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
–
ou
–
:
- Compressão adiabática de ar no compressor (de 1 a 2).
- Adição de calor a pressão constante na câmara de combustão (de 2 a 3).
- Expansão adiabática dos gases no turbocompressor (de 3 a 4).
- Rejeição de calor a pressão constante no trocador (de 4 a 1).
A eficiência térmica ideal é dada por
onde
é a razão de pressão do compressor e
é a razão
do gás de trabalho. Aumentar
eleva
, 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
–
:
- Compressão líquida (bomba) quase isentrópica (de 1 a 2).
- Aquecimento à pressão constante na caldeira, passando de líquido comprimido a vapor saturado ou superaquecido (de 2 a 3).
- Expansão isentrópica no conjunto de turbinas geradoras (de 3 a 4).
- Condensação do vapor em líquido saturado a pressão constante (de 4 a 1).
A eficiência térmica é
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
. - 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
constante, expansão adiabática, rejeição de calor a constante);
alta relação potência/peso, usado em turbinas a gás.
- Ciclo a vapor (Rankine): quatro processos (bomba isentrópica, aquecimento a
constante, expansão isentrópica, condensação a constante);
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.