thumb|328x328px|<center>Diagrama Entalpia x Entropia de Ciclo Brayton (ideal) e ciclo real a gás. |alt= O Ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão constante, utilizado no estudo das turbinas a gás.

Ele é um ciclo ideal, uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas 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.

O ciclo se constitui de quatro etapas, como demonstrado em Esquema básico de Brayton.

O ciclo do motor é nomeado após George Brayton (1830-1892), coordenador americano que o desenvolveu originalmente para o uso nos motores de pistão, embora fosse proposto e patenteado originalmente por John Barber, inglês em 1791. Também é conhecido como o ciclo de Joule. O ciclo de Ericsson é semelhante ao ciclo de Brayton, mas usa calor externo e incorpora o uso de um regenerador. Há dois tipos de ciclos de Brayton, abertos à atmosfera e usando a câmara de combustão interna ou fechado e usando trocador de calor.

História Em 1872, George Brayton pediu uma patente para o seu "Ready Motor", motores que usavam um compressor de pistão separado do expansor, injetando ar comprimido quente pelo cilindro interno do expansor. As primeiras versões do motor de Brayton eram os motores a vapor que misturavam o Combustível e o ar enquanto o compressor, por meio de um Carburador em uma superfície aquecida. O combustível/ar ficava contido em um reservatório e depois ia para um cilindro de expansão onde era queimado, a medida com que o combustível entrava no cilindro de expansão era acendida uma chama piloto. Uma tela de proteção foi usada para impedir que o fogo voltasse para o reservatório, porém nas primeiras tentativas tal tela falhava e uma explosão ocorria.

Em 1874 Brayton resolveu o problema da explosão adicionando o combustível imediatamente antes do cilindro expansor. O motor agora usava combustíveis mais pesados, como querosene e óleo combustível, onde a ignição continuava pela chama piloto. Brayton produziu e vendeu os "Ready Motors" para execução de uma variedade de tarefas, como bombeamento de água, operação de moinho, geradores termoelétricos e propulsão marítima. Brayton licenciou seu projeto através da Simone no Reino Unido, onde havia muitas variações em seu layout; alguns eram de ação simples, outros de ação dupla, outros tinham funcionamento em terra e outros aéreos. Havia ainda a variedade de modelos horizontais e verticais, podendo ir de um a até 40 cavalos, tendo uma eficiência razoável para época.

História da Turbina de Gás 1791 Primeira patente de uma turbina a gás (John Barber, Reino Unido); 1904 Projeto de turbina a gás sem sucesso de Franz Stolze em Berlim (primeiro compressor axial); 1906 TG por Armengaud Lemale na França (compressor centrífugo, sem potência útil); 1910 Primeira TG com combustão intermitente (Holzwarth, 150 kW, combustão de volume constante); 1923 Primeiro turbocompressor de gases de escape para aumentar a potência dos motores diesel; 1939 Primeira turbina a gás do mundo para a geração de energia (Brown Boveri Company), Neuchâtel, Suíça (queimador velox, aerodinâmica por Stodola).

Esquema básico de Brayton borda|esquerda|semmoldura|360x360px Entre 1 e 2 o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde por compressão adiabática e isotrópica ocorre o aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, entre 2 e 3, onde é misturado ao combustível possibilitando sua queima e seu aquecimento tendo sua 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. Na medida em que o fluido fornece o trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos seus gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor. A quarta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente em que se encontra.Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia gerada pela combustão é eliminada por forma de calor nos gases quentes fluindo como escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de Ciclo termodinâmico, mesmo nos casos ideais, como define a Segunda lei da termodinâmica. miniaturadaimagem|285x285px|Brayton motor de explosão de ar de 4 tempos 1890 esquerda|miniaturadaimagem|301x301px|Motor de Brayton a gás 1872 centro|miniaturadaimagem|285x285px|Brayton motor de viga de marcha 1872

Modelos

thumb|Variação da Energia Específica de saída pela temperatura de entrada da turbina à gás

Um compressor, uma câmara de mistura e um expansor são os três componentes necessários de um motor de Brayton, uma vez que os motores mais modernos que o de Brayton são na maioria da vezes uma espécie de turbina, como os utilizados em avião. Embora Brayton só tenha feito motores a pistão, onde o ar ambiente era aspirado para um compressor de pistão, e comprimido, em um processo idealmente isentrópico. O ar comprimido passava através de uma câmara de mistura onde era adicionado combustível, um processo isobárico. A mistura pressurizada de ar e combustível era então inflamada num cilindro de expansão, e a energia é liberada, fazendo com que o ar aquecido e os produtos de combustão se expandam através de um pistão/cilindro, outro processo idealmente isentrópico. Parte do trabalho extraído pelo pistão/cilindro é usado para dirigir o compressor através de um arranjo de Cambota.

thumb|Variação da eficiência pela relação de pressão (P1/P2)

Uma turbina a gás também é um motor de Brayton, composto pelos itens acima já citados, onde o ar ambiente é aspirado para dentro do compressor, posteriormente pressurizado, se tratando de um processo isentrópico, o ar comprimido passa então através de uma câmara de combustão (Simples ou múltipla), onde o combustível é queimado, aquecendo o ar - um processo de pressão constante, uma vez que a câmara está aberta para entrar e sair; um processo isobárico, o ar aquecido e pressurizado então fornece sua energia, expandindo-se através de uma turbina (ou série de turbinas). Parte do trabalho extraído pela turbina é usado para conduzir o compressor; um processo isentrópico, e por fim rejeição de calor (na atmosfera); um processo isobárico.

Estágios, comparação e eficiência thumb|Ciclo de Brayton

1→2: De 1 a 2, tem-se uma transformação adiabática. Nesse estágio, o gás é comprimido adiabaticamente. Assim, a partir da primeira lei da termodinâmica, o trabalho adiabático é:

2→3: De 2 a 3 temos uma transformação isobárica do gás. Nesse estágio, o gás expande com mesma pressão, ao mesmo tempo em que recebe calor do meio. O calor recebido é:

3→4: De 3 a 4 temos uma transformação adiabática. Nesse estágio, ocorre uma expansão adiabática. A partir da primeira lei, a energia é igual ao trabalho adiabático.

4→1: De 4 a 1 temos uma transformação isobárica. Nesse estágio, o gás expande com mesma pressão, ao mesmo tempo em que perde calor para o meio. O calor perdido é:

Assim, a partir do Ciclo do Carnot, a eficiência desse ciclo pode ser definida como:

A pressão em 1 e 4 temos um processo isobárico, bem como em 2 e 3. Assim e . Como as outras partes do ciclo são adiabáticas e reversíveis, tem-se:

⇒

Assim, , ou finalmente, . Usando essa relação, a eficiência térmica do ciclo de Brayton é:

Comparação:

O primeiro ciclo de Ericsson é chamado agora de ciclo de Brayton. O segundo ciclo de Ericsson que é o ciclo mais conhecido usualmente como "Ciclo de Ericsson"; Já o segundo ciclo de Ericsson seria o limite do Ciclo de Brayton. + Ciclo/Processo Compressão Adição de calor Expansão Dissipação do calor Ericsson (Primeiro, 1833)adiabático isobárico adiabático isobárico Ericsson (Segundo, 1853)isotérmico isobárico isotérmico isobárico Brayton (Turbina)adiabático isobárico adiabático isobárico

Ciclo ideal de Brayton:

O ciclo de Brayton ideal é composto basicamente por 4 etapas, sendo elas: Uma compressão isentrópica dentro de um compressor. Fornecimento de calor isobaricamente. Expansão isentrópica dentro de uma turbina. Perda de calor isobaricamente.

Neste ciclo o ar entra no compressor, que representa a primeira etapa, onde o fluido é comprimido realizando uma transformação isentrópica (1 a 2). O ar comprimido se dirige à uma câmara de combustão onde adiciona-se combustível e este é comburido isobaricamente (2 a 3). Após a combustão os gases saem com elevada temperatura e pressão, se expandem, passam pela turbina colidindo com as palhetas, gerando trabalho e reduzindo sua temperatura e pressão (processo isentrópico de 3 a 4). Parte do trabalho gerado é reaproveitado para conduzir o compressor e o restante gera potência mecânica. A última etapa representa a exaustão dos gases para o ambiente, desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia gerada pela combustão é eliminada na forma de calor pelos gases, fluindo como escape (processo isobárico). Contudo, no ciclo de Brayton real, temos respectivamente para as mesmas etapas: um processo adiabático, isobárico, adiabático e por último isobárico.

Ciclo real de Brayton: Processo adiabático - compressão. Processo isobárico - adição de calor. Processo adiabático - expansão. Processo isobárico - rejeição de calor. centro|commoldura|ciclo real de BraytonUma vez que nem a compressão nem a expansão podem ser verdadeiramente isentrópicas, as perdas através do compressor e do expansor representam fontes de inefectividade ineficaz. Em geral, aumentar a taxa de compressão é a maneira mais direta de aumentar a Potência total produzida por um sistema Brayton.

A determinação do rendimento ciclo-padrão pode ser obtida da seguinte forma:

em que:

Ql = Calor saida (frio),

Qh = Calor entrada (quente),

cp = Constante do gás,

T = Temperaturas.

contudo,

A eficiência do ciclo de Brayton ideal é , em que é a razão de capacidade de calor.

A temperatura mais elevada no ciclo ocorre no final do processo de combustão, e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Isto também limita as relações de pressão que podem ser utilizadas no ciclo. Para uma temperatura fixa de entrada da turbina, a produção líquida de trabalho por ciclo aumenta com a razão de pressão (assim a eficiência térmica) e a saída de trabalho líquido. Com menos produção de trabalho por ciclo, é necessário uma maior quantidade de combustível (assim um sistema maior) para manter a mesma potência, deixando de ser um sistema econômico. Nos desenhos mais comuns, a razão de pressão de uma turbina a gás varia de cerca de 11 a 16.

Métodos para aumentar a potência:

A potência de um motor Brayton pode ser melhorada pelo: Reaquecimento, em que o fluido do trabalho - na maioria dos casos - se expande através de uma série de turbinas, então passa por uma segunda câmara de combustão, antes de se expandir à pressão ambiente, através de um conjunto final de turbinas. Possui uma vantagem de aumentar a potência de escape possível para uma determinada taxa de compressão sem exceder quaisquer restrições metalúrgicas (geralmente cerca de 1000 °C). O uso de uma pós-combustão para motores de aviões a jato também pode ser atribuido como "reaquecimento"; é um processo diferente em que o ar reaquecido é expandido através de um bocal de impulso em vez de uma turbina. As restrições metalúrgicas são um pouco atenuadas, permitindo temperaturas de reaquecimento muito maiores (cerca de 2000 °C). O reaquecimento é utilizado com maior frequencia para melhorar a potência específica (pela taxa de transferência do ar), e geralmente é associado a uma queda na eficiência. Este efeito é especialmente pronunciado nos pós-combustíveis devido às quantidades extremas de combustível extra utilizado.