Aplicaciones Del Ciclo Brayton

Aplicaciones Del Ciclo Brayton 

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 lad o 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).

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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 más 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 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.

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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. 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 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, entre otras, 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.

CONCLUSIONES 

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. 

Este trabajo principalmente resalta los aspectos básicos de un modelo térmico de ciclo Brayton con el fin de iniciar investigaciones operativas y teóricas más avanzadas que permitan análisis térmicos y estudios en la generación eléctrica con mayor alcance y base investigativa.

Es importante notar que con el desarrollo de este modelo ahora es posible incorporar mejores aproximaciones a la turbina en cada etapa así como también al compresor modelando sus pérdidas de presión y en el combustor retornar parámetros de combustión incorporando determinación de NOx de gases escape, debido a que se pueden encontrar modelos de aproximación a estos factores mencionados y con las datos experimentales mejorar la aproximación de nuestro propio modelo. La relación de la investigación con la industria es un factor importante para mejorar nuestra competitividad y aún más en la ingeniería, con este modelo de turbina es posible introducir ventajas en el costo de mantenimiento y en el aprovechamiento de combustible, además es posible acoplar a este modelo los parámetros de operación mecánicos de la turbina dirigidos a realizar gestión del mantenimiento predictivo, estos aspectos aún están en estudio pero es el mayor interés de la empresa que suministra los datos. Partiendo del valor de la relación de compresión rc=10, se concluye que el valor de diseño permite obtener una relación costo vs eficiencia razonables puesto que mayores relaciones de compresión, no se traducen en incrementos significativos de la eficiencia y por otro lado presentan desafíos constructivos mayores, en cuanto a mantenimiento, materiales y calidad de los equipos. Mediante la comparación de los resultados calculados, y los valores promedio de la tabla 4, se observa que el modelo teórico se ajusta de forma adecuada a las mediciones por tanto sus resultados son confiables y permiten proceder a la variación de algunos parámetros con el fin de realizar un análisis de

sensibilidad en un fututo estudio, mediante el cual se determinen las condiciones óptimas de operación del ciclo.

BIBLIOGRAFÍA *FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA LIMUSA Gordon J. Van Wylen y Richard E. Sonntag Página # 361 *TErmodinámica HARLA josé A. Manrique, Rafael S. Cárdenas Página # 206 *PRINCIPIOS DE TERMODINÁMICA PARA INGENIEROS MC GRAW HILL John R Howell, Richard O. Buckius Página # 289-319 *TErmodinámica, volumen II MC GRAW HILL Y. Çengel y M. Boles. Página # 289-319 http://portalweb.ucatolica.edu.co/easyWeb2/files/21_9032_turbina-a-gas-.pdf