CICLO BRAYTON

1. INGENIERIA INDUSTRIAL
TERMODINAMICA
CICLO BRYTON INTERENFRIAMIENTO
Disertantes :
Leonardo Coca Salva
Yordy Porfirio Puña
Luis Enrique Figueredo
Ronal Zegarra Chura
EMI-ll-2022

2. CICLO BRAYTON : Resumen
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 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 Brayton.

3. CICLO BRAYTON : Resumen
Un motor de tipo Brayton consta de tres
componentes: un compresor de gas, una cámara de
mezcla, un expansor. El termino ciclo Brayton ha
sido aplicado posteriormente al motor de turbina de
gas. Este también tiene tres componentes: un
compresor de gas, un quemador (o cámara de
combustión), una turbina de expansión. El Aire
ambiente es introducido en el compresor, donde es
presurizado, en un proceso teóricamente isentrópico.
El aire comprimido a continuación, se conduce a
través de una cámara de combustión, donde se quema
combustible, calentando este aire, en un proceso
presión constante, ya que la cámara está abierta a la
entrada y salida de flujo. El aire caliente, presurizado,
a continuación, cede su energía, al expandirse a través
de una turbina (o una serie de turbinas), otro proceso
teóricamente isentrópico. Parte del trabajo extraído por
la turbina se utiliza para impulsar el compresor

4. FUNCIONAMIENTO
Admisión:
El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina.
Compresor:
El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un
compresor
Cámara de combustión:
el aire es calentado por la combustión del queroseno.
Turbina:
El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se
expande y se enfría rápidamente
Escape:
Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale
al exterior.

5. CICLO ABIERTO

6. CICLO CERRADO

7. DIAGRAMAS : T-S y P-V
Proceso 1-2: Compresión isoentrópica del aire que
ingresa al sistema. Se
genera un aumento de presión y temperatura.
Proceso 2-3: Calentamiento isobárico del fluido
comprimido mediante la
incorporación de combustible y la ignición de la mezcla.
Proceso 3-4: Expansión isoentrópica del fluido de
trabajo en la turbina donde
se entrega energía mecánica al eje de la máquina.
Proceso 4-1: Enfriamiento del gas para su reutilización.
En la práctica, el gas es
expulsado a la atmósfera y se ingresa al sistema aire
fresco.

8. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
Aunque el enfriamiento del gas según pasa a través del compresor tiene sus ventajas
teóricas, en
muchos casos el flujo de calor a través de la camisa del compresor no es suficiente para
bajar
significativamente la temperatura a la salida.
Hay que resaltar que el fluido puede pasar por otro refrigerador intermedio
y después por otra etapa de compresión, hasta que alcance la presión final. El resultado
final es una
disminución del trabajo neto necesario para una relación de presiones dada.

9. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
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 ambas
cosas. 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
éstas (Fig. 9-43); es decir, usando
compresión en etapas múltiples con
interenfriamiento.

10. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
Cuando el número de etapas
aumenta, el proceso de compresión se aproxima al proceso isotérmico a la temperatura de
entrada del compresor y el trabajo de compresión disminuye.
De igual modo, la salida de trabajo de una turbina que opera entre dos niveles
de presión aumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlo entre éstas; es decir, si se utiliza
expansión en múltiples etapas con recalentamiento. Esto se lleva a
cabo sin que se eleve la temperatura máxima en el ciclo. Cuando aumenta el número de etapas,
el proceso de expansión se aproxima al proceso isotérmico. El
argumento anterior se basa en un principio simple: el trabajo de compresión o expansión de
flujo estacionario es proporcional al volumen específico del fluido. Por lo
tanto, el volumen específico del fluido de trabajo debe ser lo más bajo posible durante un
proceso de compresión y lo más alto posible durante un proceso de expansión.
Esto es precisamente lo que logran el interenfriamiento y el recalentamiento.

11. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO

12. CICLO BRAYTON : INTERENFRIAMIENTO
En la figura siguiente se muestra para dos etapas de
compresión el fluido se comprime previamente hasta una presión intermedia Px, en el estado a, que
esta
situada entre P1 y P2, luego el fluido pasa por cambiador de calor llamado refrigerador intermedio, en
el
cual se enfría el fluido transfiriendo calor a presión constante hasta una temperatura mas baja en b, En
algunos casos esta temperatura mas baja puede alcanzar el valor de la temperatura inicial T1.
Luego el fluido pasa por una segunda etapa de compresión donde la presión se eleva hasta P2.

13. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
Compresión adiabática y compresión isotérmica
𝑃𝑣𝑘
= 𝐶 →
𝑇2
𝑇1
=
𝑃2
𝑃1
𝐾−1
𝑘
Trabajamos en régimen estacionario a volumen constante:
𝑊𝑒𝑠𝑡,𝑟𝑒𝑣 = 1
2
𝑣𝑑𝑃 = 1
2
𝐶1/𝑘 𝑃− 1/𝑘 𝑑𝑃 → =
𝑘 𝑐1/𝑘 𝑃2
𝑘−1 /𝑘−𝑃1 𝑘−1 /𝑘
𝑘−1
𝑡𝑜𝑚𝑎𝑛𝑑𝑜 ∶ 𝐶 = 𝑃1𝑣1𝑘
= 𝑃2𝑣2𝑘
𝑛𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎:

14. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
𝑊𝑒𝑠𝑡, 𝑟𝑒𝑣 =
𝑘 𝑃21/𝑘
𝑣2 𝑃2
𝑘−1 /𝑘
− 𝑃11/𝑘
𝑣1 𝑃1 𝑘−1 /𝑘
𝑘 − 1
=
𝑘 𝑃2𝑣2 − 𝑃1𝑣1
𝑘 − 1
Finalmente para el caso del gas ideal: 𝑃𝑉=𝑅𝑇
𝑊𝑒𝑠𝑡, 𝑟𝑒𝑣 =
𝐾𝑅 𝑇2 − 𝑇1
𝑘 − 1
=
𝑘𝑅𝑇1
𝑘 − 1
𝑇2
𝑇1
− 1
Al sustituir la relación isoentrópica se obtiene la ecuación para determinar el trabajo
𝑇2
𝑇1
=
𝑃2
𝑃1
𝑘−1 /𝑘
𝑊𝑒𝑠𝑡, 𝑟𝑒𝑣 =
𝑘𝑅𝑇1
𝑘 − 1
𝑃2
𝑃1
𝑘−1 /𝑘
− 1

15. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
Cabe destacar que si existe más etapas de compresión, esta ecuación es aplicable en cada etapa, si rp y
temperatura de entrada se mantienen constantes en cada etapa, se calcula una vez y se multiplica por el
número de etapas; esto solo ocurre en condiciones ideales. Para dos etapas de compresión, queda
𝑊 =
𝑘. 𝑅𝑇1
𝑃𝑥
𝑃1
𝑘−1 /𝑘
− 1
𝑘 − 1
+
𝑘. 𝑅𝑇1
𝑃2
𝑃1
𝑘−1 /𝑘
− 1
𝑘 − 1
Otro método de compresión consiste en ceder una cantidad de calor tal que el proceso sea
lo mas próximo
a un isotermo. La expresión para el trabajo estacionario de un proceso sin fricción
𝑊𝑒𝑠𝑡 = 𝑣𝑑𝑃 =
𝑅𝑇
𝑃
𝑑𝑃 = 𝑅𝑇 𝑙𝑛
𝑃2
𝑃1

16. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
En condición ideal siempre se busca minimizar el trabajo de compresión, para esto se debe cumplir que
𝑃𝑥
𝑃1
=
𝑃2
𝑃𝑥
𝑃𝑥 = 𝑃1𝑃2 1/2
Y si las temperaturas de entrada alcanzadas son iguales, entonces, los trabajos se igualan
𝑊1−𝑥 =𝑊𝑥−2

17. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
Diagramas P-V y T-S que ilustran la compresión politrópica en ciclo Interenfriamiento.

18. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
A menudo es efectivo utilizar junto al ciclo de Interenfriamiento una turbina multietapa, ya que permite que
los gases se expandan solo parcialmente antes de que vuelvan a otra cámara de combustión, designada
como cámara de combustión para el recalentamiento. En la cámara de recalentamiento el calor se
transfiere idealmente a presión constante hasta que se alcanza la temperatura límite en el estado 5.
Después tiene lugar otra expansión hasta alcanzar la presión ambiente en el estado 6.
Ciclo Brayton con Recalentamiento Intermedio.

19. INTERENFRIAMIENTO
Principio del Recalentamiento en Turbinas en Etapas Múltiples
𝑤𝑇,𝑠𝑎𝑙 = −∆ℎ ≈ 𝐶𝑝∆𝑇
Este Bajo las condiciones del recalentamiento ideal (T3 = T5)
𝑤 =
𝑘𝑅𝑇3
𝑃4
𝑃3
𝑘−1 /
− 1
𝑘 − 1
+
𝑘𝑅𝑇3
𝑃6
𝑃5
𝑘−1 /
− 1
𝑘 − 1

20. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
Principio del Interenfriamiento en Compresores en Etapas Múltiples
Este planteamiento es especialmente efectivo cuando se pretende obtener
grandes variaciones de presión.
𝑤 =
𝑛𝑅𝑇1
𝑝𝑥
𝑝1
𝑛−1 /𝑛
−1
𝑛 − 1
+
𝑛𝑅𝑇1
𝑝2
𝑝𝑥
𝑛−1 /𝑛
− 1
𝑛 − 1
Para hallar el trabajo total mínimo de compresión, se deriva la ecuación
anterior de w con respecto a la variable PX
, y la ecuación resultante se iguala
a cero.
𝑃𝑥
𝑃1
=
𝑃2
𝑃𝑥
𝑜 𝑃𝑥= 𝑃1𝑃2 1/2 𝑤1−𝑥 = 𝑤𝑥−2

21. INTERENFRIAMIENTO
Rendimiento Térmico
𝑛𝑡 =
𝑤𝑛𝑒𝑡,𝑠𝑎𝑙
𝑞𝑠𝑢𝑚
=
𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 − 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟
𝑞𝑠𝑢 𝑚𝑡

22. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO
Ejercicios de aplicación

23. CICLO BRAYTON : INTERENFRIAMIENTO
Conclusiones