Cicle Brayton
El cicle Brayton, a voltes referit com a cicle Joule, és un cicle termodinàmic que descriu l'operació de certes màquines tèrmiques que tenen aire o atres gasos com el seu decorregut de treball. Consistix, en la seua forma més senzilla, en una etapa de compressió adiabàtica, una etapa de calfament isobàric i una expansió adiabàtica d'un decorregut termodinàmic compresible. És un dels cicles termodinàmics de més àmplia aplicació, en ser la base del motor de turbina de gas, per lo que el producte del cicle pot anar des d'un treball mecànic que s'ampre per a la producció d'electricitat en els cremadors de gas natural o algun atre aprofitament –case de les indústries de generació elèctrica i d'alguns motors terrestres o marins, respectivament–, fins a la generació d'un espente en un Turborreactor.
Desenroll històric
[editar | editar còdic]En el cicle Brayton, com en la majoria dels cicles termodinàmics, és necessari distinguir el cicle termodinàmic en sí mateixa de la seua aplicació tecnològica. Com ocorre en alguns atres motors tèrmics, els motors basats en el cicle Brayton han presentat diferents solucions formals, que bàsicament es poden reduir als motors Brayton de pistones, de funcionament semblat als moderns motors diésel i gasolina, i que hui en dia a penes existixen llevat en museus, i els motors Brayton de fluix continu, en els que, a diferència dels motors de pistones, l'admissió del decorregut termodinàmic és contínua, i que són la base de la turbina de gas.
El cicle Brayton apareix per primera volta associat a la palesa d'una màquina de gas de l'inventor anglés John Barber, en 1791. Formalment, el motor de Barber podria ser classificat com de fluix discontinu, si ben el seu rudimentari sistema de compressió, incapaç d'alcançar siquiera les 2 atmòsfera de pressió, i les elevadíssimes pèrdues de calor associades al sistema de calfament, aixina com les complicacions associades en amprar aire en lloc de vapor d'aigua, varen fer que el motor fracassara estrepitosamente front a la molt més eficaç màquina de vapor de James Watt. De la mateixa manera en que va ocórrer en atres motors de l'época, com el motor Stirling, l'idea de Barber va caure en l'oblit.
En la década de 1840 el físic britànic James Prescott Joule va plantejar de manera teòrica i formal, per primera volta, el cicle Brayton. El seu treball es va llimitar a l'àmbit teòric i termodinàmic, en reconéixer que l'obtenció d'elevades potències mecàniques del cicle exigiria o ben elevadíssims costs de combustible, o sistemes de compressió de gas extremadament grans i resistents, ya que Joule va plantejar l'implantació del cicle Brayton com un cicle de fluix discontinu, en el que el gas devia comprimir-se per mig d'un cilindre i un pistón.
Una volta delineadas les característiques del cicle, el primer intent rellevant per dur-ho a la pràctica es va produir en 1872, quan George Brayton va patentar la seua Ready Motor. En el seu palés, basada en un motor de pistones de fluix discontinu, la compressió es realisaria en un cilindre, despuix de lo que l'aire comprimit, que hauria passat a una cambra de calfament, es calfaria per una font de calor externa, per a finalment expandir-se en el cilindre d'expansió, produint un treball. El motor presentava importants problemes, al no poder garantisar a la perfecció la constància de la pressió en l'etapa de calfament de l'aire comprimit. Igualment, i tal i com hi havia previst Joule, els motors de Brayton, per a desenrollar una potència raonable, devien ser extremadament grans, en lo que, encara que aplegarien a comercialisar-se, mai varen gojar de gran difusió.
En l'actualitat, el cicle Brayton s'associa al motor de turbina de gas, si ben Brayton jamai va dissenyar una atra cosa que un motor de pistones. Encara que el decorregut termodinàmic sofrix els mateixos processos que aquells als que se sometia en la seua versió de motor de pistones, la turbina de gas presenta la característica diferencial de que és un motor de fluix continu. Això implica que el decorregut, habitualment aire, és contínuament admés i contínuament expulsat del motor, a diferència dels motors de pistones, en els que l'admissió i l'expulsió és intermitent.
El desenroll de la turbina de gas es produïx bàsicament a principis de el XX, i és conseqüència de solucionar la principal problemàtica tècnica associada al cicle Brayton, a saber, l'etapa de compressió. La compressió d'un decorregut compresible no és senzilla: els motors de pistones solucionen el problema confinant al gas en una cambra tancada –el cilindre–, i reduint el volum de la mateixa per mig d'un pistón, lo que produïx un increment de la pressió; no obstant, això conduïx a motors essencialment pesats i de grans dimensions per a grans potències, en requerir-se una elevada inèrcia mecànica per a poder garantisar el seu funcionament de manera continuada. La turbina de gas ampra, pel contrari, un compressor, consistent en un o varis escalons de álabes rotatoris que espenten a l'aire, transmetent-li una energia cinètica que primer ho accelera i després, per mig d'uns álabes fixos, ho frenen per a convertir l'excés d'energia en pressió. Com vullga que tal procés implica traslladar a un decorregut d'una zona de baixes pressions a una atra d'altes pressions, processe el qual poc favorit per la termodinàmica, la compressió d'eixa manera resultava molt problemàtica i poc efectiva en el XIX. En l'alvanç de la tècnica, el desenroll de nous materials i la cada volta millor comprensió de la mecànica de decorreguts, a principis de el XX varen començar a produir-se els primers compressors realment eficaços, i no es va tardar en plantejar la construcció de les primeres turbines de gas.
En estos dispositius, la compressió venia seguida d'una combustió interna en una rudimentària cámara, en la que s'afegia combustible a l'aire comprimit per a cremar-ho, i l'expansió es desenrollava en una turbina, produint-se un treball mecànic part del com s'amprava en accionar el compressor, i la remanente en accionar un generador elèctric o algun atre dispositiu que requerira treball mecànic.
L'aplicació de la turbina de gas basada en el cicle Brayton a la propulsió aérea es deu a l'ingenier anglés Frank Whittle, qui en 1927 va patentar l'idea i la va propondre a la força aérea anglesa. Una série d'experts liderats per Alan Arnold Griffith havien estudiat en els anys anteriors les possibilitats tècniques de la turbina de gas com a mig de propulsió aérea, encara que la seua idea es basava en amprar el treball mecànic obtingut per a accionar una hèliç. Whittle, pel contrari, proponia dispondre d'un cicle Brayton tal que no es produïra cap treball mecànic net, de manera que la turbina generara tan sol l'energia suficient com para accionar el compressor. La propulsió es produiria, segons ell, per l'elevada velocitat dels gasos a l'eixida de la turbina, formant-se una chorrada propulsivo que generaria sobre el motor una força d'espente.
L'idea de Whittle va ser plantejada casi al mateix temps per l'alemà Hans von Ohain. Durant la Segona Guerra Mundial es produiria una frenètica carrera entre abdós bandos pel desenroll dels primers motors a reacció. Despuix d'esta, la turbina de gas basada en el cicle de Brayton passaria a dominar com a sistema propulsivo d'aeronaus, a l'hora que continuaria sent aplicada dins de l'indústria de generació. Igualment, té aplicació com a motor marí, en sistemes de bombeig, grans maquinàries, entre unes atres, constituint en l'actualitat una de les màquines més sofisticades que existixen.
En amprar com a decorregut termodinàmic l'aire, el cicle Brayton pot operar a temperaturas elevades, per lo que és idòneu per a aprofitar fonts tèrmiques d'alta temperatura i obtindre un alt rendiment termodinàmic.
Sobre el cicle bàsic existixen variants que ho compliquen per a millorar alguna de les seues prestacions, com la potència o el rendiment. Eixemples d'estes variants són el cicle Brayton en regenerador, el cicle Brayton de múltiples etapes (de compressió o expansió), o la combinació d'un cicle Brayton en un cicle Rankine per a donar lloc al denominat cicle combinat.
Referències
[editar | editar còdic]- Este artícul conté una traducció derivada de «Ciclo Brayton» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.