UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICATERMODINÂMICA APLICADA

TRABALHO SOBRE CICLO DE BRAYTON – TURBINAS A GÁS

Professora: FERNANDA ALVESSemestre: 2011.1Grupo: 02 Alunos: GABRIEL WEYDT DIEGO MARINHO RAFAELL BARKER

LINDEMBERG SOARES

Natal, Maio de 2011.

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO 3

O CICLO DE BRAYTON 5

FUNCIONAMENTO EM CICLO ABERTO DE UMA TURBINA A GÁS 8

FUNCIONAMENTO EM CICLO FECHADO DE UMA TURBINA A

GÁS 10

CONCLUSÃO 11

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 12

INTRODUÇÃO

Os motores a reação foram os responsáveis por uma verdadeira revolução da aviação. Surgidos bem no final da segunda guerra mundial (entre 1944 e 1945), de invenção alemã (embora os ingleses tenham tido a mesma ideia anos antes, mas sem tempo para por em vôo antes dos nazistas), os aviões equipados com os "motores a jato" das forças de Hitler colocavam respeito e desafiavam os pilotos das aeronaves Aliadas equipadas com motores convencionais de aterrorizante cavalaria, como é caso do P-51 Mustang, Corsair, Spitfire e do P-47 Thunderbolt, equipadas com motores de até 3000 hp de potência. Na aviação civil, foram gradativamente ganhando espaço no pós-guerra, tornando-se os responsáveis pelo "boom" do transporte aéreo transcontinental e pela aposentadoria de verdadeiros titãs a pistão dos céus como são os Constellation, Electra, Douglas, entre outros que acabaram perdendo a preferência dos seus passageiros de vanguarda e, devido a isso, a "preferência" de seus clientes (companhias aéreas) devido à baixa velocidade.

Mas, antes de qualquer coisa, vamos eliminar as confusões.

Uma confusão constante – Turbina não é motor!

Não se diz que turbina é motor. Turbina é parte do motor. Não se diz que "eu vi na televisão que o passarinho fez ninho dentro da turbina!" Da próxima vez diga que fez o ninho no motor do avião. Não aumente as estatísticas de pérolas da aviação! Por isso, lembre-se a turbina, é a parte de um motor, que recebe os gases quentes oriundos da explosão. No jato, a turbina é a parte quente alimentada pelos gases provenientes da câmara de combustão e o compressor é a parte fria, que é alimentado pelo ar frio que depois de comprimido, entra na câmara de combustão, provido de pressão, velocidade e temperatura elevadas. Isso também vale para outros veículos turbo-alimentados.

Outra confusão constante – Reversor ou Reverso

É comum a imprensa querer dar aula técnica de pilotagem e mecânica/elétrica após acidentes aeronáuticos e ainda afirmar qual foi a causa do acidente antes mesmo do anúncio oficial. Uma pérola da imprensa foi afirmar, taxativamente, que o reversor, ou reverso, funcionava da seguinte maneira: - O motor para e inverte o seu sentido de rotação. O ar ao invés de entrar pelo compressor, passa a sair! Esta pérola foi ensinada nas tragédias dos vôos 402 e 3054 da TAM, em 31 de outubro de 1996 e 17 de julho   de   2007 respectivamente. Na verdade, o reversor é uma espécie de freio aerodinâmico. Salvo algumas exceções, só funciona com a aeronave no solo. Ele desvia o ar, que sai do escapamento, para frente e ajuda na frenagem da aeronave.

Durante o vôo normal o ar sai pelo escapamento e empurra a aeronave para frente. Com o reverso, o ar continua saindo pelo escapamento e é desviado pelas conchas do reversor para frente, empurrando a aeronave para trás. Desta forma se o avião estiver parado e o Piloto acionar este dispositivo, o avião dará marcha à ré com toda facilidade! Os “Electra” faziam sempre esta manobra quando atrasados para decolagem.

Uma verdadeira proeza da engenharia, os motores a jato são impressionantes. Podem ser de fluxo axial ou centrífugo, ou uma combinação dos dois. Atualmente existem motores a reação com potência que ultrapassam a marca de 80 Toneladas de empuxo em bancadas de teste. Estes motores equipam o Boeing 777. Uma potência tão "discreta" que a grosso modo poderíamos comparar a massas de ar sendo propelidas como se fossem carretas de 60 toneladas arremessadas, constantemente, pelo fan(ventilador) do motor.O que impressiona é justamente esta constância da propulsão, ao contrário dos motores do ciclo Otto, que possuem os quatro tempos-motor ocorrendo um de cada vez no interior de cada cilindro, os motores a reação, do ciclo Brayton, contam com estes quatro estágios ocorrendo simultaneamente em quatro partes distintas do motor.

Este trabalho tem como objetivo fazer entender o funcionamento do Ciclo de Brayton, identificando seus estágios e em que é empregado.

O CICLO DE BRAYTON

Ciclo termodinâmico criado em 1873, também denominado ciclo de Joule, é o processo teórico (ideal) dos motores de turbina a gás, ou simplesmente turbinas a gás, descrevendo variações de estado (pressão e temperatura) dos gases.

O conceito é utilizado como base didática e para análise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, devido a limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito.

A Figura 01 dá o esquema básico.

Fig 01

Entre 1 e 2 o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia.

Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, entre 2 e 3, onde se mistura ao combustível, possibilitando queima e aquecimento, à 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, idealmente sem variação de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica.

A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar uma outra máquina.

A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente. Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combustão é rejeitada sob a forma de calor, contido nos gases quentes de escape.

A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinâmica.

Compressor e turbina são montados no mesmo eixo, de forma que uma parte do trabalho fornecido é usado no próprio processo de compressão. Como mostrado abaixo:

Fig 02

Turbinas a gás são usadas principalmente em aviões e na geração de energia elétrica, mas há também embarcações e mesmo veículos terrestres com esse tipo de motor.

Portanto, o trabalho produzido pode ser extraído em forma de acionamento mecânico ou fluxo de ar no caso de uma turbina aeronáutica. 

O diagrama da Figura 01 não corresponde ao modo construtivo real. Normalmente há vários queimadores dispostos em círculo entre o compressor e a turbina. A Figura 02 dá um arranjo básico de uma turbina aeronáutica tipo jato puro. Há vários outros tipos de configurações.

As Figuras 03 e 04 exibem, respectivamente, os diagramas (aproximados e sem escalas) pressão x volume específico e temperatura x entropia para o ciclo de Brayton, em conformidade com a operação teórica vista no tópico anterior.

Fig 03 – DIAGRAMA P x v

Entre os pontos 2 e 3 há uma expansão isobárica. E a relação entre o calor fornecido e as temperaturas extremas deve ser:

q23 = cp ΔT = cp (T3 − T2) #A.1#.

Entre 4 e 1 há um processo também isobárico. E a relação é similar:

q41 = cp ΔT = cp (T1 − T4) #B.1#.

Para a determinação da eficiência, pode-se usar o mesmo método empregado no ciclo Diesel: 

η = w/qf = 1 + qc/qf #C.1#.

Onde qc e qf são respectivamente as quantidades de calor cedida e fornecida (q41 e q23 neste caso).

Fig 04 DIAGRAMA T x s

Essa fórmula simplifica o cálculo porque se trabalha com q apenas. Em vários casos ela é dada com sinal negativo porque são considerados valores absolutos.

Substituindo as igualdades anteriores,

η = 1 + cp (T1 − T4) / cp (T3 − T2) #D.1#.

Lembrando que p3 = p2 e p4 = p1, a igualdade #C.1# do tópico Transformação adiabática permite escrever:

(p2 / p1)(x−1)/x = T2 / T1 = T3 / T4 #E.1#.

Fig 05

A igualdade #D.1# pode ser simplificada e rearranjada para:

η = 1 + T4 (T1/T4 −1) / T3 (1 − T2/T3).

Mas T1/T4 = T2/T3 conforme #E.1#. Assim,

η = 1 − T4 / T3.

Da mesma equação,

T3 / T4 = (p2 / p1)(x−1)/x.

Portanto,

η = 1 − T4/T3 = 1 − (p1/p2)(x−1)/x #F.1#. 

O resultado mostra que a eficiência teórica do ciclo de Brayton dependeda razão de compressão do compressor e de x, que é a relação cp/cv do gás. O gráfico da Figura 03 dá uma visão aproximada da variação da eficiência do ciclo de Brayton com a relação p2/p1.

O ciclo de Brayton opera em dois tipos de ciclos, os quais serão descritos abaixo.

FUNCIONAMENTO EM CICLO ABERTO DE UMA TURBINA A GÁS

Durante a partida a turbina necessita de um sistema de arranque para pôr o compressor em funcionamento. Assim que este alcança uma dada velocidade, o ar atmosférico é aspirado, comprimido e conduzido à câmara de combustão, onde é misturado ao combustível (líquido ou gasoso).

A energia resultante da combustão libera gases quentes que se expandem através da turbina, produzindo energia mecânica.

A estabilidade da combustão, bem como a temperatura na seção da turbina, pode ser mantida através do controle da relação ar/combustível.

O ar atmosférico captado pelo compressor é comprimido e direcionado para o combustor. Após passar pelo combustor a temperatura se eleva devido à queima do gás. Em seguida a mistura é direcionada para o acionamento da turbina, a pressão é reduzida à pressão atmosférica e a temperatura cai.

Se uma turbina estiver operando isoladamente (ciclo simples), como nas aeronaves, sua eficiência térmica é baixa, da ordem de 36%, ou seja, cerca de 64% do calor gerado pela queima do combustível é perdido nos gases de exaustão. Poder-se-ia elevar esta eficiência térmica através da elevação de temperaturas e pressões de entrada, porém isto elevaria demasiadamente o custo de construção e manutenção dos equipamentos do processo, inviabilizando o projeto.

A figura abaixo apresenta um arranjo típico de uma turbina a gás em ciclo aberto, apresentando a distribuição de energia de entrada e saída:

FIGURA - CICLO DE BRAYTON ABERTO

FUNCIONAMENTO EM CICLO FECHADO DE UMA TURBINA A GÁS

Os gases de escape saindo da turbina e sendo diretamente excluídos de forma não reciclada, fazem com que o ciclo deva ser classificado como um ciclo aberto.

No ciclo fechado, os processos de compressão e expansão continuam os mesmos, no entanto o processo de combustão é substituído por processos de troca de calor, para aproveitamento de parte da energia que seria perdida no ciclo em forma de calor. O arranjo físico de uma turbina a gás operando em ciclo fechado é apresento na figura abaixo:

FIGURA - CICLO DE BRAYTON FECHADO

Resumidamente, o ciclo de Brayton fechado utiliza o calor perdido para gerar mais trabalho. Para se construir o ciclo Brayton fechado é necessário que a câmara de combustão seja removida e que o caminho do fluído de trabalho seja quase que integralmente refeito. Um trocador de calor deve ser acrescentado ao sistema. A finalidade deste equipamento é preservar uma parte do calor gerado dentro do circuito, visando manter as temperaturas de operação do ciclo em valores altos de maneira a tirar vantagens da boa eficiência de conversão do ciclo Brayton operando em altas temperaturas.

CONCLUSÃO

Com este trabalho, conclui-se que o ciclo de Brayton é de fundamental importância para o incremento intelectual de um futuro engenheiro mecânico. Pois, este engenhiro, poderá influenciar o avanço da tecnologia, em ordem mundial. Desde que com estudos científicos aprofundados, possam-se projetar turbinas a gás cada vez mais eficientes e com baixo custo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA – MICHAEL J. MORAN E HOWARD N. SHAPIRO – QUINTA EDIÇÃO

TERMODINÂMICA – YUNUS A. ÇENGEL E MICHAEL A. BOLES – QUINTA EDIÇÃO

APOSTILA DO PROF. ENGº. DURVAL PIZA DE OLIVEIRA JUNIOR – PIRACICABA – SP.

APOSTILA DE MOTORES A GÁS DO PROF. DR. SILVIO DE OLIVEIRA JÚNIOR

WIKIPÉDIA - www.wikpedia.com

MSPC - INFORMAÇÕES TÉCNICAS - http://www.mspc.eng.br/termo/termod0530.shtml