Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira Ciclos – padrão a ar Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira

Ciclos – Padrão a ar Muitos equipamentos dedicados a produção de trabalho (motores) utilizam gás como fluido de trabalho. Ex: motores com ignição por centelha, motor a diesel e turbinas a gás. https://www.youtube.com/watch?v=JhcAig6QQGY

Ciclos – Padrão a ar Motor a combustão interna – ciclo aberto Para analisar motores de combustão interna é vantajoso conceber ciclos fechados que se aproximem dos ciclos abertos (ciclos padrão a ar);

Ciclos – Padrão a ar O ciclo-padrão a ar é baseado nas seguintes hipóteses: O fluido de trabalho é uma massa fixa de ar e este pode ser sempre modelado como um gás perfeito. Assim não há processo de alimentação nem de descarga; O processo de combustão é substituído por um processo de transferência de calor de uma fonte externa; O ciclo é completado pela transferência de calor ao meio envolvente (em contraste com o processo de exaustão e admissão num motor real); Todos os processos são internamente reversíveis; Usualmente é feita a hipótese adicional de que o ar apresenta calor específico constante.

Ciclos – Padrão a ar Considerações importantes: O ciclo-padrão a ar permite avaliar qualitativamente a influência de várias variáveis no desempenho do ciclo; Os resultados obtidos no ciclo padrão a ar, tais como o rendimento e a pressão média efetiva, diferirão consideravelmente daqueles relativos ao motor real; O termo “pressão média efetiva”, utilizado em associação aos motores alternativos, é definido como a pressão que, ao agir no pistão durante todo o curso do motor, realiza um trabalho igual ao realmente realizado sobre o pistão; O trabalho em um ciclo é determinado pela multiplicação dessa pressão média efetiva pelo volume de deslocamento do pistão.

O Ciclo de Brayton É o ciclo ideal das turbinas a gás. Pode operar em um ciclo aberto ou fechado, como na figura:

O Ciclo de Brayton Consiste em quatro processos internamente reversíveis: Compressão isentrópica (1-2); Fornecimento de calor (2-3, P=cte); Expansão isentrópica em uma turbina (3-4); Rejeição de calor para o ambiente (4-1, P=cte).

Efeito da razão da pressão de compressão O Ciclo de Brayton Efeito da razão da pressão de compressão Eficiência térmica: Efeito da temperatura de saída da câmara de combustão k = cp/cv

O Ciclo de Brayton Exemplo: Ar entra no compressor de um ciclo padrão a ar Brayton, fechado, a 0,1 MPa e 15°C. A pressão na seção de descarga do compressor é de 1,0 MPa e a temperatura máxima do ciclo é 1100 °C. Determine 1. a pressão e temperatura em cada ponto do ciclo; 2. o trabalho no compressor, o trabalho na turbina e a eficiência. (propriedades do ar Tabela A.5). Solução: VC compressor: Primeira lei: wc =h1-h2=cp(T1-T2) Rc=1/0.1=10; k=1,4; cp=1,0035 kJ/(kgK) (tab A.5) T2/T1=(p2/p1)^[(k-1)/k]T2=556,8 K wc=1,0035(288,2-556,8) wc=-269,5 kJ/kg

O Ciclo de Brayton Exemplo: Ar entra no compressor de um ciclo padrão a ar Brayton, fechado, a 0,1 MPa e 15°C. A pressão na seção de descarga do compressor é de 1,0 MPa e a temperatura máxima do ciclo é 1100 °C. Determine 1. a pressão e temperatura em cada ponto do ciclo; 2. o trabalho no compressor, o trabalho na turbina e a eficiência. (propriedades do ar Tabela A.5). Solução: Eficiência: η=1-288,2/556,8=0,482=48,2%

O Ciclo Otto O ciclo-padrão a ar Otto é um ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna de ignição por centelha; Como mostra a figura, o ciclo Otto inicia no ponto morto inferior  - estado 1 - quando o pistão inicia a compressão da mistura gás/combustível e termina no ponto morto superior - estado 2; No ponto 2, a mistura é detonada e a pressão aumenta subitamente e o ciclo passa para o estado 3. Este aumento de pressão força o pistão na direção do ponto morto inferior - estado 4- produzindo trabalho.; A partir do momento em que as válvulas de exaustão são abertas, os gases de exaustão são liberados para a atmosfera.

O Ciclo Otto O trabalho realizado pelo pistão é dado pelo produto do volume de deslocamento pela pressão média efetiva do ciclo. Rendimento do ciclo Otto: Ver exemplo 11.11 do Van Wylen

O Ciclo Diesel Ver exemplo 11.12 do Van-Wylen O ciclo-padrão a ar Diesel é um ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna de ignição por compressão como o motor real a Diesel; O processo inicial (1-2) considera a compressão isentrópica de um ciclo-padrão a ar; No ciclo Diesel o calor é transferido ao fluido de trabalho a pressão constante, correspondendo a injeção e a queima do combustível em um motor Diesel real (processo 2-3); Como o gás expande durante a transferência de calor no ciclo-padrão a ar, a transferência de calor deve ser apenas o suficiente para manter a pressão constante; Quando se atinge o estado 3, a transferência de calor cessa e o gás sofre uma compressão isentrópica (processo 3-4) até que o pistão atinja o ponto morto inferior; A rejeição de calor, como no ciclo Otto, ocorre a volume constante e com o pistão no ponto morto inferior (simulando os processos de descarga e admissão do motor real). Ver exemplo 11.12 do Van-Wylen