Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

511
CAPÍTULO 9
interés en motores que operan en estos ciclos debido a su potencial en eficiencias
más elevadas y mejor control de emisiones contaminantes. La Ford Motor
Company, la General Motors Corporation y los Phillips Research Laboratories
de los Países Bajos han desarrollado con éxito motores Stirling convenientes
para camiones, autobuses e incluso automóviles. Es necesaria más investigación
y desarrollo antes de que estos motores puedan competir con los de gasolina o
diesel.
Tanto el motor Stirling como el Ericsson son motores de combustión externa.
Es decir, el combustible en estos motores se quema fuera del cilindro, al contrario
de los motores de gasolina o diesel, en los que el combustible se quema
dentro del cilindro.
La combustión externa ofrece varias ventajas. Primero, puede usar una variedad
amplia de combustibles como fuente de energía térmica. Segundo, hay
más tiempo para la combustión, por lo tanto el proceso de combustión es más
completo, lo que se traduce en menor contaminación del aire y en mayor extracción
de energía del combustible. Tercero, estos motores operan en ciclos
cerrados, por lo que un fluido de trabajo que tiene características más deseables
(estable, químicamente inerte, de alta conductividad térmica) puede utilizarse
como fluido de trabajo. El hidrógeno y el helio son dos gases que se emplean
comúnmente en estos motores.
A pesar de las limitaciones físicas y los aspectos imprácticos asociados con
ellos, tanto el ciclo Stirling como el Ericsson envían un fuerte mensaje a los
ingenieros implicados en el diseño: la regeneración incrementa la eficiencia.
No es una coincidencia que las modernas turbinas de gas y las centrales termoeléctricas
de vapor hagan un uso extensivo de la regeneración. De hecho, el
ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración, el cual se
utiliza en grandes centrales termoeléctricas de turbinas de gas y que se analiza
posteriormente en este capítulo, se asemeja mucho al ciclo Ericsson.
9-8 ■ CICLO BRAYTON: EL CICLO IDEAL PARA
LOS MOTORES DE TURBINA DE GAS
El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por vez primera para usarlo
en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por él alrededor de
1870. Actualmente se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresión
como de expansión suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de
gas generalmente operan en un ciclo abierto, como se observa en la figura 9-29.
Se introduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor, donde
su temperatura y presión se elevan. El aire de alta presión sigue hacia la cámara
de combustión, donde el combustible se quema a presión constante. Los gases de
alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la
presión atmosférica, produciendo potencia. Los gases de escape que salen de
la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), causando que el ciclo se
clasifique como un ciclo abierto.
El ciclo de turbina de gas abierto descrito anteriormente puede modelarse
como un ciclo cerrado, como se indica en la figura 9-30, empleando las suposiciones
de aire estándar. En este caso los procesos de compresión y expansión
permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por uno de
adición de calor a presión constante desde una fuente externa, mientras que el
proceso de escape se reemplaza por otro de rechazo de calor a presión constante
hacia el aire ambiente. El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en
este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, el cual está integrado por cuatro procesos
internamente reversibles: