba que el combustible se dividiera en pequeñas gotas. La inyección se programaba para que ocurriera en el punto máximo o cerca del punto máximo de la carrera de compresión. Un encendedor de platino proporcionaba la fuente de ignición. Brayton describe la invención de la siguiente manera: «He descubierto que los aceites pesados ​​pueden convertirse mecánicamente en una condición finamente dividida dentro de una sección de combustión del cilindro, o en una cámara de combustión comunicante». Otra parte dice: «Por primera vez, hasta donde llega 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 combustión pobre para regular la velocidad y la potencia del motor. De esta forma, el motor se encendía en cada ciclo de potencia y la velocidad y la potencia se controlaban únicamente mediante la cantidad de combustible inyectado.

En 1890, Brayton desarrolló y patentó un motor de aceite de cuatro tiempos con inyección de aire. ^{[ 9 ]} El sistema de combustible suministraba una cantidad variable de combustible vaporizado al centro del cilindro a presión, en el punto máximo o cerca del punto máximo de la carrera de compresión. La fuente de ignición era un encendedor de alambre de platino. Una bomba de inyección de cantidad variable suministraba el combustible a un inyector, donde se mezclaba con aire al entrar en el cilindro. Un pequeño compresor accionado por el cigüeñal proporcionaba el aire. Este motor también utilizaba el sistema de combustión pobre.

Rudolf Diesel originally proposed a very high compression, constant-temperature cycle where the heat of compression would exceed the heat of combustion, but after several years of experiments, he realized that the constant-temperature cycle would not work in a piston engine. Early Diesel engines use an air blast system which was pioneered by Brayton in 1890. Consequently, these early engines use the constant-pressure cycle.^[10]

• Examples of Brayton engines
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  Brayton gas engine 1872
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  Brayton walking beam engine 1872
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  Brayton engine 1875
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  Brayton double-acting constant-pressure engine cut away 1877
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  Brayton four-stroke air blast engine 1889
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  Brayton four-stroke air blast engine 1890

• 1791 First patent for a gas turbine (John Barber, United Kingdom)
• 1904 Unsuccessful gas turbine project by Franz Stolze in Berlin (first axial compressor)
• 1906 Armengaud-Lemale gas turbine in France (centrifugal compressor, no useful power)
• 1910 First gas turbine featuring intermittent combustion (Holzwarth 150 kW, constant volume combustion)
• 1923 First exhaust-gas turbocharger to increase the power of diesel engines
• 1939 Turbojet powered Heinkel He 178, world's first jet aircraft, makes first flight. World's first gas turbine for power generation by Brown-Boveri, Neuchâtel, Switzerland (velox burner, compressor and turbine flow by Stodola)

A Brayton-type engine consists of three components: a compressor, a mixing chamber, and an expander.

Modern Brayton engines are almost always a turbine type, although Brayton only made piston engines. In the original 19th-century Brayton engine, ambient air is drawn into a piston compressor, where it is compressed; ideally an isentropic process. The compressed air then passes through a mixing chamber where fuel is added, an isobaric process. The pressurized air and fuel mixture is then ignited in an expansion cylinder and energy is released, causing the heated air and combustion products to expand through a piston/cylinder, another ideally isentropic process. Some of the work extracted by the piston/cylinder is used to drive the compressor through a crankshaft arrangement.

Gas turbine engines are also Brayton engines, with three components: an air compressor, a combustion chamber, and a gas turbine.^[11]

Ideal Brayton cycle:

1. isentropic process – ambient air is drawn into the compressor, where it is pressurized.
2. Proceso isobárico : el aire comprimido pasa a través de una cámara de combustión, donde se quema el combustible, calentando ese aire ; es un proceso de presión constante, ya que la cámara está abierta para permitir la entrada y salida de aire.
3. Proceso isoentrópico: el aire caliente y presurizado cede su energía, expandiéndose a través de una turbina (o una serie de turbinas). Parte del trabajo extraído por la turbina se utiliza para accionar el compresor.
4. Proceso isobárico: rechazo de calor (en la atmósfera).

Ciclo Brayton real:

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

Dado que ni la compresión ni la expansión pueden ser verdaderamente isoentrópicas, las pérdidas a través del compresor y el expansor representan fuentes de ineficiencias de funcionamiento inevitables . En general, aumentar la relación de compresión es la forma más directa de incrementar la potencia total de salida de un sistema Brayton. ^{[ 13 ]}

La eficiencia del ciclo Brayton ideal es${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{1}}{T_{2}}}=1-\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)^{(\gamma -1)/\gamma }}$, dónde${\displaystyle \gamma }$es la relación de capacidad calorífica . ^{[ 14 ]} La Figura 1 indica cómo cambia la eficiencia del ciclo con un aumento en la relación de presión. La Figura 2 indica cómo cambia la potencia específica de salida con un aumento en la temperatura de entrada de la turbina de gas para dos valores diferentes de relación de presión.

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  Figura 1: Eficiencia del ciclo Brayton
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  Figura 2: Potencia específica del ciclo Brayton

La temperatura máxima del gas en el ciclo se produce donde tiene lugar la transferencia de trabajo a la turbina de alta presión (entrada del rotor). Esta temperatura es inferior a la temperatura máxima 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 misma. Esto también limita las relaciones de presión que se pueden utilizar en el ciclo. Para una temperatura de entrada de la turbina fija, el trabajo neto de salida por ciclo aumenta con la relación de presión (y, por lo tanto, con la eficiencia térmica ) y el trabajo neto de salida. Con un menor trabajo de salida por ciclo, se necesita un mayor caudal másico (y, por lo tanto, un sistema más grande) para mantener la misma potencia de salida, lo que puede no ser económico. En la mayoría de los diseños comunes, la relación de presión de una turbina de gas oscila entre aproximadamente 11 y 16. ^{[ 15 ]}

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

• El recalentamiento, en el que el fluido de trabajo —generalmente aire— se expande a través de una serie de turbinas, luego pasa por una segunda cámara de combustión antes de expandirse a presión ambiente mediante un conjunto final de turbinas, tiene la ventaja de aumentar la potencia de salida posible para una relación de compresión dada sin exceder ninguna limitación metalúrgica (típicamente alrededor de 1000 °C). El uso de un postquemador para motores de aviones a reacción también puede denominarse "recalentamiento"; es un proceso diferente, ya que el aire recalentado se expande a través de una tobera de empuje en lugar de una turbina. Las limitaciones metalúrgicas se alivian en cierta medida, lo que permite temperaturas de recalentamiento mucho más altas (alrededor de 2000 °C). El recalentamiento se utiliza con mayor frecuencia para mejorar la potencia específica y generalmente se asocia con una disminución de la eficiencia; este efecto es especialmente pronunciado en los postquemadores debido a las enormes cantidades de combustible adicional utilizado.  
• En la pulverización excesiva, después de la primera etapa del compresor, se inyecta agua en el compresor, aumentando así el flujo másico dentro del compresor, incrementando significativamente la potencia de salida de la turbina y reduciendo las temperaturas de salida del compresor. ^{[ 16 ]} En la segunda etapa del compresor, el agua se convierte completamente en gas, lo que proporciona cierto enfriamiento intermedio a través de su calor latente de vaporización.

La eficiencia de un motor Brayton se puede mejorar mediante:

• Como se muestra en la Figura 1, aumentar la relación de presión incrementa la eficiencia del ciclo Brayton. Esto es análogo al aumento de eficiencia observado en el ciclo Otto al incrementar la relación de compresión . Sin embargo, existen limitaciones prácticas al aumentar la relación de presión. En primer lugar, un aumento en la relación de presión incrementa la temperatura de descarga del compresor. Dado que la temperatura de la turbina tiene un límite determinado por restricciones metalúrgicas y de vida útil, el aumento de temperatura admisible (con combustible añadido) en la cámara de combustión se reduce. Además, debido a que la longitud de los álabes del compresor disminuye progresivamente en las etapas de mayor presión, la holgura constante entre las puntas de los álabes y la carcasa del motor, a través del compresor, representa un porcentaje mayor de la altura de los álabes, lo que aumenta las fugas de aire. Esto provoca una disminución en la eficiencia del compresor y es más probable que ocurra en turbinas de gas más pequeñas (ya que los álabes son inherentemente más pequeños). Finalmente, como se puede observar en la Figura 1, la eficiencia se estabiliza a medida que aumenta la relación de presión. Por lo tanto, se espera poca ganancia al aumentar aún más la relación de presión si ya se encuentra en un nivel alto.
• Recuperador ^{[ 17 ]} – Si el ciclo Brayton se ejecuta con una baja relación de presión y un alto aumento de temperatura en la cámara de combustión, el gas de escape (después de la última etapa de la turbina) podría estar más caliente que el gas de entrada comprimido (después de la última etapa de compresión, pero antes del combustor). En ese caso, se puede utilizar un intercambiador de calor para transferir energía térmica del escape al gas ya comprimido, antes de que entre en la cámara de combustión. La energía térmica transferida se reutiliza eficazmente, aumentando así la eficiencia. Sin embargo, esta forma de reciclaje de calor solo es posible si el motor se ejecuta en un modo de baja eficiencia con una baja relación de presión. Transferir calor de la salida (después de la última turbina) a la entrada (antes de la primera etapa del compresor) reduciría la eficiencia, ya que un aire de entrada más caliente significa mayor volumen y, por lo tanto, mayor trabajo para el compresor. Para motores con combustibles criogénicos líquidos, como el hidrógeno , podría ser factible utilizar el combustible para enfriar el aire de entrada antes de la compresión y así aumentar la eficiencia. Este concepto se estudia ampliamente para el motor SABRE .
• Un motor Brayton también forma parte del sistema de ciclo combinado , el cual, junto con un motor Rankine, aumenta aún más la eficiencia general. Sin embargo, si bien esto incrementa la eficiencia general, no aumenta la eficiencia del ciclo Brayton en sí.
• Los sistemas de cogeneración aprovechan el calor residual de los motores Brayton, normalmente para la producción de agua caliente o la calefacción de espacios.

La NASA está considerando el ciclo Brayton para su reactor nuclear lunar que se lanzará en 2030. ^{[ 23 ]}

• Motor rotativo Britalus
• Motor térmico
• Sistema de climatización (HVAC)
• Ciclo Rankine

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• Heller, Peter; Pfänder, Markus; Denk, Thorsten; Téllez, Félix; Valverde, Antonio; Fernández, Jesús; Anillo, Arik (2006). "Prueba y evaluación de un sistema de turbina de gas con energía solar". Energía Solar . 80 (10): 1225– 1230. Bibcode : 2006SoEn...80.1225H . doi : 10.1016/j.solener.2005.04.020 .