Topicos integradores II CONTEXTUALIZADA

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ATIVIDADE CONTEXTUALIZADA DE TÓPICOS INTEGRADORES II 
O ciclo térmico de Brayton é um ciclo termodinâmico comumente usado em turbinas a gás. Ele consiste em quatro etapas principais: compressão, aquecimento, expansão e resfriamento. Dessa forma, vamos descrever cada etapa do ciclo e fornecer as equações dos balanços energéticos correspondentes.
Compressão: Nesta etapa, o ar ambiente é comprimido pelo compressor antes de entrar no combustor. Durante a compressão adiabática, a temperatura e a pressão do ar aumentam, enquanto o volume diminui. O balanço energético para esta etapa é dado por:
Entrada de energia no compressor = Trabalho do compressor
Qc = Wc
Combustão: No combustor, o ar comprimido é misturado com combustível e queimado a uma temperatura constante de combustão. A energia liberada pela queima do combustível aumenta a temperatura do gás de combustão. Nesta etapa, geralmente consideramos que ocorre um aquecimento isobárico. O balanço energético para esta etapa é dado por:
Entrada de energia no combustor = Calor fornecido pelo combustor
Qh = m * (h2 - h1)
Onde:
Qh: Calor fornecido pelo combustor
m: Taxa mássica de fluxo de gás
h1: Entalpia do ar de entrada
h2: Entalpia do gás de combustão
Expansão: O gás de combustão de alta temperatura e alta pressão expande através da turbina, realizando trabalho no eixo da turbina. Durante a expansão adiabática, a temperatura e a pressão diminuem, enquanto o volume aumenta. O balanço energético para esta etapa é dado por:
Trabalho da turbina = Saída de energia da turbina
We = -Wt
Resfriamento: Após a expansão na turbina, o gás de combustão quente é resfriado em um trocador de calor, transferindo calor para um meio refrigerante. Nesta etapa, geralmente consideramos que ocorre um resfriamento isobárico. O balanço energético para esta etapa é dado por:
Calor rejeitado pelo resfriador = Saída de energia do resfriador
Qr = m * (h4 - h3)
Onde:
Qr: Calor rejeitado pelo resfriador
h3: Entalpia do gás de combustão após a expansão
h4: Entalpia do gás de combustão após o resfriamento
Essas são as etapas principais do ciclo térmico de Brayton (compressor - combustor - turbina a gás) e os balanços energéticos correspondentes para cada etapa. Além disso, as duas leis da termodinâmica estão diretamente relacionadas ao ciclo de Brayton:
Primeira Lei da Termodinâmica (Conservação de Energia):
A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia total em um sistema isolado permanece constante. Com isso, o ciclo de Brayton obedece à primeira lei da termodinâmica, pois a energia fornecida ao sistema (trabalho do compressor e calor fornecido) é igual à energia útil produzida (trabalho da turbina) mais a energia rejeitada (calor rejeitado).
Segunda Lei da Termodinâmica (Princípio da Entropia):
A segunda lei da termodinâmica está relacionada com a irreversibilidade dos processos termodinâmicos e com a entropia. No ciclo de Brayton, a segunda lei da termodinâmica coloca algumas restrições na eficiência do ciclo. De acordo com a segunda lei, nenhum processo pode ocorrer em que a única interação seja a transferência de calor de uma fonte fria para uma fonte quente. Portanto, para o ciclo de Brayton operando em um ciclo fechado, é necessário um resfriamento para rejeitar o calor excedente e manter o ciclo viável.
Aplicações industriais:
O ciclo de Brayton é amplamente utilizado em aplicações industriais como uma forma eficiente de conversão de energia. Entre essas aplicações, temos:
Turbinas a gás: O ciclo de Brayton é a base para turbinas a gás e são usadas em usinas de energia, refinarias de petróleo, indústrias químicas e em muitas outras aplicações onde é necessária uma fonte de energia mecânica confiável e eficiente.
Propulsão de aeronaves: O ar é comprimido pelo compressor, aquecido na câmara de combustão e expandido na turbina, gerando trabalho para impulsionar a aeronave. O ciclo de Brayton permite altas taxas de empuxo e eficiência em turbinas a jato e motores de turbina.
Refrigeração por compressão de gás: O ciclo de Brayton é utilizado para remover o calor de um ambiente e fornecer resfriamento. Esse tipo de sistema é comumente encontrado em aplicações industriais que requerem refrigeração precisa, como a indústria química, farmacêutica e de alimentos.
Compressores de ar: O ciclo de Brayton é usado em compressores de ar industriais, onde o ar ambiente é comprimido para uma variedade de aplicações, como ferramentas pneumáticas, sistemas de controle de ar e fornecimento de ar em processos industriais. 
Cogeração: O ciclo de Brayton é aplicado em sistemas onde a energia térmica residual de um processo industrial é utilizada para gerar eletricidade. O calor rejeitado do ciclo de Brayton é recuperado e usado para alimentar um gerador de eletricidade, melhorando a eficiência global do sistema.
Analisando as vantagens e desvantagens desse tipo de ciclo, temos:
Vantagens:
O ciclo Brayton tem uma alta eficiência térmica. Durante a expansão isentrópica quando se gera trabalho, o ciclo pode converter uma quantidade significativa de energia térmica em trabalho mecânico útil.
Esse ciclo pode produzir alta potência específica, o que significa que pode gerar uma grande quantidade de energia em relação ao seu tamanho e peso. Isso torna o ciclo adequado para aplicações em turbinas a gás, jatos de aeronaves e usinas de energia.
Também, pode operar com uma variedade de combustíveis, incluindo gás natural, querosene, diesel e até mesmo hidrogênio. Isso oferece flexibilidade na escolha do combustível com base na disponibilidade e nas necessidades específicas do sistema.
Além disso, pode atingir sua velocidade de funcionamento máximo em um curto período de tempo. Isso torna o ciclo adequado para aplicações em que uma resposta rápida é necessária, como em aeronaves militares ou em sistemas de energia que precisam se adaptar rapidamente às demandas de carga.
Desvantagens:
O ciclo Brayton tende a ter uma eficiência menor em baixas cargas de operação. Isso ocorre porque a expansão isentrópica durante a geração de trabalho não é totalmente otimizada em cargas mais baixas, resultando em uma eficiência térmica reduzida.
Esse ciclo está limitado pela temperatura máxima que pode ser alcançada durante o processo de aquecimento a pressão constante. Essa limitação de temperatura pode restringir a eficiência do ciclo e sua capacidade de extrair energia térmica de fontes de alta temperatura.
Em muitas aplicações, como turbinas a gás, é necessário um sistema de resfriamento adicional para lidar com as altas temperaturas envolvidas no ciclo Brayton. Isso pode adicionar complexidade e custo ao sistema.
Embora o ciclo Brayton seja geralmente mais eficiente do que outros ciclos termodinâmicos, ele ainda produz emissões de gases quando combustíveis fósseis são utilizados. A poluição do ar e as emissões de gases de efeito estufa podem ser preocupações ambientais associadas ao ciclo Brayton.
Referências bibliográficas
https://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Brayton
https://www.youtube.com/watch?v=D0bdWQoAJJA
http://www.fem.unicamp.br/~franklin/EM884/pdf/turbina_gas_ciclos.pdf
http://www.engmec.riogrande.ifrs.edu.br/repositorio/marco.rahn/Sistemas%20e%20Processos%20Termodin%C3%A2micos/AULA%2011.pdf