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PRP28:TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA APLICADA

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Apresentação em tema: "PRP28:TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA APLICADA"— Transcrição da apresentação:

1 PRP28:TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA APLICADA
Análise de Ciclo Março 5, 2013 Departamento de Propulsão Cristiane Aparecida Martins

2 INTRODUÇÃO A ANÁLISE DE CICLOS
Análise de Ciclos → O que determina as características do motor? Análise de ciclo é o estudo termodinâmico do comportamento do ar quando este flui através de um motor sem considerar os meios mecânicos usados que afetam seu movimento Caracterizam os componentes pelo efeito que produzem Comportamento de um motor real é determinado pela geometria Análise de ciclo representa um motor ideal Principal propósito é determinar quais carcaterísticas escolher para os componentes de um motor para melhor satisfazer determinada aplicação Expressar T, h, Isp, TSFC como função de parãmetros de projeto Motores tipo turbina operam no ciclo Brayton

3 MÁQUINA TÉRMICA: CADEIA PROPULSIVA
Energia Química Calor (Energia Térmica) Potência Mecânica Mecânica para Fluxo Empuxo Combustão Térmica Mecânica Propulsiva A eficiência global para a cadeia propulsiva é dada:

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7 EFICIÊNCIAS Eficiências Eficiência Global, hglobal, hoverall
Eficiência Térmica (Ciclo), htérmica, hthermal Eficiência Propulsiva, hpropulsiva, hpropulsive Impulso Específico, Isp [s] Consumo de Combustível Específico, (Thrust) Specific Fuel Consumption, (T)SFC [lbm/hr lbf] or [kg/s N] Implicações da Eficiência Propulsiva no Projeto do Motor Tendências na Eficiência Térmica e Propulsiva

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11 Representação esquemática – turbinas a gás aplicadas a aeronaves

12 CONCEITOS/ FERRAMENTAS PARA ANÁLISE DO CICLO MOTOR IDEAL
Equação de estado gás ideal, p = rRT Gá dinâmica unidimensional Conceito de quantidades de estagnação e estáticas (temperatura, pressão, etc.) Relação entre Mach e propriedades termodinâmicas Thermodinâmica do ciclo propulsivo Uso da1a e 2a Leis da Termodinâmica Comportamento de quantidades úteis: energia, entropia, entalpia Relação entre propriedades termodinâmicas em um processo reversível (“sem perdas”) Isentrópico = reversível + adiabático Propriedades dos ciclos (isto é ciclicas) Ar parte a P e T ambiente e finaliza as mesmas T e P ambiente Definição de Ciclos ‘Aberto’ vs. ‘Fechado’

13 DEFINIÇÃO QUANTIDADES DE ESTAGNAÇÃO
Quantidades utilizadas na descrição de desempenho de motor são pressão, entalpia e temperatura de estagnação Entalpia de estagnação, ht , entalpia se o fluxo é desacelerado adiabaticamente até velocidade nula Gás ideal Temperatura de estagnação Velocidade do som Razão entre temperatura total e temperatura estática em termos de número de Mach

14 REVERSÍVEL + ADIABATICO = PROCESSO ISENTRÓPICO

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16 RECAP NA TERMODINÂMICA: 1a LEI
Primeira Lei (conservação de energia) para um sistema: E0 = Q - W Variação na energia global (E0 ) = Calor que entra – Trabalho realizado E0 = Energia térmica + energia cinética ... Neglenciando variações de energia cinética e potencial E = Q - W ; (Variação na energia térmica) Por unidade de massa, a 1a Lei fica: e = q - w

17 RECAP NA TERMODINAMICA: 2a LEI
A segunda lei define entropia, s,: Onde dqreversivel é o incremento de calor recebido em um processo reversível entre dois estados A segunda lei também declara que para qualquer processo a soma das variações de entropia para o sistema mais as vizinhanças é igual ou maior do que Zero. Igualdade somente existe em um processo reversível (ideal)

18 REPRESENTANDO MOTORES EM COORDENADAS TERMODINÂMICAS
1a Lei: E = Q - W, onde E é a energia total da parcela do ar. Para um processo cíclico E é zero (volta ao estado inicial) Assim: Q (líquido entrada) = W (líquido realizado) Preciso de um diagrama o qual represente entrada ou saída de calor. Uma forma é fornecida pela Segunda Lei onde ds é a variação de entropia de uma unidade de massa e dq é a entrada de calor por unidade de massa Assim, uma variável deveria ser a entropia , s

19 EQUAÇÃO DE ENERGIA PARA FLUXO PERMANENTE (I)
Para qualquer dispositivo em regime permanente Calor que entra Por unidade de fluxo mássico: 2 1 Fluxo de Massa Dispositivo Trabalho de eixo q calor de entrada/unidade massa weixo é trabalho de eixo / unidade massa

20 EQUAÇÃO DE ENERGIA PARA FLUXO PERMANENTE (II)
A forma da equação de energia para fluxo permanente mmostra que entalpia, h: h = e + pv = e + p/r Variável natural para uso em fluido no processo transferência fluxo-energia Para um gás ideal com calor específico constante, dh = cpdT. Variações na entalpia são equivalentes a variações na temperatura. Resumindo, as variáveis úteis naturais na representação de um processo de turbina a gás são h,s (ou T, s). Representa thermodinâmicamente o ciclo (Brayton) para turbina a gás em diagrama T,s

21 MODELO TERMODINÂMICO: CICLO BRAYTON

22 COMPONENTES DA TURBINA A GÁS
Entrada: Desacelera (difusor), o fluxo para o compressor Fan/Compressor: (generalmente 2, ou 3, compressores em série) realiza o trabalho no ar e aumenta sua temperatura e pressão de estagnação Combustor: Calor é adicionado para o ar a Pressão Constante Turbina: (generalmente 2 ou 3 turbinas em série) extraí trabalho do ar para comandar o compressor e/ou para gerar potência Afterburner (Pós-queimador): (motores militares) adiciona calor a P cte Nozzle (Tubeira): Aumenta a velocidade do fluxo mássico Gases de exaustão rejeitam calor para a atmosfera a pressão constante

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24 Pressão estática aumenta

25 Pressão estática diminui

26 CARACTERÍSTICAS TERMODINÂMICAS DOS COMPONENTES (COMPONENTES IDEIAS)

27 THERMODYNAMIC MODELO TERMODINÂMICO DE TURBINA A GÁS [Cravalho and Smith]

28 ESQUEMA DAS CONDIÇÕES ATRAVÉS DE UMA TURBINA A GÁS [Rolls-Royce]

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30 PRESSÕES E TEMPERATURAS NOMINAIS PARA PW4000 TURBOFAN [Pratt&Whitney]

31 REVISÃO DA LOCALIZAÇÃO DAS ESTAÇÕES

32 COMBUSTOR LOCAL Commercial PW4000 Combustor Militar F119-100
Afterburner

33 COMPRIMENTO EELATIVO DO AFTERBURNER
J79 (F4, F104, B58) Combustor Afterburner Porque AB (AfterBurner) é muito mais longo do que combustor primário? Pressão é tão baixa em AB que eles precisam ser muito mais longo ( mais pesados) Taxa de reação ~ pn (n~2 para taxa de colisão de gases misturados)


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