Elabore um resumo sobre ciclo de potência a gás e ciclo de potência a vapor.

Passo 1

O enunciado pede um resumo sobre ciclo de potência a gás e ciclo de potência a vapor. Esse conteúdo faz parte de Termodinâmica aplicada a máquinas térmicas. Vamos definir cada ciclo, descrever seus processos ideais, apresentar as expressões de eficiência e apontar vantagens e limitações.

Passo 2

No ciclo de potência a gás ideal (ciclo de Brayton) temos quatro processos reversíveis no diagrama p v ou T s:
  1. Compressão adiabática de ar no compressor (de 1 a 2).
  2. Adição de calor a pressão constante na câmara de combustão (de 2 a 3).
  3. Expansão adiabática dos gases no turbocompressor (de 3 a 4).
  4. Rejeição de calor a pressão constante no trocador (de 4 a 1).
A eficiência térmica ideal é dada por
\eta_{\text{Brayton}} =1-\frac{1}{r_p^{(\gamma-1)/\gamma}}
onde r_p é a razão de pressão do compressor e \gamma é a razão c_p/c_v do gás de trabalho. Aumentar r_p eleva \eta, mas aumenta também o trabalho do compressor.

Passo 3

No ciclo de potência a vapor ideal (ciclo de Rankine) temos quatro processos ideais no diagrama T s:
  1. Compressão líquida (bomba) quase isentrópica (de 1 a 2).
  2. Aquecimento à pressão constante na caldeira, passando de líquido comprimido a vapor saturado ou superaquecido (de 2 a 3).
  3. Expansão isentrópica no conjunto de turbinas geradoras (de 3 a 4).
  4. Condensação do vapor em líquido saturado a pressão constante (de 4 a 1).
A eficiência térmica é
\eta_{\text{Rankine}} =\frac{W_{\text{turbina}}-W_{\text{bomba}}}{Q_{\text{caldeira}}}
e costuma ser menor que a do Brayton a mesma temperatura máxima, mas o ciclo Rankine é favorecido pela facilidade de trocar calor e pela versatilidade de combustíveis.

Passo 4

Comparação e aperfeiçoamentos:
  • O ciclo Brayton é contínuo e usado em turbinas a gás; o Rankine é intermitente (fase líquida/vapor) e usado em usinas a vapor.
  • Brayton tem alta relação potência/peso, mas menor rendimento em baixas temperaturas.
  • Rankine permite regeneração (aquecimento regenerativo), reaquecimento e extração de vapor para melhorar \eta.
  • Ciclos combinados (Brayton + Rankine) aproveitam o calor residual da turbina a gás para gerar vapor, alcançando eficiências globais acima de 50 %.

Resposta

  • Ciclo a gás (Brayton): quatro processos (compressão adiabática, adição de calor a p constante, expansão adiabática, rejeição de calor a p constante);
\eta_{\text{Brayton}} = 1 - \frac{1}{r_p^{(\gamma-1)/\gamma}};
alta relação potência/peso, usado em turbinas a gás.
  • Ciclo a vapor (Rankine): quatro processos (bomba isentrópica, aquecimento a p constante, expansão isentrópica, condensação a p constante);
\eta_{\text{Rankine}} = \frac{W_{\text{turbina}} - W_{\text{bomba}}}{Q_{\text{caldeira}}};
usado em usinas termoelétricas, permite regeneração, reaquecimento e extração de vapor.
  • Comparação: Brayton contínuo e leve; Rankine fornece maior rendimento com ciclos combinados e maior flexibilidade de projeto; ambos podem ser melhorados por técnicas de regeneração, reaquecimento e ciclo combinado.

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