Ciclo Brayton

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Sistemas Térmicos
Aula 201 – Ciclo Brayton
No bimestre passado estudamos um ciclo a vapor, chamado ciclo de Rankine. Muitos equipamentos utilizam, todavia, gases como fluido de trabalho, por exemplo motores a Diesel e a turbina a gás convencional. Esses ciclos, de uma forma geral, são modelados pelo chamado ciclo padrão a ar. Esse ciclo é fechado e possui cinco hipóteses:
O fluido de trabalho é uma massa de ar fixa, modelada como gás ideal (sem escapamento)
O processo de combustão é substituído por uma transferência de calor (caldeira)
O ciclo é completo pela rejeição de calor por transferência de calor simples (em contraste ao escapamento)
Todos os processos são reversíveis
O ar tem calor específico constante
O principal mérito desse ciclo é permitir um modelo para as muitas variáveis do ciclo. 
Ciclo brayton
Observe o ciclo da figura. Esse ciclo, onde não há mudança de fase e todo o processo é realizado usando um gás como fluido de trabalho é chamado de ciclo Brayton.
O ciclo é composto de dois processos isentrópicos (compressão e expansão) e dois processos isobáricos (trocas de calor).
O rendimento do ciclo é calculado da seguinte forma:
Colocando T1 e T2 em evidência:
Pode-se usar as relações de operações isentrópicas:
Ou:
Assim, o rendimento do ciclo padrão a ar Brayton é função apenas da relação de pressão isentrópica. Veja isso no diagrama T-s.
O ciclo com maior compressão possui mais calor sendo recebido, mas o mesmo rejeitado, aumentando o rendimento.
Numa turbina a gás real, a temperatura máxima T3 é limitada por razões metalúrgicas. Assim, o ciclo real iria até o ponto 3”, reduzindo a quantidade de trabalho obtida, mas tendo um rendimento melhor que o ciclo original.
Outra característica do ciclo Brayton é que o compressor utiliza uma grande quantidade de trabalho, proporcionalmente. O compressor pode chegar a consumir 40 a 80% da potência da turbina. Se o rendimento de um ciclo Brayton cai abaixo de 60%, isso significa que praticamente todo o trabalho do sistema é usado apenas para a compressão do gás, fazendo que o rendimento global do sistema seja nulo.
Isso acontece porque num trabalho de compressão de líquido, o volume praticamente não sofre alteração. A equação usada para calcular o trabalho de compressão isentrópica é . Isso mostra uma vantagem inerente de trabalhar com ciclos que envolvam mudança de fase.
Exemplo: Ar entra no compressor de um ciclo padrão a ar Brayton a 0,1Mpa e 15°C. A pressão na saída do compressor é de 1Mpa e a temperatura máxima do ciclo é 1.100°C. Determine a pressão e a temperatura em cada ponto do ciclo e o rendimento do ciclo.
1º Passo: Compressor
Sabe-se: P1, T1, P2
Deseja-se: WC
Da relação de um processo isentrópico:
O k (razão de calor específico) é 1,4.
O trabalho de compressão é:
2º Passo: Turbina
Sabe-se: P3, T3, P4
Deseja-se: WT
Da relação de um processo isentrópico:
Assim, o trabalho líquido é:
3º Passo: Trocador de alta
Sabe-se: T3, T4
Deseja-se: QH
Por fim, o rendimento:
Usando a equação das pressões: