Influenciadeparametros Monografia

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Universidade Federal do Rio Grande do Norte 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PEDRO RAFAEL LIMA VIEIRA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS OPERACIONAIS SOBRE A EFICIÊNCIA DO 
CICLO BRAYTON EM TURBINAS A GÁS ESTACIONÁRIAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NATAL 
2016 
 
 
 
PEDRO RAFAEL LIMA VIEIRA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS OPERACIONAIS SOBRE A EFICIÊNCIA DO 
CICLO BRAYTON EM TURBINAS A GÁS ESTACIONÁRIAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Trabalho de Conclusão de Curso de 
Engenharia Química da Universidade Federal 
do Rio Grande do Norte, realizado sob a 
orientação do prof. Gilson Gomes de 
Medeiros. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NATAL 
2016 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico este trabalho à minha família, que sempre esteve 
presente em todas as etapas da minha vida, e a todo o 
corpo docente do curso de Engenharia Química, em 
especial ao professor Gilson Gomes de Medeiros.
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
 
 
 Agradeço à minha família, que sempre esteve presente e dando apoio em 
todas as decisões da minha vida; 
 
 Ao corpo docente do curso de Engenharia Química da Universidade Federal 
do Rio Grande do Norte, pelos anos de comprometimento em repassar seu 
conhecimento com qualidade e dedicação; 
 
 Ao professor Gilson Gomes de Medeiros, pelo seu tempo empregado em me 
orientar em cada etapa dessa pesquisa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Há uma forca motriz mais poderosa que o vapor, 
a eletricidade e a energia atômica: a vontade. 
 
Albert Einstein 
 
 
RESUMO 
 
Entre os anos de 2001 e 2002, o Brasil sofreu sua maior crise energética, devido à falta 
de planejamento de seus recursos hídricos, que culminou nos apagões. Esse choque 
levou o país a buscar novas fontes de energia. Entre elas se destaca a termoelétrica 
que atualmente responde por 30,3% da oferta de energia no Brasil, segundo o boletim 
mensal de monitoramento do sistema elétrico brasileiro. O processo de produção de 
energia através das termelétricas tem duas vertentes principais (mas não únicas): os 
sistemas de potência com turbina a vapor e com turbina a gás. Há ainda a 
possibilidade de se ter um ciclo combinado desses dois sistemas. Para o sistema com 
turbina a gás, objeto deste trabalho, a análise termodinâmica se fundamenta na 
proposta de um ciclo conhecido como ciclo Brayton, que possui a configuração padrão 
e diversas variantes que buscam uma melhor eficiência térmica. Aqui, foram estudados 
os efeitos das variáveis operacionais para o ciclo Brayton básico, regenerativo não 
ideal, com reaquecimento entre duas turbinas em série, com dupla compressão e inter-
resfriamento, com o intuito de investigar a influência desses parâmetros para se 
trabalhar com cada configuração de maneira a se atingir a maior eficiência. Dentre os 
ciclos estudados, o ciclo Brayton básico se mostrou o mais peculiar quanto à falta de 
sensibilidade ao se modificar a variável de temperatura da corrente de entrada no ciclo 
e da corrente de entrada na turbina, mantendo sempre a mesma eficiência, de 
aproximadamente 44,8%, quando esses parâmetros foram alterados. O ciclo Brayton 
básico também foi o único a apresentar um decréscimo na eficiência com o aumento da 
pressão na corrente de entrada. Já o ciclo Brayton com duas turbinas em série foi o 
único beneficiado com o aumento da temperatura da corrente de entrada do processo. 
Com os dados obtidos nesse trabalho, foi possível fazer um ranking geral dos ciclos a 
partir do que apresentaram em termos de eficiência. 
 
 
Palavras Chave: Ciclo Brayton; Eficiência; Energia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ABASTRACT 
 
Between the years of 2001 to 2002, Brazil has suffered its greatest energetic crisis due 
the lack of planning with its hydraulic resources, which lead to the blackouts. The jolt 
made the country pursuit new kinds of energy sources. Among them stands out the 
thermoelectric energy, which currently represents 30.3 % of the power supply in Brazil 
offer, according to the Brazilian monthly bulletin of electrical system monitoring. The 
process of producing energy through thermoelectric power plants has two main strands 
(but not only): The power system with the steam turbine and gas turbine. There is also 
the possibility of having a combined cycle of those two systems. For the system with 
gas turbine, which is the object of study of this research, the thermodynamics analysis 
are based on the proposal of a cycle known as Brayton cycle, which has its standard 
configuration and many other variations that seeks a better thermal efficiency. The 
effects of operational variables were studied for basic Brayton cycle, non-ideal Brayton 
regenerative cycle, Brayton cycle with reheating between two turbines in series, Brayton 
cycle with double compression and inter-cooling and regenerative Brayton cycle with 
reheating and inter-cooling; in order to investigate the influence of those parameters to 
work with each of those configurations so that the best efficiency can be achieved. 
Among the cycles studied, the basic Brayton cycle has shown to be the most peculiar 
regarding the lack of sensibility when the variables of temperature were changed for the 
stream entering the process and the stream entering the turbine, maintaining the same 
efficiency, approximately 44,8%, when modified. The basic Brayton cycle has also been 
the only to show an efficiency decrease when the pressure were increased in the 
stream entering the cycle. On the other hand, the Brayton cycle with reheating between 
two turbines in series was the only one improved when raising the temperature of the 
stream entering the process. With the data obtained in this research, it was possible to 
make a rank of the cycles with the best efficiency. 
 
Key words: Brayton cycle; efficiency; energy 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................................ 1 
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................................................................. 3 
2.1. Turbina de combustão interna ou turbina a gás ......................................................................................... 3 
2.2. Ciclos de Potência e o Ciclo Brayton ............................................................................................................ 4 
3. METODOLOGIA ..................................................................................................................................................... 6 
3.1. Ciclo Brayton básico .................................................................................................................................... 6 
3.1.1. Equações ................................................................................................................................................. 8 
3.2. Ciclo Brayton regenerativo .......................................................................................................................... 8 
3.2.1. Equações ............................................................................................................................................... 103.3. Ciclo Brayton com dois compressores em série e inter-resfriamento ...................................................... 11 
3.3.1. Equações ............................................................................................................................................... 12 
3.4. Ciclo Brayton com duas turbinas em série ................................................................................................ 12 
3.4.1. Equações ............................................................................................................................................... 13 
3.5. Ciclo Brayton regenerativo com reaquecimento e inter-resfriamento ..................................................... 13 
3.5.1. Equações ............................................................................................................................................... 15 
3.6. Eficiência global ......................................................................................................................................... 15 
4. Resultados ........................................................................................................................................................... 16 
4.1. Ciclo Brayton básico .................................................................................................................................. 16 
4.1.1. Variação do Ta ....................................................................................................................................... 16 
4.1.2. Variação do Tc ........................................................................................................................................ 16 
4.1.3. Variação do Pb e do Pc............................................................................................................................ 17 
4.1.4. Variacoes de Pa e Pd ............................................................................................................................... 18 
4.2. Ciclo Brayton regenerativo ideal ............................................................................................................... 18 
4.2.1. Variação do Ta ....................................................................................................................................... 18 
4.2.2. Variação de Tc ........................................................................................................................................ 19 
4.2.3. Variação de Pb e Pc ................................................................................................................................ 19 
4.2.4. Variação de Pa e Pd ................................................................................................................................ 20 
4.3. Ciclo Brayton com dois compressores ....................................................................................................... 20 
4.3.1. Variação do Ta ....................................................................................................................................... 20 
4.3.2. Variação do Tc ........................................................................................................................................ 21 
4.3.3. Variação de Pb e Pc ................................................................................................................................ 21 
4.3.4. Variação de Pa e Pd ................................................................................................................................ 22 
4.4. Ciclo Brayton com duas turbinas em série ................................................................................................ 22 
4.4.1. Variação do Ta ....................................................................................................................................... 22 
4.4.2. Variação do Tc ........................................................................................................................................ 23 
4.4.3. Variação de Pb e Pc ................................................................................................................................ 23 
4.4.4. Variação de Pa e Pd ................................................................................................................................ 24 
4.5. Ciclo Brayton regenerativo com reaquecimento e inter-resfriamento ..................................................... 24 
4.5.1. Variação do Ta ....................................................................................................................................... 24 
 
 
4.5.2. Variação do Tf ........................................................................................................................................ 25 
4.5.3. Variação de Pa, Pi e Pj ............................................................................................................................ 25 
4.5.4. Variação de Pb e Pc ................................................................................................................................ 25 
4.5.5. Variação de Pd, Pe e Pf ........................................................................................................................... 26 
5. Discussão ............................................................................................................................................................. 27 
6. CONCLUSÃO ........................................................................................................................................................ 31 
REFERÊNCIAS ............................................................................................................................................................... 32 
 
 
1 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
No Brasil, o consumo de energia elétrica segue uma tendência de crescimento 
quase que contínuo. No entanto, o crescimento na geração, transferência e distribuição 
desta energia não consegue acompanhar o ritmo da demanda energética de igual para 
igual (Bardelin, 2004). Tal incapacidade de suprir essa demanda culminou na 
ocorrência dos apagões e no racionamento energético imposto pelo governo para 
suprimir o déficit entre a geração e o consumo de energia, entre junho de 2001 a 
fevereiro de 2002. 
Grande parte do problema se deu pela forte participação das usinas 
hidroelétricas na matriz energética do país, o que é muito arriscado, uma vez que elas 
dependem diretamente dos índices pluviométricos. A geração de energia elétrica no 
Brasil quase que unicamente a partir dos recursos hidráulicos já vinha sendo 
insuficiente para atender às necessidades do sistema produtivo e ao crescente 
desenvolvimento industrial. Fazia-se urgente que o país implementasse uma 
diversificação na sua matriz energética, com o intuito de diminuir cada vez mais sua 
dependência numa única fonte de energia elétrica. 
Após ser abalado pelos acontecimentos, o país foi forçado a procurar outras 
saídas para superar o déficit energético. A saída, a longo prazo, foi a diversificação do 
setor de geração elétrica, em especial com as usinas térmicas, para absorver essa 
demanda em horários de pico ou quando as os mananciais apresentarem níveis muito 
baixos. 
Entre as possíveis plantas de geração termoelétrica a serem implantadas, 
principalmente os sistemas de potência com turbina a vapor, com motor alternativo e 
com turbina a gás, houve uma opção decisiva por este último, sempre que possível 
com a alternativa de construção de um ciclo combinado de turbinas a gás e a vapor, 
em uma proposta de cogeração. 
A escolha das turbinas a gás foi influenciada, entre outras razões, pela 
necessidade de se construir plantasde geração próximas a grandes centros 
populacionais (MORISHITA, 2015), e pela disponibilidade desse recurso (o gás natural 
combustível), que até aquela era subutilizado, não obstante oferecer vantagens 
econômicas e ambientais, já que emite baixos índices de poluentes. 
2 
 
Apesar de as termoelétricas oferecerem uma opção viável para a diversificação 
da matriz energética, elas encarecem o preço da energia, pois, diferentemente das 
hidroelétricas, necessitam da queima de algum combustível fóssil, que está atrelado ao 
preço do dólar. 
Esse estudo foi diretamente influenciado pelo atual preço de produção da 
energia em termoelétricas. Uma das maneiras de baratear custos é aumentar a 
eficiência no processo de produção dessa energia. Sendo assim, foi estudada a 
influência particular de alguns parâmetros, como temperaturas e pressões em 
diferentes etapas do processo produtivo de energia elétrica por sistemas com turbinas 
a gás (sem cogeração) baseados em variações do ciclo Brayton (ciclo teórico de 
avaliação termodinâmica do funcionamento de uma turbina a gás), O ciclo Brayton 
teórico mantém o fluido em uma única fase durante todo o processo (MORISHITA, 
2015), além de oferecer outras vantagens como a alta confiabilidade, versatilidade 
quanto aos combustíveis que podem ser utilizados e apresentar rendimento maior que 
motores que operam a ciclo Diesel e ciclo Otto (BATISTA, 2011). Neste trabalho, o 
objetivo foi identificar os melhores valores a serem usados na configuração do 
processo de maneira a alcançar a melhor eficiência global. 
 
3 
 
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
 
2.1. Turbina de combustão interna ou turbina a gás 
 
Uma turbina a gás, mostrada simplificadamente na Figura 1, é uma máquina de 
combustão interna, formada basicamente por um compressor de ar, câmara(s) de 
combustão e a turbina propriamente dita. 
 
Figura 1 - Turbina a gás aeroderivada. 
 
Fonte: The American Heritage Dictionary of the English Language (2013). 
 
O ar atmosférico é aspirado do meio ambiente e comprimido pelo compressor, 
sendo depois injetado nas câmaras de combustão, onde é misturado ao combustível 
(muito comumente, e até preferencialmente, gás natural). Esta mistura é queimada, 
formando os gases de combustão (principalmente gás carbônico e vapor de água) com 
alta energia para impulsionar a turbina, e depois os gases são liberados para a 
atmosfera (Gomes, 2010). 
Na combustão, a energia química do combustível fóssil é transformada em 
energia térmica, que, a seguir, se transforma em energia mecânica de rotação no eixo da 
turbina, que comumente é também o eixo do compressor. Assim, o equipamento possui 
um torque de saída capaz de produzir trabalho, seja para acionamento de geradores 
para produção de energia elétrica ou para acionar outros equipamentos secundários. 
Nem toda energia produzida no conjunto é entregue externamente. Uma 
parcela considerável é utilizada para acionar o próprio compressor de ar. De todo o 
trabalho desenvolvido pela turbina, cerca de dois terços são utilizados para acionar o 
4 
 
compressor e perdidos pela exaustão sob a forma de calor, e apenas um terço é 
aproveitado para a conversão de energia mecânica em energia elétrica. 
As turbinas a gás são projetadas com diferentes designs e dimensões bastante 
variáveis, em função da finalidade a que se destina, por exemplo, para propulsão 
(chamadas de turbinas aeroderivadas, como a mostrada na Figura 1) ou para geração 
de potência (também conhecidas como estacionárias), que tem mais frequentemente a 
aparência do equipamento mostra na Figura 2, abaixo. 
 
Figura 2 - Turbina a gás estacionária. 
 
 
Fonte: López, J., s/d 
 
2.2. Ciclos de Potência e o Ciclo Brayton 
 
Máquinas térmicas são processos em que a energia térmica venha a ser 
transformada em energia mecânica. Esse conceito engloba vários ciclos produtores de 
energia, ou ciclos de potência, entre os quais temos: ciclo de Carnot, ciclo Rankine, 
ciclo Otto, ciclo Diesel e ciclo Brayton. 
O objeto de estudo nesta pesquisa foi o ciclo Brayton, que, como já foi dito, 
aplica-se à análise termodinâmica do processo realizado pela turbina de combustão 
interna a gás. Essa análise se fundamenta em um ciclo teórico, denominado ciclo 
padrão a ar, cujo comportamento não se afasta significativamente do ciclo real e, por 
outro lado, simplifica os cálculos. Algumas considerações importantes são feitas na 
concepção do ciclo padrão: 
5 
 
1. Como fluido operante no ciclo, têm-se uma massa fixa de ar, ou seja, a 
vazão mássica de fluido é constante desde a entrada até a saída do ciclo. 
2. O ar é considerado como gás perfeito (ideal), com calor específico constante 
– usando-se, nos cálculos, CP = 1,0 kJ/(kg.K), conforme é indicado na literatura (e.g.: 
ALMEIDA, 2004). 
3. A reação de queima entre o combustível (gás natural) e o ar, gerando 
produtos como gás carbônico e vapor de água, é substituída pela absorção de calor 
pelo ar, a partir de uma fonte externa. 
4. A compressão e a expansão são consideradas como processos isentrópicos, 
atribuindo-se, para o ar, o coeficiente isentrópico (relação entre os calores específicos 
a pressão constante e a volume constante) igual a 1,4 (VAN NESS et al., 2007). 
A principal simplificação se dá pela consideração de ar como único fluido de 
trabalho, evitando-se a complexidade de se trabalhar com mudanças de composição 
durante o processo. Com essas hipóteses, a análise do processo tem caráter 
qualitativo (o valor calculado para a eficiência termodinâmica do ciclo é diferente do 
valor real), mas esse critério possibilita investigar corretamente a influência das 
diversas variáveis sobre a eficiência do ciclo. No item 3, serão apresentadas as etapas 
do ciclo Brayton básico e de suas configurações alternativas. 
A partir desse ciclo básico, mudanças podem ser feitas para aperfeiçoar o 
processo visando o aumento de eficiência. A partir dele, para se melhorar 
qualitativamente o processo, podem-se adicionar mais turbinas ou compressores em 
série, com reaquecedores entre as turbinas ou inter-resfriadores entre os 
compressores, como também pode se introduzir um regenerador para recuperar parte 
da energia térmica que é liberada junto com os gases de exaustão. 
Além disso, há que se destacar que os sistemas que promovem a cogeração 
de energia elétrica a partir dos ciclos Brayton e Rankine combinados também são muito 
importantes para aumentar a eficiência da produção de energia elétrica ou mecânica a 
partir da queima de um combustível. Os ciclos combinados recuperam o calor dos 
gases de exaustão da turbina a gás para fazer funcionar uma geração com turbina a 
vapor. Contudo, a sua análise extrapola o escopo do que se propõe estudar no 
presente trabalho. 
 
6 
 
3. METODOLOGIA 
 
Para cada uma das configurações do ciclo Brayton (o básico e suas 
modificações), foram variados os parâmetros de temperatura e pressão em diferentes 
etapas do processo. Cada parâmetro foi variado em três valores, um menor e um maior 
que o valor de início (considerado um valor aproximadamente típico da operação das 
turbinas reais), para avaliar a tendência do rendimento do ciclo a partir dessas 
variações. Ao ser variado um parâmetro, todos os demais foram mantidos constantes 
para se avaliar o efeito individual da mudança em estudo sobre a eficiência global do 
processo. Para os cálculos, foram tomadas, na vasta bibliografia disponível sobre o 
assunto, as equações necessárias para todas as configurações, as quais foram 
introduzidas no software Microsoft Excel. A compressão e expansão foram 
consideradas isentrópicas em todos os casos em estudo. 
A seguir, são descritosos processos em cada configuração e mostradas as 
equações que foram utilizadas para os diversos cálculos que possibilitaram estimar a 
eficiência global, no presente trabalho. 
 
3.1. Ciclo Brayton básico 
As etapas do ciclo Brayton mais simples, ou básico, correspondem ao processo 
já descrito no item 2.1 para a operação da turbina a gás, e que podem ser 
acompanhadas por meio do esquema e do diagrama PV mostrados na Figura 3. 
O primeiro estágio do processo (ab) é a compressão isentrópica de ar que, 
uma vez pressurizado, segue para o(s) combustor(es), onde ocorre a queima, aqui 
considerada como uma absorção isobárica do calor (Qent), correspondente à 
quantidade de calor produzida pela combustão no processo real (estágio bc). Na 
turbina (estágio cd), os gases produzidos na queima passam por uma expansão 
isentrópica, fazendo girar a turbina e produzindo trabalho mecânico. Por fim, ocorre o 
resfriamento isobárico do ar (da), correspondente à expulsão do exausto quente e à 
captação de novas porções de ar à temperatura ambiente. 
7 
 
Figura 3 - Ciclo Brayton e respectivo diagrama PV. No diagrama da esquerda, C: 
compressor; CC: câmara de combustão ou combustor; T: turbina. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
Para realizar as estimativas pretendidas, consideramos, para todos os ciclos, 
valores médios típicos do processo da turbina a gás como ponto de partida. Assim, 
para o ar entrando no compressor, foi considerada a pressão atmosférica (1 atm), 
como é a situação usual, uma vez que ele é captado do meio ambiente, e a 
temperatura de 300 K, também um valor médio razoável, tendo em vista as condições 
climáticas brasileiras. 
A temperatura de início da expansão (ponto c), que é o de maior temperatura e 
de maior pressão no ciclo, é, em geral, fixada por considerações metalúrgicas, relativas 
à resistência térmica do material de que é construída a turbina, principalmente as suas 
palhetas (VAN WYLEN et al., 2007). Por outro lado, sabe-se que, quanto mais elevada 
for a temperatura dos gases de combustão na saída do combustor, maior a energia útil 
e a eficiência do processo (SMITH et al., 2007). A evolução da tecnologia dos materiais 
tem permitido a elevação dessa temperatura máxima admissível, que não chegava a 
1000 ºC no início dos anos 70 mas já atingia 1260 ºC vinte anos depois (BATHIE, 
1996). Por essas razões, adotou-se, neste trabalho, o valor médio de 1300 K para a 
temperatura no ponto c. 
O valor de início para Ta foi, então, de 300 K, variando positivamente e 
negativamente em 10 K; para Tc, o valor de início foi 1300 K, variando em 100 K 
positiva e negativamente. Já as pressões tiveram os seguintes valores de início: 
Pa = Pd = 1 atm; e Pb = Pc = 8 atm, sendo esses valores de pressões correspondentes 
aos valores intermediários de turbinas reais, como as turbinas em operação na Bacia 
de Campos (Braga, 2013) . As variações de Pa e Pd foram de apenas 0,1 atm para mais 
8 
 
ou para menos, dadas as pequenas variações da pressão atmosférica. Já para a 
pressão máxima do ciclo (nos ponto b e c), foram aplicadas variações de º4 atm, 
simulando compressões de menor e de maior intensidade. 
3.1.1. Equações 
As equações usadas nesta e nas demais configurações são quase todas 
disponíveis na vasta literatura sobre turbinas a gás, como, por exemplo, SMITH et al., 
(2007) e VAN WYLEN et al. (2007). Quando necessário, deduções simples foram 
realizadas a partir dos tratamentos matemáticos (somente algébricos) já conhecidos. 
Nos cálculos relacionados aos processos de compressão (ab) e expansão (cd), foi 
usado o coeficiente isentrópico Para todas as configurações, a eficiência global foi 
calculada pela mesma equação, mostrada no item 3.6. Para todas as equações a 
seguir,  é dado pela relação entre o calor específico a pressao constante e o calor 
especifico a volume constante (Cp/Cv). 
a) Temperatura da corrente que sai do compressor (Tb): 
𝑇𝑏 = 𝑇𝑎 (
𝑃𝑏
𝑃𝑎
)
( −1)

(Eq.1) 
b) Temperatura da corrente que sai da turbina (Td): 
𝑇𝑑 = 𝑇𝑐 (
𝑃𝑑
𝑃𝑐
)
(𝛾−1)
𝛾
(Eq.2) 
c) Trabalho do compressor (Wcomp): 
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 = −𝐶𝑝 (𝑇𝑏 − 𝑇𝑎) (Eq.3) 
d) Trabalho da turbina (Wexp): 
𝑊𝑒𝑥𝑝 = −𝐶𝑝 (𝑇𝑑 − 𝑇𝑐) (Eq.4) 
e) Calor que entra no processo (Qent): 
𝑄𝑒𝑛𝑡 = 𝐶𝑝 (𝑇𝑐 − 𝑇𝑏) (Eq.5) 
f) Calor que deixa o processo (Qsai): 
𝑄𝑠𝑎𝑖 = 𝐶𝑝 (𝑇𝑎 − 𝑇𝑑) (Eq.6) 
 
3.2. Ciclo Brayton regenerativo 
A eficiência global do ciclo Brayton básico é, em geral, baixa, dado que os gases 
de exaustão são liberados para o meio ambiente com elevada entalpia. Para aumentar 
essa eficiência, pode-se aproveitar esta energia, pois a temperatura da descarga da 
turbina é sempre superior à temperatura de descarga do compressor e, com a 
9 
 
introdução de um regenerador, que nada mais é do que um trocador de calor em 
contracorrente, o calor pode ser transferido de uma corrente para outra, conforme 
mostra a Figura 4. A essa configuração, dá-se o nome de ciclo Brayton regenerativo. 
 
Figura 4- Ciclo Brayton regenerativo. 
 
 Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
No ciclo regenerativo, a corrente de entrada (ponto a) passa pelo compressor, 
de onde o ar sai pressurizado (ponto b) e irá ganhar calor ao passar pelo regenerador, 
calor este transferido pela corrente de exaustão que deixa a turbina (no ponto d). 
A análise termodinâmica de um ciclo regenerativo compreende duas 
possibilidades, uma com o emprego de um regenerador ideal, de tal forma que, ao 
atingir a entrada do combustor (ponto x), o ar estará à mesma temperatura que a 
corrente que vem da turbina (Tx = Td); e outra, com um regenerador não ideal, que 
possibilitará a troca de calor entre as correntes, porém com perdas para o ambiente, de 
forma que Tx seja maior do que Tb, porém menor que Td. Neste ponto, será analisada 
apenas a segunda opção, visto que é mais compatível com os ciclos reais. Porém. 
Para o ciclo regenerativo com inter-resfriamento e reaquecimento (que será descrito 
mais adiante), escolhemos um regenerador ideal para simplificar um pouco os cálculos. 
Em seguida, o fluxo de ar irá passar pelo combustor (onde, no ciclo real, mistura-
se com o gás natural e aí ocorre a queima), saindo com a temperatura bastante 
10 
 
elevada (ponto c, mais uma vez o de maior temperatura do ciclo) e passando na 
turbina, onde sefre expansão e transfere energia para o eixo, fazendo-o girar. A 
descarga da turbina (ponto d) é a corrente residual que ainda estará a uma temperatura 
alta e, como explicado acima, passará pelo regenerador no sentido inverso e sairá com 
sua temperatura reduzida (Ty < Td). 
Como a temperatura na entrada do combustor é aumentada pelo uso do 
regenerador, o aumento de temperatura no processo passa a ser T = Tc – Tx, que é 
menor que Tc – Tb. Ou seja, a quantidade de calor gerada na queima poderá ser menor 
(o consumo de combustível será reduzido), causando um impacto positivio sobre a 
eficiência global. 
Os valores das temperaturas e pressões nos diversos pontos do ciclo 
regenerativo (a, b, c e d) foram os mesmos do ciclo Brayton básico, assim como as 
variações implementadas para esses parâmetros. Para o ciclo regenerativo ideal, ter-
se-ia Tx=Td e Tb=Ty. Na verdade, como o regenerador nunca é ideal, parte da energia 
térmica dos gases de exaustão é transferida para a vizinhança, fazendo com que Tx 
seja menor que Td. A eficiência do regenerador, aqui fixada como 85% uma vez que 
este valor se aproxima de uma condição típica, pode ser calculada pela equação a 
seguir, desde que CP seja considerado constante, hipótese utilizada no presente 
trabalho. 

𝑟𝑒𝑔
 = 
𝑇𝑥− 𝑇𝑏
𝑇𝑑− 𝑇𝑏
 (Eq.7)3.2.1. Equações 
Para a configuração do Ciclo Brayton regenerativo (não ideal), as equações que 
calculam as temperaturas Tb e Td, bem como os trabalhos do compressor e da turbina, 
são idênticas às do ciclo básico. Por outro lado, as equações para a determinação das 
temperaturas Tx e Ty, bem como para as quantidades de calor absorvida no combustor 
(Qentra) e liberada para o ambiente (Qsai) devem ser determinadas pelas equações 
abaixo, em virtude do emprego do regenerador. Quando considerada a idealidade do 
regenerador, Tx e Ty terão o mesmo valor de Td e Tb, respectivamente. 
a) Temperatura na entrada do combustor (Tx): 
 
𝑇𝑥 = [𝑟𝑒𝑔(𝑇𝑑 − 𝑇𝑏)] + 𝑇𝑏 (Eq.8) 
 
b) Temperatura dos gases liberados para o meio ambiente (Ty): 
11 
 
 
𝑇𝑌 = 𝑇𝑑 − [𝑟𝑒𝑔(𝑇𝑏 − 𝑇𝑑)] (Eq.9) 
 
c) Calor que entra no processo (Qent): 
 
𝑄𝑒𝑛𝑡 = 𝐶𝑝(𝑇𝑐 − 𝑇𝑥) (Eq.10) 
d) Calor que deixa o processo (Qsai): 
 
𝑄𝑠𝑎𝑖 = 𝐶𝑝(𝑇𝑎 − 𝑇𝑦) (Eq.11) 
 
3.3. Ciclo Brayton com dois compressores em série e inter-resfriamento 
O ciclo Brayton pode ser configurado com dois compressores em série, tendo 
um refrigerador (intercooler) intermediário, seguidos do combustor intercalado entre o 
segundo compressor e a turbina (Figura 5). 
 
Figura 5- Ciclo Brayton com dois compressores em série. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
A corrente de entrada (ponto a) sofre uma primeira compressão e, ao ser 
descarregado (ponto 1a), passa por um refrigerador que o resfria de volta à temperatura 
inicial (T1b = Ta). Em seguida, a corrente de ar irá passar pelo segundo compressor e 
entrará no combustor (ponto b), de onde sai com altas temperatura e pressão (ponto c) e 
vai ser expandido na turbina e ser liberado para o ambiente (ponto d). 
Os valores das temperaturas e pressões nos pontos a, b, c e d do ciclo com dois 
compressores foram os mesmos do ciclo Brayton simples, assim como as variações 
implementadas para esses parâmetros. Sendo a compressão dividida em duas etapas, 
foi fixado um valor intermediário, igual a 4,5 ( 1,5) atm, para P1a e P1b e, como dito 
12 
 
acima, considerou-se que o refrigerador reduziu a temperatura da corrente para o valor 
de entrada (T1b = Ta). 
3.3.1. Equações 
Algumas das equações referentes a esta configuração do ciclo Brayton repetem 
aquelas já empregadas, e as que possuem um formato diferente são dadas abaixo. 
a) Temperatura da corrente que sai do compressor (Tb): 
𝑇𝑏 = 𝑇1𝑏 (
𝑃𝑏
𝑃1𝑏
)
(𝛾−1)
𝛾
 (Eq.12) 
b) Trabalho dos compressores (Wcomp1 e Wcomp2): 
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝1 = −𝐶𝑝(𝑇1𝑎 − 𝑇𝑎) (Eq.13) e 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝2 = −𝐶𝑝(𝑇𝑏 − 𝑇1𝑏) (Eq.14) 
Neste caso, o trabalho total de compressão é dado por 
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝1 + 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝2 (Eq.15) 
 
3.4. Ciclo Brayton com duas turbinas em série 
Outra configuração possível é a de um ciclo Brayton constituído de um 
compressor, combustor e um reaquecedor (combustor de reaquecimento) entre duas 
turbinas, como mostra o esquema da Figura 6. 
 
Figura 6- Ciclo Brayton com duas turbinas em série. 
 
 Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
O fluxo de fluido desde a entrada (ponto a) até a saída do combustor (ponto c) é 
o mesmo que acontece no ciclo básico. Depois de expandir na primeira turbina até uma 
13 
 
pressão intermediária, maior que a pressão da descarga da expansão final (P1a > Pd), 
com sua temepratura reduzida, o fluido entre no combustor de reaquecimento, de onde 
sai com P1b = P1a e T1b = Tc. Daí, sofre a segunda expansão e é liberado para a 
vizinhança (ponto d). 
Neste caso, a maioria dos valores dos parâmetros e respectivas variações 
repetiu as situações anteriores, estabelecendo-se, para as pressões de entrada e saída 
do reaquecedor (P1a = P1b), um valor inicial de 4,5 atm, variando em  1,5 atm. 
 
3.4.1. Equações 
As equações para esta configuração do ciclo Brayton que não são idênticas às 
do ciclo básico são mostradas a seguir. 
a) Temperatura da corrente que sai da primeira turbina (T1a): 
 
𝑇1𝑎 = 𝑇𝑐 (
𝑃1𝑎
𝑃𝑐
)
( −1)

 (Eq.16) 
 
b) Temperatura da corrente que sai da segunda turbina (Td): 
 
𝑇𝑑 = 𝑇1𝑏 (
𝑃𝑑
𝑃1𝑏
)
(𝛾−1)
𝛾
 (Eq.17) 
 
c) Trabalho das turbinas (Wexp1 e Wexp2): 
 
𝑊𝑒𝑥𝑝1 = −𝐶𝑝(𝑇1𝑎 − 𝑇𝑐) (Eq.18) e 𝑊𝑒𝑥𝑝2 = −𝐶𝑝(𝑇𝑑 − 𝑇1𝑏) (Eq.19) 
 
Neste caso, o trabalho total de expansão é dado por 
𝑊𝑒𝑥𝑝 = 𝑊𝑒𝑥𝑝1 + 𝑊𝑒𝑥𝑝2 (Eq.20) 
 
d) Calor que entra no processo pelos dois combustores (Qent): 
 
O calor total que é absorvido no ciclo pode ser calculado pela expressão 
𝑄𝑒𝑛𝑡 = 𝑄𝑒𝑛𝑡1 + 𝑄𝑒𝑛𝑡2 (Eq.21) 
 
sendo 𝑄𝑒𝑛𝑡1 = 𝐶𝑝 (𝑇𝑐 − 𝑇𝑏) (Eq.22) e 𝑄𝑒𝑛𝑡2 = 𝐶𝑝 (𝑇1𝑏 − 𝑇1𝑎). (Eq.23) 
 
3.5. Ciclo Brayton regenerativo com reaquecimento e inter-resfriamento 
 
14 
 
Uma última configuração que foi analisada neste trabalho teve o ciclo Brayton 
com dois estágios de compressão e dois estágios de expansão, com reaquecimento e 
inter-resfriamento, e ainda com um regenerador ideal. 
Figura 7- Ciclo Brayton regenerativo com reaquecimento e inter-resfriamento. 
 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
A corrente entra no primeiro compressor (ponto a) e chega com uma pressão 
intermediária ao intercooler (ponto b), dele saindo (ponto c) após ter sua temperatura 
reduzida ao valor inicial, para sofrer nova compressão, atingindo a pressão máxima 
(ponto d), com a qual atravessa o regenerador antes de alimentar (ponto e) o 
combustor. Depois da queima (ponto f), a corrente é expandida parcialmente, 
chegando ao reaquecedor (ponto g) de onde sai depois de ter recuperado a 
temperatura máxima (a mesma do ponto f). Após o reaquecedor (ponto h), o fluido 
alcança a segunda turbina e passa por nova expansão, sendo descarregado (ponto i) e 
dirigido ao regenerador, onde cede calor ao fluxo em sentido contrário antes de ser 
devolvido ao meio ambiente (ponto j). 
Considerou-se que, nesta configuração, Pa teria valor inicial de 1 atm, variando 
0,1 atm para mais e para menos (com as pressões Pi e Pj acompanhando as variações 
de Pa); Pb e Pc seriam iguais a 4 atm (após a 1ª. compressão); Pd, Pe e Pf teriam o valor 
médio de 12 atm, com variações para 10 atm e 14 atm; e Pg e Ph, após a 1ª. expansão, 
seriam iguais a 4,5 atm, variando em  1,5 atm. 
15 
 
Repetindo os valores definidos para a temperatura Ta e suas respectivas 
variações, considerou-se que a temperatura Tc = Ta devido ao uso do intercooler. Em 
virtude do emprego de um regenerador ideal, tem-se sempre Te = Ti e Tj = Td. A 
temperatura máxima (1300 k) é encontrada nos pontos Tf e Th, com variações de 100 K 
positiva e negativamente. 
 
3.5.1. Equações 
Para esta configuração, as equações que se diferenciam daquelas do ciclo 
básico são as seguintes: 
a) Temperatura da corrente que sai do segundo compressor (Td): 
𝑇𝑑 = 𝑇𝑐 (
𝑃𝑑
𝑃𝑐
)
(𝛾−1)
𝛾
 (Eq.24) 
b) Temperatura da corrente que sai da primeira turbina (Tg): 
𝑇𝑔 = 𝑇𝑓 (
𝑃𝑔
𝑃𝑓
)
(𝛾−1)
𝛾
 (Eq.25) 
c) Temperatura da corrente que sai da segunda turbina (Ti): 
𝑇𝑖 = 𝑇ℎ (
𝑃𝑖
𝑃ℎ
)
(𝛾−1)
𝛾
(Eq.26) 
 
3.6. Eficiência global 
Para todas as configurações do ciclo Brayton analisadas no presente trabalho, a 
eficiência global foi calculada a partir da equação 
η =
(|𝑊𝑒𝑥𝑝|−|𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝|)
|𝑄𝑒𝑛𝑡|
 (Eq.27) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16 
 
4. Resultados 
4.1. Ciclo Brayton básico 
4.1.1. Variação do Ta 
O ciclo Brayton básico não apresentou mudança na eficiência quando alterados 
os valores de Ta, sendo o valor encontrado para a eficiência igual a 44,8%.Tabela 1 - Variação da temperatura de entrada vs mudança na resposta global do 
processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
Nesse caso, o valor do trabalho realizado pela turbina vai ser constante pois o Tc 
não varia, logo Td também não varia. Já o trabalho realizado pelo compressor está 
aumentando em 8,115 kJ/kg a cada 10 Kelvin adicionados à temperatura de entrada, 
mas, por outro lado, o valor de Qent está diminuindo em 18,115 kJ/kg para a mesma 
variação de Ta. 
Como dito no item 3.6, a eficiência é dada por: 
η =
(|𝑊𝑒𝑥𝑝| − |𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝|)
|𝑄𝑒𝑛𝑡|
 
Sendo o trabalho da turbina (Wexp) constante, pode-se notar que existe uma 
proporcionalidade entre as variações dos valores do trabalho do compressor (Wcomp) e 
do calor que entra no processo (Qent) quando se altera a temperatura da corrente que 
entra no processo. 
 
4.1.2. Variação do Tc 
Semelhante ao que aconteceu quando foi variado o valor de Ta, a eficiência se 
manteve em 44,8% quando se implementaram mudanças na temperatura da corrente 
que entra na turbina (Tc). 
17 
 
Tabela 2 - Variação da temperatura da corrente (c) vs mudança na resposta global do 
processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
Desta vez, percebe-se que o trabalho da turbina (Wexp) aumenta com o aumento 
de Tc, enquanto que o trabalho realizado no compressor permanece constante devido 
ao fato de Ta não estar sendo variado; sendo Tb e Wcomp diretamente ligados a Ta, 
ambos não variam. O que se nota desta vez é que existe uma proporcionalidade, 
quando há mudança no Tc, entre os valores do trabalho realizado pela turbina (Wexp) e 
do calor que entra (Qent) no ciclo. 
 
4.1.3. Variação do Pb e do Pc 
O aumento das pressões de Pb e Pc no ciclo Brayton básico tende a ter um efeito 
positivo na eficiência global do processo. 
 
Tabela 3 - Variação das pressões das correntes (b) e (c) vs mudança na resposta 
global do processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
Pode se perceber um considerável aumento na eficiência global do processo 
quando se aumentam as pressões Pb e Pc. Devido a problemas de ordem física dos 
processos, já referidos, os valores de ambas as pressões não podem ser muito 
elevados. Logo, foi estabelecido como 12 atmosferas, nesse trabalho, o valor máximo a 
que se podem elevar as pressões. Outra justificativa para o uso dessas pressões 
apenas até o limite aqui fixado se dá pelo fato de, como pode ser visto na tabela acima 
assim como nos gráficos mostrados no item 5, a eficiência está aumentando com o 
18 
 
aumento da pressão. No entanto percebe-se que esse aumento vai ficando mais 
discreto quanto maior for a pressão, logo não é justificável o aumento dessas pressões 
até valores extremamente elevados. 
 
4.1.4. Variacoes de Pa e Pd 
A variação dos parâmetros da pressão de entrada (Pa) e pressão de saída (Pd) 
mostra que o aumento dos mesmos causa uma queda na eficiência global do processo. 
 
Tabela 4 - Variação das pressões das correntes (a)e (d) vs mudança na resposta global 
do processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
Apesar de a diminuição das pressões de Pa e Pd causar um leve aumento na 
eficiência global do processo, esse ganho não justifica os possíveis gastos energéticos 
e consequentemente financeiros necessários para abaixar essas pressões. 
 
4.2. Ciclo Brayton regenerativo ideal 
4.2.1. Variação do Ta 
Ao contrário do ciclo básico, o ciclo regenerativo não ideal apresenta mudança 
na eficiência global do processo, que é reduzida quando se aumenta a temperatura de 
entrada (Ta). 
 
Tabela 5 - Variação da temperatura de entrada vs mudança na resposta global do 
processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
19 
 
A eficiência global do processo aumenta aproximadamente em 1% a cada 10 K 
subtraídos da temperatura na corrente de entrada. No entanto, resfriar essa corrente 
abaixo de 300 K (aproximadamente a temperatura ambiente), representa um gasto 
extra no processo. Como a relação de 1% a cada 10 K é baixa, não é justificável a 
aplicação de um resfriador na corrente de entrada do processo. 
 
4.2.2. Variação de Tc 
O aumento da temperatura da corrente que sai do regenerador e entra na 
turbina é benéfico para a eficiência global do processo. No entanto, o ganho de 
eficiência passa a ter incrementos menores com o aumento da temepratura Tc. 
 
Tabela 6 - Variação da temperatura da corrente (c) vs mudança na resposta global do 
processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
O aumento do Tc gera um aumento na eficiência, no entanto essa variável é 
difícil de ser trabalhada por oferecer riscos ao processo. Temperaturas muito altas 
podem danificar os equipamentos, além do que a temperatura de 1400 K está muito 
próxima da temperatura de fundição do aço, um dos principais componentes da turbina. 
 
4.2.3. Variação de Pb e Pc 
No ciclo Brayton regenerativo, o aumento dos parâmetros Pb e Pc é 
inversamente proporcional a eficiência. Sendo assim, nesse tipo de ciclo, seria benéfica 
a diminuição da taxa de compressão. 
 
20 
 
Tabela 7 - Pressões das correntes (b) e (c) pela eficiência global do processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
Nota-se uma leve queda de eficiência quando se eleva a pressão de descarga 
do compressor de 4 atm para 8 atm. Já quando se eleva essa mesma pressão de 
8 para 12 atm, a queda na eficiência já é mais acentuada. 
 
4.2.4. Variação de Pa e Pd 
O leve aumento na pressão das correntes de entrada do compressor e de saída 
da turbina acarretam um aumento sutil da eficiência. 
 
Tabela 8- Pressões das correntes (b) e (c) pela eficiência global do processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
Como já foi citado, a variação na eficiência proporcionada pelo aumento da 
pressão na corrente de entrada não justifica as mudanças necessárias a serem 
implantadas no processo. 
 
4.3. Ciclo Brayton com dois compressores 
4.3.1. Variação do Ta 
Quando se trata de um ciclo Brayton que possui dois compressores em série, a 
variação do Ta (temperatura do ar na entrada do primeiro compressor) é inversamente 
proporcional à eficiência global. Esse parâmetro, mais uma vez, não se mostra 
favorável a um ganho de eficiência na geração de energia com trubina a gás, como já 
21 
 
se observou para o ciclo básico e no ciclo regenreativo – sem variação e com 
decréscimo na eficiência, respectivamente. 
 
Tabela 9 - Variação da temperatura de entrada vs mudança na resposta global do 
processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.3.2. Variação do Tc 
Como mencionado na literatura (e.g.: CHEROTO, 2013), a temperatura da corrente 
que entra na turbina é fator de aumento na eficiência global. Nesse caso, quanto maior a 
temperatura da corrente de entrada na turbina, maior será a eficiência global. 
 
Tabela 10 - Variação da temperatura da corrente (c) vs mudança na resposta global do 
processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.3.3. Variação de Pb e Pc 
O aumento das pressões Pb e Pc (após a compressão e no início da expansão) é 
prejudicial à eficiência global nessa configuração, como se observa a partir da análise 
dos dados da Tabela 11. 
22 
 
Tabela 11- Pressões das correntes (b) e (c) pela eficiência global do processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.3.4. Variação de Pa e Pd 
A elevação das pressões Pa e Pd é favorável ao aumento da eficiência global do 
processo com dois compressores em série. Essa leve alteração nas pressões de 
entrada e de saída teoricamente podem ser obtidas em ambientes acima do nível do 
mar ou abaixo do nível do mar. 
 
Tabela 12- Pressões das correntes (b) e (c) pela eficiência global doprocesso. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.4. Ciclo Brayton com duas turbinas em série 
4.4.1. Variação do Ta 
A variação da temperatura de entrada (Ta) é proporcional à eficiência. No 
entanto, como pode ser observado, a variação é bem sutil. O seu aumento favorece a 
eficiência, provavelmente pelo fato de provocar uma redução na diferença entre as 
temperaturas Tc e Tb, , assim diminuindo o gasto energético no combustor. 
23 
 
Tabela 13 - Variação da temperatura de entrada vs mudança na resposta global do 
processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.4.2. Variação do Tc 
O aumento do Tc afeta negativamente a eficiência do processo, o que já era 
esperado pois, para se aumentar a temperatura do fluido que irá entrar na primeira 
turbina, será necessário maior entrada de calor no processo, a qual não é compensada 
pelo maior trabalho realizado pela turbina. Pelo equação da eficiência global do 
processo, nota-se que se o divisor (Qent) aumenta numa proporção maior que trabalho 
realizado pela turbina (Wexp) e, sendo constante o trabalho realizado pelo compressor, 
o quociente dessa divisão tende a diminuir com o aumento do Tc. 
 
Tabela 14 - Variação da temperatura da corrente (c) vs mudança na resposta global do 
processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.4.3. Variação de Pb e Pc 
O aumento das pressões Pb e Pc, de entrada e saída do combustor 
respectivamente, favorece a melhoria na eficiência, conforme mostram os dados da 
Tabela 15. 
24 
 
Tabela 15- Pressões das correntes (b) e (c) pela eficiência global do processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.4.4. Variação de Pa e Pd 
Também observa-se, para o ciclo com duas turbinas, que o aumento das 
pressões Pa e Pd é proporcional à eficiência. 
 
Tabela 16- Pressões das correntes (a) e (d) pela eficiência global do processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.5. Ciclo Brayton regenerativo com reaquecimento e inter-resfriamento 
4.5.1. Variação do Ta 
De maneira similar ao que ocorre com o ciclo Brayton com dois compressores 
em série, o aumento da temperatura na entrada do primeiro compressor age 
inversamente proporcional à eficiência global do processo. 
 
Tabela 17 - Variação da temperatura de entrada vs mudança na resposta global do 
processo. 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
25 
 
 
4.5.2. Variação do Tf 
Apesar do processo possuir duas turbinas, assim como o ciclo Brayton com duas 
turbinas em série, o comportamento na eficiência não é o mesmo no que diz respeito 
ao aumento na temperatura da corrente que entra na primeira turbina. 
 
Tabela 18 - Variação da temperatura da corrente (f) vs mudança na resposta global do 
processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.5.3. Variação de Pa, Pi e Pj 
O aumento nas pressões de entrada e de saída do ciclo segue a tendência de 
ser favorável à eficiência global do processo, tendo em vista que o único ciclo que se 
comportou diferentemente nesse aspecto foi o ciclo Brayton básico. 
 
Tabela 19- Pressões das correntes (a), (i) e (j) pela eficiência global do processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.5.4. Variação de Pb e Pc 
Quanto menor a pressão das correntes que saem do primeiro compressor e do 
inter-resfriador, melhor será a eficiência global do processo. Observa-se, ao mesmo 
tempo, que, quanto maior for a pressão da corrente após a primeira compresão, maior 
também será a temperatura nesse ponto. Como a corrente precisa ser resfriada para 
retornar à temperatura inicial, implica em um maior trabalho realizado pelo inter-
resfriador. Também vale frisar que, quando pressão Pc está muito elevada, leva o 
26 
 
segundo compressor a trabalhar mais para comprimi-la, diminuindo o trabalho liquido e 
consequentemente a eficiência. 
 
Tabela 20- Pressões das correntes (b) e (c) pela eficiência global do processo. 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
4.5.5. Variação de Pd, Pe e Pf 
O aumento das pressões Pd, Pe e Pf é proporcional à eficiência global. 
Teoricamente faz sentido, pois se espera que um fluido que entre bastante comprimido 
na primeira turbina produza um rendimento melhor que um fluido pouco comprimido. 
 
Tabela 21- Pressões das correntes (d), (e) e (f) pela eficiência global do processo. 
 Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
27 
 
5. Discussão 
O efeito da variação dos diversos parâmetros sobre a eficiência global pode ser 
vista, para todas as configurações do ciclo Brayton analisadas, no gráficos a seguir, 
cada um deles acompanhado de uma breve discussão. 
 
Gráfico 1 -Temperatura de entrada dos ciclos pela eficiência 
 
 
 
 Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
Dos diferentes tipos de ciclo Brayton estudados, o único que mostrou uma 
pequena melhora com o aumento da temperatura na corrente de entrada do processo 
foi a configuração com duas turbinas em série. Tirando o ciclo Brayton básico, que não 
apresentou nenhuma mudança de comportamento quando alterado esse parâmetro, e 
o com duas turbinas em série, que teve aumento de eficiência como o crescimento de 
Ta, teoricamente todos os outros ciclos tirariam vantagem, quanto ao seu desempenho, 
de uma corrente de entrada com temperaturas menores que a ambiente. No entanto, 
resfriar essa corrente de entrada se tornaria o processo caro e inviável. 
 
 
 
28 
 
Gráfico 2 -Temperatura de entrada na primeira turbina dos ciclos pela eficiência 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
Aumentar a temperatura da corrente que entra na primeira turbina, ou única 
quando for o caso, se mostrou uma boa opção para os ciclos Brayton com 
reaquecimento e inter-resfriamento, com dois compressores em série e o ciclo com 
regenerador não ideal. Existem limitações nessa corrente, já que para esse estudo foi 
idealizada uma temperatura que já se encontra próxima à temperatura máxima de 
trabalho de uma turbina a gás industrial, que gira em torno de 1300 ºC. 
 
Gráfico 3 –Pressão da corrente de entrada na primeira turbina dos ciclos pela eficiência 
 
Fonte: Elaborado pelo autor. 
29 
 
 
Os ciclos Brayton com duas turbinas em série, básico e com reaquecimento e 
inter-resfriamento se mostraram favoráveis ao aumento da pressão na entrada da 
primeira (ou única) turbina. O ciclo Brayton com reaquecimento e inter-resfriamento se 
mostrou novamente como favorito por apresentar uma eficiência melhor que todos os 
outros ciclos. No entanto, o ciclo Brayton com duas turbinas em série foi o que mostrou 
melhor crescimento na eficiência com o aumento da pressão. 
 
Gráfico 4 –Pressões das correntes de entrada e saída dos processos dos ciclos pela 
eficiência 
 
 
 Fonte: Elaborado pelo autor. 
 
O único ciclo que apresentou um decréscimo na eficiência com o aumento da 
pressão de entrada no processo foi o ciclo Brayton básico. Nota-se que, para os 
cálculos, foram usadas variações discretas de 0,1 atm a partir da pressão padrão de 
1,0 atm, pois o intuito foi simular uma pressão próxima de algo que podemos atingir em 
regiões muito acima ou muito abaixo do nível do mar, como é o caso da cidade de São 
Paulo, que está a aproximadamente 800 metros acima do nível do mar e tem a pressão 
atmosférica ligeiramente abaixo de 1 atm. Existem casos em que as pressões locais 
são ainda menores, como é o caso de La Paz, na Bolívia. 
30 
 
Nos gráficos para cada variável modificada, pode-se notar uma tendência que 
nos permite fazer um ranking dos ciclos que apresentaram a melhor eficiência no geral, 
em ordem decrescente: 
1º. Ciclo Brayton com reaquecimento e inter-resfriamento. 
2º. Ciclo Brayton com duas turbinas em série. 
3º. Ciclo Brayton com doiscompressores em série. 
4º. Ciclo Brayton regenerativo não ideal. 
5º. Ciclo Brayton básico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
31 
 
6. CONCLUSÃO 
 
No Brasil, as termoelétricas se tornaram de fundamental importância para suprir 
a demanda energética que continua crescendo a cada ano, apesar das hidroelétricas 
ainda representarem a maior fonte de oferta de energia do país. 
As termoelétricas a gás envolvem tecnologias que foram implantadas em um 
passado recente no Brasil. Sendo assim, estudos sobre seus processos no geral são 
bastante úteis para compreender e otimizar seu desempenho, sendo esse um fator 
motivador do presente estudo. Foram analisados os parâmetros de temperatura e 
pressão individualmente, em diferentes correntes, para verificar os seus efeitos na 
eficiência em âmbito global para cinco configurações do ciclo Brayton, que avalia 
termodinamicamente a operação de uma turbina a gás. 
Alguns resultados já eram esperados, como foi o caso do ciclo Brayton 
regenerativo com reaquecimento e inter-resfriamento, que é tido como um dos ciclos 
mais completos, pois engloba características positivas dos outros quatro ciclo 
estudados. Esse ciclo se mostrou superior aos outros em todos os parâmetros 
estudados, tendo a eficiência global superior independente do parâmetro que foi 
modificado. O ciclo Brayton com duas turbinas em série apresentou o segundo maior 
rendimento de eficiência em cada avaliação, e também se mostrou o mais sensível a 
mudanças na pressão da corrente de entrada na primeira turbina. Seguindo a ordem do 
maior para o menor rendimento, vêm os ciclos com dois compressores em série e com 
regenerador. Ambos tiveram o mesmo tipo de resposta para cada parâmetro que foi 
estudado, sendo o ciclo Brayton com dois compressores em série sempre superior em 
termos de eficiência global. Por fim, como esperado, o ciclo Brayton básico foi o que 
apresentou menor eficiência global em todos os casos estudados, no entanto ele 
apresentou uma peculiaridade quando foram feitos testes na temperatura da corrente 
que entra no processo e na temperatura da corrente que entra na turbina: a eficiência 
não muda como efeito da variação de nenhuma dessas temperaturas. 
Este estudo foi feito considerando-se um processo com compressão e expansão 
isentrópicas e adiabáticas. Recomenda-se para futuros estudos trabalhar os processos 
fazendo uma aproximação melhor de um sistema real, aonde os comportamentos do 
compressor e da turbina não sejam ideais. O presente trabalho servirá como uma base 
para futuros estudos que seu autor pretende desenvolver sobre rendimentos de plantas 
industriais de termoelétricas. 
32 
 
REFERÊNCIAS 
 
ALCOFORADO, F. A atual crise energética do Brasil e seus impasses estruturais, 
sociedade Brasileira de planejamento energético, revista brasileira de energia, Vol. 1, 
N° 2, 1990. 
ALMEIDA, D. P. F. PSICROMETRIA, Porto: Universidade do Porto, 2004. Disponível 
em: http://dalmeida.com/poscolheita/ISA2005/Psicrometria-Almeida-2004.pdf. Acesso 
em: 28 maio 2016. 
BARDELIN, C. E. A. Os efeitos do racionamento de energia elétrica ocorrido no Brasil 
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