Ciclo de Brayton

O Ciclo de Brayton é o ciclo termodinâmico na qual as máquinas térmicas, como turbina a gás, operam.

1. Ciclo de Brayton
Aluno: Bruno Otilio
Matéria: Termodinâmica Aplicada
Universidade Federal de São Paulo
ICT – São José dos Campos

2. Sumário
•Introdução
•George Brayton
•O Ciclo de Brayton
•Aplicações
•Uso na Engenharia Biomédica
•Conclusão
•Bibliografia

3. Introdução
Máquinas térmicas são dispositivos que permitem a
conversão de energia térmica em movimento
(energia mecânica), produzindo trabalho .
E.T Trabalho
E.D
E.T = Energia
térmica
E.D = Energia
Dissipada
Máquina
Térmica

4. A energia térmica é obtida principalmente pela
reação química de combustão, na qual o
combustível reage com o comburente.



C
xH
y + (x + (y/4))O
2 → xCO
2 + (y/2)H
2O


Equação 1 - Fórmula da reação química para a
combustão de hidrocarbonetos com oxigênio.

5. Principias características dos combustibles:

•Índice de Cetano (qualidade de ignição)
•Índice de Octano (resistencia a ignição)
•Poder calorífico
•Viscosidade

6. Imagem 1 - Máquina de Heron,
construída no século I d.C.
Considerada como a primeira
máquina térmica construída. Se
baseava na evaporação da água
armazenada na esfera, o vapor
saia por orifícios situados na
mesma direção com sentido
opostos, que resultava no
movimento do sistema.

7. Imagem 2 - Máquina de Savery , construída pelo engenheiro
militar Thomas Savery desenvolvido em 1698, primeira máquina
térmica com aplicação bem sucedida. Tinha por objetivo drenar
água ne minas inundadas de carvão, possuía uma eficiência entre 1
- 1,5%.

8. Ciclos Termodinâmicos
Os ciclos termodinâmicos são processos na qual o sistema
realiza com objetivo de se obter trabalho ou realizar
trabalho. A direção do ciclo indica se o trabalho é
produzido (motor) ou consumido (bomba de calor) .



Gráfico 1 – Ciclo termodinâmico representado em um diagrama de pressão vs
Volume

9. O trabalho realizado em um ciclo pode ser
descrito de duas maneiras:
Equação 2 – Trabalho é igual a área resultante do ciclo do
diagrama P vs V.
Equação 3 – Trabalho é igual a soma do calor absorvido e
rejeitado pelo sistema (lembrando que calor consumido por
definição é positivo e calor liberado é negativio).

10. George Brayton
Nascido em Rhode Island
(EUA), viveu entre 1830 e
1892. Engenheiro mecânico,
foi o inventor do primeiro
motor de ignição interna de
uso comercial, com uso de
querosene ou gasolina
como combustível.

Imagem 3 – George Brayton

11. •Patenteado em 1872 (Brayton's
Ready Motor).

•O motor de Brayton foi utilizado
com sucesso no primeiro
submarino de propulsão
chamado de Fieniam Ram.

•Foi a base para o
desenvolvimento de turbina a
gás.

•O motor de Nikolaus Otto,
inventor alemão, substituiu o de
Brayton por ser mais silenciosos
e eficiente.

Imagem 4 – Propaganda do
Brayton's Ready Motor

12. Ciclo de Brayton
As turbinas a gás operam segundo este ciclo, que pode ser
utilizado em geração de energia, e empuxo (motores a jato).

Imagem 5 – Ciclo de Brayton
aberto
Imagem 6 – Ciclo de Brayton
fechado

13. Diagramas
Imagem 7 – Ciclo de Brayton
aberto.
Gráfico 2 – Diagrama de Temperatura vs Entropia e diagrama de
Pressão vs Volume.

14. Gráfico 3 – Ciclo de Brayton, indicando que a diferença entre o
ciclo real e ideal é que no real há variação de entropia.

15. O cilco de Brayton é composto por 4 etapas:

1-2 Compressão isentrópica (no compressor)
2-3 Adição de calor com pressão constante
(na câmara de combustão)
3-4 Expansão isentrópica (na turbina )
4-1 Rejeição de calor com pressão constante (exaustor)

16. Eficiência
Gráfico 4 – Diagrama P vs V de um Ciclo de Brayton ideal

17. Pela 1° Lei temos:
Como é um ciclo :
Com q1 negativo e sendo um processo isobárico:

18. Pela definição de entalpia (P = cte) e sendo um gás
perfeito:
O trabalho líquido é dado por:

19. A eficiência é dada por:
Pela definição de processo isentrópico

20. Por consequência:
Com:
1/TR = T1/T2
PR = P2/P1
ϒ = Cp/Cv
Equação 4 – Eficiência do ciclo de Brayton

21. Turbina a gás
Imagem 8 – Ilustração de uma turbina a gás e seus componentes. O ar
fornece o oxigênio para a combustão e permite manter a temperatura de
certas partes da turbina em um limite de uso seguro.

22. Imagem 9 – Representação das semelhanças de uma
turbina a jato com um motor de cilindro único.

23. •A primeira turbina a gás foi desenvolvida em
1940, e em 1949 foi instalada em Oklahoma a
primeira turbina a gás para geração elétrica.
•Tinha em média 17% de eficiência, pela limitação
do compressor e da turbina e as limitações
térmicas dos materiais da época.
•Graças ao desenvolvimento da Engenharia de
Materiais, atualmente o gás expelido pode
chegar a 1495°C, enquanto em 1940 era expelido
a 540°C
•Com o incremento de Regeneração e
Reaquecimento o rendimento do ciclo de
Brayton melhorou
VÍDEO

24. Animação do funcionamento de uma turbina a gás

25. Métodos utilizados para
melhor a eficiência do ciclo.

26. Regenerador
Imagem 10 – Com o calor absorvido pelo ar comprimido, menos
combustível é utilizado e por consequência melhor é o rendimento. Em
torno de 26% com ciclo aberto e 36% com ciclo com regeneração.

27. Imagem 11 – Diagrama T vs S do ciclo de Brayton com
regeneração.

28. Imagem 12 – Esquema matemático da eficiência térmica do ciclo de
Brayton com regenerador

29. Reaquecimento
Imagem 13 – Atualmente a maioria das turbinas a gás apresenta o ciclo
com múltiplos reaquecimentos e regeneração.
Troca o ar quente pobre em O2 por ar
frio rico em O2, proporcionando uma
queima mais eficiente.

30. Imagem 14 – Diagrama T vs S do ciclo de Brayton com
regeneração e reaquecimento múltiplos.

31. Imagem 15 – Uso Turbofan é o mais utilizados em aviões (como o Boeing
777), baseia-se no principio de maior volume de ar produz uma pressão
maior.

32. Imagem 16 – Turbo jato do Boeing 777.

33. Ciclo inverso
Imagem 17 – Exemplo de um refrigerador operando pelo ciclo de Brayton, na qual
o calor é retirado com intermédio da combustão, e o diagrama de T vs S do
refrigerador.

34. Imagem 18 – Esquema de um
cilco padrão de um
refrigerador e seu respectivo
diagrama T vs S

35. Imagem 19 – Determinação
do desempenho de um
refrigerador com ciclo de
Brayton.

36. Ciclo de Rankine
Se há mudança de fase o
ciclo é conhecido como
Ciclo de Rankine, devido
ao seu inventor William J.
M. Rankine (1820 –
1872). Atualmente é o
ciclo básico para geração
de energia em usinas
termoelétricas.
Imagem 20 – William Rankine

37. Imagem 21 – Esquema básico do ciclo de Rankine.

38. Aplicações
Imagem 22 – Exemplos de máquinas que operam sob o ciclo de Brayton,
turbina de avião e motor de navios.

39. E na Engenharia Biomédica?
•Principalmente no uso do ciclo reverso para
refrigeração de ambiente (área hospitalar);
•Produção de energia elétrica

40. Conclusão
O ciclo de Brayton possibilitou o
desenvolvimento de grandes tecnologias, e
contínua a contribuir ao desenvolvimento da
ciência, com uma vasta gama de aplicações.
Apresenta eficiência muito menor do que o
ciclo de Rankine (~40% e ~60%
respectivamente), porém na aviação é o mais
eficiente.

41. Bibliografia
Livros:
Fundamentos da Termodinâmica; Claus Borgnakke, Richard E.
Sonntag; 7° Ed. Americana – SP: Blucher,2009.

Publicações:
LANE D.; Brayton Cycle: The Ideal Cycle for Gas – Turbine
Engines In Relation to Power Plants
MENESES E. L.; Uso de Turbina a Gás Para Geração de Energia
Elétrica em Plataforma; Graduação – UEZO, 2011.
BRAYTON CYCLE: THE IDEAL CYCLE FOR GAS-TURBINE
ENGINES <disponivel em:
http://www.yildiz.edu.tr/~dagdas/Brayton%20cycle.pdf.

42. Sites: (acessados em janeiro de 2014)
http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/brayton.html
http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclos_termodinamicos.htm
http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node1
39.html
http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node2
7.html
http://www.sfu.ca/~mbahrami/ENSC%20461/Notes/Brayton%20Cycle.
pdf
http://web.me.unr.edu/me372/Spring2001/Brayton%20Cycle.pdf
http://www.apsdistribuidora.com.br/conteudo-
tecnico/CURIOSIDADES-DA-WEB/A-Funcao-do-Intercooler
http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/brayton.html

Vídeo:
<disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=kuvq-X9sdr0>

43. Obrigado pela atenção
General Electric LM2500