Ciclo Brayton

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Diagrama Entalpia x Entropia de Ciclo Brayton (ideal) e ciclo real a gás.  Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia (1-2). Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde mistura-se com o combustível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante (2-3). Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia (3-4). Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente (4-1)

Também denominado ciclo de Joule, é o processo teórico dos motores de turbina a gás, ou simplesmente turbinas a gás.

Ele é um ciclo ideal, uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás, descrevendo variações de estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é utilizado como base didática e para análise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, devido a limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito.

Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combustão é rejeitada sob a forma de calor, contido nos gases quentes de escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinâmica.

História[editar | editar código-fonte]

Em 1872, George Brayton pediu uma patente para o seu  "Ready Motor", motores que usavam um compressor de pistão separado do expansor, com ar comprimido aquecido por fogo e entrando pelo cilindro interno do expansor. As primeiras versões do motor de Brayton eram os motores do vapor que misturaram o combustível com o ar enquanto o compressor por meio de um carburador em uma superfície aquecida. O combustível/ar ficava contido em um reservatório e depois ia para um cilindro de expansão onde era queimado, a medida com que o combustível entrava no cilindro de expansão era acendida uma chama piloto. Uma tela foi usada para impedir que o fogo voltasse para o reservatório, nas primeiras versões esta tela as vezes falhava e ocorria uma explosão. Em 1874 Brayton resolveu o problema da explosão adicionando o combustível imediatamente antes do cilindro expansor. O motor agora usava combustíveis mais pesados, como querosene e óleo combustível, onde a ignição continuava pela chama piloto. Brayton produziu e vendeu "Ready Motors" para executar uma variedade de tarefas, como bombeamento de água, operação de moinho, geradores e propulsão marítima. Brayton licenciou seu projeto para a Simone no Reino Unido, onde havia muitas variações em seu layout; alguns eram de ação simples, outros de ação dupla, outros tinham funcionamento em terra e outros aéreos, haviam modelos horizontais e verticais, podendo ir de um a até 40 cavalos, tendo uma eficiência razoável para época.

Esquema básico de Brayton[editar | editar código-fonte]

Ciclybasico.jpg

Entre 1 e 2 o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde por compressão adiabática e isotrópica ocorre o aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, entre 2 e 3, onde é misturado ao combustível possibilitando sua queima e seu aquecimento tendo sua pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, entre 3 e 4. Na medida em que o fluido fornece o trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos seus gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor. A quarta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente em que se encontra.Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia gerada pela combustão é eliminada por forma de calor nos gases quentes fluindo como escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinâmica.

Brayton motor de explosão de ar de 4 tempos 1890
Motor de Brayton a gás 1872
Brayton motor de viga de marcha 1872

Modelos[editar | editar código-fonte]

1 - Um compressor, uma câmara de mistura e um expansor, esses são os três componentes de um motor de Brayton, motores mais modernos de Brayton são quase sempre um tipo de turbina, como os usados em aviões. Embora Brayton só tenha feito motores a pistão, onde o ar ambiente era aspirado para um compressor de pistão, onde comprimido; em um processo idealmente isentrópico. O ar comprimido passava através de uma câmara de mistura onde era adicionado combustível, um processo isobárico. A mistura pressurizada de ar e combustível é então inflamada num cilindro de expansão e a energia é liberada, fazendo com que o ar aquecido e os produtos de combustão se expandam através de um pistão / cilindro; Outro processo idealmente isentrópico. Parte do trabalho extraído pelo pistão / cilindro é usado para dirigir o compressor através de um arranjo de cambota.

2 - Uma turbina a gás também é um motor de Brayton, um compressor de gás, um queimador (ou câmara de combustão) e uma turbina de expansão são os três componentes para um Ciclo ideal de Brayton, onde o ar ambiente é aspirado para dentro do compressor, onde é pressurizado; um processo isentrópico, o ar comprimido passa então através de uma câmara de combustão, onde o combustível é queimado, aquecendo o ar - um processo de pressão constante, uma vez que a câmara está aberta para entrar e sair; um processo isobárico, o ar aquecido e pressurizado então fornece sua energia, expandindo-se através de uma turbina (ou série de turbinas). Parte do trabalho extraído pela turbina é usado para conduzir o compressor; um processo isentrópico, enfim ocorre rejeição de calor (na atmosfera); um processo isobárico.

3 - Ciclo real de Brayton:

1 Processo adiabático - compressão

2 Processo isobárico - adição de calor

3 Processo adiabático - expansão

4 Processo isobárico - rejeição de calor

ciclo real de Brayton

Aplicação[editar | editar código-fonte]

em construção