Ciclo Brayton
O Ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão constante, utilizado no estudo das turbinas a gás.
Em 1872, George Brayton pediu uma patente para o seu "Ready Motor", motores que usavam um compressor de pistão separado do expansor, injetando ar comprimido quente pelo cilindro interno do expansor. As primeiras versões do motor de Brayton eram os motores a vapor que misturavam o Combustível e o ar enquanto o compressor, por meio de um Carburador em uma superfície aquecida. O combustível/ar ficava contido em um reservatório e depois ia para um cilindro de expansão onde era queimado, a medida com que o combustível entrava no cilindro de expansão era acendida uma chama piloto. Uma tela de proteção foi usada para impedir que o fogo voltasse para o reservatório, porém nas primeiras tentativas tal tela falhava e uma explosão ocorria. Em 1874 Brayton resolveu o problema da explosão adicionando o combustível imediatamente antes do cilindro expansor. O motor agora usava combustíveis mais pesados, como querosene e óleo combustível, onde a ignição continuava pela chama piloto. Brayton produziu e vendeu os "Ready Motors" para execução de uma variedade de tarefas, como bombeamento de água, operação de moinho, geradores termoelétricos e propulsão marítima. Brayton licenciou seu projeto através da Simone no Reino Unido, onde havia muitas variações em seu layout; alguns eram de ação simples, outros de ação dupla, outros tinham funcionamento em terra e outros aéreos. Havia ainda a variedade de modelos horizontais e verticais, podendo ir de um a até 40 cavalos, tendo uma eficiência razoável para época.
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.
Um compressor, uma câmara de mistura e um expansor são os três componentes necessários de um motor de Brayton, uma vez que os motores mais modernos que o de Brayton são na maioria da vezes uma espécie de turbina, como os utilizados em avião. Embora Brayton só tenha feito motores a pistão, onde o ar ambiente era aspirado para um compressor de pistão, e comprimido, em um processo idealmente isentrópico. O ar comprimido passava através de uma câmara de mistura onde era adicionado combustível, um processo isobárico. A mistura pressurizada de ar e combustível era então inflamada num cilindro de expansão, e a energia é liberada, fazendo com que o ar aquecido e os produtos de combustão se expandam através de um pistão/cilindro, outro processo idealmente isentrópico. Parte do trabalho extraído pelo pistão/cilindro é usado para dirigir o compressor através de um arranjo de Cambota. Uma turbina a gás também é um motor de Brayton, composto pelos itens acima já citados, onde o ar ambiente é aspirado para dentro do compressor, posteriormente pressurizado, se tratando de um processo isentrópico, o ar comprimido passa então através de uma câmara de combustão (Simples ou múltipla), onde o combustível é queimado, aquecendo o ar - um processo de pressão constante, uma vez que a câmara está aberta para entrar e sair; um processo isobárico, o ar aquecido e pressurizado então fornece sua energia, expandindo-se através de uma turbina (ou série de turbinas). Parte do trabalho extraído pela turbina é usado para conduzir o compressor; um processo isentrópico, e por fim rejeição de calor (na atmosfera); um processo isobárico.
1→2: De 1 a 2, tem-se uma transformação adiabática. Nesse estágio, o gás é comprimido adiabaticamente. Assim, a partir da primeira lei da termodinâmica, o trabalho adiabático é: W = n R γ − 1 ⋅ ( T 2 − T 1 ) {\displaystyle W={\frac {nR}{\gamma -1}}\cdot (T_{2}-T_{1})} 2→3: De 2 a 3 temos uma transformação isobárica do gás. Nesse estágio, o gás expande com mesma pressão, ao mesmo tempo em que recebe calor do meio. O calor recebido é: Q q = n c p ( T 3 − T 2 ) {\displaystyle Q_{q}=nc_{p}(T_{3}-T_{2})} 3→4: De 3 a 4 temos uma transformação adiabática. Nesse estágio, ocorre uma expansão adiabática. A partir da primeira lei, a energia é igual ao trabalho adiabático. W = n R γ − 1 ⋅ ( T 4 − T 3 ) {\displaystyle W={\frac {nR}{\gamma -1}}\cdot (T_{4}-T_{3})} 4→1: De 4 a 1 temos uma transformação isobárica. Nesse estágio, o gás expande com mesma pressão, ao mesmo tempo em que perde calor para o meio. O calor perdido é:
Ciclo fechado de Brayton
Um ciclo fechado de Brayton circula o fluido de trabalho, o ar expelido da turbina é reintroduzido no compressor, este ciclo utiliza um permutador de calor para aquecer o fluido de trabalho em vez de uma câmara de Combustão interna. O ciclo de Brayton fechado é usado, por exemplo, em turbinas a gás de ciclo fechado e geração de energia espacial. O ciclo de Brayton , assim como os outros ciclos apresenta dois processos isobáricos e dois isoentrópicos. Diferencia-se pelo fato de que o fluido de trabalho, em seu ciclo, não apresenta mudança de fase (o fluido sempre está na fase de vapor). O ciclo fechado de Brayton é o próprio ciclo ideal da turbina a gás simples. O ciclo fechado utiliza-se de dois processos de transferência de calor. Utiliza-se no ciclo algumas ferramentas que atuam com papéis relevantes, como um permutador de calor para aquecer o fluido de trabalho ao invés de uma câmera de combustão interna. O funcionamento, de forma geral, do ciclo citado ocorre através da entrada da entrada de ar no compressor, nas condições de uma determinada temperatura e pressão. O ciclo terá um temperatura máxima suportada e um pressão de escape na saída do compressor. O ciclo terá, também, uma eficiência para o compressor e também para a turbina. Após a circulação gás dentro do ciclo, obtém-se de forma calculada o trabalho do compressor, da turbina e o rendimento do ciclo todo. Admite-se muitas vezes, para melhor realização dos trabalhos e dos rendimentos, que o ar comporta-se como gás perfeito e que apresenta calor específico de valor constante e que cada processo ocorre em regime permanente e que não apresentem variações de energia cinética ou potencial.
Ciclo solar de Brayton
Em 2002, um ciclo híbrido solar aberto de Brayton foi operado pela primeira vez consistente e eficazmente com os papéis relevantes publicados, no frame do programa de SOLGATE da UE.O ar foi aquecido de 570 K para mais de 1000 K para dentro da câmara de combustão. A hibridação adicional foi conseguida durante o projeto EU Solhyco executando um ciclo de Brayton hibridado, utilizando Energia solar e Biodiesel somente. Esta tecnologia foi ampliada para 4,6 MW dentro do projeto Solugas localizado perto de Sevilha, onde atualmente é demonstrada em escala pré-comercial. Abaixo segue exemplo de aplicação: As plantas de torre centradora contam com centenas ou até milhares de refletores são posicionados em torno de uma torre central. Cada refletor rastreia o sol de modo a refletir a radiação ao receptor central. O calor concentrado absorvido no receptor é transferido para um fluido circulante que pode ser armazenado e/ou utilizado para produzir trabalho. O ar permite a operação de uma turbina a gás, o que possibilita a criação de uma planta de geração elétrica de torre de concentração, onde a torre aquece ar em ciclo aberto, pode ou não ter um queimador adicional, que vaporiza água em um trocador de calor para operação de uma turbina a vapor.
Ciclo reverso de Brayton
Um ciclo de Brayton que é dirigido em sentido inverso, através de entrada de trabalho de rede, e quando o ar é o fluido de trabalho, é o ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. Seu objetivo é mover calor, em vez de produzir trabalho. Esta técnica de arrefecimento a ar é amplamente utilizada em aviões a jato e para sistemas de Ar condicionado que utilizam ar comprimido a partir dos compressores do motor. Também é usado na indústria de GNL, onde o maior ciclo de brayton reverso é para sub-resfriamento LNG usando 86 MW de potência de um compressor de turbina a gás e Nitrogênio. Vide figura, o funcionamento deste ciclo se dá pela compressão de 1 a 2, após isto, o ar é resfriado em consequência da transferência de calor ao meio envolvente (a temperatura ). O ar é então expandido, no processo 3-4, até a pressão de entrada do compressor e a temperatura cai para , no expansor. Calor pode, então, ser transferido ao ar até que se atinja a temperatura . O trabalho para esse ciclo, é representado pela área 1-2-3-4-1 e o efeito frigorífico é representado pela área 4-1-b-a-4. O coeficiente de eficácia é a relação entre estas duas áreas.
O ciclo de Joule-Brayton é a base para produção de Energia elétrica e Energia mecânica. Nestes casos, o ciclo é usado na entalpia dos fluidos para produzir trabalho mecânico para o eixo. Existem muitos esquemas construtivos, como o uso de compressores axiais ou radiais de acordo com o tamanho, com a utilização de um ou dois veios coaxiais de, e ainda outras diferenças. Um valor para o desempenho real de máquinas estacionárias é de cerca de 35-38% para um ciclo básico, embora possa ser superior a 50% durante um ciclo com intercooler. Os globais aumenta a eficiência energética, mesmo os que exploram o calor residual (ar a cerca de 500 °C) para a cogeração ou para um ciclo de vapor secundários. Estas medidas, é claro, fazem aumentar a Eficiência do processo, mas deixa inalterado o funcionamento do ciclo de Joule-Brayton. O ciclo Brayton é um processo utilizado, principalmente, em turbinas a gás. Ele pode operar em um ciclo aberto e em um ciclo fechado. Quando operada em um ciclo aberto, o gás utilizado entra uma câmara de compressão, pelo bocal de admissão. Em seguida, o gás passa por uma câmara de combustão à pressão constante, onde reage com o combustível. Por fim, os gases de combustão passam pela turbina e são eliminados pelo duto de escape. Este ciclo pode ser utilizado como motor de veículos terrestres, marítimos ou aéreos. Já no ciclo fechado, o gás, na câmara de combustão, recebe calor de uma fonte quente externa. Após a passagem do gás pela turbina, um trocador de calor recebe o gás, em que há a liberação de calor para uma fonte fria externa, de modo que o ar volte ao seu estado inicial. Este último ciclo pode ser utilizado em uma usina termoelétrica.
