El Cicle de Brayton, també conegut com a cicle de turbina de gas, és un cicle termodinàmic que descriu el funcionament de les turbines de gas, un tipus de motor àmpliament utilitzat en aplicacions industrials, aeronàutiques i de generació d'energia.
Aquest cicle proporciona una descripció detallada de com es converteix lenergia tèrmica en energia mecànica utilitzant un flux de treball de gas.
Processos del cicle
El cicle de Brayton consta de quatre processos termodinàmics principals:
- Compressió isotèrmica.
- Escalfament a pressió constant.
- Expansió isotèrmica.
- Refredament a pressió constant.
Aquests processos es representen en un diagrama TS (temperatura-entropia) i PV (pressió-volum), cosa que permet analitzar el rendiment i les característiques del cicle.
Compressió isotèrmica
El cicle comença amb la compressió isotèrmica, on l'aire ambient es comprimeix adiabàticament en un compressor, augmentant-ne la pressió i la temperatura.
Aquest procés es realitza de manera que la temperatura del gas romangui constant, cosa que requereix l'eliminació de la calor generada durant la compressió.
Escalfament a pressió constant
L'aire comprimit es dirigeix aleshores cap a la cambra de combustió, on s'injecta combustible i es crema, generant un augment significatiu de la temperatura i la pressió del gas a pressió constant.
Expansió isotèrmica
El procés següent és l'expansió isotèrmica, on el gas calent s'expandeix a través d'una turbina, convertint part de l'energia tèrmica en energia mecànica, que s'utilitza per impulsar el compressor i qualsevol càrrega connectada a l'eix de la turbina.
Durant aquesta expansió, la temperatura del gas es manté constant, i el treball realitzat per la turbina es calcula mitjançant la integral de pressió-volum al diagrama Pv.
Refredament a pressió constant
Finalment, el gas refredat es dirigeix a través d'un intercanviador de calor o un refredador a pressió constant, on s'elimina l'excés de calor abans que el cicle torni a començar. Aquest procés permet mantenir l‟eficiència tèrmica del cicle en evitar que el gas d‟escapament tingui una temperatura massa alta.
Característiques del cicle de Brayton
Una característica important del cicle de Brayton és la capacitat per operar en un sistema obert o tancat.
En un sistema obert, l'aire d'admissió es pren de l'entorn i es baixa després de passar per la turbina, mentre que en un sistema tancat, l'aire es recircula contínuament. Aquesta flexibilitat permet adaptar el cicle a diferents aplicacions i condicions doperació.
Un altre paràmetre important és la relació de pressió màxima a mínima que descriu la diferència de pressió entre l'entrada i la sortida de la turbina. Una relació de pressió més alta pot augmentar la potència de sortida de la turbina, però també pot augmentar les càrregues tèrmiques i mecàniques als components del sistema.
Rendiment
El rendiment del cicle de Brayton es pot avaluar mitjançant diversos paràmetres, com leficiència tèrmica, la relació de compressió i la relació de pressió màxima a mínima.
L'eficiència tèrmica del cicle es defineix com la relació entre el treball net realitzat per la turbina i la calor subministrada a la cambra de combustió. Una eficiència tèrmica més gran indica una conversió més efectiva de l'energia tèrmica en treball mecànic.
La relació de compressió, per altra banda, és la relació entre la pressió màxima i la pressió mínima al cicle. Una relació de compressió més alta sol conduir a una eficiència tèrmica més gran, ja que augmenta la diferència de temperatura entre l'entrada i la sortida de la turbina. Tot i això, un augment excessiu en la relació de compressió pot augmentar les pèrdues per compressió i reduir l'eficiència del cicle.
Exemples d'aplicacions
El cicle de Brayton s'utilitza en una varietat d'aplicacions tant industrials com comercials per la seva eficiència i versatilitat.
Alguns exemples d'aquestes aplicacions són:
- Turbines de gas per a generació d'energia elèctrica Les turbines de gas que operen segons el cicle de Brayton són àmpliament utilitzades en plantes d'energia per generar electricitat. Aquestes turbines poden funcionar amb una àmplia gamma de combustibles, inclosos el gas natural, el petroli i el biogàs. Són especialment útils en aplicacions de cicle combinat, on la calor residual de la turbina es fa servir per generar vapor i alimentar una turbina de vapor addicional, augmentant així l'eficiència global de la planta.
- Propulsió aeronàutica Aquests motors, també coneguts com a motors a reacció o turbofans, comprimeixen l'aire entrant, l'escalfen mitjançant la combustió de combustible i després l'expandeixen a través d'una sèrie de turbines per generar empenta. Són altament eficients en termes d'empenta per unitat de consum de combustible i són fonamentals per a l'aviació moderna.
- Turbines de gas per a aplicacions industrials Les turbines de gas basades en el cicle de Brayton s'utilitzen en una varietat d'aplicacions industrials, com ara compressió de gas, accionament de bombes i generació d'energia en instal·lacions remotes o en plataformes marines. Aquestes turbines poden funcionar amb una varietat de combustibles i es poden adaptar per satisfer una àmplia gamma de requeriments de potència i càrrega.
- Propulsió naval : Els vaixells de guerra i vaixells mercants utilitzen turbines de gas basades en aquest cicle termodinàmic per propulsar-se. Aquests motors ofereixen una alta potència en relació amb el pes i la mida, cosa que els fa ideals per a aplicacions navals on l'espai i el pes són limitats. A més, la seva capacitat per funcionar amb una varietat de combustibles els fa adequats per a operacions a alta mar.
- Propulsió espacial El cicle de Brayton també s'utilitza en sistemes de propulsió per a naus espacials. Els motors de coet de cicle tancat, que utilitzen un fluid de treball com a propel·lent i operen segons els principis del cicle de Brayton, són utilitzats per a maniobres de control d'actitud i canvis orbitals en satèl·lits i naus espacials.
