EL ciclo de Brayton

Retomamos las entradas del minicurso de Técnologías de generación de potencia.  Hoy toca el ciclo de Brayton.

INTRODUCCIÓN

Una vez comentado el ciclo de Rankine, que como veíamos es un ciclo de combustión externa, y realizada la discusión sobre la diferencia entre combustión externa e interna, pasaremos a exponer de forma somera uno de los dos ciclos de combustión interna por excelencia: El ciclo de Brayton, que es el que siguen las Turbinas de Gas.

El ciclo de Brayton supone nuevamente un intento de adaptar el ciclo de Carnot para poder llevarlo a efecto. No obstante, es sustancialmente distinto al ciclo de Rankine, por los siguientes motivos:

• Es un ciclo de combustión interna, es decir, el aporte de calor al ciclo se realiza en el seno del propio fluido de potencia, en lugar de hacerlo de forma indirecta usando un fluido caloportador. Esto tiene como consecuencia fundamental que las máquinas necesarias para efectuar este ciclo son muy pequeñas y compactas, lo cual es determinante para la principal aplicación de este ciclo.

• Es un ciclo abierto, es decir, el fluido de potencia no circula en circuito cerrado, como pasaba en el ciclo de Rankine, sino que entra al ciclo, se somete a los procesos asociados al mismo, y se expulsa al ambiente. Habrá quien diga “¿Y si es abierto lo podemos llamar ciclo?” Pues estrictamente no, pero un poco más adelante veremos como el ciclo puede considerarse “termodinámicamente cerrado” por una idea feliz que, dicho sea de paso, es muy natural y lógica.

• El fluido de potencia no es condensable, vamos, que no aparecen procesos de evaporación/condensación a lo largo del ciclo.

Dicho esto, veamos cómo se adapta el ciclo de Carnot a este caso particular:

1.- La compresión y expansión del fluido se realizará de la forma más isentrópica posible, no obstante, como ya veíamos al hablar del ciclo de Rankine, nunca alcanzaremos la perfección absoluta.

2.-  Renunciamos a una aportación/cesión de calor isoterma (como consecuencia de no usar un fluido condensable), de modo que estos procesos, en este ciclo, serán a presión constante. El hecho de que estos procesos sean a presión constante se debe a que el ciclo es abierto, ya que el fluido de potencia siempre va circulando por las máquinas constitutivas del ciclo (que se llaman máquinas de flujo). Si en lugar de ser así el ciclo se realizara de modo que siempre hubiera un volumen definido de fluido en cada paso del proceso tendríamos procesos a volumen constante, y estaríamos hablando de máquinas volumétricas o de desplazamiento positivo.

Dicho esto, el ciclo de Brayton en el conocido diagrama T-S se dibuja como sigue:

Aquí comprobamos como el ciclo es realmente abierto en el sentido más literal de la palabra. Para exponer el artificio que comentábamos con anterioridad iremos explicando los pasos que lo componen (el punto de inicio es el que está situado abajo a la izquierda):

1.- El fluido, más específicamente aire, se toma del ambiente y accede al compresor, donde se eleva su presión consumiendo para ello trabajo mecánico.

2.- Al salir del compresor, el aire entra en la cámara de combustión, donde se le añade el combustible que posteriormente se inflama, elevando su temperatura. Este es el aporte de calor al ciclo

3.- Posteriormente el fluido, que ahora es una mezcla de aire y gases de combustión, entra en la turbina, donde se expande hasta la presión ambiente produciendo trabajo. Al salir de la turbina, los gases se ceden al ambiente.

Y ahora viene el artificio que nos permite hablar del ciclo Brayton como “ciclo”. Dado que el aire que entra al compresor se toma del ambiente, y que los gases que salen de la turbina se expulsan al ambiente, podemos cerrar el ciclo de forma virtual en el ambiente. Por tanto, del punto 4 al 1 lo que existe es una cesión de calor (puesto que el aire sale de la turbina bastante caliente) a presión constante (la del ambiente). Como vemos, lo único que debemos asumir es que la última máquina constitutiva del ciclo es el ambiente en el que este funciona, lo cual es totalmente lícito, ya que en termodinámica se entienden por máquinas “todos aquellos dispositivos en los cuales se lleva a cabo una transferencia o transformación de energía”.

ESQUEMAS MECÁNICOS DEL CICLO DE BRAYTON

Una vez expuesto el ciclo, debemos comentar que existen varias formas de integrar las máquinas que lo constituyen, las cuales comentaremos a continuación:

Esquema a un eje

Corresponde a la parte superior de la figura. Como vemos, es la realización inmediata de los pasos del ciclo. En este caso turbina la turbina va conectada por un único eje al compresor y al alternador, con la consecuencia de que parte de la energía producida por la turbina se emplea en mover al compresor, dedicándose el resto a producir energía eléctrica en el alternador.

Esquema a dos ejes

En este caso, la máquina se divide en un generador de gas (compuesto por compresor, cámara de combustión y turbina de alta presión) y una turbina de potencia. La turbina de alta está diseñada para producir la potencia justa y necesaria para mover el compresor, acoplándose la turbina de potencia al alternador.

¿Y cuál de los esquemas es el mejor? Pues, como siempre, depende de la aplicación. La turbina de gas de eje simple tiene es de constitución muy sencilla, y la de doble eje normalmente puede responder de forma más rápida. La decisión entre una u otra depende sobre todo del porcentaje de potencia que absorberá el compresor.

Además de estos montajes, existen ya turbinas de gas a tres ejes, usadas fundamentalmente cuando existen múltiples compresores, no obstante, aun no están completamente introducidas en el mercado. Esto es así porque, en ingeniería existen dos factores fundamentales a la hora de poner en juego el dinero: Por una parte está la innovación, lo cual es indiscutible; pero también es muy importante el background de las propuestas. Esto lo veremos con un ejemplo: imaginemos que tenemos que construir una central basada en turbinas de gas, que funcionará durante al menos 20 años, y nos proponen dos soluciones, una de las cuales es muy innovadora pero lleva sólo dos años en el mercado, y otra, menos innovadora, pero que lleva ya diez años. Seguramente nos decantaríamos por la segunda, ya que pese a ser menos puntera, nos da la seguridad de que al menos durante la mitad de la vida útil de nuestra central no está previsto que nos dé grandes problemas. La primera opción, pese a ser muy novedosa, no nos garantiza nada en cuanto a fiabilidad tras un servicio prolongado. Por supuesto la realidad es más compleja y la investigación y la innovación es necesaria (ahora más que nunca), pero nunca podemos perder de vista el sentido “bruto” de la ingeniería: Necesitamos innovación y mejoras, pero también fiabilidad y robustez.

APLICACIONES DE LAS TURBINAS DE GAS

El campo de aplicación de las turbinas de gas es más amplio que el de las turbinas de vapor. Esto es así por el hecho de que son los motores térmicos con mayor potencia específica que existe (es decir, kW de potencia/kg de peso de la máquina). Debido a esto, además de la generación de potencia, las turbinas de gas se usan profusamente en aplicaciones de cogeneración y, sobre todo, en la aviación. En este último campo, además de su alta relación potencia/peso que permite construir motores potentes que sean muy ligeros, se aprovecha el gran caudal de gases que mueven para generar el empuje necesario para hacer avanzar el avión.

MODIFICANDO EL CICLO

Examinaremos ahora, como hicimos en el caso del ciclo de Rankine, las principales modificaciones del ciclo de Brayton: Los ciclos compuestos y los ciclos regenerativos.

Regeneración

El fundamento de la regeneración es usar los gases de salida de la turbina de gas para precalentar el aire a la salida del compresor, de modo que se reduzca el consumo de combustible y, por tanto, aumente el rendimiento. Nada nuevo, por tanto, desde el ciclo de Rankine. La regeneración en las turbinas de gas tuvo un gran impulso al inicio de su desarrollo, pero cayó lentamente en desuso a medida que los avances tecnológicos permitieron ganar rendimiento sin penalizar la potencia específica. En efecto, ya vimos que para regenerar hace falta un intercambiador de calor, que es un equipo grande y pesado, por lo que su inclusión hace que la potencia específica decaiga mucho, lo cual las anula para su uso en aviación y hace que pierdan interés en aplicaciones de cogeneración frente a, por ejemplo, los motores alternativos. En la siguiente imagen se muestra una turbina de gas con regenerador, apreciándose que su inclusión prácticamente dobla el tamaño de dispositivo.

Ciclos compuestos

Los ciclos compuestos surgen como intento de sustituir las compresiones y las expansiones isentrópicas por procesos isotermos. Su fundamento es que, en un ciclo con aporte y cesión de calor a presión constante, tales procesos isotermos hacen que el rendimiento iguale al de Carnot. A este ciclo se le denomina ciclo de Ericsson. En la siguiente figura he remarcado la diferencia obtenida al comprimir/expandir de forma isoterma:

Este ciclo es irrealizable en la práctica, ya que para lograr que esos procesos sean isotermos sería necesario construir un compresor y una turbina, pero necesitarían añadir una superficie inmensa para que la temperatura no cambiara a medida que el gas se comprima o se expanda. Dicha necesidad es incompatible con la estructura de las turbomáquinas. En cambio, lo que podría hacerse sería lo siguiente. Para ser más claros nos centraremos en la compresión: Imaginemos que realizamos una compresión (1→2), y posteriormente enfriamos el aire comprimido (2→3); luego, sometemos este aire comprimido a una nueva compresión (3→4). En un diagrama T-S obtenemos algo parecido a esto:

Vemos como al haber enfriado el aire, su entropía ha disminuido (puesto que, según el criterio de signos adoptado, el frío es calor con un signo – delante). Ahora imaginemos que hacemos esto infinitas veces. En ese caso, habremos conseguido una compresión isoterma. Todo lo dicho es válido para la expansión en la turbina (con la salvedad de que sustituimos el enfriamiento por un otra cámara de combustión en la que añadir calor de nuevo), de modo que para obtener parcialmente las mejoras del ciclo de Ericsson lo que hacemos es incluir compresiones o expansiones escalonadas.

Estas son las modificaciones básicas que se realizan a las turbinas de gas. No obstante, como se ha visto, suelen ser modificaciones bastante aparatosas y que penalizan mucho la potencia específica de estas máquinas. Por tanto, el avance en las turbinas de gas se ha orientado a otro camino: En lugar de mejorar el motor en su conjunto, se mejoran las partes integrantes de las máquinas constitutivas de modo que se pueda aprovechar la sinergía que las conecta para obtener un beneficio significativo sobre todo el conjunto. Mencionaremos, por su importancia, uno de estos avances: La capacidad de resistir altas temperaturas de los álabes de las primeras coronas de la turbina.

RESISTIENDO LAS ALTAS TEMPERATURAS

Se demuestra fácilmente que la potencia y el rendimiento de las turbinas de gas se incrementa rápidamente con la temperatura de entrada en la turbina (el punto de más alta temperatura del ciclo). Por tanto, los planes de mejora de las turbinas de gas pasan por elevar esta temperatura todo lo que se pueda. Valores actuales de esta temperatura pueden situarse en el entorno de los 1500 ºC, pero esto sólo lo podemos intuir. Las compañías que desarrollan turbinas de gas guardan ese dato como su secreto más protegido, ya que ese valor indica el nivel de desarrollo tecnológico que han alcanzado. En estas líneas comentaremos brevemente por qué esto es así.

Elevar la temperatura de entrada a la turbina tiene un precio: Los materiales de los álabes deben resistir esa temperatura sin fundirse, deformarse o cosas peores (como el fenómeno conocido como creep: la deformación sostenida que sufren los metales al someterse a altas temperaturas durante largos intervalos de tiempo y que hace que se comporten como la plastilina). Para soportar esas temperaturas se desarrollaron grandes innovaciones, de las cuales comentaremos las más significativas:

• Refrigeración de álabes: Consiste en tallar en el interior de los álabes una serie de orificios y canales que permitan dirigir por ellos aire extraído de etapas intermedias del compresor. Al hacer circular este aire por el interior de los álabes se consigue una transferencia de calor que evita que el material de los mismos se sobrecaliente, con lo cual se evita el daño por temperaturas elevadas.

• Protección cerámica de los álabes: Consiste en recubrir los álabes con una capa cerámica que reciba el impacto térmico, de modo que funcione como aislante, para reducir el daño sobre el metal. Esta capa cerámica naturalmente se va desgastando, lo cual hace que tras un número de horas garantizado por el fabricante, los álabes deban sustituirse por otros nuevos.
• Aleaciones resistentes a las altas temperaturas: En la fabricación de los álabes se emplean materiales especialmente diseñados para resistir el calor. Se crea una aleación constituida por metales que, en conjunto, ofrezcan un buen comportamiento ante estas solicitaciones, sometiéndose posteriormente a tratamientos térmicos que aumenten aun más su fiabilidad.
• Uso de álabes monocristalinos: Se trata de hacer que las piezas posean en su estructura interna un único cristal, me explico. Al solidificar un metal fundido este no lo hace de forma uniforme, sino que la solidificación comienza en distintos puntos del metal, creándose una típica matriz de granos, como os muestro (en concreto este es un acero hipereutectoide):

Pues bien, si se controla muy bien el proceso de enfriamiento del metal fundido, y este se realiza de una forma especial en unos moldes destinados a tal efecto, se consiguen materiales monocristalinos, es decir, el patrón de granos desaparece, con lo que el material adquiere una altísima resistencia y un gran comportamiento frente a la fatiga, las solicitaciones térmicas, etc.

Combinando todas estas técnicas se consiguen álabes ultrarresistentes frente a prácticamente todo lo que los pueda dañar, claro que el precio aumenta en la misma proporción, no siendo extraño que se encuentren álabes cuyo coste asciende a 20000 $ por unidad. Estos procesos además necesitan mucho trabajo (de investigación y de aplicación de la investigación) para su desarrollo, por lo cual no extraña que las empresas guarden tan celosamente el alcance obtenido.

REFERENCIAS:

El texto es cosecha propia.

Todas las imágenes, a excepción de las dos últimas fotografías, proceden de los apuntes de la asignatura Sistemas de Producción de Potencia, de 5º curso de Ingeniería Industrial impartido en la ESI de Sevilla. La última fotografía procede de los apuntes de la asignatura Tecnología de Materiales, de 4º curso de Ingeniería Industrial, impartida en el mismo centro. El diagrama de los álabes refrigerados está tomado de la web: http://www.atmosferis.com/2011/12/refrigeracion-de-alabes-de-turbinas-de.html