O que é tipos de ciclo de Brayton – Aberto – Fechado – Ciclo reverso – Definição

Existem três tipos principais de ciclo de Brayton: o ciclo aberto de Brayton, o ciclo fechado de Brayton e o ciclo reverso de Brayton. Esses ciclos consistem nos mesmos processos termodinâmicos. Engenharia Térmica

Ciclo de Brayton – Motor de turbina

Em 1872, um engenheiro americano, George Bailey Brayton, avançou no estudo de motores térmicos patenteando um motor de combustão interna de pressão constante, inicialmente usando gás vaporizado, mas posteriormente usando combustíveis líquidos, como o querosene. Este mecanismo térmico é conhecido como ” Motor Brayton’s Ready “ . Isso significa que o motor Brayton original usava um compressor de pistão e um expansor de pistão em vez de uma turbina a gás e um compressor de gás.

Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor com pressão constante; portanto, descrevemos sua termodinâmica pelo ciclo de Brayton . Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante .

É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns que podem ser encontrados em usinas de turbinas a gás ou em aviões. Ao contrário do ciclo de Carnot , o ciclo de Brayton não executa processos isotérmicos , porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo de Brayton ideal , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.

Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente do que um motor reversível ( um motor térmico de Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura, uma turbina a gás baseada no ciclo de Brayton deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot.

Uma grande turbina a gás de ciclo único normalmente produz, por exemplo, 300 megawatts de energia elétrica e tem 35-40% de eficiência térmica. As modernas instalações de turbinas a gás de ciclo combinado (CCGT), nas quais o ciclo termodinâmico consiste em dois ciclos de usinas (por exemplo, o ciclo de Brayton e o ciclo Rankine), podem atingir uma eficiência térmica de cerca de 55%.

ciclo Brayton aberto - turbina a gás

Tipos de Ciclo de Brayton

Tipos de Ciclo de Brayton

Ciclo aberto de Brayton (palavras-chave)

Como a maioria das turbinas a gás é baseada no ciclo de Brayton com combustão interna (por exemplo, motores a jato), elas são baseadas no ciclo aberto de Brayton . Nesse ciclo, o ar da atmosfera ambiente é comprimido para uma pressão e temperatura mais altas pelo compressor. Na câmara de combustão, o ar é aquecido ainda mais pela queima da mistura combustível-ar no fluxo de ar. Os produtos e gases de combustão expandem-se na turbina para perto da pressão atmosférica (motores que produzem energia mecânica ou energia elétrica) ou para uma pressão exigida pelos motores a jato. O ciclo aberto de Brayton significa que os gases são descarregados diretamente na atmosfera .

Ciclo fechado de Brayton

Em um ciclo fechado de Brayton, o meio de trabalho (por exemplo, hélio) recircula no circuito e o gás expelido da turbina é reintroduzido no compressor. Nessas turbinas, geralmente é usado um trocador de calor (combustão externa) e apenas o meio limpo sem produtos de combustão viaja através da turbina elétrica. O ciclo fechado de Brayton é usado, por exemplo, em turbinas a gás de ciclo fechado e reatores refrigerados a gás de alta temperatura.

Ciclo reverso de Brayton – Ciclo de refrigeração de Brayton

Um ciclo de Brayton conduzido na direção inversa é conhecido como ciclo de Brayton reverso. Seu objetivo é mover o calor do corpo mais frio para o mais quente, em vez de produzir trabalho. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que o trabalho externo seja realizado no sistema. O calor pode fluir do corpo mais frio para o mais quente, mas somente quando forçado por um trabalho externo. É exatamente isso que os refrigeradores e as bombas de calor realizam. Estes são acionados por motores elétricos que exigem trabalho de seu entorno para operar. Um dos ciclos possíveis é o ciclo reverso de Brayton, que é semelhante ao ciclo normal de Brayton, mas é conduzido ao contrário, via entrada líquida de trabalho. Esse ciclo também é conhecido como ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. Esse tipo de ciclo é amplamente utilizado em aeronaves a jato para sistemas de ar condicionado que utilizam ar dos compressores do motor. Também é amplamente utilizado na indústria de GNL, onde o maior ciclo reverso de Brayton é para sub-resfriamento de GNL usando 86 MW de energia de um compressor acionado por turbina a gás e refrigerante de nitrogênio.

ciclo Brayton aberto - turbina a gás
ciclo Brayton aberto
ciclo de Brayton fechado - pV Diagram
ciclo de Brayton fechado
ciclo Brayton reverso - bombas de refrigeração e calor
ciclo reverso de Brayton

 

Tipos de turbinas a gás

Em geral, os motores térmicos e também as turbinas a gás são classificados de acordo com um local de combustão como:

  • Turbinas com combustão interna . A maioria das turbinas a gás são motores de combustão interna. Nessas turbinas, a alta temperatura é alcançada queimando a mistura combustível-ar na câmara de combustão.
  • Turbinas com combustão externa . Nessas turbinas, geralmente é usado um trocador de calor e apenas o meio limpo sem produtos de combustão viaja através da turbina elétrica. Como as pás da turbina não estão sujeitas a produtos de combustão, combustíveis de qualidade muito mais baixa (e, portanto, mais baratos) podem ser usados. Essas turbinas geralmente têm menor eficiência térmica do que as turbinas com combustão interna.

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