Ciclo di Brayton-Joule

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Il Ciclo di Brayton-Joule, è un ciclo termodinamico che costituisce il riferimento ideale per il funzionamento delle turbine a gas. Il ciclo è realizzato da una serie di organi meccanici rotanti operanti in serie a flusso libero, cioè con aspirazione e deflusso aperto verso l'ambiente esterno. Le trasformazioni coinvolte sono due isobare e due isoentropiche (o due adiabatiche se viene a cadere il vincolo dell'idealità).

Fu brevettato dall'ingegnere statunitense George Brayton nel 1872.

Caratteristiche tecniche[modifica | modifica sorgente]

Il ciclo nei diagrammi pressione-volume e temperatura-entropia

Il ciclo si compone di quattro fasi:

  1. compressione isoentropica del gas in un compressore rotodinamico, con scambio del lavoro negativo di ciclo
  2. riscaldamento isobaro
  3. espansione isoentropica del gas in una turbina, viene scambiato lavoro positivo di ciclo
  4. raffreddamento isobaro

La totalità delle macchine reali a ciclo Brayton-Joule sono del tipo a combustione interna a ciclo aperto. Il compressore aspira aria dall'ambiente aumentandone la pressione senza scambi di calore con l'esterno; si inietta il combustibile il quale brucia elevando la temperatura del fluido, ma non la pressione che invece resta costante (aumenta il volume specifico); il fluido ad elevato contenuto entalpico espande in una turbina cedendo ad essa lavoro meccanico e diminuendo la propria pressione e temperatura; il fluido uscente dalla turbina a pressione ambiente si scarica nell' atmosfera raffreddandosi.

Rendimento[modifica | modifica sorgente]

Il rendimento termodinamico ideale del ciclo di Brayton-Joule è ovviamente inferiore a quello del ciclo di Carnot operante tra le stesse temperature massima e minima ed aumenta all'aumentare del rapporto delle pressioni. il rendimento, secondo la definizione generale, è:

\eta = 1 - \frac{1}{\rho^{\left (\frac{\gamma - 1}{\gamma} \right)}}

dove \rho non indica la densità ma viene inteso come il rapporto di compressione:

\rho = \frac{p_2}{p_1}

con p_2 e p_1 rispettivamente le pressioni del gas lungo le trasformazioni isobare di riscaldamento e di raffreddamento.

è da ricordare che la formula del rendimento sopracitata è valida per qualsiasi ciclo termodinamico che ha politropiche a due due opposte (e uguali) di cui almeno due sono isentropiche.

Utilizzo[modifica | modifica sorgente]

Il ciclo Brayton-Joule è alla base di una buona fetta della produzione di energia elettrica e meccanica. In questi casi il ciclo è realizzato "alla lettera", ovvero si utilizza tutto il contenuto entalpico del fluido per produrre lavoro meccanico all'albero. Esistono molti schemi costruttivi, con l'uso di compressori assiali o radiali secondo la dimensione, con l'uso di uno o due alberi coassiali secondo l'uso, e altre differenze ancora. Un valore tipico per il rendimento reale di macchine fisse si aggira intorno al 35-38% per un ciclo base, mentre si può superare il 50% per un ciclo con interrefrigerazione, rigenerazione e postcombustione. Il rendimento energetico complessivo aumenta ancora se si sfruttano i cascami di calore (aria a circa 500 °C) per la cogenerazione o per un ciclo secondario a vapore (impianti combinati). Questi accorgimenti, ovviamente, fanno accrescere l'efficienza dell'intero processo ma lasciano inalterato il rendimento del ciclo Brayton-Joule.

Una destinazione radicalmente diversa è quella della propulsione aerea a turbogetto o a turbofan, dove l'espansione in turbina produce quel tanto di lavoro che basta ad azionare il compressore e l'eventuale fan (ventola). Il rimanente dell'energia contenuta nel fluido viene spesa per far accelerare il fluido stesso dentro un ugello e produrre di conseguenza una spinta in avanti che fa muovere l'aereo, un po' come avviene quando si lascia andare un palloncino aperto (spinta che invece è trascurabile per un impianto fisso, il quale deve rimanere ben ancorato al suolo). Tra le tante caratteristiche importanti delle turbine a gas (TAG) a ciclo aperto c'è quella di poter sviluppare elevate potenze specifiche ed un elevato rendimento di propulsione, il che le rende molto adatte alla propulsione aerea.

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