O Ciclo Brayton, também conhecido como ciclo da turbina a gás, é um ciclo termodinâmico que descreve o funcionamento de turbinas a gás, tipo de motor amplamente utilizado em aplicações industriais, aeronáuticas e de geração de energia.
Este ciclo fornece uma descrição detalhada de como a energia térmica é convertida em energia mecânica usando um fluxo de trabalho de gás.
Processos de ciclo
O ciclo Brayton consiste em quatro processos termodinâmicos principais:
- Compressão isotérmica.
- Aquecimento de pressão constante.
- Expansão isotérmica.
- Resfriamento de pressão constante.
Esses processos são representados em um diagrama TS (temperatura-entropia) e PV (pressão-volume), que permite analisar o desempenho e as características do ciclo.
Compressão isotérmica
O ciclo começa com a compressão isotérmica, onde o ar ambiente é comprimido adiabaticamente em um compressor, aumentando sua pressão e temperatura.
Este processo é realizado para que a temperatura do gás permaneça constante, o que exige a retirada do calor gerado durante a compressão.
Aquecimento de pressão constante
O ar comprimido é então direcionado para a câmara de combustão, onde o combustível é injetado e queimado, gerando um aumento significativo na temperatura e na pressão do gás a pressão constante.
Expansão isotérmica
O próximo processo é a expansão isotérmica, onde o gás quente se expande através de uma turbina, convertendo parte da energia térmica em energia mecânica, que é usada para acionar o compressor e qualquer carga conectada ao eixo da turbina.
Durante esta expansão, a temperatura do gás permanece constante e o trabalho realizado pela turbina é calculado pela integral pressão-volume no diagrama Pv.
Resfriamento de pressão constante
Finalmente, o gás resfriado é encaminhado através de um trocador de calor ou resfriador de pressão constante, onde o excesso de calor é removido antes do ciclo recomeçar. Este processo mantém a eficiência térmica do ciclo, evitando que os gases de escape tenham uma temperatura muito elevada.
Características do ciclo Brayton
Uma característica importante do ciclo Brayton é a sua capacidade de operar em um sistema aberto ou fechado.
Num sistema aberto, o ar de admissão é retirado do ambiente e descarregado após passar pela turbina, enquanto num sistema fechado o ar é continuamente recirculado. Esta flexibilidade permite que o ciclo seja adaptado a diferentes aplicações e condições de operação.
Outro parâmetro importante é a relação de pressão máxima e mínima, que descreve a diferença de pressão entre a entrada e a saída da turbina. Uma taxa de pressão mais alta pode aumentar a potência da turbina, mas também pode aumentar as cargas térmicas e mecânicas nos componentes do sistema.
Desempenho
O desempenho do ciclo Brayton pode ser avaliado por vários parâmetros, como eficiência térmica, taxa de compressão e relação de pressão máxima e mínima.
A eficiência térmica do ciclo é definida como a relação entre o trabalho líquido realizado pela turbina e o calor fornecido na câmara de combustão. Maior eficiência térmica indica uma conversão mais eficaz de energia térmica em trabalho mecânico.
A taxa de compressão, por outro lado, é a relação entre a pressão máxima e a pressão mínima no ciclo. Uma taxa de compressão mais alta geralmente leva a uma maior eficiência térmica, pois aumenta a diferença de temperatura entre a entrada e a saída da turbina. Contudo, um aumento excessivo na taxa de compressão pode aumentar as perdas de compressão e reduzir a eficiência do ciclo.
Exemplos de aplicação
O ciclo Brayton é utilizado em diversas aplicações industriais e comerciais devido à sua eficiência e versatilidade.
Alguns exemplos dessas aplicações são:
- Turbinas a gás para geração de energia elétrica : Turbinas a gás operando no ciclo Brayton são amplamente utilizadas em usinas de energia para gerar eletricidade. Essas turbinas podem funcionar com uma ampla gama de combustíveis, incluindo gás natural, petróleo e biogás. Eles são especialmente úteis em aplicações de ciclo combinado, onde o calor residual da turbina é utilizado para gerar vapor e alimentar uma turbina a vapor adicional, aumentando assim a eficiência geral da planta.
- Propulsão aeronáutica : Esses motores, também conhecidos como motores a jato ou turbofans, comprimem o ar que entra, aquecem-no queimando combustível e depois o expandem através de uma série de turbinas para gerar empuxo. Eles são altamente eficientes em termos de empuxo por unidade de consumo de combustível e são essenciais para a aviação moderna.
- Turbinas a gás para aplicações industriais : Turbinas a gás baseadas no ciclo Brayton são utilizadas em diversas aplicações industriais, como compressão de gás, acionamento de bombas e geração de energia em instalações remotas ou em plataformas offshore. Essas turbinas podem funcionar com uma variedade de combustíveis e podem ser adaptadas para atender a uma ampla gama de requisitos de potência e carga.
- Propulsão naval : Navios de guerra e navios mercantes utilizam turbinas a gás baseadas neste ciclo termodinâmico para propulsão. Esses motores oferecem alta potência em relação ao seu peso e tamanho, tornando-os ideais para aplicações marítimas onde o espaço e o peso são limitados. Além disso, sua capacidade de funcionar com uma variedade de combustíveis os torna adequados para operações offshore.
- Propulsão espacial : O ciclo Brayton também é usado em sistemas de propulsão de naves espaciais. Motores de foguete de ciclo fechado, que utilizam um fluido de trabalho como propelente e operam de acordo com os princípios do ciclo Brayton, são utilizados para manobras de controle de atitude e mudanças orbitais em satélites e espaçonaves.
