Ciclo de Brayton

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Ciclo de Brayton
O ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico que foi criado por volta de 1872, também denominado como ciclo de Joule, é o processo teórico (ciclo ideal) dos motores de turbina a gás, descrevendo suas variações de estado (pressão e temperatura) dos gases. 
O conceito é utilizado como base didática e para análise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, devido a limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito.
 O ciclo é constituído por quatro etapas, como demonstrado na figura abaixo.
Figura 1- Diagrama Entalpia x Entropia de Ciclo Brayton (ideal) e ciclo real a gás.
Ciclo ideal de Brayton:
Uma compressão isentrópica dentro de um compressor.
Fornecimento de calor isobaricamente.
Expansão isentrópica dentro de uma turbina.
Perda de calor isobaricamente.
Neste ciclo o ar entra no compressor, que representa a primeira etapa, onde o fluido é comprimido realizando uma transformação isentrópica (1 a 2). O ar comprimido se dirige à uma câmara de combustão onde adiciona-se combustível e este é comburido isobaricamente (2 a 3).
 Após a combustão os gases saem com elevada temperatura e pressão, se expandem, passam pela turbina colidindo com as palhetas, gerando trabalho e reduzindo sua temperatura e pressão (processo isentrópico de 3 a 4).
 Parte do trabalho gerado é reaproveitado para conduzir o compressor e o restante gera potência mecânica. A última etapa representa a exaustão dos gases para o ambiente, desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia gerada pela combustão é eliminada na forma de calor pelos gases, fluindo como escape (processo isobárico). 
Contudo, no ciclo de Brayton real, temos respectivamente para as mesmas etapas: um processo adiabático, isobárico, adiabático e por último isobárico.
Ciclo real de Brayton:
Processo adiabático – compressão.
Processo isobárico – adição de calor.
Processo adiabático – expansão.
Processo isobárico – rejeição de calor.
Figura 2.
Esquema básico de Brayton
Figura 3.
Entre 1 e 2 o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde por compressão adiabática e isotrópica ocorre o aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, entre 2 e 3, onde é misturado ao combustível possibilitando sua queima e seu aquecimento tendo sua pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, entre 3 e 4. 
Na medida em que o fluido fornece o trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos seus gases, gerando-se potência mecânica.
 A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor.
A quarta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente em que se encontra.Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia gerada pela combustão é eliminada por forma de calor nos gases quentes fluindo como escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de Ciclo termodinâmico, mesmo nos casos ideais, como define a Segunda lei da termodinâmica.
Funcionamento de uma turbina a gás
As turbinas a gás funcionam admitindo ar em condição ambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor, onde ocorre compressão adiabática com aumento de pressão e conseqüentemente também aumento de temperatura. Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma fileira de palhetas estáticas, que converte a energia cinética em aumento de pressão.
O ar pressurizado (e aquecido) segue para a câmara de combustão, onde também é alimentado com um combustível que pode ser gasoso ou líquido. Na combustão ocorre um aumento de temperatura a pressão constante, produzindo um aumento de volume do fluxo de gases. 
Estes gases quentes e pressurizados acionam a turbina de potência, gerando trabalho mecânico. Depois, os gases, ainda quentes, são finalmente liberados ainda em alta temperatura. Nas turbinas a gás, o compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18 estágios de compressão. Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energia cinética para compressão.
O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre 300°C e 450°C. Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada que movimenta um gerador elétrico. Saindo da câmara de combustão, os gases têm temperatura de até 1250°C.
Após passar pela turbina, os gases são liberados ainda com significante disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas entre 500 e 650 Celsius. A taxa de compressão é a relação entre a pressão do ar na entrada da turbina e na saída do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.
Ciclo Termodinâmico
O ciclo Brayton descreve a operação de turbinas a gás comumente utilizado na produção de energia elétrica e na propulsão de embarcações, locomotivas e aviões.
As equações à seguir podem ser obtidas à partir do balanço de massa e energia do volume de controle. Para efeito de simplificação, podemos desconsiderar a variação de energia cinética e potencial do sistema.
Onde:
Q – Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema em J/Kg ou Kj/Kg
W - Trabalho realizado ou produzido pelo sistema em J/kg ou kJ/kg 
C - Calor específico em J/kg.K ou kJ/kg.K
 h - Entalpia do fluido utilizado em J/kg ou kJ/kg 
T - Temperatura em K (kelvin) 
 - Eficiência (%)
Referencias
http://www.ebah.com.br/content/ABAAABiR0AA/dimensionar-turbina-a-gas?part=1
http://www.madeira.ufpr.br/disciplinasalan/AT101-Aula10.pdf
https://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Brayton
https://pt.scribd.com/doc/55742266/Trabalho-Sobre-Ciclo-de-Brayton
http://www.dem.feis.unesp.br/intranet/capitulo12.pdf