ciclo de brayton
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Ciclo de Brayton
Aluno: Bruno Otilio
Matéria: Termodinâmica Aplicada
Universidade Federal de São Paulo ICT – São José dos Campos
Sumário
• Introdução
• George Brayton
• O Ciclo de Brayton
• Aplicações
• Uso na Engenharia Biomédica
• Conclusão
• Bibliografia
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
A energia térmica é obtida principalmente pela reação química de combustão, na qual o combustível reage com o comburente.
CxHy + (x + (y/4))O2 → xCO2 + (y/2)H2O
Equação 1 - Fórmula da reação química para a
combustão de hidrocarbonetos com oxigênio.
Principias características dos combustibles:
• Índice de Cetano (qualidade de ignição) • Índice de Octano (resistencia a ignição) • Poder calorífico • Viscosidade
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.
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%.
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
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).
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
• 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
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
Diagramas
Imagem 7 – Ciclo de Brayton aberto.
Gráfico 2 – Diagrama de Temperatura vs Entropia e diagrama de Pressão vs Volume.
Gráfico 3 – Ciclo de Brayton, indicando que a diferença entre o ciclo real e ideal é que no real há variação de entropia.
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)
Eficiência
Gráfico 4 – Diagrama P vs V de um Ciclo de Brayton ideal
Pela 1° Lei temos:
Como é um ciclo :
Com q1 negativo e sendo um processo isobárico:
Pela definição de entalpia (P = cte) e sendo um gás perfeito:
O trabalho líquido é dado por:
A eficiência é dada por:
Pela definição de processo isentrópico
Por consequência:
Com: 1/TR = T1/T2
PR = P2/P1 ϒ = Cp/Cv
Equação 4 – Eficiência do ciclo de Brayton
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.
Imagem 9 – Representação das semelhanças de uma turbina a jato com um motor de cilindro único.
• 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
Animação do funcionamento de uma turbina a gás
Métodos utilizados para melhor a eficiência do ciclo.
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.
Imagem 11 – Diagrama T vs S do ciclo de Brayton com regeneração.
Imagem 12 – Esquema matemático da eficiência térmica do ciclo de Brayton com regenerador
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.
Imagem 14 – Diagrama T vs S do ciclo de Brayton com regeneração e reaquecimento múltiplos.
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.
Imagem 16 – Turbo jato do Boeing 777.
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.
Imagem 18 – Esquema de um cilco padrão de um
refrigerador e seu respectivo diagrama T vs S
Imagem 19 – Determinação do desempenho de um
refrigerador com ciclo de Brayton.
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
Imagem 21 – Esquema básico do ciclo de Rankine.
Aplicações
Imagem 22 – Exemplos de máquinas que operam sob o ciclo de Brayton, turbina de avião e motor de navios.
E na Engenharia Biomédica?
• Principalmente no uso do ciclo reverso para refrigeração de ambiente (área hospitalar);
• Produção de energia elétrica
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.
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.
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/node139.html
http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node27.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>
Obrigado pela atenção
General Electric LM2500
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