Optimización y Comparativa de Ciclos Termodinámicos: Brayton, Carnot y Sistemas de Refrigeración Reales

Ciclo Termodinámico de Brayton

El ciclo de Brayton es un sistema en el que el aire atmosférico entra continuamente al compresor, donde se comprime hasta alta presión. El aire entra entonces en la cámara de combustión, se mezcla con el combustible y se produce la combustión, lo que da lugar a productos de combustión a elevada temperatura. Los productos de combustión se expanden en la turbina y se descargan al ambiente. El gas que sale de la turbina pasa por un intercambiador de calor, donde se enfría para volver a entrar en el compresor.

Ciclo de Carnot de Refrigeración

El objetivo de un sistema de refrigeración es mantener una región fría. El ciclo de Carnot de refrigeración se obtiene directamente invirtiendo el ciclo de Carnot de potencia, operando entre dos focos térmicos a temperaturas $T_f$ y $T_c$.

Consideraciones Fundamentales del Ciclo de Carnot Ideal

Se suelen adoptar las siguientes consideraciones fundamentales:

1. El ciclo lo realiza un fluido refrigerante en flujo estacionario.
2. Los procesos se consideran internamente reversibles.
3. No existen irreversibilidades externas; se consideran iguales las temperaturas del refrigerante y las de los focos durante los procesos de intercambio de calor.

Desviaciones Respecto al Ciclo de Carnot Ideal

Los sistemas reales de refrigeración con vapor se apartan significativamente del ciclo ideal y tienen un coeficiente de operación menor. A continuación, se detallan las principales diferencias de los sistemas reales con el ciclo de Carnot:

• Transferencia de Calor Irreversible

  Una de las diferencias más significativas es la transferencia de calor entre el refrigerante y los dos focos. En sistemas reales, esta transferencia de calor no ocurre reversiblemente, como se supone en el modelo ideal.

• Compresión Húmeda

  El proceso de compresión desde el estado 1' al estado 2' ocurre con el refrigerante como mezcla bifásica líquido-vapor. Esto se conoce comúnmente como compresión húmeda. Se evita normalmente, ya que la presencia de gotas de líquido puede averiar el compresor.

• Proceso de Expansión

  El proceso de expansión va desde líquido saturado en el estado 3' hasta la mezcla líquido-vapor de bajo título en el estado 4'. Esta expansión produce una cantidad de trabajo relativamente baja, comparada con el trabajo necesario en el proceso de compresión.