ATIVIDADE CONTEXTUALIZADA-TOPICOS INTEGRADORE 2

Prévia do material em texto

TÓPICOS INTEGRADORES II - D1.20231.C 
 
Aline Moraes dos Santos 
01505167 
Engenharia Elétrica 
 
CASE: Fundamentado (a) nos conceitos e equacionamentos da termodinâmica 
avançada, aos quais fornecem inúmeras relações entre as oito funções de 
estado termodinâmicas, pesquise em livros e na web sobre o ciclo térmico de 
Brayton (compressor - combustor – turbina a gás) e formule os balanços 
energéticos de cada etapa do ciclo. 
Lembro a você que as etapas do ciclo de Brayton, (que em alguns livros mais 
antigos encontra-se com a denominação de ciclo de Joule), sempre envolvem 
ou geração de calor ou de potência. Sendo assim, relacione as duas leis da 
termodinâmica com o ciclo de Brayton. 
Além disso, ao final da atividade, é importante que você aponte aplicações 
industriais deste tipo de máquina Brayton. Lembre-se que todo bom engenheiro 
realiza a análise das vantagens e desvantagens sobre métodos e equipamentos 
utilizados. Portanto, também apresente quais seriam as vantagens e 
desvantagens desse tipo de ciclo. 
 
DESENVOLVIMENTO: 
O ciclo térmico de Brayton é um ciclo termodinâmico muito utilizado na indústria 
de energia, especialmente em turbinas a gás. Esse ciclo consiste em quatro 
etapas principais: compressão, adição de calor, expansão e rejeição de calor. 
Cada etapa desempenha um papel fundamental no processo de conversão de 
energia térmica em trabalho mecânico. Vamos analisar cada uma dessas etapas 
e formular os balanços energéticos correspondentes. 
A primeira etapa do ciclo é a compressão, na qual o fluido de trabalho é 
comprimido por um compressor. Nessa etapa, o trabalho é realizado sobre o 
fluido, aumentando sua pressão e temperatura. O balanço energético para essa 
etapa é dado pela equação: 
Wcomp = h2 - h1, 
Onde, Wcomp representa o trabalho realizado pelo compressor, h2 é a entalpia 
do fluido após a compressão e h1 é a entalpia do fluido antes da compressão. O 
trabalho realizado pelo compressor é positivo, indicando a adição de energia ao 
sistema. 
Na segunda etapa, ocorre a adição de calor ao fluido comprimido sendo 
realizado no combustor, onde o combustível é queimado em uma reação 
exotérmica. O calor é transferido para o fluido, incrementando sua temperatura 
e pressão. O balanço energético para essa etapa é dado pela equação: 
Qcomb = h3 - h2, 
Onde, Qcomb representa o calor adicionado ao sistema no combustor, h3 é a 
entalpia do fluido após a adição de calor e h2 é a entalpia do fluido antes da 
adição de calor. O calor adicionado ao sistema é positivo, indicando a adição de 
energia térmica. 
A terceira etapa é a expansão, onde o fluido quente e pressurizado passa por 
uma turbina, gerando trabalho mecânico. Durante essa etapa, a energia térmica 
do fluido é transformada em trabalho. O balanço energético para essa etapa é 
dado pela equação: 
Wturb = h4 - h3, 
Onde, Wturb representa o trabalho realizado pela turbina, h4 é a entalpia do 
fluido antes da expansão e h3 é a entalpia do fluido após a adição de calor. O 
trabalho realizado pela turbina é negativo, indicando a extração de energia do 
sistema. 
A última etapa é a rejeição de calor, na qual o fluido resfria e retorna ao seu 
estado inicial de baixa pressão e temperatura. Durante essa etapa, o calor é 
transferido do fluido para o ambiente circundante. O balanço energético para 
essa etapa é dado pela equação: 
Qrej = h1 - h4, 
Onde Qrej representa o calor rejeitado pelo sistema, h1 é a entalpia do fluido 
antes da compressão e h4 é a entalpia do fluido antes da expansão. 
Ao combinar os balanços energéticos das quatro etapas, é possível obter uma 
visão abrangente do ciclo de Brayton e calcular a eficiência térmica do processo. 
A eficiência térmica é definida como a razão entre o trabalho líquido produzido 
(Wnet = Wturb - Wcomp) e o calor adicionado (Qcomb) ao sistema: 
η = Wnet / Qcomb. 
As duas leis da termodinâmica são fundamentais para entender o ciclo Brayton 
e sua relação com a geração de calor e potência. 
1ª Lei da Termodinâmica: Também conhecida como a lei da conservação da 
energia, essa lei estabelece que, a energia total de um sistema isolado 
permanece constante, podendo apenas ser convertida de uma forma para outra. 
No ciclo de Brayton, essa lei é aplicada em todas as etapas do ciclo, garantindo 
que a energia total do sistema permaneça constante. 
2ª Lei da Termodinâmica: A segunda lei da termodinâmica está relacionada 
com a direção do fluxo de calor e com a eficiência de conversão de energia 
térmica em trabalho. Essa lei estabelece que, em um sistema fechado, o calor 
flui naturalmente de uma fonte quente para uma fonte fria, e não ocorre 
espontaneamente o fluxo reverso de calor. No ciclo de Brayton, essa lei é 
relevante na etapa de adição de calor no combustor e na rejeição de calor na 
última etapa do ciclo. 
O ciclo Brayton tem diversas aplicações industriais devido a suas características 
e capacidades de geração de energia. Entre essas aplicações, temos: 
 Turbinas a Gás: As turbinas a gás são uma das aplicações mais comuns do 
ciclo de Brayton na indústria. Elas são usadas para gerar energia mecânica a 
partir da expansão de gases quentes em uma turbina. 
 Ciclos de Combustão Externa: O ciclo de Brayton também é usado em ciclos 
de combustão externa, nos quais a adição de calor ocorre em uma câmara 
externa à turbina. Esses ciclos são aplicados em sistemas de cogeração, nos 
quais a energia térmica gerada na turbina é utilizada tanto para a geração de 
eletricidade como para suprir necessidades de aquecimento em processos 
industriais ou em sistemas de aquecimento urbano. 
 Propulsão de Aeronaves: Os motores a jato utilizam o princípio do ciclo de 
Brayton para comprimir o ar ambiente, adicionar calor através da queima de 
combustível e expandir os gases resultantes na turbina, produzindo um jato 
de alta velocidade que gera empuxo e impulsiona a aeronave. 
 Ciclos de Refrigeração a Gás: O ciclo de Brayton também é empregado em 
ciclos de refrigeração a gás. Nesses sistemas, o ciclo é invertido, onde um 
gás é comprimido, resfriado e expandido, resultando na retirada de calor do 
ambiente. 
O ciclo Brayton apresenta várias vantagens e desvantagens que devem ser 
consideradas ao avaliar sua aplicação. Vamos apresentar as principais 
vantagens e desvantagens do ciclo Brayton: 
Vantagens: 
 Devido à expansão adiabática isentrópica na turbina, que maximiza a 
conversão de energia térmica em trabalho mecânico, o ciclo de Brayton possui 
uma eficiência térmica relativamente alta quando comparado a outros ciclos 
termodinâmicos, como o ciclo de Carnot. 
 As turbinas a gás baseadas no ciclo de Brayton são compactas e possuem 
uma alta relação de potência gerada em relação ao seu peso, o que as torna 
adequadas para aplicações aeroespaciais e de geração de energia móvel. 
 O ciclo Brayton é flexível na escolha do combustível, pode ser alimentado com 
gás natural, óleo combustível, carvão, biogás e até mesmo hidrogênio. 
 O ciclo Brayton tem a capacidade de fornecer uma resposta rápida às 
variações de carga. 
 
Desvantagens: 
 Em temperaturas mais baixas, a eficiência pode diminuir 
consideravelmente. 
 O ciclo Brayton, especialmente em aplicações de turbinas a gás, pode 
gerar emissões de gases de escape, como óxidos de nitrogênio (NOx), 
contribuindo com a poluição do ar e o efeito estufa. 
 A implementação do ciclo Brayton envolve componentes complexos e de 
alto custo, como compressores, turbinas, câmaras de combustão e 
sistemas de resfriamento. 
 As turbinas a gás baseadas no ciclo de Brayton requerem uma 
manutenção regular e cuidadosa, o que pode resultar em custos 
adicionais e tempo de inatividade do sistema. 
 
 
 
REFERÊNCIAS: 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Brayton 
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4146743/mod_resource/content/2/Ciclo
s%20motores%20a%20ar.pdf 
https://www.thermal-engineering.org/pt-br/o-que-e-o-ciclo-de-brayton-motor-de-
turbina-a-gas-definicao/