Ciclo de Brayton
Teoria
Bora aprender sobre o Ciclo de Brayton com o RespondeAí!?
O Ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico, utilizado nas turbinas de gás, que descreve o funcionamento de um motor térmico!
Mas qual é a diferença entre o Ciclo de Brayton e o Ciclo de Rankine?
Enquanto o ciclo de Rankine é considerado o ideal para operações com vapor e trocas de fase. Já o ciclo de Brayton é o ideal para quando não há troca de fases, ou seja, o fluido está sempre no estado de vapor. Além disso, enquanto o ciclo de Rankine utiliza água como fluido de trabalho o fluido de trabalho do ciclo Brayton é o ar.
O ciclo de Brayton é utilizado nas turbinas a gás e é formado pelos mesmo processos do que o ciclo de Rankine, que são duas isentrópicas e duas isobáricas. Vamos ver como ficam o diagrama para este ciclo, podendo o ciclo ser aberto ou fechado.
À esquerda temos a representação do ciclo de Brayton aberto, a qual há um fluxo constante de entrada de ar e saída dos gases da combustão. Já na direita temos o ciclo fechado, trabalhando sempre com a mesma massa que fica recirculando. Um exemplo de uso do ciclo fechado é nos reatores nucleares!
Etapas do Ciclo de Brayton
O seu funcionamento é muito parecido com os outros ciclos termodinâmicos, uma diferença que pode ser observada é que ao invés da bomba (que transporta líquidos) temos um compressor (que transporta gases).
O compressor eleva a pressão na câmara de combustão, aumentando a quantidade de ar e, portanto, o trabalho líquido. Vamos ver os processos envolvidos e suas representações nos diagramas
- 1 – 2 (Compressor): O ar é comprimido isentropicamente, o que requer entrada de trabalho
. - 2 – 3 (Câmara de combustão): Processo isobárico no qual há injeção de combustível que leva a combustão e gera calor . No caso do ciclo fechado a combustão é externa e só a entrada de calor
. - 3 – 4 (Turbina): Os gases aquecidos se expandem isentropicamente realizando trabalho
. - 4 – 1 (Trocador de calor): No caso de ciclo fechado, calor,
, é retirado do sistema isobaricamente . Já para o sistema aberto os produtos são eliminados na atmosfera (que maldade) e ar fresquinho entra no sistema.
Observando o diagrama vemos que que as curvas 2 – 3 e 4 – 1 são isobáricas ao aumentarmos a pressão geramos mais trabalho, e consequentemente mais potência, como podemos observar pelas curvas 2’ – 3’ . Agora vamos ver o porquê!
Eficiência
Vamos calcular a eficiência de um ciclo de Brayton então! Vamos lembrar que a eficiência de uma máquina térmica se calcula como:
Como, pela primeira lei da termodinâmica temos que:
Então:
Agora presta atenção! Os dois processos que envolvem
Assim, a eficiência é dada por:
Colocando o
Uma particularidade do Processo Adiabático
Agora vamos falar sobre uma particularidade do processo adiabático e consequentemente do isentrópico, que será discutida mais profundamente no capítulo de relações de Maxwell. Por agora o importante é lembrar que, para processos isentrópicos a seguinte relação é válida:
A partir da Lei dos gases ideais:
Podemos escrever o volume específico como:
Assim:
Comparando dois pontos
Podemos cortar o
E por fim, reorganizando os termos:
Aplicação para a eficiência do ciclo de Brayton
Agora vamos aplicar essa relação para o nosso ciclo. Primeira temos que lembrar que
Assim,:
e:
Olha só que se subtrairmos
Como a eficiência é dada por:
Podemos, agora, simplificar para:
Mas como estamos falando de isobáricas é legal deixar isso em função da pressão, que agora é fácil basta usar a equação:
E a eficiência vai ficar da forma:
Agora conseguimos mostrar que a eficiência depende apenas das pressões em
O ciclo de turbina a gás com regeneração
Você também pode se deparar com o ciclo composto de regeneração. Um regenerador é um equipamento que utiliza o calor dos gases da turbina para aquecer o ar antes deste entrar na turbina. O ciclo para apenas um estágio fica muito parecido com o ciclo convencional, mas para múltiplos estágios, de compressores e turbinas, fica parecendo um serrote.
Na figura acima, podemos observar na esquerda o ciclo regenerativo com apenas um compressor e uma turbina, nele, o calor entra no ciclo apenas no trecho
Podemos observar também, que:
- As retas verticais acima de
são os processos que ocorrem nas turbinas (Isentrópicas). - As retas verticais abaixo de
são os processos que ocorrem nos compressores (Isentrópicas). - A curva entre
e são os processos que ocorre no regenerador (isobáricas). - As curvas acima de
são os processos que ocorrem nas câmaras de combustão (isobáricas). - As curvas abaixo de
são os processos que ocorrem nos resfriadores (isobáricas).
A eficiência deste ciclo é parecida com o ciclo de Brayton convencional mas depende também da temperatura e é dada, para o ciclo de um estágio, por:
Portanto, agora além de depender, também das temperaturas, a eficiência é inversamente proporcional a diferença de pressões!
Ainda está com dúvidas? Então dá uma olhadinha aqui nesse vídeo que temos sobre o ciclo de Brayton
Agora você já esta pronto pra praticar com exercícios!
Eficiência
Uma particularidade do Processo Adiabático
Aplicação para a eficiência do ciclo de Brayton
O ciclo de turbina a gás com regeneração
Exercícios Resolvidos
Exercício Resolvido #1
Elaboração própria
Qual a diferença que pode ser observada entre um ciclo Brayton padrão e um ciclo com regeneração em relação ao calor absorvido e rejeitado e em relação à eficiência? Desenhe um gráfico que mostre claramente onde o calor regenerado aparece.
Passo 1
Num ciclo regenerativo o calor excedente da turbina é utilizado para pré aquecer o gás que está prestes a entrar na câmara de combustão, com isso o calor permanece fluindo dentro do próprio sistema e não é mais considerado como . Isso ocorre de forma análoga para .
Passo 2
A eficiência de um ciclo regenerativo depende das pressões e temperaturas e, ao contrário do ciclo padrão, é inversamente proporcional a taxa de compressão.
Passo 3
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #2
USP, Ciclo de motores a gás, Prof. Dr. Silvio de Oliveira Júnior, 2011, p. 19
Considere um ciclo ideal de Brayton operando com ar que entra no compressor a 100 kPa e 300 K, com uma vazão de 5 m³/s. a relação de pressões do compressor é 10. A temperatura de entrada na turbina é 1400 K. Determine: a) a eficiência térmica do ciclo; b) a relação entre o trabalho produzido pela turbina e consumido pelo compressor; c) a potência líquida gerada pelo ciclo em kW. Dado: ; ;
Passo 1
Para calcular a eficiência basta utilizar a equação que vimos no conteúdo, já que a relação de pressões e o do ar foi dado
Passo 2
Vamos calcular as temperaturas nas quais o ar sai do compressor e da turbina por meio da relação entre pressão e temperatura para processos isentrópicos.
Para o compressor
Como a taxa de compressão é igual para o compressor e para a turbina, temos
Passo 3
Agora vamos calcular o trabalho consumido pelo compressor. Sabemos que o trabalho numa isentrópica e igual a variação da entalpia , que por sua vez é igual a , portanto
Passo 4
A relação entre o trabalho produzido pela turbina e consumido pelo compressor
Passo 5
A potência líquida é igual a potência da turbina menos a potência do compressor
Resposta
a)
b)
c)
Exercício Resolvido #3
Elaboração própria
Demonstre que a eficiência de um ciclo de turbina a gás com uma etapa de regeneração ideal é igual a
Considere 1 a entrada do compressor, 2 a entrada do regenerador, 3 a entrada da turbina e 4 o retorno ao regenerador.
Passo 1
O rendimento se calculo como
Como é recebido no regenerador então temos que
e é o trabalho da turbina
e o trabalho do compressor
Assim
Passo 2
Como o regenerador é ideal e , logo
Aplicando e em evidência
Passo 3
Aplicar a relação de pressão e temperatura para processos isobáricos
Resposta
Ei, a resposta está no passo a passo :)
Exercício Resolvido #4
Escola politécnica da cidade de São Paulo, Lista de ciclo de motores a ar, p. 11
Considere um ciclo de turbina a gás ideal com dois estágios de compressão e dois estágios de expansão. A razão de pressão em cada estágio do compressor e da turbina é de 3. O ar entra em cada estágio do compressor a 300K e em cada estágio da turbina a 1200K. Considerando calores específicos constantes, determine a relação entre a potência necessária para acionar o compressor e a potência desenvolvida pela turbina, assim como o rendimento térmico do ciclo para o caso em que não há um regenerador. Dados: ;
Passo 1
Primeiro é interessante colocar esse problema num diagrama para ser mais fácil de visualizar. Se lembra quando estamos trabalhando com mais de um estágio ele parece um serrote? Então vai ficar mais ou menos assim:
Passo 2
Como os processos nos compressores e nas turbinas são isentrópicos a relação entre pressão e temperatura é dada por
Como nos foi dado a relação e um as temperaturas de entrada no compressor e na turbina, podemos achar a temperatura de saída de cada um.
Temos de lembrar, também que
Calculando a temperatura de saída do compressor
Passo 3
Vamos fazer a mesma coisa para a saída da turbina
Passo 4
Os cálculos da potência e calor todos dependem da variação da entalpia. Para o compressor e a turbina, por ser uma isentrópica, a variação da entalpia é igual a . O calor fornecido numa isobárica é dado, também, por . Como são duas turbinas e dois compressores:
Passo 5
A relação entre a potência necessária para acionar o compressor e a potência desenvolvida pela turbina é:
Passo 6
O rendimento térmico do ciclo para o caso em que não há um regenerador
Resposta
A relação entre a potência necessária para acionar o compressor e a potência desenvolvida pela turbina é:
O rendimento térmico do ciclo para o caso em que não há um regenerador
Exercício Resolvido #5
Escola politécnica da cidade de São Paulo, Lista de ciclo de motores a ar, p. 22
Considere um ciclo de turbina a gás ideal com dois estágios de compressão e dois estágios de expansão. A razão de pressão em cada estágio do compressor e da turbina é de 3. O ar entra em cada estágio do compressor a 300K e em cada estágio da turbina a 1200K. Considerando calores específicos constantes, determine a relação entre a potência necessária para acionar o compressor e a potência desenvolvida pela turbina, assim como o rendimento térmico do ciclo para o caso em que há um regenerador com eficiência de 75%. Dados: ;
Passo 1
Primeiro é interessante colocar esse problema num diagrama para ser mais fácil de visualizar. Se lembra quando estamos trabalhando com mais de um estágio ele parece um serrote? Então vai ficar mais ou menos assim:
Agora, diferentemente do problema anterior o calor trocado entre e é o calor trocado no regenerador. Portanto, o cálculo do vai ser um pouquinho diferente.
Passo 2
Como os processos nos compressores e nas turbinas são isentrópicos a relação entre pressão e temperatura é dada por
Como nos foi dado a relação e um as temperaturas de entrada no compressor e na turbina, podemos achar a temperatura de saída de cada um.
Temos de lembrar, também que
Calculando a temperatura de saída do compressor
Passo 3
Vamos fazer a mesma coisa para a saída da turbina
Passo 4
Os cálculos da potência e calor todos dependem da variação da entalpia. Para o compressor e a turbina, por ser uma isentrópica, a variação da entalpia é igual a . O calor fornecido numa isobárica é dado, também, por . Como são duas turbinas e dois compressores:
Mas agora parte desse calor recebido pelo sistema é regenerado ou seja
E o calor regenerado é dado por
Passo 5
O rendimento térmico do ciclo para o caso em que há um regenerador de 75% de eficiência é
Resposta
O rendimento térmico do ciclo para o caso em que há um regenerador de 75% de eficiência é
Exercício Resolvido #6
Gordon Van Wylen, Richard Sonntag e Claus Borgnakke, Fundamentos da termodinâmica clássica, Tradução da 4ª ed. americana. São Paulo: Edgard Blucher, 1995, pp.265 – Exemplo 9.6
Ar entra no compressor, de um ciclo-padrão a ar Brayton (fechado), a 0,1 MPa e 15°C. A pressão na saída do compressor é de 1,0 MPa e a temperatura máxima no ciclo é 1100°C. Determine a pressão e atemperatura em cada ponto do ciclo, o trabalho no compressor, na turbina e o rendimento do ciclo. Dado:
Passo 1
É sempre bom começar o exercício pelo estado o qual temos mais informações, nesse caso seria o ponto 1 (entrada no compressor) pois sabemos a pressão e a temperatura.
Sempre iremos utilizar a primeira e segunda lei que fornecem, respectivamente as equações:
É necessário, também, lembrar da relação entre temperatura e pressão para isentrópicas:
Passo 2
Com isso podemos achar a temperatura do estado 2, lembrando que
E fica fácil achar o trabalho no compressor:
Passo 3
Agora vamos fazer a mesma coisa para a turbina:
E seguindo o mesmo raciocínio
Passo 4
Agora falta apenas calcular o
Pela primeira lei temos que
Passo 5
Substituir na equação da eficiência
Podemos verificar o resultado utilizando a fórmula
Resposta
Exercício Resolvido #7
Gordon Van Wylen, Richard Sonntag e Claus Borgnakke, Fundamentos da termodinâmica clássica, Tradução da 4ª ed. americana. São Paulo: Edgard Blucher, 1995, pp.271 – Exemplo 9.8
Um ciclo ideal a ar Brayton (fechado) opera com entrada no compressor a 0,1 MPa e 15°C. A pressão na saída do compressor é de 1,0 MPa e a temperatura máxima no ciclo é 1100°C. Sabendo que este ciclo é reversível e isotérmico calcule o trabalho consumido no compressor e gerado na turbina. Dado:
Passo 1
Como os processos são isotérmicos e reversíveis o trabalho pode ser calculado através da equação do trabalho de fluxo
Que ao utilizar a relação pode ser escrito da forma
Utilizando a relação
Passo 2
Vamos substituir essa equação no compressor
Passo 3
Agora vamos fazer a mesma coisa para a turbina:
É interessante observar que esse exercício trata do mesmo que o anterior, porém de forma reversível e por isso que o trabalho da turbina é superior.
Resposta
Exercício Resolvido #8
Gordon Van Wylen, Richard Sonntag e Claus Borgnakke, Fundamentos da termodinâmica clássica, Tradução da 4ª ed. americana. São Paulo: Edgard Blucher, 1995, pp.295 – Exercício 9.36.
Considere um ciclo padrão a a ar Brayton ideal onde a pressão e a temperatura do ae que entra no compressor são, respectivamente, iguais a 100 KPa e 20°C e a relação de pressão do compressor é de 12 para 1. A temperatura máxima desse ciclo é de 1100°C e a vazão d ar é igual a 10kg/s. Admitindo calor específico constante para o ar igual a e . Determine:
a) A eficiência deste ciclo.
b) O trabalho no compressor.
c) O trabalho gerado pela turbina.
Passo 1
Vamos anotar os dados fornecidos pelo problema:
- Para o compressor temos ; ;
- Temperatura máxima do ciclo
Passo 2
Se o problema pediu a eficiência, e deu a relação de pressão no compressor então é só substituir na equação:
Passo 3
A potência pode ser calculada como
Então basta saber as temperaturas de entra e saída do compressor para achar a potência. Como já sabemos a temperatura de entrada e temos, também, a relação de compressão podemos utilizar a relação de isentrópicas para achar a temperatura de saída e calcular a potência.
Substituindo na equação da potência
Passo 4
Agora para acharmos a temperatura da turbina utilizaremos o fato das relações entre temperaturas serem iguais:
Substituindo na equação da potência