Ciclo di Brayton

Il ciclo di Brayton è il ciclo termodinamico di riferimento per le turbine a gas e i motori a reazione aeronautici. Nella versione ideale ad aria standard è composto da quattro trasformazioni:

1. 1→2 Compressione isentropica (compressore)
2. 2→3 Riscaldamento isobaro (camera di combustione)
3. 3→4 Espansione isentropica (turbina)
4. 4→1 Raffreddamento isobaro (scarico in atmosfera)

Il rendimento termico del ciclo ideale dipende esclusivamente dal rapporto di compressione $r_p = p_2/p_1$:

$$\eta_{th} = 1 - \frac{1}{r_p^{\,(\gamma-1)/\gamma}}$$

dove $\gamma = c_p/c_v$. Al crescere del rapporto di compressione il rendimento aumenta, ma nella pratica è limitato dalla temperatura massima ammissibile per le pale della turbina ($T_3$).

Il lavoro netto specifico del ciclo è la differenza tra il lavoro di espansione e quello di compressione:

$$w_{net} = c_p\left[(T_3 - T_2) - (T_4 - T_1)\right]$$

Esiste un rapporto di compressione ottimale che massimizza il lavoro netto per una data temperatura massima $T_3$:

$$r_{p,\,opt} = \left(\frac{T_3}{T_1}\right)^{\gamma/[2(\gamma-1)]}$$

Le turbine a gas industriali moderne raggiungono rapporti di compressione di 30–45 e rendimenti superiori al 40%, che salgono oltre il 60% nei cicli combinati gas-vapore (Brayton + Rankine).