Usuari:Mcapdevila/Cicle Brayton
El cicle Brayton, també conegut com cicle Joule o cicle Froude, és un cicle termodinàmic consistent, en la seva forma més senzilla, en una etapa de compressió adiabàtica, una etapa d'escalfament isòbars i una expansió adiabàtica d'un fluid termodinàmic compressible. És un dels cicles termodinàmics de més àmplia aplicació, en ser la base del motor de turbina de gas, pel que el producte del cicle pot anar des d'un treball mecànic que s'utilitzi per a la producció d'energia elèctrica o algun altre aprofitament-cas de les indústries de generació elèctrica i d'alguns motors terrestres o marins, respectivament-, fins a la generació d'una empenta en un Aerorreactores.
Història
[modifica]En el cicle Brayton, com en la majoria dels cicles termodinàmics, cal distingir el cicle termodinàmic en si mateix de la seva aplicació tecnològica. Com passa en alguns altres motors tèrmics, els motors basats en el cicle Brayton han presentat diferents solucions formals, que bàsicament es poden reduir als motors Brayton de pistons, de funcionament semblant als moderns motors dièsel i benzina, i que avui en dia tot just existeixen excepte en museus, i els motors Brayton de flux continu, en què, a diferència dels motors de pistons, l'admissió del fluid termodinàmic és contínua, i que són la base de la turbina de gas.
El cicle Brayton apareix per primera vegada associat a la patent d'una màquina de gas de l'inventor l'anglès John Barber, el 1791. Formalment, el motor de Barber podria ser classificat com de flux discontinu, si bé el seu rudimentari sistema de compressió, incapaç d'assolir tan sols les 2 atmosferes de pressió, i les elevadíssimes pèrdues de calor associades al sistema d'escalfament, així com les complicacions associades amb emprar aire en comptes de vapor d'aigua, van fer que el motor fracassés estrepitosament davant la molt més eficaç màquina de vapor de James Watt. De la mateixa manera que va passar amb altres motors de l'època, com el motor Stirling, la idea de Barber va caure en l'oblit.
En la dècada de 1840 el físic britànic James Prescott Joule va plantejar de manera teòrica i formal, per primera vegada, el cicle Brayton. El seu treball es va limitar a l'àmbit teòric i termodinàmic, en reconèixer que l'extracció d'elevades potències mecàniques del cicle exigiria o bé elevadíssims costos de combustible, o sistemes de compressió de gas extremadament grans i resistents, ja que Joule plantejar la implementació del cicle Brayton com un cicle de flux discontinu, en què el gas havia de ser comprimit per un cilindre i un pistó.
Un cop delineades les característiques del cicle, el primer intent rellevant per dur-lo a la pràctica es va produir el 1872, quan George Brayton patentar el seu Ready Motor . En la seva patent, basada en un motor de pistons de flux discontinu, la compressió es realitzaria en un cilindre, i després l'aire comprimit, que hauria passat a una càmera d'escalfament, seria escalfat per una font de calor externa, per finalment expandir en el cilindre d'expansió, produint una feina. El motor presentava una severa problemàtica, en no poder garantir a la perfecció la constància de la pressió en l'etapa d'escalfament de l'aire comprimit. Igualment, i tal com havia previst Joule, els motors de Brayton, per desenvolupar una potència raonable, havien de ser extremadament grans, de manera que, encara que arribarien a comercialitzar, mai van gaudir de gran difusió.
En l'actualitat, el cicle Brayton s'associa al motor de turbina de gas, tot i que Brayton mai va dissenyar una altra cosa que un motor de pistons. Tot i que el fluid termodinàmic pateix els mateixos processos que aquells als quals se sotmetia en la seva versió de motor de pistons, la turbina de gas presenta la característica diferencial que és un motor de flux continu. Això implica que el fluid, habitualment aire, és contínuament admès i contínuament expulsat del motor, a diferència d'en els motors de pistons, en els quals l'admissió i l'expulsió és intermitent.
El desenvolupament de la turbina de gas es produeix bàsicament a principis del segle XX, i ve a conseqüència de la solució de la principal problemàtica tècnica associada al cicle Brayton, és a dir, l'etapa de compressió. La compressió d'un fluid comprensible no és senzilla: els motors de pistons resolen el problema confinant al gas en una cambra tancada-el cilindre-, i reduint el volum de la mateixa per mitjà d'un pistó, la qual cosa produeix un increment de la pressió, però això condueix a motors essencialment pesats i de grans dimensions per a grans potències, en requerir una elevada inèrcia mecànica per garantir el seu funcionament de manera continuada. La turbina de gas fa servir, per contra, un compressor, consistent en un o diversos graons d'àleps rotatoris que empenyen a l'aire, transmetent una energia cinètica que primer ho accelera i després, per mitjà d'uns àleps fixos, el frenen per convertir l'excés d'energia en pressió. Com que aquest procés implica traslladar a un fluid d'una zona de baixes pressions a una altra d'altes pressions, procés el qual poc afavorit per la termodinàmica, la compressió d'aquesta manera resultava molt problemàtica i poc efectiva en el segle XIX. Amb l'avenç de la tècnica, el desenvolupament de nous materials i la cada vegada millor comprensió de la mecànica de fluids, a principis del segle XX van començar a produir-se els primers compressors realment eficaços, i no es va tardar a plantejar la construcció de les primeres turbines de gas.
En aquests dispositius, la compressió venia seguida d'una combustió interna en una rudimentària càmera de combustió, on s'afegia combustible a l'aire comprimit per a cremar, i l'expansió es desenvolupava en una turbina, produint-se un treball mecànic part del qual s'emprava en accionar el compressor, i la romanent en accionar un generador elèctric o algun altre dispositiu que requerís treball mecànic.
L'aplicació de la turbina de gas basada en el cicle Brayton a la propulsió aèria es deu a l'enginyer anglès Frank Whittle, qui el 1927 va patentar la idea i la va proposar a la força aèria anglesa. Una sèrie d'experts liderats per Alan Arnold Griffith havien estudiat en els anys anteriors les possibilitats tècniques de la turbina de gas com a mitjà de propulsió aèria, encara que la seva idea es basava en emprar el treball mecànic obtingut per a accionar una hèlix. Whittle, per contra, proposava disposar d'un cicle Brayton tal que no es produís cap treball mecànic net, de manera que la turbina generés només l'energia suficient com per accionar el compressor. La propulsió es produiria, segons ell, a causa de l'elevada velocitat dels gasos a la sortida de la turbina, formant-se un raig propulsiu que generaria sobre el motor una força d'empenta.
La idea de Whittle va ser plantejada gairebé al mateix temps per l'alemany Hans von Ohain. Durant la Segona Guerra Mundial es produiria una frenètica carrera entre els dos bàndols pel desenvolupament dels primers motors a reacció. Després d'aquesta, la turbina de gas basada en el cicle de Brayton passaria a dominar com a sistema propulsiu d'aeronaus, alhora que continuaria sent aplicada dins de la indústria de generació. Igualment, té aplicació com a motor marí, en sistemes de bombament, grans maquinàries,..., constituint en l'actualitat una de les màquines més sofisticades que existeixen.
En emprar com a fluid termodinàmic l'aire, el cicle Brayton pot operar a temperaturas elevades, per la qual cosa és idoni per aprofitar fonts tèrmiques d'alta temperatura i obtenir un alt rendiment termodinàmic.
Sobre el cicle bàsic existeixen variants que ho compliquen per millorar alguna de les seves prestacions, com la potència o el rendiment. Exemples d'aquestes variants són el cicle Brayton amb regenerador, el cicle Brayton de múltiples etapes (de compressió o expansió), o la combinació d'un cicle Brayton amb un cicle Rankine per a donar lloc al denominat cicle combinat.
