Análisis 76: Efecto del interenfriamiento en el ciclo Brayton

¿Por qué la refrigeración intermedia mejora la eficiencia de un ciclo de Brayton?

Texto del enunciado

La compresión genera calor que es energía desperdiciada. El motor más eficiente utiliza la compresión isotérmica, pero eso no es realmente posible. La refrigeración intermedia en cada etapa del compresor compensa la transferencia de calor del proceso de compresión. Esto evita efectivamente que la temperatura de admisión suba demasiado por encima de las temperaturas ambiente y pierda energía en el medio ambiente. El calor del intercooler se puede utilizar para mejorar la eficiencia de la turbina. La descompresión/expansión reduce la temperatura y se puede impulsar con la energía del intercooler. El intercambio de calor mejora la eficiencia del compresor y la turbina (especialmente si cada uno tiene múltiples etapas)

El término "intercooling" implica que el enfriamiento se produce entre pasos de compresión sucesivos. Los intercoolers se utilizan comúnmente con motores diésel que están equipados con un turbocompresor. En este caso, eso es exactamente lo que hace un intercooler, enfría el aire entre el compresor del turbocompresor y el ciclo de compresión dentro del cilindro.

A una presión dada, el aire más frío es más denso y contiene más oxígeno. Ahora, a plena carga, el aire que sale de la salida del compresor está bastante caliente, digamos, 120-300°C. Simplemente hacerlo pasar por un intercooler para volver a bajarlo a casi la temperatura ambiente lo hace más denso, lo que es un paso de compresión adicional casi sin coste energético.

En los motores de tipo turbina de gas, esto significa que el volumen de flujo de aire que sale del intercooler se reduce, a la presión dada. Por lo tanto, las etapas de compresión posteriores pueden tener un área de sección transversal más pequeña y, por lo tanto, requerir menos par para funcionar. Por lo tanto, consumen menos energía. Otro beneficio en una turbina de gas es que se pueden utilizar materiales más baratos con menor resistencia a la temperatura para algunas piezas posteriores, como las palas y los álabes del compresor de la segunda etapa, y las piezas de entrada del quemador.