[Apostila] - Termodinâmica Aplicada - Aula 8 - Ciclos de Potência a Gás - Profa. Dra. Ana Maria Pereira Neto

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22/11/2012 
1 
Universidade Federal do ABC 
Profa. Dra. Ana Maria Pereira Neto 
 ana.neto@ufabc.edu.br 
 
BC1309 
Termodinâmica Aplicada 
 
 
 
Ciclos de Potência a Gás 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
22/11/2012 
2 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 Ciclo Brayton- Definição; 
 
 Diagrama T-s para o Ciclo Brayton; 
 
 Balanços de Massa e Energia para um Ciclo Brayton; 
 
 Parâmetros Principais de Operação; 
 
 Ciclo Brayton com Reaquecimento; 
 
 Ciclo Brayton Regenerativo; 
 
 Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário. 
 
Ciclo Brayton 
 
 
 
Ciclo Brayton Ideal 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
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3 
 É o ciclo ideal das turbinas a gás (não há mudança de fase). 
 
 Geralmente opera em um ciclo aberto, mas pode ser 
modelado como um ciclo fechado. 
 
 Consiste em quatro processos internamente reversíveis: 
 
 Compressão isoentrópica em um compressor; 
 
 Fornecimento de calor em uma câmara de combustão (P = cte); 
 
 Expansão isoentrópica em uma turbina; 
 
 Rejeição de calor para o ambiente (P = cte). 
 
Ciclo Brayton Ideal 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 
Ciclo Brayton Ideal 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
ar fresco 
1 
2 3 
4 
Ciclo aberto 
Compressor Turbina 
Câmara de 
Combustão 
Qh 
W 
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4 
 
Ciclo Brayton Ideal 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
Compressor 
1 
2 3 
4 
Ciclo fechado 
Turbina 
Câmara de 
Combustão 
Trocador de 
Calor 
Qh 
QL 
W 
 
Ciclo Brayton Ideal 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 Ar fresco em condições ambiente 
entra no compressor (estado 1), onde a 
pressão e a temperatura são elevadas 
(compressão isoentrópica). 
 
 O ar entra na câmara de combustão 
(estado 2), na qual o combustível é 
queimado à pressão constante. 
 
 Em seguida, o ar a alta pressão e temperatura entra na turbina (estado 3), 
onde se expande até a pressão atmosférica, produzindo potência. 
 
 O ar e calor são rejeitados para o ambiente (estado 4) à pressão constante. 
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Diagrama T-s 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 
Ciclo Brayton Ideal – Diagrama T-s 
 
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T 
s 
1 
2 
3 
4 
Qh 
QL 
W 
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Balanço de Massa e de Energia 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 
Ciclo Brayton Ideal 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
dt
dm
mm vc
n
1i
s
n
1i
e 


dt
dE
gz
2
V
hmgz
2
V
hmWQ vc
n
1i
s
2
s
ss
n
1i
e
2
e
eevcvc 











 


 Hipóteses adotadas: 
 
Regime permanente; 
 
Variação nula de energia cinética e potencial; 
 
Comportamento de gás ideal; 
 
Troca de calor à pressão constante. 
 Equação de conservação da massa: 
 Equação de conservação da energia (1ª lei da Termodinâmica): 
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Ciclo Brayton Ideal 
 
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0mm se  
0hmhmWQ sseevcvc  

 Equação de conservação da massa: 
 Equação de conservação da energia (1ª lei da Termodinâmica): 
essese hh)ww()qq(  
 
Ciclo Brayton Ideal 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
1 
2 
Compressor 
Compressor 
0mm 21  
  0TTcmW
0hmhmW
21pC
2211C




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Ciclo Brayton Ideal 
 
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2 3 
Câmara de 
Combustão 
Câmara de Combustão 
0mm 32  
  0TTcmQ
0hmhmQ
32pH
3322H




 
Ciclo Brayton Ideal 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
3 
4 
Turbina 
Turbina 
0mm 43  
  0TTcmW
0hmhmW
43p3T
4433T




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CT WWW
 
HQ
W



 
Ciclo Brayton Ideal 
 
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 Assim, é possível definir a eficiência de um ciclo Brayton ideal: 
 Onde: 
QH: calor adicionado ao ciclo (kJ/kg) 
 
Ciclo Brayton Ideal 
 
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23
H hh
m
Q



 
  23
14
23p
14p
23
14
H
L
TT
TT
1
TTc
TTc
1
hh
hh
1
Q
Q
1









14
L hh
m
Q



 
 


















1
T
T
T
1
T
T
T
1
TT
T
T
TT
T
T
1
2
3
2
1
4
1
23
2
2
14
1
1
 Considerando que por unidade de massa: 
 A eficiência térmica do ciclo Brayton pode ser definida por: 
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Ciclo Brayton Ideal 
 
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











1
2
4
3
p
p
p
p
e que: 
1k
k
1
2
1
2
T
T
p
p 












e: 
1k
k
4
3
4
3
T
T
p
p 












Logo: 












1
2
4
3
T
T
T
T













1
4
2
3
T
T
T
T
1
T
T
1
T
T
1
4
2
3 
 Considerando que: 
 
Ciclo Brayton Ideal 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 















1
T
T
T
1
T
T
T
1
2
3
2
1
4
1















1
T
T
T
1
T
T
T
1
2
3
2
2
3
1
  k
1k
C
2
1
R
1
1
T
T
1


Onde: 
Razão de pressão no compressor 
1
2
C
p
p
R 
 Eficiência térmica do ciclo Brayton pode ser definida por: 
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Como aumentar a eficiência do 
Ciclo Brayton? 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 
 
Parâmetros de Operação 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
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Aumento da Razão de Pressão 
 
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 Aumento da razão de pressão do compressor: 
T 
s 
 
Aumento da Temperatura 
 
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 Aumento da temperatura da saída da câmara de combustão: 
T 
s 
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Ciclo Brayton Regenerativo 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 
Ciclo Brayton Regenerativo 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
2 3 
4 
Compressor Turbina 
Câmara de 
Combustão 
W 
1 
x 
y 
Qh 
24
2x
hh
hh



Regenerador 
Eficiência do 
Regenerador 
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Ciclo Brayton com Reaquecimento 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 
Ciclo Brayton com Reaquecimento 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
2 3 
4 
Compressor Turbina 
Câmara de 
Combustão 
1 
x 
Câmara de 
Combustão 
Qh 
Qh 
Turbina 
5 
6 
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Ciclo Brayton com 
Resfriamento Intermediário 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 
Ciclo Brayton com Resfriamento 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
Compressor Turbina 
Câmara de 
Combustão 
W 
Qh Resfriamento Intermediário 
Compressor 
2 
3 4 
1 
5 
6 
22/11/2012 
16 
 
 
Ciclo Brayton Real 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 
Ciclo Brayton Real 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
T 
s 
Queda de pressão durante o fornecimento de calor 
Queda de pressão durante a rejeição de calor 
Irreversibilidadegerada na turbina Irreversibilidade 
gerada no compressor 
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Exercícios 
 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
 
Exercícios 
 
BC1309_Ana Maria Pereira Neto 
1) Ar entra no compressor de um ciclo Brayton ideal, a 100 kPa e 15°C. A 
pressão na seção de descarga do compressor é de 1 Mpa e a temperatura 
máxima no ciclo é 1100ºC. Determine: a) a pressão e a temperatura em cada 
ponto do ciclo; b) o trabalho no compressor, na turbina e o rendimento do 
ciclo. Resp. a) Pressões: 1=100 kPa; 2 = 1000 kPa; 3 – 1000 kPa; 4 – 100 kPa; 
Temperaturas: 1 = 288 K; 2 = 556,4 K; 3 = 1373 K; 4 = 710,6 K; b) -269,3 kJ/kg; 664,7 kJ/kg; 
48,24% 
 
2) Considere uma turbina a gás em que o ar entra no compressor nas mesmas 
condições do exemplo anterior. Admita que as eficiências do compressor e da 
turbina são, respectivamente, iguais a 80% e 85%. Sabendo que a perda de 
carga no escoamento de ar entre o compressor e a turbina é de 15 kPa e a 
pressão de entrada na turbina a gás é de 1000 kPa, determine o trabalho no 
compressor, na turbina e o rendimento do ciclo. Resp: -339,6 kJ/kg; 565,01 kJ/kg; 
27,58% 
 
3) Considere que um regenerador ideal foi incorporado ao ciclo descrito no 
exemplo 1. Determine o rendimento térmico do ciclo modificado. (Resp: 59,48%)