Aula 5 Energia e trabalho: Ciclos de Gás

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1 Universidade Federal do ABC P O S M E C Aula 5 Energia e trabalho: Ciclos de Gás MEC202

2 Ciclo termodinâmicos Ciclos termodinâmicos podem ser divididos em duas categorias gerais: ciclos de energia e ciclos de refrigeração. Ambos são geralmente realizadas por sistemas que operam em um dado ciclo termodinâmico.

3 Motores e refrigeradores Os dispositivos ou sistemas utilizados para produzir trabalho mecânico são muitas vezes chamados motores, e os ciclos termodinâmicos em que operam em são chamados de ciclos de potência. Os dispositivos ou sistemas utilizados para produzir um efeito de refrigeração são chamados refrigeradores, condicionadores de ar, ou bombas de calor, e os ciclos operam em são chamados ciclos de refrigeração.

4 Ciclos de gás e ciclos de vapor Em ciclos de gás, o fluido de trabalho permanece na fase gasosa ao longo de todo o ciclo. Nos ciclos de vapor do fluido de trabalho existe na fase de vapor, durante uma parte do ciclo e na fase líquida durante a outra parte.

5 Ciclos fechados e abertos Ciclos fechados: o fluido de trabalho é devolvido ao seu estado inicial, no final do ciclo e é recirculado. Ciclos abertos: o fluido de trabalho é renovado no final de cada ciclo, em vez de ser recirculado. Exemplo: motores de automóveis Os gases de combustão estão esgotados e substituídos por mistura de ar-combustível fresco, no final de cada ciclo. O motor opera num ciclo mecânico, o fluido de trabalho, mas não passa através de um ciclo termodinâmico completo.

6 Motores de calor Motores de combustão externas (tais como centrais elétricas de vapor), o calor é fornecido ao fluido de trabalho a partir de uma fonte externa, tal como um forno, um poço geotérmico, um reactor nuclear, ou até mesmo o sol. Motores de combustão interna (tais como os motores de automóveis), isto é feito através da queima do combustível, no interior dos limites do sistema.

7 Classificação de Ciclos Termodinâmicos Energia Motores Ciclos de gás Fechados Refrigeração Refrigeradores Ciclos de vapor Abertos Motores a combustão Combustão interna Combustão externa

8 CONSIDERAÇÕES BÁSICAS NA ANÁLISE DE CICLOS DE ENERGIA

9 Ciclos reais e ideais Removendo-se do ciclo real todas as irreversibilidades internas e complexidades, obtém-se um ciclo que se assemelha ao ciclo real de perto, mas é feito totalmente de processos internamente reversíveis. Tal ciclo é chamado de ciclo ideal.

10 Desempenho de motores de calor Motores de calor estão concebidos com a finalidade de converter a energia térmica em trabalho. Seu desempenho e é expresso em termos de h ter o rendimento térmico, que é a relação entre o trabalho líquido produzido pelo motor para a entrada de calor total: h ter W Q liq in h ter w q liq in

11 O ciclo de Carnot Os motores de calor que funcionam com um ciclo totalmente reversível, como por exemplo o ciclo de Carnot, têm a mais elevada eficiência térmica de todos os motores de calor que operam entre os níveis de temperatura mesmos. Isto é, é impossível desenvolver um ciclo mais eficiente do que o ciclo de Carnot.

12 Ciclos ideais x ciclos reais Eficiência térmica do ciclo: Não existe ciclo mais eficiente do que o ciclo de Carnot!

13 ...uma pergunta humilde... Se o ciclo de Carnot é o ciclo melhor possível, por que não usá-lo como o ciclo de modelo para todos os motores de calor, em vez de se preocupar com outros ciclos? Na prática, a maioria dos ciclos são muito deferentes do ciclo de Carnot.

14 Idealizações e simplificações As idealizações e simplificações vulgarmente utilizados na análise dos ciclos de potência podem ser resumidos em: 1. O ciclo não envolve qualquer atrito. Portanto, o fluido de trabalho não experimentar qualquer queda de pressão à medida que flui nos tubos ou dispositivos, tais como permutadores de calor. 2. Todos os processos de expansão e de compressão ocorrem em quasiequilibrium. 3. Os tubos que ligam os vários componentes de um sistema são bem isolados, e a transferência de calor através deles é desprezível.

15 Diagramas P-V e T-S Os diagramas de propriedade, como o P-V e diagramas T-S servem como auxiliares valiosos na análise de processos termodinâmicos. Em ambos os diagramas a área delimitada pelas curvas do processo de um ciclo representa o trabalho líquido produzido durante o ciclo. também é equivalente para a transferência de calor líquido neste ciclo.

16 O CICLO DE CARNOT

17 O ciclo de Carnot

18 Máquina de Carnot

19 Máquina de Carnot: diagrama P-V h ter, Carnot 1 T T L H

20 Máquina de Carnot: diagrama T-S h ter, Carnot 1 T T L H

21 CICLOS A PISTÃO: O CICLO OTTO

22 Pressupostos ar-padrão 1. O fluido de trabalho é o ar, que circula continuamente em um circuito fechado e sempre se comporta como um gás ideal. 2. Todos os processos que compõem o ciclo são internamente reversíveis. 3. O processo de combustão é substituído por um processo de adição de calor a partir de uma fonte externa. 4. A corresponde a um processo de rejeição de calor, que restaura o fluido de trabalho para o seu estado inicial. 5. A temperatura do ambiente (reservatório frio) é de 25 o C.

23 Motores de ciclo alternado Reciprocating engines. Sistema pistãocilindro. Classificação: Disparo por faísca Disparo por pressão top dead center (TDC) bottom dead center (BDC)

24 Taxa de compressão A taxa de compressão é dada por r V V max min V V BDC TDC

25 Pressão efetiva média Pressão efetiva média mean effective pressure (MEP) MEP V max W liq V min v max w liq v min

26 Pressão efetiva média Pressão efetiva média mean effective pressure (MEP) MEP V max W liq V min v max w liq v min

27 Nikolaus August Otto Inventor alemão. Criador do primeiro motor de combustão interna eficientemente a queimar combustível diretamente na câmara do pistão. Apesar de outros motores de combustão interna tinha sido inventado, estes não foram baseadas em quatro cursos distintos. Nikolaus August Otto ( )

28 O ciclo Otto Real Ideal

29 O ciclo Otto O ciclo Otto ideal é constituído por quatro processos internamente reversíveis: 1-2 compressão isentrópica 2-3 entrada de calor a volume constante 3-4 Expansão isentrópica 4-1 perda de calor a volume constante

30 O ciclo Otto

31 Análise do ciclo Otto

32 Análise do ciclo Otto Processos 1-2 e 3-4 são isentrópicos e V 2 = V 3 e V 4 = V 1. Assim, h ter, Otto 1 r 1 k 1 r V V max min V V 1 2 v v 1 2 é a taxa de compressão e k é a taxa de calor específico c p /c v.

33 Eficiência do ciclo Otto Eficiência térmica do ciclo Otto ideal como função da taxa de compressão (k = 1,4)

34 Eficiência do ciclo Otto A eficiência térmica do ciclo Otto aumenta com a razão dos calores específicos do fluido de trabalho.

35 O CICLO DIESEL

36 O ciclo Diesel Gasolina Diesel

37 Análise do ciclo Diesel

38 Análise do ciclo Diesel Chamando a razão entre os volumes antes e depois da explosão de r c V V 3 2 v v 3 2 h ter, Diesel 1 1 k 1 r k rc k( r c 1 1)

39 Eficiência do ciclo Diesel

40 O CICLO STIRLING

41 O ciclo Stirling O ciclo de Stirling é semelhante ao ciclo de Carnot, mas os dois processos isentrópicos são substituídos por dois processos de volume constante de regeneração. Este ciclo utiliza regeneração, um processo durante o qual o calor é transferido para um dispositivo de armazenamento de energia térmica (chamado um regenerador) durante uma parte do ciclo e é transferido de volta para o fluido de trabalho durante uma outra parte do ciclo.

42 O ciclo de Stirling 1-2 espansão a T constante (adição de calor a partir da fonte externa) 2-3 regeneração a V constante (transferência de calor interno do fluido de trabalho para o regenerador) 3-4 compressão a T constante (rejeição de calor para o dissipador externo) 4-1 regeneração a V constante (transferência de calor interno da parte de trás do regenerador para o fluido de trabalho)

43 O ciclo de Stirling Carnot Stirling

44 O ciclo de Stirling Carnot Stirling

45 O CICLO ERICSSON

46 O ciclo Ericsson O ciclo de Ericsson é semelhante ao ciclo de Carnot, mas os dois processos isentrópicos são substituídos por dois processos de pressão constante de regeneração. Este ciclo também utiliza regeneração.

47 O ciclo de Ericsson

48 O CICLO BRAYTON

49 O ciclo Brayton É utilizado em turbinas a gás apenas quando tanto a compressão e expansão de processos têm lugar em máquinas rotativas. As turbinas a gás geralmente operam num ciclo aberto. O ar ambiente é aspirado para dentro do compressor, onde a sua temperatura e pressão são elevadas. O resultado a alta pressão entra na câmara de combustão, onde o combustível é queimado a uma pressão constante. Os gases a alta temperatura, entram na turbina, onde se expandem para a pressão atmosférica, produzindo de energia.

50 Turbinas a gas Turbina a gas de ciclo aberto Turbina a gas de ciclo fechado

51 Termodinâmica Em uma turbina que utiliza o ciclo de Brayton: 1. O ar é admitido e comprimido isentropicamente (ds = 0). 2. A combustão ocorre isobaricamente (dp = 0). 3. Os gases resultantes expandem-se isentropicamente (ds = 0). Obs :- considerando uma turbina ideal: atrito e turbulência negligenciados.

52 Ciclo Brayton: Diagrama P-v 1-2: Compressão 2-3: Combustão 3-4: Expulsão

53 Ciclo de Brayton: Diagrama T-s 1-2: Compressão 2-3: Combustão 3-4: Expulsão

54 Diagrama T-s

55 Trabalho realizado A integral ao longo do ciclo vale Que é nulo pois é o resultado de uma função de estado integrada sobre um caminho fechado. O trabalho realizado vale, portanto: Onde q depois e q antes denotam o calor recebido pelo sistema, e q depois é negativo.

56 As trocas de calor Sob pressão constante, um processo quase-estático sofre troca de calor como ou A troca de calor pode ser expressa em termos da variação da entalpia entre estados relevantes. Assim, o calor recebido na combustão vale Similarmente, o calor perdido vale

57 Trabalho e eficiência O trabalho médio por unidade de massa pode ser expresso em termos das temperaturas: E a eficiência térmica do ciclo de Brayton:

58 Eficiência do ciclo Brayton Lembrando que Chega-se a uma expressão para a eficiência: Chamando a relação entre as temperaturas antes e depois do compressor de TR=T 2 /T 1, obtém-se:

59 Modelo termodinâmico Admitindo-se escoamento regime permanente, adiabático reversível, obtém-se do balanço de energia h3 ( p3, T3 ) h4 ( p4, T4 ) v Velocidade na saída e, do balanço de entropia s4 s 3

60 O CICLO BRAYTON COM REGENERADOR

61 O ciclo Brayton com regenerador A eficiência térmica do ciclo de Brayton aumenta como resultado de regeneração uma vez que a porção de energia dos gases de escape é usado para pré-aquecer o ar que entra na câmara de combustão. Isto, por sua vez, diminui a entrada de calor (=combustível) para a produção do mesmo trabalho líquido. A utilização de um regenerador é recomendada apenas quando a temperatura de exaustão da turbina é mais elevada do que a temperatura de saída do compressor. Caso contrário, o calor fluirá na direção oposta (para os gases de escape), diminuindo a eficiência. Esta situação é encontrada em turbina a gás-motores que operam a taxas muito altas.

62 O ciclo Brayton com regenerador

63 O ciclo Brayton com regenerador que pode ser idealizado por

64 O ciclo Brayton com regenerador Finalmente, chega-se a h ter 1, regen T 1 ( k 1) k r / p T 3 onde

65 Eficiência do ciclo Brayton A eficiência térmica de um ciclo de Brayton com regeneração ideal depende da razão entre o mínimo e o máximo das temperaturas, bem como a relação de pressão.

66 O ciclo de Brayton com intercooler, reaquecimento e regeneração A saída (trabalho) da turbina pode ser aumentada através da expansão do gás em etapas, isto é, utilizando-se a expansão de vários estágios com reaquecimento. Isto é realizado sem elevar a temperatura máxima do ciclo. À medida que o número de fases é aumentado, o processo de expansão se torna quase isotérmica. A compressão constante de fluxo de trabalho ou de expansão é proporcional ao volume específico do fluido. Portanto, o volume específico do fluido de trabalho deve ser tão baixa quanto possível durante o processo de compressão e tão alta quanto possível, durante um processo de expansão. Estas são as funções do intercooler e do reaquecimento.

67 O ciclo de Brayton com intercooler, reaquecimento e regeneração

68 Análise Diagrama T-S de um ciclo de turbina a gás-ideal, com intercooler, reaquecimento e regeneração.

69 CICLOS IDEIAS EM PROPULSÃO A JATO

70 Ciclo de propulsão a jato Motores de turbina a gás são amplamente utilizados em aeronaves, porque eles são leves e compactos e têm uma relação potência-peso elevado. Turbinas a gás de aeronaves operam em um ciclo aberto chamado ciclo de propulsão a jato.

71 Ciclo de propulsão a jato O ciclo ideal de propulsão a jato difere do ciclo de Brayton simples ideal na medida em que os gases não são expandidos à pressão ambiente na turbina. Em vez disso, eles são expandides com uma pressão tal que a energia produzida pela turbina é apenas suficiente para acionar o compressor e o equipamento auxiliar, tal como um pequeno gerador e bombas hidráulicas.

72 Ciclo Brayton ideal em um motor a jato ADMISSÃO COMPRESSÃO COMBUSTÃO EXAUSTÃO

73 Ciclo Brayton ideal em um motor a jato

74 Ciclo Brayton ideal em um motor a jato

75 Potência e eficiência A potência desenvolvida a partir do impulso do motor é chamado de propulsão (thrust). É a força de propulsão (impulso) vezes a distância que esta força atua sobre a aeronave, por unidade de tempo O trabalho desenvolvido por um motor a jato é zero. Assim, não é possível definir a eficiência de um motor de turbo-jato, da mesma forma como turbinas a gás.

76 Exemplo Um avião a jato propulsionado por turbinas a gás voa a 400 m/s, na altitude de 5000m, onde as condições atmosféricas são de 50 kpa e -130 o C. A relação de compressão é de 42:1. A temperatura na entrada da turbina é de 1000 o C. Qual a pressão no bocal de saída? Qual a velocidade de saída?

77 Exemplo - Resolução Pressão no bocal de saída: P 4 = 42 x 50 P 4 = 2,1 MPa Velocidade no bocal: Considerando o cp do ar como 1,0: h 1 =-130 e h 4 =1000 V 4 = [2x870] 1/2 = 41,7 m/s

78 Exemplo: Pratt & Whitney PW4000 (747 e 767)

79 Motores a jato

80 Motores a jato

81 Turbo-hélice

82 Turbofan

83 Exemplo: 2-spool, high-bypass turbofan 1. Corpo 2. Fan 3. Compressor de baixa pressão 4. Compressor de alta pressão 5. Câmara de combustão 6. Turbina de alta pressão 7. Turbina de baixa pressão 8. Saída principal 9. Saída do fan A. Baixa pressão B. Alta pressão C. Estático

84 Afterburner Injeção de combustível após a combustão. A mistura se incendeia, reaquecendo o gás.

85 Afterburner Alto custo em combustível. Eficaz em vôos supersônicos. Aplicações militares. F-18 SR-71 F22

86 EXEMPLOS REAIS

87 General Electric GEnx Boeing / Boeing kn Taxa de compressão 42:1

88 General Electric CF6-6

89 Rolls-Royce Trent 900 Airbus A kn

90 Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 Concorde 169,2 kn afterburner

91 Na próxima aula... Vapor e ciclos combinados!