Trabalho Sobre Ciclo de Brayton

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA TERMODINÂMICA APLICADA

TRABALHO SOBRE CICLO DE BRAYTON ± TURBINAS A GÁS

Professora: FERNANDA ALVES Semestre: 2011.1 Grupo: 02 Alunos: GABRIEL WEYDT DIEGO MARINHO RAFAELL BARKER LINDEMBERG SOARES

Natal,Maio de 2011.

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO

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O CICLO DE BRAYTON

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FUNCIONAMENTO FUNCIONAMENT O EM CICLO ABERTO DE UMA TURBINA A GÁS

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FUNCIONAMENTO EM CICLO FECHADO DE UMA TURBINA A GÁS

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CONCLUSÃO

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIBLIOGRÁF ICAS

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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 ingle ses 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 b aixa 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 turboalimentados. Outra confusão constante± Reversor ou Reverso

É comum aimprensa 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







Durante o vôo normal o ar sai pelo escapamento e empurra a aeronave 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 ³Electra´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 q uatro 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 01dá o esquema básico.

Fig 01 Entre 1 e 2o 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 outr a máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclotermodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência decalor do fluido para o ambiente.Desta forma, mesmo se







Compressor e t rbi par te o trabal o f ornec orneci o mostrado abai o:

são mont os no mesmo ei o, e f orma orma e ma sado no própr io processo de compressão . Como

i rbinas a s são sadas pr incipalmente em avi es e na eração de energia el tr ica, mas também embarcações e mesmo veículos terrestres com esse tipo de motor . ser extraído em f orma orma de Por tanto, o trabal o produzido pode ser ex acionamento mecânico ou fluxo de ar no ar no caso de uma turbina aeronáutica. diagrama da igura não corresponde ao modo construtivo real. ormalmente á vár ios ueimadores dispostos em círculo entre o compressor e a turbina. A igura dá um arran jo básico de uma turbina aero náutica tipo ro s tipos de configurações. jato puro. á vár ios outros As iguras e exibem, respect ivamente, os diagramas aproximados e sem escalas) pressão x volume específico e temperatura x entropia para o ciclo de Brayton, em conf ormidade com a operação teór ica vista no tópico anter ior .









q23 = c p T = c p (T 3 í T 2 2 ) #A.1#.

Entre 4 e 1 há um processo também isobárico. E a relação é similar: q41 = c p T = c p (T 1 í T 4 ) #B.1#.

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

Fi

4 DIA RA A T 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,







Fi





5

A igualdade #D.1# pode ser simplificada e rearranjada para:  = 1 + T 4 (T 1 /T 4 í1) / T 3 ( 1 í T 2 2 /T 3 ).

Mas T 1 /T 4 = T 2 2 /T 3 conforme #E.1#. Assim,  = 1 í T 4 / T 3.

Da mesma equação, (xí1) /x /x T 3 / T 4 = (p2 / p1 )(xí1) .

Portanto, (xí1) /x /x  = 1 í T 4 /T 3 = 1 í (p1 /p 2 )(xí1) #F.1#.

O resultado mostra que a eficiência teórica do ciclo de Brayton depende da razão de compressão do compressor e de x , que é a relação c p /c v v do gás. O







A energia resultante da combustão libera gases quentes que se expandem atravésda turbina, produzindo energia mecânica. A estabilidade da combustão, bem como a temperatura na seção da turbina, podeser mantida através do controle da relação ar/combustível. O ar atmosférico captado pelo compressor é comprimido e direcionado para ocombustor. Após passar pelo combustor a temperatura se eleva devido à queima dogás. Em seguida a mistura é direcionada para o acionamento da turbina, a pressão éreduzida 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 calorgerado pela queima do combustível é perdido nos gases de exaustão. Poder-se-iaelevar esta eficiência térmica através da elevação de temperaturas e pressões deentrada, porém isto elevar ia demasiadamente o custo de construção e manutençãodos equipamentos do processo, inviabilizando o projeto. A figura abaixo apresenta um arranjo típico de uma turbina a gás em cicloaberto, apresentando a distribuiçã o de energia de entrada e saída:







FUNCIO NA

E NT NT O E

CICLO FECHAD ECHADO O DE U A TURBIN TURBINA A A ÁS

Os gases de escape saindo da turbina e sendo diretamente excluídos de forma nãoreciclada, 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. Oarranjo físico de uma turbina a gás operando em ciclo fechado é apresento na figura abaixo:

FI



URA - CICLO DE BRAYTON F ECHADO







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, possa m-se projetar turbinas a gás cada vez mais eficientes e com baixo custo.









REFERÊN ERÊNCI CIA AS BIBL BIBLIO IO RÁFICAS

FUNDAMENTOS DE TERMODINÂMICA ± MICHAEL J. MORAN E HOWARD N. SHAPIRO ± QUINTA EDIÇÃO TERMODINÂMICA ± YUNUS A. ÇENGEL E MICHAEL A. BOLES BOLES ± QUINTA EDIÇÃO APOSTILA DO PROF. PROF. ENGº. DURVAL PIZA DE OLIVEIRA JUNIOR ± PIRACICABA ± SP. APOSTILA DE MOTORES MOTORES A GÁS DO PROF. DR. SILVIO DE OLIVEIRA JÚNIOR WIKIPÉDIA - www.wikpedia.com www.wikpedia.com MSPC -INFORMAÇÕES TÉCNICAS-http://www.mspc.eng.br/termo/termod0530.shtml

Trabalho Sobre Ciclo de Brayton

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