Ciclo Brayton

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Diagrama Entalpia x Entropia de Ciclo Brayton (ideal) e ciclo real a gás.

Ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão constante, utilizado no estudo das 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.

O ciclo se constitui de quatro etapas, como demonstrado em Esquema básico de Brayton.

O ciclo do motor é nomeado após George Brayton (1830-1892), coordenador americano que o desenvolveu originalmente para o uso nos motores de pistão, embora fosse proposto e patenteado originalmente por John Barber, inglês em 1791.[1] Também é conhecido como o ciclo de Joule. O ciclo de Ericsson é semelhante ao ciclo de Brayton, mas usa calor externo e incorpora o uso de um regenerador. Há dois tipos de ciclos de Brayton, abertos à atmosfera e usando a câmara de combustão interna ou fechado e usando trocador de calor.

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, injetando ar comprimido quente pelo cilindro interno do expansor. As primeiras versões do motor de Brayton eram os motores a vapor que misturavam o Combustível e o ar enquanto o compressor, por meio de um Carburador em uma superfície aquecida[2]. 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 de proteção foi usada para impedir que o fogo voltasse para o reservatório, porém nas primeiras tentativas tal tela falhava e uma explosão ocorria.

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[3]. Brayton produziu e vendeu os "Ready Motors" para execução de uma variedade de tarefas, como bombeamento de água, operação de moinho, Geradores termoelétricos e propulsão marítima. Brayton licenciou seu projeto através da 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. Havia ainda a variedade de modelos horizontais e verticais, podendo ir de um a até 40 cavalos, tendo uma eficiência razoável para época.[4]

História da Turbina de Gás

  • 1791 Primeira patente de uma turbina a gás (John Barber, Reino Unido)
  • 1904 Projeto de turbina a gás sem sucesso de Franz Stolze em Berlim (primeiro compressor axial)
  • 1906 TG por Armengaud Lemale na França (compressor centrífugo, sem potência útil)
  • 1910 Primeira TG com combustão intermitente (Holzwarth, 150 kW, combustão de volume constante)
  • 1923 Primeiro turbocompressor de gases de escape para aumentar a potência dos motores diesel
  • 1939 Primeira turbina a gás do mundo para a geração de energia (Brown Boveri Company), Neuchâtel, Suíça (queimador velox, aerodinâmica por Stodola)[carece de fontes?]

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 Ciclo termodinâmico, mesmo nos casos ideais, como define a Segunda lei da termodinâmica.[5]

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]

Um compressor, uma câmara de mistura e um expansor são os três componentes necessários de um motor de Brayton, uma vez que os motores mais modernos que o de Brayton são na maioria da vezes uma espécie de turbina, como os usados em Avião. Embora Brayton só tenha feito motores a pistão, onde o ar ambiente era aspirado para um compressor de pistão, e 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 era 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.

Uma turbina a gás também é um motor de Brayton, composto pelos itens acima já citados, onde o ar ambiente é aspirado para dentro do compressor, posteriormente pressurizado, se tratando de 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, e por fim rejeição de calor (na atmosfera); um processo isobárico.

Ciclo real de Brayton:

  1. Processo adiabático - compressão
  2. Processo isobárico - adição de calor
  3. Processo adiabático - expansão
  4. Processo isobárico - rejeição de calor[carece de fontes?]
    ciclo real de Brayton
    Uma vez que nem a compressão nem a expansão podem ser verdadeiramente isentrópicas, as perdas através do compressor e do expansor representam fontes de inefectividade ineficaz. Em geral, aumentar a taxa de compressão é a maneira mais direta de aumentar a Potência total produzida por um sistema Brayton.[6]

A determinação do rendimento ciclo-padrão pode ser obtida da seguinte forma:

[7]

onde :

Ql = Calor saida (frio),

Qh = Calor entrada (quente),

cp = Constante do gás,

T = Temperaturas.

contudo,

[7]

A eficiência do ciclo de Brayton ideal é, onde é a razão de capacidade de calor.

A temperatura mais elevada no ciclo ocorre no final do processo de combustão, e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Isto também limita as relações de pressão que podem ser utilizadas no ciclo. Para uma temperatura fixa de entrada da turbina, a produção líquida de trabalho por ciclo aumenta com a razão de pressão (assim a eficiência térmica) e a saída de trabalho líquido. Com menos produção de Trabalho (física) por ciclo, é necessário uma maior quantidade de combustível (assim um sistema maior) para manter a mesma potência, deixando de ser um sistema Econômico. Nos desenhos mais comuns, a razão de pressão de uma turbina a gás varia de cerca de 11 a 16.[8]

Variações[editar | editar código-fonte]

Ciclo fechado de Brayton[editar | editar código-fonte]

Ciclo fechado de Brayer C compressor T turbina W alta temperatura ʍ Temperatura baixa ~ Carga mecânica

Um ciclo fechado de Brayton circula o fluido de trabalho, o ar expelido da turbina é reintroduzido no compressor, este ciclo utiliza um permutador de calor para aquecer o fluido de trabalho em vez de uma câmara de Combustão interna. O ciclo de Brayton fechado é usado, por exemplo, em turbinas a gás de ciclo fechado e geração de energia espacial.

Ciclo solar de Brayton[editar | editar código-fonte]

Em 2002, um ciclo híbrido solar aberto de Brayton foi operado pela primeira vez consistente e eficazmente com os papéis relevantes publicados, no frame do programa de SOLGATE da UE.O ar foi aquecido de 570 K para mais de 1000 K para dentro da câmara de combustão. A hibridação adicional foi conseguida durante o projeto EU Solhyco executando um ciclo de Brayton hibridado, utilizando Energia solar e Biodiesel somente. Esta tecnologia foi ampliada para 4,6 MW dentro do projeto Solugas localizado perto de Sevilha, onde atualmente é demonstrada em escala pré-comercial.[9]

Ciclo reverso de Brayton[editar | editar código-fonte]

Um ciclo de Brayton que é dirigido em sentido inverso, através de entrada de trabalho de rede, e quando o ar é o fluido de trabalho, é o ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. Seu objetivo é mover calor, em vez de produzir trabalho. Esta técnica de arrefecimento a ar é amplamente utilizada em aviões a jato e para sistemas de Ar condicionado que utilizam ar comprimido a partir dos compressores do motor. Também é usado na indústria de GNL, onde o maior ciclo de brayton reverso é para sub-resfriamento LNG usando 86 MW de potência de um compressor de turbina a gás e Nitrogênio[10]

Aplicação[editar | editar código-fonte]

O ciclo de Joule-Brayton é a base para produção de Energia elétrica e Energia mecânica. Nestes casos, o ciclo é usado na entalpia dos fluidos para produzir trabalho mecânico para o eixo. Existem muitos esquemas construtivos, como o uso de compressores axiais ou radiais de acordo com o tamanho, com a utilização de um ou dois veios coaxiais de, e ainda outras diferenças. Um valor para o desempenho real de máquinas estacionárias é de cerca de 35-38% para um ciclo básico, embora possa ser superior a 50% durante um ciclo com intercooler. Os globais aumenta a eficiência energética, mesmo os que exploram o calor residual (ar a cerca de 500 ° C) para a cogeração ou para um ciclo de vapor secundários. Estas medidas, é claro, fazem aumentar a Eficiência do processo, mas deixa inalterado o funcionamento do ciclo de Joule-Brayton.

Um destino diferente é a do Turbojato - propulsão a ar - onde a expansão na turbina produz o tanto de trabalho que é necessário para adicionar o compressor e a eventual turbofan (ou ventilador). O restante de energia contida no fluído vem gasta para fazer acelerar esse mesmo fluído dentro de um bocal e produzir, como consequência, um impulso para frente que faz mover o avião. Entre as muitas características importantes de Turbina a gás (TAG), para abrir ciclo, é o de ser capaz de desenvolver a energia específica elevada e uma elevada eficiência de propulsão, o que os torna muito adequados para a propulsão a ar.[11]

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. «Gas Turbine History». 3 de junho de 2010. Consultado em 1 de março de 2017 
  2. Frank A. Taylor (1939). «"Catalog of the Mechanical Collections Of The Division Of Engineering"». United States National Museum Bulletin 173, United States Government Printing Office, p. 147 
  3. Improvement in gas-engines, consultado em 23 de fevereiro de 2017 
  4. Improvement in gas-engines, consultado em 23 de fevereiro de 2017 
  5. C. Lichty, Lester (1967,). Combustion Engine Processes. [S.l.]: , McGraw-Hill, Inc., Library of Congress 67-10876  Verifique data em: |ano= (ajuda)
  6. «Turbine Engine Thermodynamic Cycle - Brayton Cycle». www.grc.nasa.gov. Consultado em 23 de fevereiro de 2017 
  7. a b Wylen G., Sontagg R. and Borgnakke C. (2009). Fundamentos da Termodinâmica Clássica. [S.l.]: Edgard Blücher LTDA. 263 páginas 
  8. Çengel, Yunus A., and Michael A. Boles (2011). Thermodynamics: An Engineering Approach 7th ed. New York: McGraw-Hill. pp. 508–09 
  9. «solar hybrid gas turbine electric power system» (PDF) 
  10. «Login». www.ogj.com. Consultado em 23 de fevereiro de 2017 
  11. «Turbinas a gas e Ciclos» (PDF). UNICamp 

Links Externos[editar | editar código-fonte]