Ciclo+Brayton+de+Ar+Padrão

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Ciclo Brayton de Ar Padrão 
 
Um diagrama esquemático do ar padrão com turbina a gás. 
 
 
As direções das principais transferências de calor são indicadas na figura por setas. De acordo 
com as considerações da análise do ar padrão, o aumento de temperatura que seria atingido 
no processo de combustão é alcançado por uma transferência de calor para o fluído de 
trabalho para uma fonte externa e o fluído de trabalho é o ar considerado como um gás ideal. 
Com as idealizações do ar padrão, o ar seria então direcionado ao compressor no estado 1, a 
partir da vizinhança, e depois retornaria à vizinhança, e depois retornaria a vizinhança no 
estado 4 com uma temperatura maior do que a temperatura ambiente. Após a interação com 
a vizinhança, cada unidade de massa de ar descarregado iria finalmente retornar ao mesmo 
estado do ar que entra no corredor, de forma que podemos pensar no ar que passa através 
dos componentes da turbina a gás como se ocorresse um ciclo termodinâmico. 
Uma representação simplificada dos estador percorridos pelo ar em tal ciclo pode ser 
imaginada considerando-se que o ar que sai da turbina retorna ao estado de entrada do ar 
compressor passando através de um trocador de calor onde ocorre a rejeição de calor para a 
vizinhança. O ciclo que resulta com essa nova idealização é chamado ciclo Brayton padrão. 
 
CALCULANDO AS TRANSFERÊNCIAS DE CALOR E TRABALHO PRINCIPAIS 
 
Considerando que a turbina opere adiabaticamente e desprezando os efeitos de energia 
cinética e potencial, o trabalho desenvolvido por unidade de massa é: 
�̇�𝑡
�̇�
= ℎ3 − ℎ4 
 
Onde: �̇� designa a vazão mássica. Com as mesmas hipóteses, o trabalho do compressor por 
unidade de massa é 
 
�̇�𝑐
�̇�
= ℎ2 − ℎ1 
 
O símbolo �̇�𝑐 representa a entrada de trabalho e assume um valor positivo. O calor adicionado 
ao ciclo por unidade de massa é 
 
�̇�𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
�̇�
= ℎ3 − ℎ2 
 
O calor rejeitado por unidade de massa é 
 
�̇�𝑠𝑎í𝑑𝑎
�̇�
= ℎ4 − ℎ1 
 
Onde �̇�𝑠𝑎í𝑑𝑎 tem valor positivo 
A eficiência térmica do ciclo é 
 
𝜂 =
(
�̇�𝑐
�̇� )
(
�̇�𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
�̇� )
=
ℎ2 − ℎ1
ℎ3 − ℎ4
 
 
O trabalho reverso (bwr) para o ciclo é 
 
𝑏𝑤𝑟 =
(
�̇�𝑐
�̇� )
(
�̇�𝑡
�̇� )
=
ℎ2 − ℎ1
ℎ3 − ℎ4
 
 
Para o mesmo aumento de pressão, um compressor de turbina a gás precisaria de uma 
entrada de trabalho por unidade de fluxo de massa muito maior do que uma bomba de uma 
instalação de potência a vapor, porque o volume específico médio do gás, escoando através do 
compressor, é muitas vezes maior do que o do líquido passando através da bomba. Logo, uma 
parte relativamente grande do trabalho desenvolvido pela turbina é necessária para acionar o 
compressor. Taxas típicas de trabalho reverso variam de 40% a 80%. Em comparação, as taxas 
de trabalho reverso de instalações de potência a vapor são normalmente 1 ou 2% apenas. 
Se as temperaturas nos estados numerador do ciclo forem conhecidas, as entalpias específicas 
necessárias para as equações anteriores são prontamente obtidas da tabela de gás ideal para o 
ar. De forma alternativa, com perda de alguma precisão, a variação dos calores específicos 
com a temperatura pode ser desprezada e os calores específicos podem ser considerados 
constantes. A análise de ar padrão é então denominada análise de ar frio padrão. 
 
CICLO BRAYTON IDEAL DE AR PADRÃO 
 
Desprezando as irreversibilidades à medida que o ar circula através de vários componentes de 
ciclo Brayton, não há quedas de pressão por atrito e o ar escoa a pressão constante através 
dos trocadores de calor, Se transferências de calor acidentais para a vizinhança também forem 
desprezadas, os processos através da turbina e do compressor serão isentrópicos. O ciclo ideal 
mostrado nos diagramas p-v e T-s está de acordo com essas idealizações. 
 
 
 
As áreas dos diagramas T-s e p-v podem ser interpretadas como calor e trabalho, 
respectivamente, por unidade de massa escoando. No diagrama T-s, a área 2-3-a-b-2 
representa o calor adicionado por unidade de massa e a área 1-4-a-b-1 é o calor rejeitado por 
unidade de massa. No diagrama p-v, a área 1-2-a-b-1 representa o trabalho de entrada do 
compressor por unidade de massa e a área 3-4-b-a-3 é o trabalho de saída da turbina por 
unidade de massa. A área em cada figura pode ser interpretada como o trabalho líquido de 
saída ou, de forma equivalente, o calor líquido adicionado. 
 
Com os dados da tabela de ar utilizados para conduzir uma análise envolvendo o ciclo Brayton 
ideal, as relações a seguir, se aplicam aos processos isentrópicos 1-2 e 3-4. 
 
𝑝𝑟2 = 𝑝𝑟1
𝑝2
𝑝1
 
 
𝑝𝑟4 = 𝑝𝑟3
𝑝4
𝑝3
= 𝑝𝑟3
𝑝1
𝑝2
 
 
Lembre-se de que pr é tabelado versus a temperatura. Uma vez que o ar escoa através dos 
trocadores de calor do ciclo ideal a pressão constante, resulta p4/p3 = p1/p2. 
 
Quando um ciclo Brayton ideal é analisado com base no ar frio padrão, os calores específicos 
são tomados como constantes. Logo: 
 
𝑇2 = 𝑇1(
𝑃2
𝑃1
)(𝑘−1)/𝑘 
 
𝑇4 = 𝑇3(
𝑃4
𝑃3
)(𝑘−1)/𝑘 = 𝑇3(
𝑃1
𝑃2
)(𝑘−1)/𝑘 
 
Onde k é a razão dos calores específicos, k=cp/cv.