Semana 5 CICLOS TERMODINÂMICOS PRÁTICOS – Parte 2.

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1 Semana 5 CICLOS TERMODINÂMICOS PRÁTICOS – Parte 2

2 Ciclo Ar-Padrão Diesel
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4 Diesel Engine

5 **COMBUSTÍVEL USUAL QUEROSENE PIROFAGIA

6 O ciclo ar-padrão que se aproxima do motor Diesel
Processo Descrição 1-2 Compressão Isentrópica 2-3 Adição de calor a Pressão Cte 3-4 Expansão Isentropica 4-1 Rejeição de Calor a Volume Cte 6

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8 A eficiência térmica do ciclo
Para encontrar Qin e Qout. Aplicando a 1a lei para sistema fechado para o processo 2-3, P = constante. Assim, para calores específicos constantes 8

9 Assim, para calores específicos constantes
Aplicando a 1a lei para sistema fechado para o processo 4-1, V = constante (exatamente como no ciclo Otto) Assim, para calores específicos constantes A eficiência térmica torna-se 9

10 rc ~ razão de volume antes e após a combustão No ciclo OTTO rc = 1
O que é T3/T2 ? onde rc é chamada razão de corte, definida como V3 /V2, e é uma medida da duração da adição de calor a pressão constante. Uma vez que combustível é injetado diretamente no cilindro, a razão de corte pode ser relacionada com o número de graus que o virabrequim rotaciona durante a injeção de combustível dentro do cilindro. rc ~ razão de volume antes e após a combustão No ciclo OTTO rc = 1 10

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12 Para processos 1-2 e 3-4 isentrópicos, fica
O que é T4/T1 ? Para processos 1-2 e 3-4 isentrópicos, fica Sendo V4 = V1 e P3 = P2, dividimos a segunda equação pela primeira e se obtém Consequentemente, 12

13 O que acontece quando a rc chega a 1
O que acontece quando a rc chega a 1? Faça o esquema do diagrama P-v para o ciclo Diesel e mostre rc aproximando-se de 1 no limite. P v 13

14 Valor dentro do [ ] sempre maior que 1

15 Note: para dada razão de compressão o motor diesel é menos eficiente do que ignição por centelha
O que acontece quando a rc chega a 1? Faça o esquema do diagrama P-v para o ciclo Diesel e mostre rc aproximando-se de 1 no limite.

16 Quando rc > 1 para um valor fixo de r.
Mas, uma vez que, Logo...... 16

17 Onde gera-se mais trabalho. Volume constante ou a pressão constante
Onde gera-se mais trabalho? Volume constante ou a pressão constante? Por que?

18 A variação de energia é a mesma, não importa se o processo é a volume constante ou a pressão constante. O processo a pressão constante exige mais ‘calor’ do que o processo a volume constante, porque parte da energia é perdida pelo sistema através do trabalho de expansão.

19 Ciclo Brayton O ciclo Brayton é a ciclo ar-padrão ideal para motores a turbina a gás. Este ciclo difere-se dos ciclos Otto e Diesel, pois ocorrem em sistemas abertos, ou volumes de controle. Assim, a análise é realizada para um sistema aberto, fluxo permanente (steady-flow) para determinar o calor transferido e o trabalho do ciclo. Assumimos que o fluido de trabalho é o ar e os calores específicos são constantes e consideremos o ciclo ar padrão frio 19

20 MOTORES RECIPROCOS - pense
Os motores SI e CI são processadores de ar Combustível ocupa pouco espaço Fluxo de ar = potência Limitação da vazão de ar Fluxo "bloqueado" (chocado) após as válvulas de admissão Perda por fricção, resistência mecânica - limites RPM Queima lenta Como aumentar o fluxo de ar? Motores maiores Motores com maiores rotações Turbocharge / supercharge Como evitar o ciclo stop/start de motores de pistão alternativos – Como? – motores de combustão contínua

21 O ciclo fechado para turbina a gás
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22 Turbojato - Turbojet Ciclo Brayton Ideal 2 3 4 5 1 6 turbina difusor
câmara de combustão tubeira compressor 1 2 3 4 5 6 P=constante qout qin T s 1-2 Compressão Isentrópica no difusor 2-3 Compressão Isentrópica no Compressor 3-4 Adição de calor a Pressão Constante na câmara de combustão 4-5 Expansão Isentrópica na turbina 5-6 Expansão Isentrópica na tubeira 6-1 Calor rejeitado a Pressão Cte

23 1-2 Compressão Isentropica (em um compressor)
Processo Descrição 1-2 Compressão Isentropica (em um compressor) 2-3 Adição de Calor a Pressão Constante 3-4 Expansão Isentropica (em uma turbina) 4-1 Rejeição de Calor a Pressão Os diagramas T-s e P-v são 23

24 Para encontrar Qin e Qout.
Eficiência térmica do ciclo Brayton Para encontrar Qin e Qout. Aplicando conservação de energia para o processo 2-3 para P = constante (sem trabalho), regime permanente, e negligenciando energias cinética e potencial. A conservação de massa resulta em Para calores específicos constantes, o calor adicionado por unidade de fluxo mássico é 24

25 A eficiência térmica torna-se
A conservação de energia para processo 4-1 conduz para calores específicos constantes A eficiência térmica torna-se 25

26 Considerando processos 1-2 e 3-4 isentrópicos, então
Uma vez que P3 = P2 e P4 = P1, temos que A eficiência do ciclo Brayton torna-se Não é a mesma do ciclo Carnot? Sendo o processo 1-2 isentrópico, 26

27 Onde a razão de pressão é rp = P2/P1 e
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28 A conservação de massa fica
Exemplo: Um ciclo Brayton de ar padrão opera com ar entrando a 95 kPa, 22oC. A razão de compressão rp é 6:1 e ar está a 1100 K após adição de calor. Determine o trabalho do compressor e o trabalho da turbina por unidade de massa, a eficiência do ciclo e compare a temperatura de saída da turbina com a temperatura de saída do compressor. Assuma propriedades constantes. Aplique a conservação de energia para steady-flow (fluxo permanente) e negligencie variação de energia cinética e potencial para o processo 1-2 (compressor). Note que o compressor é isentrópico. A conservação de massa fica 28

29 Uma vez que o compressor é isentrópico
Para calores específicos constantes, o trabalho do compressor por unidade de massa fica Uma vez que o compressor é isentrópico 29

30 Uma vez que o processo 3-4 é isentrópico
A conservação de energia para a turbina, processo 3-4, produz para calores específicos constantes Uma vez que o processo 3-4 é isentrópico 30

31 Sendo P3 = P2 e P4 = P1, vemos que
Já que o calor fornecido para o ciclo por unidade de massa no processo 2-3 é 31

32 O trabalho líquido do ciclo fica
A eficiência do ciclo… 32

33 Note que T4 (659 K) > T2 (492 K), ou a seja, temperatura de saída da turbina é maior do que a temperatura de saída do compressor. Pode este resultado ser usado para melhorar a eficiência do ciclo?

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36 ciclo Otto ciclo Brayton

37 Para mesma condição e capacidade de trabalho, o ciclo Brayton é capaz de trabalhar em uma faixa mais extensa de volume e uma menor faixa de pressão e temperatura que o ciclo Otto. Para motores recíprocos, o ciclo Brayton não é adequado. Um motor recíproco não manuseia um fluxo grande de gás com baixa pressão, senão o tamanho do motor (Pi/4 D2L) torna-se muito grande, e as perdas por atrito ainda maiores. Então o ciclo Otto é adequado para motores recíprocos. Em plantas de turbinas, por outro lado, o ciclo Brayton é mais adequado. Em motor a pistão motor é exposto para altíssimas temperaturas (após a combustão do combustível) somente por curto período e então precisa de tempo para ter sua temperatura reduzida em outro processo do ciclo. Por outro lado em uma turbina, dispositivo fluxo permanente, está sempre exposta as altas temperaturas utilizadas. Assim para a máxima temperatura a que está sujeito o motor a pistão não seria possível para uma turbina suportar. Além do mais uma turbina pode manusear um grande volume de gás de forma eficiente.

38 Note-se que Compressores recíprocos são úteis para produzir altas pressões, mas limitados a baixo fluxo – limites superiores de 20 bar com entradas de 160 m3/min são até alcançados com estágio duplo. Para altos fluxos com aumento de pressão relativamente baixo, são adequados compressores axiais e centrífugo; um aumento de pressão de várias atm para um fluxo de mais de m3/min é possível

39 Quais são as desvantagens?
Por que a turbina de gás tem muito maior relação potência/peso & potência/volume do que motores recíprocos? Mais ar pode ser processado visto ter o fluxo constante, não o start / stop de motores de pistão alternativo Mais ar  mais combustível pode ser queimado Mais combustível  mais libertação de calor Mais calor  mais trabalho (se eficiência térmica semelhante) Quais são as desvantagens? Compressor é um dispositivo dinâmico que faz o gás passar de baixa pressão para alta pressão sem um selo positivo como um pistão / cilindro Requer aerodinâmica muito precisa Requer velocidades da pá ≈ velocidade do som, caso contrário, o gás flui de volta para baixo P mais rápido do que o compressor pode empurrá-lo para P alto Cada estágio pode fornecer apenas proporção de pressão de 2: 1 ou 3: 1 - precisa de muitos estágios para uma grande razão de pressão Como o fluxo é constante, cada componente sente uma temperatura constante - no final do combustor - a turbina permanece quente continuamente e deve girar em altas velocidades (alta tensão) Materiais especiais e engenharia de resfriamento necessários (ao contrário de recip, onde os componentes só sentem a temperatura média do gás durante o ciclo) Limite de temperatura da entrada da turbina ≈ 1600K = 2420˚F - limita a entrada de combustível