PRP28: TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA APLICADA Divisão de Engenharia Aeronáutica Departamento de Propulsão Responsáveis: Profa Cristiane Aparecida Martins Profa Claudia Regina de Andrade

PRP-28 TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA APLICADA Bibliografia: Hill, P., Peterson, C., Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Addison, Turns S.R., An introduction to combustion: concepts and applications, Boston, MA: McGraw-Hill, 2006, Turns S.R., Mattingly, J.D., Elements of gas turbine propulsion, New York, NY: McGraw-Hill, Holman, J. P. Heat Transfer. 10.ed., McGraw-Hill, Bergman T.L., Lavine, A.S. and Incropera, F.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7.ed. Wiley, 2011.

MÁQUINAS TÉRMICAS E PROPULSÃO Lecture 1: Introdução e Visão Geral 01_ 2013 Divisão de Engenharia Aeronáutica Departamento de Propulsão Responsáveis: Profa Cristiane Aparecida Martins Profa Claudia Regina de Andrade

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AÁrea da seção (m 2 ) A * Throat area (m 2 ) A e Exit area (m 2 ) ATDCAfter Top Dead Center BMEPBrake Mean Effective Pressure (N/m 2 ) BSFCBrake Specific Fuel Consumption BTDCBefore Top Dead Center cSound speed (m/s) C D Drag coefficient (---) COMonóxido de Carbono C P Calor específico a pressão constante (J/kgK) C v Calor específico a volume constante (J/kgK) CVVolume de Control DForça de Arrasto (N) EEnergia contida na substância = U + KE + PE (J) EEnergia de Ativação (J/mole) gAceleração da gravidade (m/s 2 ) gfunção de Gibbs  h - Ts (J/kg) HEntalpia  U + PV (J) hEntalpia por unidade de massa = u + Pv (J/kg) ICEInternal Combustion Engine IMEP Indicated Mean Effective Pressure (N/m 2 ) ISFCIndicated Specific Fuel Consumption I SP Specific impulse (sec) KEEnergia cinética (J or J/kg) PEEnergia Potencial Nomenclatura (resumo)

A principal idéia é a compreensão clara sobre relação entre máquinas térmicas e propulsão

INTRODUÇÃO GERAL - VISÃO GERAL DE MOTORES AERONÁUTICOS

Quais forças atuam em uma aeronave ou foguete ? foguete Thrust (empuxo) drag (arrasto) weight (peso) e lift (sustentação )dragweight O movimento de uma aeronave depende das forças aerodinâmicas (drag e lift), do peso e do empuxo; INTRODUÇÃO

Peso é a força gerada devido a atração gravitacional. Lift e drag são forças mecânicas/aerodinâmicas. (de contato). Forças aerodinâmicas são percebidas somente se o objeto está em movimento. Empuxo é também uma força mecânica, tal que o sistema propulsivo deve estar em contato com o fluido de trabalho para que se produza empuxo.

O formato da superfície pode exigir maior quantidade de energia para movimentá-lo. Drag (arrasto)?

Cd em automóveis

Aeronaves, o que importa?

Cl - Coeficiente de sustentação, que é de uma forma simplificada, a capacidade que tem um determinado perfil, de gerar sustentação. Neste ponto, quanto maior, melhor. Para o Cl é importante também a forma com que a curva de sustentação termina, ou seja, o ideal é que o início da perda de CL se dê de forma bastante suave, e não bruscamente. Um valor médio fica por volta de 1.4. Cd - Coeficiente de arrasto. Por ele podemos determinar quanto de potência vai ser consumida da aeronave para o vôo. O Cd, quanto menor, melhor. Valores mínimos por volta de 0.08 são bastante altos para os dias atuais, no entanto valores iguais a 0.03, é muito difícil de ser conseguido. Um perfil bom em termos de Cd tem seu valor mínimo por volta de 0.04 a

DRAG – DIFERENTES FONTES

Para aeronave acelerar durante vôo, empuxo deve ser maior do que o arrasto. Para uma aeronave decolar, lift deve ser maior que o peso.

Forças - resumo avião foguete Thrust (empuxo) é força a qual movimenta uma aeronave através do ar. Empuxo é utilizado para superar o drag (arrasto) de um avião, e superar o weight + drag (peso + arrasto) em um foguete. Empuxo é gerado através de algum sistema propulsivo.dragweight

Foguete Modelo e Foguetes Reais Comparação e Contrastes 4 forças em todo o vôo todo o vôo na atmosfera forças aerodinâmicas muito importantes muito curta potência de vôo motor foguete sólido pequena fração mássica propelente estabilidade passiva nenhum controle baixa velocidade aquecimento não importante materiais baratos papelão, plástico 4 forças somente na atmosfera vôo curto na atmosfera forças aerodinâmicas pouco importantes alta potência de vôo motor foguete sólido ou líquido alta fração mássica propelente estabilidade passiva controle ativo alta velocidade aquecimento importante materiais caros Al, Ti, ligas de Ni Modelo FogueteFoguete Real

EMPUXO...

CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS PROPULSIVOS

SISTEMAS PROPULSIVOS (cont) Neste curso: SOMENTE a categoria prática TERMOQUÍMICA Termoquímicos podem ser divididos em 3 sub-categorias: –Foguetes (Propelente sólido ou Líquido) –Aspirados (Ramjet, Turbojet, Tubofan…) –Híbridos (Ramrocket por exemplo) OBJETIVO DA PROPULSÃO – CRIAR UMA FORÇA PARA MOVIMENTAR UM VEÍCULO

TURBINAS, MOTORES CICLO DIESEL, MOTORES CICLO OTTO SÃO TODOS MÁQUINAS TÉRMICAS....O QUE SIGNIFICA???

Motores ‘Perfeitos' a eficiência de conversão de energia é de 100% mas nem toda a energia é convertida em trabalho, o que significa que parte da energia é desperdiçada na exaustão. No motor elétrico o mínimo valor (na exaustão) é o zero (Terra), o que significa que teoricamente é possível obter 100% de eficiência na exaustão da carga elétrica, a qual não deixará nenhum resíduo. No motor hidráulico a mínima pressão de exaustão é a atmosférica, o que significa que parte da energia será desperdiçada na exaustão. No motor térmico, 'máquina térmica' a mínima temperatura é obtida nas condições ambientes, ou seja da ordem de 300K, significando que também existirá uma energia residual na saída. Se a saída fosse de Zero absoluto conseguiríamos extrair toda a energia contida.

MÁQUINAS TÉRMICAS UTILIZAM FLUIDO DE TRABALHO

A Figura abaixo mostra a construção básica de um compressor e turbina axiais. A turbina recebe gás de trabalho (alta pressão e aquecido) da esquerda para direita fazendo o rotor rodar. O compressor recebe o ar e o comprime em estágios.

COMPRESSOR AXIAL TURBINA AXIAL

Rover 1S60 Rotor

PONTOS BÁSICOS – MÁQUINAS TÉRMICAS Todas as aeronaves com combustível hidrocarbonetos são MÁQUINAS TÉRMICAS Aplica-se no estudo –Mecânica de Fluídos Relata as variações na pressão, temperatura e velocidade do ar –Termodinâmica (Análise de Ciclo) Energia térmica →mecânica é estudada através da termodinâmica Estudo das variações de estado termodinâmico do ar ao atravessar a turbina Geometria da turbina NÃO importante, processos são importantes

Termodinâmica Química Cálculo do estado final baseado em alguma informação do estado inicial –assumindo equilíbrio termodinâmico Propriedades do estado final –temperatura (temperatura de chama adiabática) conservação de energia – 1a lei da TD –composição de equilíbrio conservação da massa entropia - 2a lei da TD

Por que estudar equilíbrio termodinâmico? Equilíbrio considera que a reação teve tempo suficiente para ocorrer. Cinética considera taxas de reações químicas.

Por definição, a região cinética é o período no qual as concentrações dos componentes da reação estão constantemente variando. A região de equilíbrio é o período após nenhuma variação na concentração é observada. Região cinética versus região de equilíbrio

Nem aí para o TEMPO!! Termodinâmica versus TEMPO TEMPO

Termodinâmica - responde Primeira Lei – qual a máxima energia (conversão) que consigo? Segunda Lei – quanto posso aproveitar desta energia e em qual direção o processo caminhará? O processo ocorrerá espontaneamente?

TERMODINÂMICA BASEADA NA FRUSTAÇÃO

Você NUNCAAAAA GANHA no máximo EMPATA dE =  Q -  W ** Q W No máximo Q = W Princípio da conservação de energia – 1 Princípio da Termodinâmica **considere massa fixa

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: 2nd LAW A segunda lei define entropia, s, por: Onde dq reversíevl é o incremento de calor recebido em um processo reversível entre dois estados. A segunda lei também diz que para qualquer processo a soma das variações de entropia para o sistema mais as vizinhanças é igual ou maior que zero Igualdade somente existe em processo reversível (ideal)

2 PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA EMPATA quando chega no ZERO

3 PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA: 3st LAW Impossível reduzir qualquer sistema à temperatura do zero absoluto mediante um número finito de operações. De acordo com esse princípio, também conhecido como teorema de Nernst, a entropia de todos os corpos tende a zero quando a temperatura tende ao zero absoluto. VC NUNCA chega no ZERO

The 1st law: ´´you cannot win´´ "You can't win." Yes, this means your profit can't be greater than zero. You go to your friend's house to play poker, and when you go home that night, you can't end up with more money (energy) than you started with. The 2nd law: ´´you cannot break even´´ To "break even" means to go home after gambling with the same amount of money you had originally. Saying you can't break even means that you can't have zero profit. Entropy will increase, so the amount of energy available to do mechanical work must decrease. The 3rd law: you cannot get out of the game (what game?)

ENERGIA LIVRE DE GIBBS - função de estado - propriedade extensiva  S univ =  S sis +  S vizi Para T e P constantes:  - T  S univ = - T  S sis +  H sis (para T & P ctes)  S univ =  S sis -  H sis T  G =  H – T  S

PROCESSO DE MOTOR AERONÁUTICO REPRESENTADO EM COORDENADAS TERMODINÂMICAS Primeira lei:  E = Q - W, onde E é a energia total da parcela do ar: Para um processo ciclico  E é zero (volta ao mesmo estado) Consequentemente: Q (calor líquido que entra) = W (trabalho líquido realizado) Quero um diagrama o qual represente a entrada ou saída de calor. Uma forma é fornecida pela Segunda Lei onde ds é a variação de entropia de uma unidade de massa da parcela e dq é a entrada de calor por unidade de massa Assim, uma variável deveria ser a entropia, s

THERMODINAMICA: CICLO BRAYTON

Conclusão A termodinâmica fornece dois importantes subsídios necessários a um projeto: –calor liberado ou absorvido durante a reação –rendimento máximo que se poderá obter da mesma.

Conclusão (cont) a intensidade dos efeitos térmicos pode ser estimada através de dados termodinâmicos, o cálculo da constante de equilíbrio K pode ser realizado a partir da energia livre padrão G 0 dos materiais reagentes, Assim: –  G 0 = - RTlnK, com a cte de equilíbrio conhecida pode se estimar o rendimento máximo da reação.

Escoamentos Reativos – Turbina a gás

Câmara de Combustão – Turbina a gás

Escoamentos Reativos - MOTOR A PISTÃO -

Premistura vs. não-premisturado

Conclusão A termodinâmica fornece dois importantes subsídios necessários a um projeto: –calor liberado ou absorvido durante a reação –rendimento máximo que se poderá obter da mesma.

Máquinas térmicas – turbinas a gás e motores a pistão

De acordo com o RAB (Registro Aeronáutico Brasileiro)- banco de dados onde estão registradas todas as aeronaves brasileiras), o Brasil possui um total de aeronaves ativas, em números de Deste total, –873 são aeronaves propulsionadas a jato, –1.783 turboélices e –9.513 aeronaves a pistão, das aeronaves a pistão: aeronaves privadas de instrução e aviões agrícolas aeronaves HELICOPTEROS =

Propulsão a Jato Principio de operação baseado nas leis de movimento de Newton –2 lei – taxa de variação de momentum é proporcional ao empuxo aplicado (i.e. F = m x a) –3 lei – cada ação produz uma reação igual e oposta.

Existem diferentes sistemas propulsivos PROPULSÃO EMPUXO = massa x variação de velocidade massa VERSUS  v ou massa VERSUS  v

EQUAÇÃO GERAL DO EMPUXO - DEDUÇÃO

Turbinas a Gás

TURBOJATO Turbojato A turbina é projetada para produzir a potência exata para comandar o compressor. O gás que deixa o bocal de saída em alta pressão e temperatura é expandido para pressão atmosférica em um tubeira propulsora que produz jato em alta velocidade. A tubeira é o componente no qual o fluido de trabalho é expelido para fornecer jato de alta velocidade.

Fluxo em um Turbojato

Distribuição de temperatura e pressão

Empuxo

Turbofan Parte do ar liberado pelo compressor de baixa LP compressor ou fan ‘bypasses’ o núcleo do motor (HP compressor, combustion and turbines) para formar um jato propulsivo anular ou ar frio rodeando o jato quente. Resulta em jato de menor velocidade média mas melhor eficiência propulsiva e ruído reduzido.

Turbofan

Fluxo em um turbofan

Empuxo em Turbofan

Turboprop Para menores velocidades, a combinação de hélice e jato de exaustão fornece a melhor eficiência propulsiva. Tem dois estágios de compressor e câmera de combustão tipo Can. Turboprop podem também ser projetadas com uma turbina livre para comandar uma hélice ou um compressor LP adicional. (called free- turbine turboprop).

Turboprop

Fluxo em um turboprop

Empuxo em Turboprop

1 ft/s = 0,3048 m/s 1 ft/s = 1,09728 km/h

Comparação

EMPUXO EM MOTOR FOGUETE

Características do Jato Quantidades que definem um jato são: –área da secção transversal; –composição e –velocidade. Destes, somente a velocidade é característica majoritária e de considerável significância quantitativa.

Caracteristicas do Jato em Sistemas Propulsivos Práticos