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PorIng.GelysGuanipaR 1/22
UNEFM COMPLEJO ACADMICO EL SABINO AREA DE TECONOLOGA UNIDAD CURRICULAR: TERMODINMICA APLICADA DEPARTAMENTO: ENERGTICA PROGRAMA: ING MECNICA
CICLO BRAYTON
ELABORADO POR: ING GELYS GUANIPA RODRIGUEZ DOCENTE DE LA ASIGNATURA
Punto Fijo, Julio de 2009

INTRODUCCIN
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
termodinmica, y precisamente en esta gua trataremos la base para los motores
de turbina a gas El ciclo Brayton.
Los ciclos que se efectan en dispositivos reales son difciles de examinar porque
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 opt por crear el llamado ciclo ideal, en el cual se eliminan todas esa
complicaciones y retrasos para tomar decisiones, que no arrojan resultados
extremadamente exactos pero los mrgenes de error son insignificantes,
acercndonos muchos a los valores reales, as pues, estos valores se alejan de la
realidad pero en una manera muy moderada. Se puede afirmar 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 extremadamente reversibles. Es decir, pueden
incluir irreversibilidades externas al sistema como la transferencia de calor debida
a una diferencia de temperatura finita. Entonces, la eficiencia trmica de un ciclo
ideal, por lo general, es menor que la de un ciclo totalmente reversible que opere
entre los limites de temperatura. Sin embargo, an es considerablemente ms alta
que la eficiencia trmica de un ciclo real debido a las idealizaciones empleadas.
Las idealizaciones y simplificaciones empleadas en los anlisis de los ciclos de
potencia, por lo comn pueden resumirse del modo siguiente:

El ciclo no implica ninguna friccin. Por lo tanto el fluido de trabajo no
experimenta ninguna reduccin de presin cuando fluye en tuberas o
dispositivos como los intercambiadores de calor.
Todos los procesos de compresin y expansin se dan en el modo de cuasi
equilibrio
Las tuberas que conectan a los diferentes componentes de un sistema
estn muy bien aisladas y la transferencia de calor por ellas es
despreciable.
Nuestro estudio de los ciclos de potencia de gas involucrar el estudio de
aquellas mquinas trmicas en la cual la sustancia de trabajo permanecer en
estado gaseoso durante todo el ciclo. A menudo estudiaremos el ciclo ideal y real
y realizaremos comparaciones que nos ayuden a entender las prdidas generadas
en diversos sistemas, nos enfocaremos en como los parmetros mayores del ciclo
afectan el desempeo de las mquinas trmicas.

Objetivos
Evaluar el desempeo de los ciclos de potencia a gas para los cuales la
sustancia de trabajo permanece como gas durante el ciclo completo.
Desarrollar asunciones simplificadoras aplicables a los ciclos de potencia
de gas
Analizar ciclos de potencia de gas abiertos
Analizar el funcionamiento del ciclo Brayton simple.
Analizar el funcionamiento del ciclo Brayton con regeneracin
Analizar el funcionamiento del ciclo Brayton con interenfrimaiento,
recalentamiento y regeneracin.
Analizar los ciclos de propulsin de jet.

Asunciones de Aire Standard En nuestro estudio de los ciclos de potencia de gas, asumiremos que la sustancia
de trabajo es aire, y que el aire es sometido a un ciclo termodinmico, para
simplificar el anlisis, aproximaremos los ciclos con las siguientes asunciones:
El aire circula continuamente en un circuito (lazo) cerrado.
Todos los procesos que componen el ciclo son internamente reversibles.
El proceso de combustin es reemplazado por un proceso de adicin de calor
desde una fuente externa.
Un proceso de rechazo de calor que restaura el fluido de trabajo a su estado
inicial reemplaza el proceso de disipacin de calor
Las asunciones de aire frio estndar son aplicables cuando el fluido de trabajo es
aire y tiene calores especficos constantes evaluados a temperatura ambiente
25C o 77C).
El ciclo Brayton es la aproximacin del ciclo de aire estndar ideal para los
motores de turbinas de gas. Este ciclo difiere de los ciclos Otto y Diesel en que los
procesos que componen el ciclo ocurren en sistemas abiertos o volmenes de
control. Por lo tanto, un sistema abierto, el anlisis de flujo estable es usado para
determinar la transferencia de calor y trabajo para el ciclo.
Asumiremos que el fluido de trabajo es aire y que los calores especficos son
constantes y consideraremos el ciclo estndar de aire frio.

En la realidad el ciclo Brayton es un ciclo abierto como se puede observar en la
siguiente figura:
Pero para efectos de clculos se puede simular como un sistema cerrado,
quedando de la siguiente manera:

PorIn
Proce
1-2 C
2-3 Ad
3-4 Ex
4-1 R
Y se
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siones, es
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presiones e
7/
directamen
n de 5 a
el cambio
/22
nte
15
es

Aplicando la ecuacin general de la primera ley a travs de los balances de
energa en cada dispositivo, podemos conseguir la energa presente en cada uno
de ellos, bien sea calor o trabajo, ya que la energa cintica y potencial es
despreciable en este tipo de dispositivos:
De esta manera podemos emplear la ecuacin de la eficiencia para el ciclo
Brayton simple:
Se sabe que para los procesos isoentrpicos se cumple que:
Sustituyendo estas relaciones isoentrpicas podemos simplificar un poco la
ecuacin de la eficiencia:
PC eehwq ++=+
hw =
hq =
s
s
sum
cedBraytont hh
hhqq
23
14, 11
==
( )( )23
14, 11 TTC
TTCqq
P
P
sum
cedBraytont
==
( ) ( )
4
3
/1
4
3
/1
1
2
1
2
TT
PP
PP
TT
KKKK
=
=
=
( ) kkBraytont rTT
11
2,
111 ==

Desviaciones que presenta el ciclo real respecto al ideal:
Debido a las irreversibilidades que presentan los ciclos reales, los procesos de
suministro de calor no son completamente isobricos, y los de expansin y
compresin tampoco son completamente a entropa constante, como se puede
apreciar en el diagrama T-s que se muestra a continuacin:
Estas desviaciones se miden a travs de las eficiencias isoentrpicas del
compresor y la turbina:
r
i
r
iC
W
Www
*
*
=12
12
hhhh
r
iC
=
*
*
i
r
i
rT
W
Www
==i
rT hh
hh
43
43
=

Ciclo Brayton Regenerativo:
Para el ciclo Brayton, la temperatura de salida de la turbina es mayor que la
temperatura de salida del compresor. Por lo tanto, un intercambiador de calor
puede ser colocado entre la salida de los gases calientes de la turbina y la salida
de los gases fros que salen del compresor. Este intercambiador de calor es
conocido como regenerador o recuperador. La regeneracin conviene solo cuando
la relacin de presin en la expansin es baja, ya que de esta manera se puede
asegurar que el calor mximo estar dado por la corriente que en un ciclo simple
se desprende hacia el ambiente, este calor mximo se aprovecha para precalentar
el aire que va a entrar a la cmara de combustin, significando esto un ahorro
energtico significativo. Para el caso contario, es decir, relacin de presiones
altas, este calor ser muy bajo, pues saldr a temperatura muy baja, producto de
la expansin excesiva, perdindose este calor al ambiente, sin poder
aprovecharlo.

Definiremos la efectividad del regenerador reg como el ndice del calor transferido a los gases del compresor en el regenerador, a la transferencia de
calor mximo posible a los gases del compresor, esto es:
Para gases ideales usando las asunciones de aire frio estndar con calores
especficos consta

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