O Ciclo Brayton Joule
História do Ciclo
Em 1872, o engenheiro americano George Bailey Brayton avançou no estudo de motores térmicos ao patentear um motor de combustão interna de pressão constante, inicialmente utilizando gás vaporizado, posteriormente substituído por combustíveis líquidos, como querosene. Este mecanismo térmico ficou conhecido como "Motor de Brayton". Dessa forma, o motor original de Brayton empregava um compressor de pistão e um expansor de pistão, em vez de uma turbina a gás e um compressor de gás.
Atualmente, os modernos motores de turbina a gás se enquadram na categoria de motores de calor com pressão constante; portanto, sua termodinâmica é descrita pelo ciclo de Brayton. De forma geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante.
Este ciclo é um dos mais comuns encontrados em usinas de turbinas a gás ou em aeronaves. Ao contrário do ciclo de Carnot, o ciclo de Brayton não realiza processos isotérmicos, pois estes devem ocorrer muito lentamente. Em um ciclo de Brayton ideal, o sistema que o executa passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.
Processos do Ciclo Braython
O ciclo de Braython é composto por quatro processos:
1. Compressão Adiabática Nesse processo, o fluido de trabalho (normalmente ar) é comprimido adiabaticamente dentro do compressor. A compressão é adiabática, o que significa que não há troca de calor com o ambiente durante o processo. Como resultado, a pressão e a temperatura do fluido aumentam, enquanto o volume diminui. O trabalho é realizado sobre o fluido para aumentar sua pressão.
2. Expansão Isobárica Após a compressão adiabática, o fluido comprimido entra na câmara de combustão, onde é adicionado combustível e queimado. A expansão subsequente ocorre de forma isobárica, o que significa que a pressão do fluido permanece constante durante a expansão. Durante esse processo, a temperatura do fluido aumenta significativamente devido à adição de calor da queima do combustível. Esse aumento de temperatura e volume do fluido é responsável por gerar energia mecânica.
3. Expansão Adiabática Após a expansão isobárica na câmara de combustão, o fluido de trabalho entra na turbina, onde sofre uma expansão adiabática. Nesse processo, o fluido expande-se enquanto realiza trabalho sobre as pás da turbina, convertendo energia térmica em energia mecânica. Durante a expansão adiabática, a temperatura e a pressão do fluido diminuem à medida que ele se expande para fora da turbina.
4. Compressão Isobárica Finalmente, o fluido de trabalho, agora a uma temperatura mais baixa após a expansão adiabática, entra no compressor novamente, onde é comprimido novamente, mas desta vez de forma isobárica. Durante a compressão isobárica, o trabalho é realizado sobre o fluido para aumentar sua pressão a um nível suficiente para reiniciar o ciclo. Esse processo prepara o fluido para retornar à câmara de combustão e iniciar novamente o ciclo de Brayton.
Cálculos e relações
Relação de compressão
A relação de compressão é a relação entre a pressão máxima e a pressão mínima no ciclo. É uma medida da eficiência do compressor. Geralmente é denotada como r e é dada por
onde:
P¹ é a pressão no ponto 1 (após a compressão) P² é a pressão no ponto 2 (após o aquecimento)
Eficiência Térmica
A eficiência térmica do ciclo de Brayton é uma medida da capacidade do ciclo de converter o calor adicionado em trabalho líquido. É a relação entre o trabalho líquido produzido pelo ciclo e o calor adicionado. Geralmente é denotada como:
$$ \eta = 1 - \frac{h_3}{h_2} $$ T1 e T3 são as temperaturas nos pontos 1 e 3 do ciclo, respectivamente.
Trabalho Líquido
O trabalho líquido é a quantidade de trabalho produzido pelo ciclo de Brayton. É a diferença entre o trabalho realizado durante a expansão na turbina e o trabalho necessário para comprimir o ar no compressor.
Rendimento O rendimento do ciclo de Brayton é a eficiência do ciclo na conversão de calor adicionado em trabalho líquido. É a relação entre o trabalho líquido e o calor adicionado.
Onde:
Tipos de Ciclo de Brayton
Ciclo aberto de Brayton
A maioria das turbinas a gás, como os motores a jato, é baseada no ciclo aberto de Brayton. Nesse ciclo, o ar da atmosfera é comprimido para uma pressão e temperatura mais altas pelo compressor. Na câmara de combustão, o ar é aquecido ainda mais pela queima da mistura combustível-ar no fluxo de ar. Os produtos e gases de combustão expandem-se na turbina até a pressão atmosférica (para motores que produzem energia mecânica ou elétrica) ou até a pressão exigida pelos motores a jato. O ciclo aberto de Brayton significa que os gases são descarregados diretamente na atmosfera.
Ciclo fechado de Brayton
No ciclo fechado de Brayton, o meio de trabalho (como hélio) recircula no circuito, e o gás expelido da turbina é reintroduzido no compressor. Nessas turbinas, geralmente é utilizado um trocador de calor (combustão externa), e apenas o meio limpo, sem produtos de combustão, viaja através da turbina elétrica. O ciclo fechado de Brayton é utilizado, por exemplo, em turbinas a gás de ciclo fechado e reatores refrigerados a gás de alta temperatura.
Ciclo reverso de Brayton – Ciclo de refrigeração de Brayton
Um ciclo de Brayton conduzido na direção inversa é conhecido como ciclo reverso de Brayton. Seu objetivo é transferir calor do corpo mais frio para o mais quente, em vez de produzir trabalho. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o quente sem que um trabalho externo seja realizado no sistema. O calor pode fluir do corpo mais frio para o mais quente, mas somente quando é forçado por um trabalho externo. É exatamente isso que os refrigeradores e bombas de calor realizam. Estes são acionados por motores elétricos que exigem trabalho do ambiente para operar. Um dos ciclos possíveis é o ciclo reverso de Brayton, similar ao ciclo normal de Brayton, mas operando ao contrário, com entrada líquida de trabalho. Esse ciclo também é conhecido como ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. É amplamente utilizado em aeronaves a jato para sistemas de ar condicionado que utilizam ar dos compressores do motor, bem como na indústria de GNL, onde o maior ciclo reverso de Brayton é utilizado para sub-resfriamento de GNL, empregando 86 MW de energia de um compressor acionado por turbina a gás e refrigerante de nitrogênio.
O ciclo de turbina a gás aberto pode ser modelado como um ciclo fechado, como mostra a Fig. 9–30, utilizando as hipóteses do padrão a ar. Aqui os pro-cessos de compressão e expansão permanecem os mesmos, mas o processo de combustão é substituído por um processo de fornecimento de calor a uma pressão constante a partir de uma fonte externa, e o processo de exaustão é substituído por
Diagrama PV do Ciclo Brayton-Joule
