El ciclo Brayton modela el funcionamiento de una turbina de gas. Consiste en cuatro procesos: 1) compresión adiabática del aire, 2) calentamiento isobárico mediante combustión, 3) expansión adiabática que hace girar la turbina, y 4) enfriamiento isobárico. El rendimiento del ciclo depende de la relación de presiones y se obtiene mediante un análisis termodinámico de los intercambios de calor y trabajo.

1. Ciclo Brayton
Diagrama del ciclo Brayton teórico (en negro) y real (en azul), en función de la entropía S y
la temperatura T.
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 de gas, por lo que el producto del ciclo puede
ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la producción de energía eléctrica 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.
[editar] Desarrollo histórico
En el ciclo Brayton, como en la mayoría de los ciclos termodinámicos, es necesario
distinguir el ciclo termodinámico en sí mismo de su aplicación tecnológica. Como ocurre
en algunos otros motores térmicos, los motores basados en el ciclo Brayton han presentado
diferentes soluciones formales, que básicamente se pueden reducir a los motores Brayton
de pistones, de funcionamiento parecido a los modernos motores Diesel y gasolina, y que
hoy en día apenas existen salvo en museos, y los motores Brayton de flujo continuo, en los
que, a diferencia de los motores de pistones, la admisión del fluido termodinámico es
continua, y que son la base de la turbina de gas.

2. Esbozo de la patente de Barber.
El ciclo Brayton aparece por primera vez asociado a la patente de una máquina de gas del
inventor el inglés John Barber, en 1791. Formalmente, el motor de Barber podría ser
clasificado como de flujo discontinuo, si bien su rudimentario sistema de compresión,
incapaz de alcanzar siquiera las 2 atmósferas de presión, y las elevadísimas pérdidas de
calor asociadas al sistema de calentamiento, así como las complicaciones asociadas al
emplear aire en vez de vapor de agua, hicieron que el motor fracasara estrepitosamente
frente a la mucho más eficaz máquina de vapor de James Watt. Del mismo modo en que
ocurrió con otros motores de la época, como el motor Stirling, la idea de Barber cayó en el
olvido.
En la década de 1840 el físico británico James Prescott Joule planteó de manera teórica y
formal, por primera vez, el ciclo Brayton. Su trabajo se limitó al ámbito teórico y
termodinámico, al reconocer que la obtención de elevadas potencias mecánicas del ciclo
exigiría o bien elevadísimos costes de combustible, o sistemas de compresión de gas
extremadamente grandes y resistentes, ya que Joule planteó la implantación del ciclo
Brayton como un ciclo de flujo discontinuo, en el que el gas debía comprimirse mediante
un cilindro y un pistón.
Una vez delineadas las características del ciclo, el primer intento relevante por llevarlo a la
práctica se produjo en 1872, cuando George Brayton patentó su Ready Motor. En su
patente, basada en un motor de pistones de flujo discontinuo, la compresión se realizaría en
un cilindro, tras lo cual el aire comprimido, que habría pasado a una cámara de
calentamiento, se calentaría por una fuente de calor externa, para finalmente expandirse en
el cilindro de expansión, produciendo un trabajo. El motor presentaba importantes
problemas, al no poder garantizar a la perfección la constancia de la presión en la etapa de
calentamiento del aire comprimido. Igualmente, y tal y como había previsto Joule, los
motores de Brayton, para desarrollar una potencia razonable, debían de ser extremadamente
grandes, con lo que, aunque llegarían a comercializarse, nunca gozaron de gran difusión.

3. En la actualidad, el ciclo Brayton se asocia al motor de turbina de gas, si bien Brayton
jamás diseñó otra cosa que un motor de pistones. Aunque el fluido termodinámico sufre los
mismos procesos que aquellos a los que se sometía en su versión de motor de pistones, la
turbina de gas presenta la característica diferencial de que es un motor de flujo continuo.
Ello implica que el fluido, habitualmente aire, es continuamente admitido y continuamente
expulsado del motor, a diferencia de los motores de pistones, en los que la admisión y la
expulsión es intermitente.
El desarrollo de la turbina de gas se produce básicamente a principios del siglo XX, y es
consecuencia de solucionar la principal problemática técnica asociada al ciclo Brayton, a
saber, la etapa de compresión. La compresión de un fluido compresible no es sencilla: los
motores de pistones solventan el problema confinando al gas en una cámara cerrada –el
cilindro–, y reduciendo el volumen de la misma por medio de un pistón, lo cual produce un
incremento de la presión; sin embargo, ello conduce a motores esencialmente pesados y de
grandes dimensiones para grandes potencias, al requerirse una elevada inercia mecánica
para poder garantizar su funcionamiento de manera continuada. La turbina de gas emplea,
por el contrario, un compresor, consistente en uno o varios escalones de álabes rotatorios
que empujan al aire, transmitiéndole una energía cinética que primero lo acelera y luego,
por medio de unos álabes fijos, lo frenan para convertir el exceso de energía en presión.
Como quiera que tal proceso implica trasladar a un fluido de una zona de bajas presiones a
otra de altas presiones, proceso el cual poco favorecido por la termodinámica, la
compresión de esa manera resultaba muy problemática y poco efectiva en el siglo XIX.
Con el avance de la técnica, el desarrollo de nuevos materiales y la cada vez mejor
comprensión de la mecánica de fluidos, a principios del siglo XX comenzaron a producirse
los primeros compresores realmente eficaces, y no se tardó en plantear la construcción de
las primeras turbinas de gas.
En estos dispositivos, la compresión venía seguida de una combustión interna en una
rudimentaria cámara de combustión, en la que se añadía combustible al aire comprimido
para quemarlo, y la expansión se desarrollaba en una turbina, produciéndose un trabajo
mecánico parte del cual se empleaba en accionar el compresor, y la remanente en accionar
un generador eléctrico o algún otro dispositivo que requiriese trabajo mecánico.
La aplicación de la turbina de gas basada en el ciclo Brayton a la propulsión aérea se debe
al ingeniero inglés Frank Whittle, quien en 1927 patentó la idea y la propuso a la fuerza
aérea inglesa. Una serie de expertos liderados por Alan Arnold Griffith habían estudiado en
los años anteriores las posibilidades técnicas de la turbina de gas como medio de propulsión
aérea, aunque su idea se basaba en emplear el trabajo mecánico obtenido para accionar una
hélice. Whittle, por el contrario, proponía disponer de un ciclo Brayton tal que no se
produjera ningún trabajo mecánico neto, de manera que la turbina generara tan solo la
energía suficiente como para accionar el compresor. La propulsión se produciría, según él,
debido a la elevada velocidad de los gases a la salida de la turbina, formándose un chorro
propulsivo que generaría sobre el motor una fuerza de empuje.
La idea de Whittle fue planteada casi al mismo tiempo por el alemán Hans von Ohain.
Durante la Segunda Guerra Mundial se produciría una frenética carrera entre ambos bandos
por el desarrollo de los primeros motores a reacción. Tras ésta, la turbina de gas basada en

4. el ciclo de Brayton pasaría a dominar como sistema propulsivo de aeronaves, al tiempo que
continuaría siendo aplicada dentro de la industria de generación. Igualmente, tiene
aplicación como motor marino, en sistemas de bombeo, grandes maquinarias,...,
constituyendo en la actualidad una de las máquinas más sofisticadas que existen.
Al emplear como fluido termodinámico el aire, el ciclo Brayton puede operar a
temperaturas elevadas, por lo que es idóneo para aprovechar fuentes térmicas de alta
temperatura y obtener un alto rendimiento termodinámico.
Sobre el ciclo básico existen variantes que lo complican para mejorar alguna de sus
prestaciones, como la potencia o el rendimiento. Ejemplos de estas variantes son el ciclo
Brayton con regenerador, el ciclo Brayton de múltiples etapas (de compresión u expansión),
o la combinación de un ciclo Brayton con un ciclo Rankine para dar lugar al denominado
ciclo combinado.
CICLO BRAYTON
1 Enunciado
Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina,
como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro
pasos reversibles, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento
de este ciclo viene dado por la expresión
siendo r = pB / pA la relación de presión igual al cociente entre la presión al
final del proceso de compresión y al inicio de él.. El método para obtener
este resultado es análogo al empleado para el Ciclo Otto.
2 Descripción del ciclo
El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina
de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las
siguientes:

5. Admisión
El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina

6. Compresor
El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión
mediante un compresor (movido por la turbina). Puesto que esta
fase es muy rápida, se modela mediante una compresión adiabática
A→B.
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.
Turbina
El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el
aire se expande y se enfría rápidamente, lo que se describe
mediante una expansión adiabática C →D.
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 una recirculación. 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.
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 del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para
los de ciclo abierto.

7. Motor de turbina de gas de ciclo abierto.
Motor de turbina de gas de ciclo cerrado.

8. 3 Eficiencia en función del calor
3.1 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
intercambia en los dos procesos isóbaros.
 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.
 En la expulsión de los gases D→A el aire sale a una temperatura 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 es negativo. 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.

9. 3.2 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 gtrabajo es positivo y en
dos es negativo.
 En la compresión de la mezcla A→B, se realiza un trabajo positivo sobre
el gas. Al ser un proceso adiabático, todo este trabajo se invierte en
incrementar la energía interna, elevando su temperatura:
 En la combustión el gas se expande a presión constante, por lo que el
trabajo es igual a la presión por el incremento de volumen, cambiado de
signo:
Este trabajo es negativo, ya que es el aire, al expandirse, el que
realiza el trabajo. Aplicando la ecuación de los gases ideales y que pB
= pC, podemos escribir este trabajo como
 En la expansión C→D es el aire el que realiza trabajo sobre el pistón. De
nuevo este trabajo útil equivale a la variación de la energía interna
este trabajo es negativo, por ser el sistema el que lo realiza.
 En el enfriamiento en el exterior tenemos una compresión a presión
constante:
 El trabajo neto realizado sobre el gas es la suma de los cuatro términos
Aplicando la ley de Mayer

10. este trabajo se puede expresar como
Por tratarse de un proceso cíclico, la variación de la energía interna es
nula al finalizar el ciclo. Esto implica que el calor neto intr.
oducido en el sistema esigual al trabajo neto realizado por este, en valor
absoluto.
3.3 Rendimiento
El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general
como “lo que sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que
sacamos es el trabajo neto útil, | W | . Lo que nos cuesta es el calor Qc, que
introducimos en la combustión. No podemos restarle el calor | Qf | ya que
ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violaría el
enunciado de Kelvin-Planck). Por tanto
Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores
Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica.
4 Eficiencia en función de las temperaturas
Sustituyendo las expresiones del calor que entra en el sistema, | Qc | , y el
que sale de él, | Qf | , obtenemos la expresión del rendimiento
Vemos que el rendimiento no depende de la cantidad de aire que haya en
la cámara, ya que n se cancela.

11. Podemos simplificar estas expresiones observando que B→C y D→A son
procesos isóbaros, por lo que
y que A→B y C→D son adiabáticos, por lo que cumplen la ley de Poisson
(suponiéndolos reversibles)
con γ = 1.4 la relación entre las capacidades caloríficas a presión constante
y a volumen constante. Sustituyendo aquí la ecuación de los gases ideales
V = nRT / p nos quedan las relaciones entre presiones y temperaturas
Sustituyendo la igualdad de presiones
y dividiendo la segunda por la primera, obtenemos la igualdad de
proporciones
Restando la unidad a cada miembro
Intercambiando el denominador del primer miembro, con el numerador del
último llegamos a
y obtenemos finalmente el rendimiento

12. esto es, la eficiencia depende solamente de la temperatura al inicio y al
final del proceso de compresión, y no de la temperatura tras la
combustión, o de la cantidad de calor que introduce ésta.
Puesto que TB < TC, siendo TC la temperatura máxima que alcanza el aire,
vemos ya que este ciclo va a tener un rendimiento menor que un ciclo de
Carnot que opere entre esas las temperaturas TA y TC.
5 Eficiencia en función de la relación de presión
Aplicando de nuevo la relación de Poisson
podemos expresar el rendimiento como
con r = pB / VA la relación de presión entre la presión final y la inicial.
La eficiencia teórica de un ciclo Brayton depende, por tanto,
exclusivamente de la relación de presiones. Para un valor típico de 8 esta
eficiencia es del 44.8%.

13. 6 Caso práctico
Como caso concreto, consideraremos una central eléctrica de turbina de
gas que opera en un ciclo Brayton ideal y tiene una relación de presión de
8. La temperatura del gas es de 300 K en la entrada del compresor y de
1300 K en la entrada de la turbina. Determinaremos la temperatura del gas
a la salida del compresor y de la turbina, y la eficiencia de esta turbina.
6.1 Eficiencia
La eficiencia de este ciclo es

14. Esto quiere decir que más de la mitad del calor que entra en el ciclo ideal
es disipada al exterior y solo un 45% es aprovechado como trabajo. En una
turbina real la eficiencia es aun más baja.
6.2 Temperaturas
La temperatura a la salida del compresor, TB, puede calcularse empleando
la ley de Poisson
Vemos que la compresión incrementa la temperatura en 243 K, mientras
que la combustión lo hace en (1300−543) K = 757 K, más del triple que la
compresión.
Del mismo modo se calcula la temperatura a la salida de la turbina
El gas a la salida está a una temperatura muy superior a la del ambiente,
por lo que la entrega de calor al foco frío es muy importante.
7 Motores de reacción
El ciclo Brayton descrito aquí sirve para modelar el comportamiento de un
motor de turbina que mueve una hélice, pero no para un motor a reacción.
La diferencia es que:
 En un avión de hélice interesa obtener el máximo trabajo neto que
puede dar la turbina, para mover la hélice.
 En el motor a reacción, en cambio, interesa obtener el mínimo, que es
el que mantiene en marcha el compresor (y resto de sistemas de la
aeronave). El resto de la energía interna aprovechable no se extrae del

15. gas, sino que se mantiene en él, en forma de energía cinética. La
cantidad de movimiento que se llevan los gases expulsados es lo que
impulsa al avión hacia adelante, de acuerdo con la tercera ley de
Newton.
Puesto que el trabajo neto en un avión a reacción es cero, su eficiencia se
define no por el trabajo realizado, sino por la potencia de propulsión
dividida por el calor inyectado por unidad de tiempo.
CICLO BRAYTON
INTRODUCCION
La mayor parte de los dispositivos que producen potencia operan en ciclos, y el estudio de los
ciclos de potencia es una parte interesante e importante de la termodinámica, y precisamente
en este escrito trataremos la base para los motores de turbina de gas el Ciclo Brayton.
Los ciclos que se efectúan en dispositivos reales son difíciles de examinar por que hay
demasiadas variaciones y detalles que se tienen que tomar en cuenta al mismo tiempo y se
complica demasiado el entorno. Para facilitar el estudio de los ciclos se optó por crear el
llamado ciclo ideal, en el cual se eliminan todas esas complicaciones que no permiten un
análisis eficaz, por lo tanto se llega a alejar de la realidad pero en una manera moderada. En
el siguiente esquema se puede llegar a apreciar una aproximación entre un ciclo ideal y uno
real. Se puede notar que difieren pero se encuentran aproximadamente en el mismo rango.
Los ciclos ideales son internamente reversibles pero, a diferencia del ciclo de Carnot, no es
necesario que sean externamente reversibles. Es decir, pueden incluir irreversibilidades
externas al sistema como la transferencia de calor debida a una diferencia de temperatura
finita. Entonces, la eficiencia térmica de un ciclo ideal, por lo general, es menor que la de un
ciclo totalmente reversible que opere entre los mismos limites de temperatura. Sin embargo,
aun es considerablemente mas alta que la eficiencia térmica de un ciclo real debido a las
idealizaciones empleadas.
Las idealizaciones y simplificaciones empleadas en los análisis de los ciclos de potencia, por
lo común pueden resumirse del modo siguiente:
1.- El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto el fluido de trabajo no experimenta ninguna
reducción de presión cuando fluye en tuberías o dispositivos como los intercambiadores de
calor.
2.- Todos los procesos de compresión y expansión se dan en el modo de cuasiequilibrio.

16. 3.- Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema están muy bien
aisladas y la transferencia de calor por ellas es despreciable.
Los diagramas de propiedades P-v y T-s han servido como auxiliares valiosos en el análisis de
procesos termodinámicos. Tanto en los diagramas P-v como en los T-s, el area encerrada en
las curvas del proceso de un ciclo representa el trabajo neto producido durante el ciclo, lo cual
es equivalente a la transferencia de calor neta en ese ciclo.
El ciclo Brayton también llamado de Joule fue propuesto por primera vez por George Brayton,
se desarrollo originalmente empleando una máquina de pistones con inyección de
combustible, pero ahora es común realizarlo en turbinas con ciclos abiertos o cerrados. La
máquina de ciclo abierto puede emplearse tanto con combustión interna como con
transferencia de calor externa, en tanto que la máquina con ciclo cerrado tiene una fuente de
energía externa.
OBJETIVO DEL CICLO BRAYTON Y SUS APLICACIONES
El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir energía en forma de calor en
trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica.
Las dos principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la
generación de energía eléctrica. Cuando se emplean en propulsión de aviones, la turbina de
gas produce la potencia suficiente para accionar el compresor y a un pequeño generador que
alimenta el equipo auxiliar. Los gases de escape de alta velocidad son los responsables de
producir el empuje necesario para accionar la aeronave. Las turbinas de gas también se
utilizan como centrales estacionarias que producen energía eléctrica. Ésta se genera mediante
centrales eléctricas de vapor. Las centrales eléctricas de turbina de gas son empleadas por la
industria de generación eléctrica en emergencias y durante períodos picos gracias a su bajo
costo y rápido tiempo de respuesta. Las turbinas de gas también se utilizan con las centrales
eléctricas de vapor en el lado de alta temperatura, formando un ciclo dual. En estas plantas,
los gases de escape de las turbinas de gas sirven como la fuente de calor para el vapor. El
ciclo de turbina de gas también puede ejecutarse como un ciclo cerrado para ser utilizado en
centrales nucleoeléctricas. Esta vez el fluido de trabajo no se limita al aire., y puede emplearse
un gas con características más convenientes (como el helio).
La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental ya utilizan motores de turbinas de
gas para propulsión y para la regeneración de energía eléctrica. Comparadas con la turbina de
vapor y los sistemas de propulsión disel, la turbina de gas ofrece mayor potencia para un
tamaño y peso determinados, alta confiabilidad, larga vida y operación mas conveniente. El
tiempo de arranque de la máquina ha sido reducido de las 4 horas requeridas de un sistema
de propulsión típico a menos de 2 minutos para una turbina de gas. Muchos sistemas de
propulsión marina modernos, utilizan turbinas de gas junto a motores disel, debido al alto
consumo de combustible de los motores de turbina de gas de ciclo simple. En sistemas

17. combinados, el quipo disel se utiliza para dar de manera eficiente baja potencia y operación de
crucero, y la turbina de gas se utiliza cuando se necesitan altas velocidades.
También han sido aplicadas a vehículos pero en la actualidad solo existe algún proyecto,
como el Volvo ECC (híbrido eléctrico-turbina de gas). Los problemas que dificultan su
aplicación en automoción son que aceptan mal los arranques y las paradas y les cuesta
mucho cambiar de régimen (son muy lentas acelerando). De hecho el funcionamiento habitual
de las turbinas de gas es siempre al mismo régimen y las variaciones de demanda de potencia
se hacen manteniendo el régimen y variando el par (fuerza de giro) generado.
A continuación se muestra el ciclo Brayton en su modalidad de ciclo abierto
El funcionamiento de esté se explica a continuación:
Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura 1. aire
fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y
presión se eleva. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión donde el
combustible se quema a presión constante. Luego los gases de alta temperatura que resultan
entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, de tal forma que
producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no
se recirculan), lo que provoca que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.
El ciclo de turbina de gas abierto recién escrito para modelarse como un ciclo cerrado, del
modo que se muestra en la figura siguiente, mediante las suposiciones de aire estándar.
En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso
de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una
fuente externa, y el proceso de escape se reemplaza pro uno de rechazo de calor a presión
constante hacia el aire ambiente.
El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, que
esta integrado por cuatro proceso internamente reversibles:
1-2 compresión isentrópica (en un compresor)
2-3 Adición de calor a P=constante
3-4 Expansión isentrópica (en una turbina)

18. 4-1 Rechazo de calor a P=constante
El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor de temperatura elevada
en el estado1, donde se le agrega energía a un proceso de presión constante, hasta que
alcanza la temperatura elevada del estado 2. Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar
una expansión isentrópica, produciendo cierta potencia. El fluido sale de la turbina al estado 3
y pasa a ser enfriado, en un proceso a presión constante, en el intercambiador de calor de
temperatura baja, de donde sale al estado 4, listo para entrar al compresor. Ahí el fluido es
comprimido isentrópicamente al estado 1 y el ciclo se repite.
DIAGRAMAS P-v Y T-s
En estos diagramas se pueden observar los procesos y estados descritos en el ciclo Brayton.
CICLO BRAYTON CON REGENERACION
En los motores de las turbinas de gas, la temperatura de los gases de escape que salen de la
turbina suelen ser bastante mayor que la temperatura del aire que abandona el compresor.

19. Por consiguiente, el aire de alta presión que sale del compresor puede calentarse
transfiriéndole calor de los gases de escape calientes en un intercambiador de calor a
contraflujo, el cual se conoce también como un regenerador o recuperador.
DIAGRAMA DE LA MÁQUINA DE TURBINA DE GAS CON REGENERADOR
La eficiencia térmica del ciclo Brayton aumenta debido a la regeneración, en virtud de que la
porción de energía de los gases de escape que normalmente se libera en los alrededores
ahora se usa para precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Esto, a su vez,
disminuye los requerimientos de entrada de calor (y en consecuencia, de combustible) para la
misma salida de trabajo neta. Observe, sin embargo que el empleo de un regenerador se
recomienda solo cuando la temperatura de escape de la turbina es mas alta que la
temperatura de salida del compresor. De otro modo, el calor fluirá en la dirección inversa
(hacia los gases de escape), y reducirá eficiencia. Ésta relación se encuentra en las máquinas
de turbina de gas que operan a relaciones de presión muy altas.
Es evidente que un regenerador con una eficacia mas alta ahorrará una gran cantidad de
combustible puesto, que precalentará el aire a una temperatura más elevada, antes de la
combustión. Sin embargo, lograr una eficacia mayor requiere el empleo de un regenerador
más grande, el cual implica un precio superior y provoca una caída de presión más grande. En
consecuencia, el uso de un regenerador con eficacia muy alta no puede justificarse
económicamente a menos que los ahorros de combustible superen los gastos adicionales
involucrados. La mayoría de los regeneradores utilizados en la práctica tienen eficacias por
debajo de 0.85.
Por consiguiente la eficiencia térmica de un ciclo Brayton con regeneración depende de la
relación entre la mínima y la máxima temperaturas, así como la relación de presión.
CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, RECALENTAMIENTO Y REGENERACIÓN
El trabajo neto de un ciclo de turbina de gas es la diferencia entre la salida de trabajo de la
turbina y la entrada de trabajo del compresor, y puede incrementarse si se reduce el trabajo
del compresor o si aumenta el de la turbina o ambos. El trabajo requerido para comprimir un
gas entre dos presiones especificadas puede disminuirse al efectuar el proceso de compresión
en etapas y al enfriar el gas entre ellas, es decir, si se emplea con presión de etapas múltiples
con interenfriamiento. Cuando aumenta el numero de etapas, el proceso de compresión se
vuelve isotérmico a la temperatura de entrada del compresor y el trabajo de compresión
disminuye.
De igual modo, la salida de trabajo de un turbina que opera entra dos niveles de presión
aumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlo entre ellas, esto es, si se usa expansión
de múltiples etapas con recalentamiento. Esto se lleva a cabo sin elevar la temperatura
máxima en el ciclo. Cuando aumenta el número de etapas, el proceso de expansión se vuelve
isotérmico. El argumento anterior se basa en un simple principio: el trabajo de compresión o
expansión de flujo permanente es proporcional al volumen específico de fluido. Por
consiguiente, el volumen especifico del fluido de trabajo debe ser los mas bajo posible durante

20. un proceso de compresión y lo mas alto posible durante un proceso de expansión. Esto es
precisamente lo que logran el interenfriamiento y el recalentamiento.
El fluido de trabajo sale del compresor a una temperatura menor y de la turbina a una
temperatura más alta, cuando se usa en interenfriamiento y recalentamiento. Esto hace que la
regeneración sea más atractiva ya que existe un mayor potencial para ella. Además los gases
que salen del compresor pueden calentarse a una temperatura más alta antes de que entren a
la cámara de combustión debido a la temperatura mas elevada del escape de la turbina.
Un diagrama esquemático del arreglo físico de un ciclo de turbina de gas de dos etapas con
interenfriamiento, recalentamiento y regeneración se muestra en la figura:
el gas entra a la primera etapa del compresor en el estado 1, se comprime de modo
isentrópico hasta una presión intermedia P2 ; se enfría hasta una presión constante hasta el
estado 3 (T3 = T1 ) y se comprime en la segunda etapa isentrópicamente hasta la presión final
P4. En el estado 4 el gas entra al regenerador, donde se calienta hasta T5 a una presión
constante. En un regenerador ideal, el gas saldrá del regenerador a la temperatura del escape
de la turbina, es decir, T5 = T9. El proceso de adición de calor (o combustión) primario toma
lugar entre los estados 5 y 6. El gas entra a la primera etapa de la turbina en el estado 6 y se
expande isentrópicamente hasta el estado 7, donde entra al recalentador. Se recalienta a
presión constante hasta el estado 8 (T8 = T6), donde entra a la segunda etapa de la turbina.
El gas sale de la turbina en el estado 9 y entra al regenerador, donde se enfría hasta el estado
1 a presión constante. El ciclo se completa cuando el gas enfría hasta el estado inicial.
La relación de trabajo de retroceso de un ciclo de turbina de gas mejora debido al
interenfriamiento y el recalentamiento. Sin embargo, esto no significa que la eficiencia térmica
también mejorará. El hecho es que el interenfriamiento y el recalentamiento siempre
disminuirán la eficiencia térmica a menos que se acompañen de la regeneración. Ya que el
interenfriamiento disminuye la presión promedio a la cual se añade el calor, y el
recalentamiento aumenta la temperatura promedio a la cual el calor se rechaza,. Por tanto, en
centrales eléctricas de turbina de gas, el interenfriamiento y recalentamiento se utilizan
siempre en conjunción con la regeneración.

21. EFICIENCIA DEL CICLO
Se encuentra que la eficiencia de las máquinas de Brayton en ciclo cerrado dependen
únicamente de la relación de presiones isentrópicas. Si se aumenta la presión de entrada a la
turbina, también se incrementa la temperatura en dicha entrada. La temperatura de entrada a
la turbina, con frecuencia, está limitada por la propiedades de los álabes, lo que corresponde a
un limite superior práctico en la eficiencia del ciclo. La máquina de Brayton con ciclo cerrado
(adición externa de calor) ha recibido una atención considerable para emplearla en sistemas
nucleares y, mas recientemente, en sistemas de energía solar a temperatura elevadas
Efecto de las eficiencias reales de la turbina y el compresor
Naturalmente las turbinas y los compresores reales no son isentrópicos. Para los ciclos de aire
estándar, la eficiencia de cada componente se incluye fácilmente en los análisis. El compresor
y la turbina reales tienen misma presión de salida que los aparatos isentrópicos
correspondientes (las eficiencias de la turbina y el compresor de Brayton generalmente se dan
con respecto a los aparatos isentrópicos y no a los isotérmicos).
CONCLUSION
El ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas. Tiene como
función transformar energía que se encuentra en forma de calor a potencia para realizar un
trabajo, tiene varias aplicaciones, principalmente en propulsión de aviones, y la generación de
energía eléctrica, aunque se ha utilizado también en otras aplicaciones.
Este puede ser operado de varias maneras, ya sea abierto o cerrado, existen formas de
optimizar su rendimiento, pero hay que tener mucho cuidado en examinar si vale la pena
hacer cambios. Una manera de mejorar un ciclo cerrado es la regeneración empleando parte
de la energía desechada para calentar los gases que dejan el compresor y, por ende, reducir
la transferencia de calor requerida por el ciclo
Para el mejor estudio de los ciclos de potencia se utiliza una manera idealizada de los mismos
en la que se eliminan ciertos puntos para no complicar su razonamiento, en estas formas de
análisis todos los procesos, son reversibles.