Melhorias de rendimento.

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MELHORIAS DE RENDIMENTO DOS CICLOS BRAYTON E RANKINE
FACULDADE ALVES FARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
DISCIPLINA: MÁQUINAS TÉRMICAS
PROFESSOR (A): ROBERTO
MELHORIAS DE RENDIMENTO DO CICLO RANKINE E BRAYTON
GOIÂNIA/GO
2016
MELHORIAS DE RENDIMENTO DO CICLO RANKINE E BRAYTON
Alunos:
Anderson Gomes Girardi
José Augusto dos Santos
Marcelo Conceição Oliveira
Matheus Pereira de Oliveira Godoi
Virlei Cândido de Jesus Júnior
Wallace Ganzaroly Carvalho Silva
Trabalho da disciplina de Máquinas Térmicas ministrada pela professor Roberto para a realização de trabalho sobre melhorias de rendimento do ciclo Rankine e Brayton, afim de obtenção de nota parcial para aprovação da mesma.
Professor: Roberto
GOIÂNIA/GO
2016
Índice
1	Índice	3
2	Índice de figuras	3
3	Objetivo	4
3.1	Geral	4
3.2	Específico	4
4	Metodologia	5
5	Introdução	5
6	Efeitos das pressões na caldeira e do condensador no ciclo de Rankine	5
6.1	Comparação da eficiência do ciclo Carnot e Rankine	6
6.2	Irreversibilidade	6
7	Melhorando o desempenho – Superaquecimento e reaquecimento	8
7.1	Superaquecimento	9
7.2	Reaquecimento	9
8	Melhorando o desempenho – Ciclo de potência a vapor regenerativo	10
8.1	Aquecedores de água de alimentação abertos	10
9	Aquecedores de água de alimentação fechados e múltiplos	11
9.1	Co-geração.	11
9.2	Estudo de caso	12
10	Efeito da relação de compressão no desempenho do ciclo Brayton	12
10.1	Perdas nas turbinas a gás do Ciclo Brayton	13
10.2	Turbinas a gás regenerativas	13
11	Aumento de rendimento em um ciclo a gás Brayton	14
12	Turbinas à gás com reaquecimento e Inter resfriamento.	14
12.1	Turbinas à gás com reaquecimento	14
12.2	Compressão com inter-resfriamento	15
13	Reaquecimento e inter-resfriamento, efeitos sobre o rendimento do ciclo básico de Brayton	17
14 Ciclo de Potência combinado de Turbina a Gás e Vapor	19
14	Bibliografia	20
Índice de figuras
Figura 1 - Efeitos da variação das pressões de operação no ciclo de Rankin.	6
Figura 2 - Comparação com o ciclo de Carnot.	6
Figura 3 - Diagrama de temperatura- entropia.	8
Figura 4 - Ciclo Rankine com vapor superaquecido.	9
Figura 5 - Ciclo de reaquecimento ideal.	10
Figura 6 - Diagrama T-S.	10
Figura 7 - Compressor de ar 6 saltos................................................................................13
Figura 8 - Ciclo aberto com regeneração ....................................................................... 14
Figura 9 - Ciclo Rankine.	15
Figura 10 - Diagrama P-V.	16
Figura 11 - Processos de Rankine.	16
Figura 12 - Comportamento da turbina com compressão.	17
Figura 13 - Ciclo com inter-resfriamento.	17
Objetivo
Geral
O objetivo geral deste trabalho é explanar sobre melhorias de rendimento dos ciclos de Rankine e Brayton.
Específico
Os objetivos específicos são:
Definição dos efeitos causados no ciclo Rankine;
Apresentar os tipos e características;
Descrever os processos envolvidos;
Detalhar as melhorias dos processos;
Avaliar os tratamentos e análise das melhorias.
Metodologia
A metodologia do trabalho consistiu nas etapas abaixo discriminadas:
Revisão bibliográfica consubstanciada a partir de pesquisa dos principais
sites especializados em melhorias de rendimento;
Discussão do assunto entre os componentes do grupo;
Elaboração do trabalho escrito;
Apresentação em sala de aula.
Introdução
Os processos de cada ciclo depende de várias variáveis, que nem sempre, podem ser controladas de maneira simples. Portanto será apresentado neste trabalho as formas encontradas por estudiosos de minimizar os efeitos de perda de energia em cada processo, analisando e mostrando quais as formas de aumentar a eficiência energética.
Efeitos das pressões na caldeira e do condensador no ciclo de Rankine
A eficiência térmica em ciclos de potência tende a aumentar o rendimento térmico de acordo com algumas mudanças feitas em seus processos.
O aumento da pressão da caldeira no ciclo Rankine Figura 01-a eleva a temperatura média do calor adicionado e tende a aumentar a eficiência térmica.
A diminuição da pressão no condensador Figura 01-b abaixa a temperatura média do calor rejeitado e tende a aumentar a eficiência térmica. Porém, neste caso há limitações. Uma delas é que a pressão mais baixa possível no condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente, uma vez que esta é a menor temperatura possível para a rejeição de calor para as vizinhanças. Outra limitação está relacionada a descarga da turbina, pois a redução da pressão nesta seção provoca uma redução no título do fluido que deixa a turbina. Isto é significativo, pois ocorrerá a diminuição na eficiência da turbina e erosão das palhetas da turbina.
Figura 1 - Efeitos da variação das pressões de operação no ciclo de Rankine.
Fonte: (BAZZO, 1995).
Pode-se dizer que o trabalho líquido e o rendimento de um ciclo Rankine podem ser aumentados pela redução da pressão no condensador, pelo aumento da pressão o fornecimento de calor.
Comparação da eficiência do ciclo Carnot e Rankine
A Figura 02 compara os funcionamentos dos ciclos de Carnot e de Rankine operando entre as mesmas temperaturas máxima e mínima. A mesma figura mostra claramente que no ciclo de Rankine é mais baixa a temperatura média à qual o calor QH é fornecido. Partindo deste facto, é fácil verificar que as melhores (ou mais altas) eficiências teóricas obtidas em qualquer ciclo são as eficiências do ciclo de Carnot. Contudo, as eficiências dos ciclos reais de produção de energia são normalmente determinadas relativamente aos ciclos de Rankine pois estes estão mais perto de um ciclo real. Os ciclos de Rankine apresentam menores dificuldades técnicas de funcionamento e são mais económicos.
Figura 2 - Comparação com o ciclo de Carnot.
Fonte: (BAZZO, 1995).
Irreversibilidade
Um processo internamente reversível é aquele que não apresenta irreversibilidades internas, porém pode apresentá-las externamente, em suas vizinhanças.
O processo internamente reversível consiste em uma série de estados de equilíbrio – temperatura, pressão, volume específico e outras propriedades não podem sofrer variações com a posição, visto que isso poderia gerar transferências espontâneas de energia, sendo que, para a reversibilidade, nenhum processo espontâneo pode estar presente.
O uso do conceito de “processos internamente reversíveis” na Termodinâmica pode ser comparado a outros conceitos apresentados pela Mecânica, como “massas pontuais”, “polias sem atrito”, “vigas rígidas”, etc. Tais termos são usados com a finalidade de simplificar a análise de situações mais complexas.
O conceito de processo internamente reversível pode ser usado para melhor definir reservatórios térmicos, visto que se supõe que não ocorre nenhuma irreversibilidade interna nos reservatórios térmicos. Portanto, todo reservatório térmico consiste em um processo internamente reversível.
Para que um processo seja reversível, é necessário observar algumas condições: 1. Não há trabalho de forças de atrito, de forças viscosas ou de outras forças dissipativas que produzem calor; 
2. A condução térmica só ocorre isotermicamente (à mesma temperatura);
3. O processo deve ser quase-estático, de modo que o sistema está sempre num estado de equilíbrio ou infinitamente próximo a tal estado.
Qualquer sistema que viole tais condições é irreversível. Para que um processo seja reversível, é preciso grande cuidado na eliminação de todas as forças de atrito e de outras forças dissipativas e na realização de um processo quase-estático.
Contudo, tais condições são inatingíveis, o que torna o processo irreversível uma idealização semelhante à do movimento mecânico sem atrito.
Na prática, porém, é possível obter aproximações muito boas de processos reversíveis.
Ciclo Rankine difere do ideal devido às irreversibilidades presentes em vários componentes. Duas fontes muito comuns de irreversibilidadessão o atrito do fluido, que causa queda de pressão em diversas partes, e a perda de calor para a vizinhança. Para compensar a queda de pressão é necessário o uso de uma bomba maior que consome mais trabalho. Já para a perda com calor, deve-se adicionar mais calor na caldeira e isso diminui a eficiência do ciclo.
As irreversibilidades dentro da bomba e da turbina são as mais importantes. No caso ideal elas são isentrópicas, mas na realidade sempre haverá um aumento da entropia e com isso, a bomba sempre irá exigir mais consumo de trabalho e a turbina irá produzir uma quantidade de trabalho inferior comparado com o caso ideal.
De todas as perdas presentes na turbina são as mais representativas.
Na turbina a principal irreversibilidade sofrida pelo fluido de trabalho está associada à sua expansão e o escoamento do fluido de trabalho pelos canais e palhetas da turbina. A transferência de calor para a vizinhança representa uma perda que pode ser desprezada. Os sistemas de controle também podem provocar uma perda na turbina, particularmente se for usado um processo de estrangulamento para controlar a turbina. As irreversibilidades na turbina reduzem significativamente a potência líquida da saída da planta. O trabalho da turbina é o principal calor no numerador da expressão para o cálculo do rendimento térmico do ciclo.
Na bomba o trabalho fornecido é para vencer os efeitos do atrito durante o escoamento do fluido de trabalho. Devido ao fato do trabalho usado para o acionamento da bomba ser muito menor que o trabalho produzido pela turbina, as irreversibilidades na bomba representam um impacto muito menor no trabalho líquido do ciclo.
As tubulações presentes no processo também são um ponto de irreversibilidade provocada principalmente pelo atrito e a transferência de calor para o ambiente. O atrito provoca um aumento da entropia, enquanto que a transferência de calor para o ambiente promove uma diminuição na entropia. Para manter o mesmo nível de potência líquida produzida é necessário transferir mais calor para o vapor.
Outro fator importante é que na saída do condensador e entrada da bomba o líquido deve estar sub-resfriado para evitar a ocorrência de cavitação que pode danificar o rotor da bomba. Porém, dentro do condensador as perdas são relativamente pequenas. Além disso, têm o vapor que vaza durante o ciclo, o ar que entra externo no condensador e a potência consumida por equipamentos auxiliares também devem ser considerados na avaliação do desempenho global.
As reais eficiências nesses dispositivos são dadas pela relação entre o trabalho específico ideal (isentrópica) e real: onde os estados 2s e 4s na Figura 03 são correspondentes ao caso isentrópico.
Figura 3 - Diagrama de temperatura- entropia.
Fonte: (BAZZO, 1995).
As irreversibilidades na turbina e na bomba são internas ocorrentes no fluido de trabalho enquanto ele flui pelo circuito fechado do ciclo de Rankine. As fontes de irreversibilidade mais significativas para uma planta de potência a vapor operada a combustível fóssil estão associadas à combustão e posteriormente à transferência de calor dos produtos quentes para o fluido de trabalho do ciclo. Esses efeitos ocorrem nas vizinhanças do subsistema e representam irreversibilidades externas.
Melhorando o desempenho – Superaquecimento e reaquecimento
Um aumento de pressão na caldeira ou uma diminuição da pressão do condensador pode resultar numa diminuição do título de vapor na saída da turbina. Se o título da mistura que passa pela turbina for muito pequeno, o impacto das gotas de liquido nas pás da turbina pode causar a erosão destas e assim resultando em uma diminuição da eficiência da turbina e em uma necessidade maior de manutenção. Dessa forma, é comum manter um título de pelo menos 90% ( na saída da turbina. 
 As modificações no ciclo, o superaquecimento e o reaquecimento, permitem pressões de operação vantajosas na caldeira e no condensador e assim elimina o problema de título baixo na saída da turbina. 
Superaquecimento
Como não estamos restritos a ter vapor saturado na entrada da turbina, uma energia adicional pode ser somada por transferência de calor para o vapor d’agua, trazendo uma condição de vapor superaquecido na entrada da turbina. Isto é efetuado em um trocador de calor separado chamado de superaquecedor.
A figura 04 abaixo mostra um ciclo de Rankine ideal com vapor superaquecido na entrada da turbina: o clico 1’ -2’ -3-4-1’. O ciclo com superaquecimento possui uma temperatura média de adição de calor maior do que o ciclo sem superaquecimento (ciclo 1-2-3-4-1) sendo assim, a eficiência térmica é maior. Além disso, o título no estado 2’ na saída da turbina é maior do que no estado 2, que seria a saída da turbina sem superaquecimento. Dessa forma, o superaquecimento também tende a reduzir o problema de título baixo na saída da turbina. 
Figura 4 - Ciclo Rankine com vapor superaquecido.
 
 
Fonte: (ALLBIZ, 2014).
Reaquecimento
Com o reaquecimento, uma instalação de potência pode tirar vantagem do aumento de eficiência que resulta de pressões maiores na caldeira e ainda evitar um título baixo de vapor na exaustão da turbina. No ciclo de reaquecimento ideal mostrado na figura 05 abaixo, o vapor não se expande até a pressão do condensador em um único estágio. O vapor d’agua se expande através de uma turbina no primeiro estágio (processo 1-2) até um valor de pressão entre as pressões do gerador de vapor e do condensador. O vapor d’agua é então reaquecido no gerador de vapor (processo 2-3). De uma maneira ideal, não haveria queda de pressão quando o vapor é reaquecido.
Após o reaquecimento, o vapor d’agua se expande em uma turbina no segundo estágio até a pressão do condensador (processo 3-4). A principal vantagem do reaquecimento é aumentar o título do vapor na saída da turbina. Quando calculamos a eficiência térmica de um ciclo de reaquecimento, é necessário levar em conta o trabalho produzido pelos dois estágios de turbina, bem como o acréscimo total de calor que ocorre nos processos de vaporização/superaquecimento e de reaquecimento.
Figura 5 - Ciclo de reaquecimento ideal.
Fonte: (BAZZO, 1995).
Melhorando o desempenho – Ciclo de potência a vapor regenerativo
Outro método geralmente usado para aumentar a eficiência térmica de instalações de potência de vapor é o aquecimento regenerativo da água de alimentação ou, simplesmente regeneração. 
Aquecedores de água de alimentação abertos
Vamos considerar como a regeneração podendo ser efetuada utilizando-se um aquecedor de água de alimentação aberto, um trocador de calor do tipo contato direto no qual correntes a diferentes temperaturas misturam-se para formar uma corrente a uma temperatura intermediária. 
Figura 6 - Diagrama T-S.
Fonte: (COPYRIGHT, 2016).
A figura 06 acima mostra o diagrama esquemático e o diagrama T – s correspondente para um ciclo de potência a vapor regenerativo que possui um aquecedor de água de alimentação aberto. Para este ciclo, o fluido de trabalho passa isoentropicamente através dos estágios da turbina e bomba, e o escoamento através do gerador de vapor, condensador e aquecedor de água de alimentação ocorre sem queda de pressão em qualquer um destes componentes.
O vapor d’agua entra na turbina de primeiro estágio no estado 1 e se expande até o estado 2, quando uma fração do escoamento total é extraída, ou sangrada, para um aquecedor de água de alimentação aberto operando na pressão de extração P2. O restante do vapor se expande através da turbina de segundo estágio até o estado 3. Está parcela do escoamento total é condensada para liquido saturado, estado 4, e então bombeada até a pressão de extração e introduzida no aquecedor de água de alimentação no estado 5. Uma única corrente misturada deixa o aquecedor de água de alimentação no estado 6. Para o caso da figura acima, as vazões das correntes que entram no aquecedor de água de alimentação são escolhidas de forma que a corrente que sai do aquecedor de aguade alimentação seja um liquido saturado a pressão de extração. O liquido no estado 6 é então bombeado até a pressão do gerador de vapor e entra no gerador no estado 7. Finalmente, o fluido de trabalho é aquecido do estado 7 para o estado 1 no gerador de vapor.
 De acordo com o diagrama T – s do ciclo, note que a adição de calor ocorreria do estado 7 até o estado 1, em vez do estado a até o estado 1, como no caso sem regeneração. Dessa forma, a quantidade de energia que deve ser fornecida através da queima de combustível fóssil, ou por outra fonte, para vaporizar e superaquecer o vapor seria reduzida. Este é o resultado desejado. No entanto, somente uma parte do escoamento total se expande através da turbina de segundo estágio (processo 2-3), de modo que menos trabalho seria desenvolvido. Na prática, as condições de operação são escolhidas de tal maneira que a redução no calor adicionado supera com vantagem o decréscimo de trabalho liquido desenvolvido, resultando em uma maior eficiência térmica em instalações de potência regenerativas. 
Aquecedores de água de alimentação fechados e múltiplos
Os aquecedores de água de alimentação fechados são trocadores de calor do tipo casco e tubos que acabam não misturando suas correntes por trabalharem em diferentes pressões nos quais a temperatura da água de alimentação aumenta conforme o vapor obtido se condensa no exterior dos tubos que transportam água de alimentação. No regime estacionário, sempre desprezando energia cinética e potencial executados no regime estacionário um aquecedor de água de alimentação fechado, a fração do escoamento total extraída, “y”, pode ser determinado pela aplicação dos princípios da conservação da massa e de energia para um volume de controle no entorno do aquecedor de água de alimentação e suas vizinhanças, dependendo das entalpias do próprio trocador de calor. 
Os múltiplos aquecedores de água de alimentação fechados podem ser introduzidos de forma que o número de aquecedores na alimentação se baseie nas considerações econômicas já aumentos na eficiência térmica alcançada com cada aquecedor adicional se justifique o custo total exercido em: aquecedor, tubulações e bombas. A eficiência térmica do ciclo regenerativo pode ser aumentada pela incorporação de vários aquecedores de água de alimentação a pressões apropriadamente escolhidas.
Co-geração.
É definida como sendo uma geração simultânea de duas diferentes formas de energia útil usando uma única fonte primária de energia. Por mais eficiente que seja um gerador termelétrico, a maior parte da energia contida no combustível usado para seu acionamento é transformada em calor e perdida para o meio-ambiente. Trata-se de uma limitação física que independe do tipo de combustível (diesel, gás natural, carvão, etc.) ou do motor (a explosão, turbina a gás ou a vapor etc.). Por esta razão, no máximo 40% da energia do combustível do diesel usado em um gerador podem ser transformados em energia elétrica. Essa fonte de ineficiência pode reduzida com um arranjo de co-geração tanto para produzir eletricidade quanto o vapor. Podemos obter um melhor entendimento analisando um ciclo de potência a vapor binário, onde consiste em trabalhar com dois fluidos diferentes e com características distintas, onde um fluido apresenta eficiência com altas temperaturas e outro com baixas temperaturas. A cogeração pode ser entendida como essa estratégia de múltiplos, tanto o aquecimento a combustão direta como a geração do vapor são responsáveis por uma quantidade considerável de recursos energéticos da indústria. O aquecimento por zonas é um exemplo de co-geração e vem sendo cada vez mais utilizado em aplicações industriais e comerciais uma vez que a planta de potência é integrada de forma que garanta eletricidade, juntamente com o vapor que faz o aquecimento ambiental e da água de uso doméstico. 
Estudo de caso
Este estudo concentras as atenções na exergia, também conhecida como o trabalho máximo que pode ser obtido através do processo mais adequado de um sistema que se encontre em um estado inicial até que atinja o estado final, caracterizado pelo equilíbrio termodinâmico com o ambiente, neste trabalho sugerem algumas observações gerais sobre o desempenho das plantas de potência a vapor, num primeiro instante mostra-se que as destruições de exergia são mais importantes que as perdas nas plantas, a maior parte desse trabalho máximo é destruído, e essa destruição na caldeira supera todas as outras. Essa análise permite a identificação dos pontos onde ocorrem destruições ou perdas de modo a se poder ordená-los segundo a sua importância, qualquer tipo de modificação a ser instalada é levado em consideração a economia no uso do combustível e seus custos. 
Efeito da relação de compressão no desempenho do ciclo Brayton
O desempenho de um ciclo de uma turbina à gás pode ser aumentado de acordo com a compressão, mas precisa-se encontrar uma razão de compressão que otimize a eficiência de uma forma em que a temperatura esteja abaixo da máxima permissível para que não haja deformação estrutural na entrada da turbina. A formula utilizada para encontrar essa razão de compressão é: 
O compressor de um ar da turbina é constituído por um rotor e um difusor, o que constitui um salto, geralmente são usados vários saltos, e quanto maior a quantidade de salto melhor a taxa de compressão. A seguir a figura 7 abaixo de um compressor axial de 6 saltos. 
Figura 7 – Compressor de ar 6 saltos
Fonte: (UNESP, 2015). 
Perdas nas turbinas a gás do Ciclo Brayton
Em um ciclo onde se usa calor para geração de energia elétrica ou energia mecânica, temos uma taxa de dispersão de energia térmica muito grande, para isso, reaproveitamos este calor de uma forma onde adicionamos vários ciclos para que tiremos máximo proveito dessas transformações. A perda de ciclo ideal é quantificada pela potência fornecida pelo combustível, descontando a potência de acionamento do compressor e a potência líquida, diminui-se a perda à medida que se reduz a temperatura de escape (adicionando outros ciclos utilizando o gás de escape do primeiro ciclo), e aumenta a temperatura de entrada na turbina, por isso deve ser bem projetado à ponto crítico a tecnologia de construção destes equipamentos. 
Turbinas a gás regenerativas
Ciclo regenerativo é um procedimento utilizado para melhorar o rendimento de uma turbina a gás, consiste em recuperar parte do calor perdido nos gases a alta temperatura. É utilizado um ou vários regeneradores (IC) entre a saída do compressor e a saída da câmara de combustão, aquecendo o ar através das fases de escape da turbina a gás. Há também ciclos de regeneração combinados, como o ciclo com regeneração e refrigeração e o ciclo com regeneração e reaquecimento, em um ciclo com regeneração e refrigeração pode ser aumentado o rendimento de uma turbina refrigerando o ar de saída do compressor e injetando-o em outro compressor de alta pressão, já no ciclo com regeneração e reaquecimento pode-se aumentar o rendimento de uma turbina aproveitando o calor dos gases de escape, introduzindo-os em uma nova câmara de combustão, que em sua saída acionará uma nova turbina a gás de baixa pressão. A figura 8 representa uma turbina de ciclo aberto com regeneração, onde C – Compressor, CC – Câmara de Combustão, T- Turbina, IC- Trocador de Calor e A – Alternador. 
Figura 8 – Ciclo aberto com regeneração 
	Fonte: (UNESP, 2015). 
Aumento de rendimento em um ciclo a gás Brayton
O ciclo Brayton é um ciclo de potência de gás e é a base das turbinas de gás. Tem como função transformar energia que se encontra em forma de calor a potência para realizar um trabalho, tem várias aplicações, principalmente em propulsão de aviões, e a geração de energia elétrica, embora se utilizou também em outras aplicações. Encontra-se que a eficiência das máquinas de Brayton em ciclo fechado dependem unicamente do relacionamento de pressões isentrópicas. Se aumenta - se a pressão primeiramente à turbina, também se incrementa a temperaturaem dita entrada. A temperatura primeiramente à turbina, com frequência, está limitada pelas propriedades dos alabes, o que corresponde a um limite superior prático na eficiência do ciclo. A máquina de Brayton com ciclo fechado (adição externa de calor) recebeu uma atenção considerável para empregá-la em sistemas nucleares e, mais recentemente, em sistemas de energia solar a temperaturas elevadas. Naturalmente as turbinas e os compressores reais não são isentrópicas. Para os ciclos de ar regular, a eficiência da cada componente inclui-se facilmente nas análises. O compressor e a turbina reais têm mesma pressão de saída que os aparelhos isentrópicos correspondentes (as eficiências da turbina e o compressor de Brayton geralmente se dão com respeito aos aparelhos isentrópicos e não aos isotérmicos).
Turbinas à gás com reaquecimento e Inter resfriamento.
Existem duas modificações da turbina básica que podem resultar em aumentos significativos da eficiência térmica são: a expansão em múltiplos estágios com reaquecimento e a compressão em múltiplos estágios com inter-resfriamento, ambos somados à regeneração em um mesmo processo. 
Turbinas à gás com reaquecimento
Por razões metalúrgicas, a temperatura dos produtos gasosos de combustão que entram na turbina deve ser limitada. Pode-se controlar essa temperatura fornecendo-se ar em quantidades acima da necessária para a queima do combustível no combustor. Como consequência, os gases que deixam o combustor contêm ar suficiente para suportar a combustão de combustível adicional. Algumas instalações de potência a gás tiram proveito do excesso de ar por meio de uma turbina de múltiplos estágios com um combustor com reaquecimento entre os estágios. Com esse arranjo, o trabalho líquido por unidade de massa que escoa pode ser aumentado.
As características básicas de uma turbina de dois estágios com reaquecimento são mostradas a seguir através da consideração de um ciclo de ar-padrão Brayton ideal modificado. Após a expansão do estado 3 para o estado “a” na primeira turbina, o gás é reaquecido a pressão constante do estado “a” até o estado “b”. A expansão é então completada na segunda turbina, do estado “b” ao estado 4, como na figura 7:
Figura 9 - Ciclo Rankine.
Fonte: (SENAI, 2012).
Devido ao fato de que linhas de pressão constante em um diagrama T-s divergem ligeiramente conforme a entropia cresce, o trabalho total da turbina de dois estágios é maior que aquele de uma única expansão do estado 3 para o estado 4’. Assim, o trabalho líquido do ciclo com reaquecimento é maior que aquele do ciclo sem reaquecimento. Apesar do aumento do trabalho líquido com reaquecimento, a eficiência térmica do ciclo não necessariamente aumentaria, porque seria exigida maior adição de calor total. Porém, devido ao fato que a temperatura na saída da turbina é maior do que sem reaquecimento, aparece um potencial para regeneração. Ou seja, surgem possibilidades reais para incremento da eficiência térmica.
Compressão com inter-resfriamento
O trabalho líquido produzido por um ciclo com turbina a gás também pode ser aumentado ao reduzir-se o trabalho fornecido ao compressor. Isto pode ser obtido através da compressão em múltiplos estágios com inter-resfriamento. O diagrama p-v da figura 08 abaixo mostra dois possíveis caminhos para a compressão de um estado especificado 1 até uma pressão final especificada p2. O caminho 1-2’ é para uma compressão adiabática. O caminho 1-2 corresponde a uma compressão com transferência de calor do fluido de trabalho para as vizinhanças. A área menor à esquerda do processo 1-2 indica que o trabalho desse processo é menor que o da compressão adiabática de 1 para 2’. 
Figura 10 - Diagrama P-V.
Fonte: (SENAI, 2012).
Na prática, é difícil resfriar o fluido de trabalho simultaneamente com o processo de compressão. Alternativamente, as interações de calor e trabalho são separadas em dois processos distintos, permitindo que a compressão ocorra em estágios com trocadores de calor chamados inter-resfriadores, que resfriam o gás entre os estágios do compressor.
Na figura 9 o processo 1-c representa uma compressão isentrópica do estado 1 para o estado “c”, onde a pressão é . No processo c-d o gás é resfriado a pressão constante da temperatura para . O processo d-2 é uma compressão isentrópica até o estado 2. A área hachurada no diagrama p-v representa a redução de trabalho que seria obtida com inter-resfriamento. O uso de compressão em múltiplos estágios com inter-resfriamento aumenta o trabalho líquido produzido através da redução do trabalho de compressão. Porém, a compressão com inter-resfriamento, por si só, não aumentaria necessariamente a eficiência térmica do ciclo, porque a temperatura de admissão do ar no combustor seria reduzida de 2’ para 2.
Figura 11 - Processos de Rankine.
Fonte: (Inspecal , 2016).
Uma temperatura mais baixa na entrada do combustor exigiria uma transferência de calor adicional para atingir a temperatura de entrada desejada na turbina. No entanto, a temperatura mais baixa na saída do compressor incrementa o potencial para regeneração (maior diferencial de temperatura), de modo que, quando o inter-resfriamento é usado em conjunto com a regeneração, pode resultar em um aumento apreciável da eficiência térmica. O tamanho da área hachurada no diagrama p-v (redução de trabalho com inter-resfriamento), depende tanto da temperatura na saída do inter-resfriador como da pressão na entrada deste, . Selecionando-se apropriadamente e , o trabalho total fornecido ao compressor pode ser minimizado. A figura 10 a seguir ilustra a maneira de como se comporta uma turbina com compressão com inter-resfriamento.
Figura 12 - Comportamento da turbina com compressão.
Fonte: (BAZZO, 1995).
Os cálculos confirmam que com uma compressão em dois estágios e inter-resfriamento, uma quantidade de trabalho menor é exigida do que com um único estágio de compressão, no entanto, com o inter-resfriador é obtida uma temperatura do gás mito menor na saída do compressor. Com o inter-resfriador foi aumentado, neste caso, em 16% com relação ao ciclo sem o inter-resfriador.
Reaquecimento e inter-resfriamento, efeitos sobre o rendimento do ciclo básico de Brayton
Para melhoria do rendimento podemos adotar o reaquecimento entre estágios da turbina e o inter-resfriamento entre estágios do compressor, esses processos deixam evidentes duas vantagens: a primeira, é o aumento do trabalho liquido produzido, sendo que a segunda é o maior potencial de regeneração, que é o aproveitamento dos gases quentes que saem da turbina, para fazer a troca de calor aquecendo os gases que saem do compressor.
Quando o reaquecimento e o inter-resfriamento são usados juntamente com a regeneração há condições de ter uma melhoria considerável no desempenho. No entanto ao passar pelo resfriador e aquecimento, há uma perca de carga nas tubulações, mas para efeito de cálculos esses valores são desprezíveis.
A Figura 13 a seguir mostra o ciclo de Brayton com um duplo estágio no compressor, o inter-resfriamento entre eles, posteriormente o reaquecimento fazendo troca de calor com o regenerador e a turbina com duplo estágio. 
Figura 13- Ciclo com duplo estágio no compressor e turbina.
A Figura 14 a seguir mostra o ciclo de Brayton sendo representado pelo gráfico T x S (Temperatura x Entalpia), o gráfico mostra que os estágios do compressor e da turbina são irreversíveis 
Figura 14 – Compressor e turbina irreversíveis.
Quando infinitos estágios são utilizados na compressão e na turbina, realizando o processo de reaquecimento e inter-resfriamento, a compressão e a expansão isentrópicas, se aproxima de um processo isotérmico, chegando-se a máxima eficiência, o ciclo passa a ser denominado Ericsson, que segue as mesmas características de Carnott, apenas para comparações e modelos de estudo. 
14 Ciclo de Potência combinado de Turbina a Gás e Vapor 
Um ciclo de Potência combinado de Turbina a gás e Vapor constitui-se de forma quea energia liberada, em forma de calor, de um dos ciclos é aproveitada de forma parcial ou completa pelo outro ciclo. Esse processo pode ser feito tanto na forma combinada de Turbina a gás e a vapor, quanto na forma inversa de Turbina Vapor e a gás.
A combinação dos ciclos produzem potências separadas, que podem ser somadas gerando uma potência líquida total da combinação do ciclo de potência. No entanto a eficiência global do ciclo é a soma dos trabalhos líquidos de cada ciclo sobre apenas uma energia que entra em forma de calor. Essa combinação resulta que o ciclo seja muito mais econômico, fazendo com que essa aplicação seja cada dia mais utilizada em todo o mundo para geração de energia elétrica. 
As combinações podem ser com vários ciclos diferentes, porém ela possue uma maior rendimento quando com binadas o ciclo de Rankine com o ciclo Brayton, pois o ciclo a gás trabalha com uma temperatura mais elevada, fazendo com que o calor liberado seja aproveitado de uma forma eficiente para realizar a troca de calor e geração do vapor no ciclo a vapor. A Figura 15 a seguir mostra o ciclo de potência com turbina a gás sendo combinado com turbina a vapor.
Figura 15 – Ciclo de potência combinado gás e vapor.
No ciclo Rankine, necessitamos de uma fonte de energia, para gerar calor, que na forma mais comum é utilizada uma caldeira para geração do vapor que pode ser feita pela queima de vários combustíveis. No entanto essa combinação dispensa essa fonte de energia, sendo utilizado aproveitamento do calor liberado pela turbina a gás. Na figura 9,23 notamos que o calor que seria dispensado é utilizado para realizar a troca de calor para geração de um vapor saturado antes de entrar na segunda turbina, com essa combinação podemos chegar aos incríveis 60% de eficiência na geração de energia elétrica, porcentagem nunca alcançada com apenas um processo.
Conclusão 
Existem diversas formas de se melhorar um ciclo afim de aproximá-lo ao máximo aos ciclos ideais. A eficiência energética tão requerida em processo de fabricação que demandam cada vez mais de baixo consumo e reaproveitamentos de energia vem crescendo dentro de centros de pesquisas em todos os ramos de aplicação. 
Como papel de um engenheiro de buscar sempre novas formas de reaproveitamento é imprescindível conhecer o comportamento e cada processo em cada ciclo com o objetivo de minimizar as perdas, alcançar o tão almejado ciclo de Carnot.