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Ciclos Motores e de Refrigeração 1

Termodinâmica: Ciclos Motores e de Refrigeração

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1791 - 1832).

William Thomson

(Lord Kelvin) (1824 - 1907).

Rudolf Julius Emanuel Clausius

(1822 – 1888).

http://molecularium.net/molecularium/pt/histerm/index.html

James Prescott Joule (1818 - 1889).


Ciclos Motores e de Refrigeração

11.0 – Introdução

• Já consideramos diversas vezes as centrais de potência (vapor) como sendo um dispositivo que opera segundo um ciclo.

• O que caracteriza um ciclo? O fluido de trabalho sofre uma série de processos e finalmente retorna o estado inicial.

• Existem ainda outros ciclos. • Motor de combustão

• Turbina a gás

OBS. Nesses ciclos o fluido de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico, mas o equipamento opera como um ciclo mecânico.OBS. O fluido de trabalho não apresenta as mesmas condições iniciais após o final do ciclo. Ciclo aberto.

Nesse capítulo veremos alguns dos principais ciclos motores e de refrigeração, fazendo uma análise do desempenho desses ciclos e a influência das variáveis no processo.

Ex. A relação de compressão no ciclo Otto aumenta o rendimento – turbo compressores.



11.1 – Introdução aos Ciclos de Potência

Para um PROCESSO REVERSÍVEL numa máquina térmica cíclica, operando em regime permanente, com uma única seção de entrada e uma de saída, o trabalho específico é

vdpw

Num sistema compressível simples o trabalho devido ao movimento de fronteira é

pdvw

As áreas relativas as duas integrais estão mostradas na Fig. 11.1.OBS. A primeira integral não envolve processo a p = cte.

A segunda integral não envolve processos a v =cte.



Considere o ciclo da Fig. 7.18.• Admitir que os quatro processos sejam internamente reversíveis.

• Para facilitar a modelagem do ciclo, consideremos também que a transferência de calor ocorre a p = cte, e que tanto a turbina quanto a bomba sejam adiabáticas (isoentrópicos). Ver Fig. 11.12.

OBS. Se todos os estados do fluido de trabalho permanecerem dentro da região de saturação l-v, o ciclo será um ciclo de Carnot (ver no quadro!).

O trabalho específico pode ser obtido com:

3

4

2

1

4

3

2

1

00 vdpvdpvdpvdpwliq



OBS. Como p1=p4 e p2=p3 , e considerando que os volumes específicos dos fluidos de trabalho no processo de expansão (3 para 4) são maiores que os referentes ao processo de compressão (1 para 2) concluis-se que wliq é positivo.

• A que conclusão chegamos então?

wliq = f (v), ou melhor, da diferença entre os volumes específicos. Assim, o fluido de trabalho deve apresentar a maior variação possível.

Esta conclusão também pode ser feita verificando as áreas da Fig. 11.2.



Se o ciclo da Fig. 11.2 fosse realizado com um conjunto cilindro pistão o trabalho seria realizado pelo movimento de fronteira:

1

4

4

3

3

2

2

1

pdvpdvpdvpdvwliq

Analisando novamente a Fig. 11.2 verifica-se que as áreas relativas aos processos de expansão (do estado 2-3 e o 3-4) são maiores que as áreas relativas ao processo de compressão (estado 4-1 e 1-2). Trabalho líquido positivo.

OBS. A área delimitada pelo processo 1-2-3-4-1 representa o wliq para os dois ciclos. Repare que o trabalho líquido é o mesmo para os dois casos, mesmo os trabalhos similares sendo diferentes.



11.2- O Ciclo Rakine

1-2: Processo de bombeamento adiabático reversível, na bomba.2-3: Transferência de calor a p = cte., na caldeira.3-4: Expansão adiabática reversível, na turbina.4-1: Transferência de calor a p=cte., no condensador.

OBS. O ciclo de Rankine também pode apresentar superaquecimento do vapor. Processo 1-2-3’-4’-1 (Ver Fig. 11.3).

η térmico=w liq

qH

=aba

área

3'22

143'221(11.1)

superaquecimento

8


OBSERVAÇÕES:

2- O rendimento do ciclo de Rankine é menor que o de Carnot que opera nas mesmas temperaturas por que a temperatura média entre 2 e 3 é menor do que a temperatura durante a vaporização (2’-3).

1- No ciclo Rankine a temperatura tem forte influência no rendi-mento térmico. Qualquer variação que aumente a temperatura mé-dia média na qual o calor é fornecido, ou que diminua a tempe-ratura média na qual o calor é rejeitado, AUMENTARA ESSE RENDIMENTO.

• Por que escolher o ciclo de Rankine como ciclo ideal?

- Processo de bombeamento. No estado 1 temos líquido saturado. Não dá para bombear. CAVITAÇÃO.

- Superaquecimento do vapor. Rankine: p=cte.; Carnot: T=cte. Expansão de mistura liq+vapor na turbina - EROSÃO.

9

(2ª Aula) Ciclos Motores e de Refrigeração

Fazer ex. 11.1



11.3- O Ciclo Ideal com Reaquecimento

OBS. O rendimento do ciclo de Ran-kine pode ser aumentado com o au-mento da pressão no processo de trans-ferência de calor. Entretanto, isso tam-bém aumenta a umidade do vapor nos estágios de baixa pressão da turbina. Isso pode ser evitado através do cha-mado reaquecimento. Veja Fig. 11.7.

OBS. Como a temperatura média na qual o calor é fornecido não muda muito pela introdução do reaquecimento, o rendimento pouco é afetado. Entretanto, o teor de umidade diminui. Essa é a principal vantagem desse processo.



11.4- O Ciclo Regenerativo

Essa variação envolve a utilização de aquecedores da água de alimentação. Veja a Fig. 11.8. O rendimento do ciclo Rankine é menor que o Carnot correspondente – Temperatura média entre 2-2’ é menor que 2’-3.

- Considere o ciclo regenerativo ideal da Fig. 11.9. O FLUIDO DE TRABALHO ESCOA NA PERIFERIA DA TURBINA E SE AQUECE.

- Considerando que esse processo seja reversível, e comparando as áreas, verifica-se que o Ciclo Regenerativo tem rendimento exatamente igual ao do ciclo de Carnot.

- Obviamente não é possível implantar esse ciclo regenerativo ideal. Área insuficiente de troca na turbina; Aumento no teor de umidade do vapor na turbina. Como então proceder?

Precisamos desenvolver um ciclo regenerativao real. Veja Fig. 11.10.


Ciclos Motores e de RefrigeraçãoFazer Ex. 11.4.



• Exemplo de um Ciclo Regenerativo Real



11.6- Afastamento dos ciclos reais em Relação aos Ciclos Ideais- Perdas na turbina (escoamento; transferência de calor – ela não é adiabática –NÃO É PROCESSO ISOENTRÓPICO; 3-4 Fig.11.13);- Perdas na bomba (as mesmas da turbina)

- Perdas nas tubulações (atrito, transferência de calor)

- Perdas no condensador (resfriamento abaixo da temp. de saturação – pequenas – troca de calor adicional na caldeira)



11.8 – Ciclo Padrão de Ar (análise qualitativa dos processos)Aqui HÁ UMA MUDANÇA NA COMPOSIÇÃO do fluido de trabalho. • Motores de comb. interna (Diesel, Otto) e turbinas a gás.

Oxigênio (Ar) + Combustível Produtos

1- O fluido de trabalho é uma massa fixa de ar e este ar pode ser modelado como um GÁS PERFEITO. Assim, não se consideram os processos de alimentação e de descarga.

2- O processo de combustão é substituído por um processo de transferência de calor de uma fonte externa.

3- O ciclo é completado pela transferência de calor para o meio ambiente.

4- Todos os processos são INTERNAMENTE reversíveis.

5- Calor específico, cp, do ar constante.



11.9 – O Ciclo Brayton (Fig. 11.18)

Denomina-se de ciclo Brayton o ciclo onde o fluido de trabalho NÃO MUDA DE FASE ao passar pelos mesmos processos de um ciclo Rankine. AQUI UM GÁS PERFEITO!

1

1111

2

32

1

41

23

14

TTT

TTT

TTc

TTc

Q

Q

p

p

H

Ltérmico

O rendimento do ciclo-padrão Brayton é



Observando que:

1

4

31

1

2

1

2

4

3

k

k

k

k

T

T

T

T

p

p

p

p

1

4

2

3

1

2

4

3

T

T

T

T

T

T

T

T e 111

4

2

3 T

T

T

T

k

ktérmico

ppT

T1

1

22

1 111

Assim, o rendimento do ciclo padrão de ar Brayton É FUNÇÃO DA RELAÇÃO DE PRESSÃO ISOENTRÓPICA. Verificando o diagrama T-s da Fig. 11.19 fica evidente o aumento do rendimento com a relação de pressão. Limita-se a pressão máxima com função de temperatura (limitações metalúrgicas).



OBS. Um ciclo Brayton real difere de um ideal devido as irreversi-bilidades no compressor e na turbina (perda de carga). Assim os pon-tos representativos dos estados de uma turbina a gás real de ciclo aberto podem ser mostrados na Fig. 11.20.

As eficiências do compressor e da turbina são definidas em relação aos processos isoentrópicos.

12

1,2

hh

hh scomp

sturb hh

hh

,43

43

A potencia necessária

para o compressor pode representar de 40 a 80 % da potência da turbina.

Se comparado ao ciclo Rankine, o ciclo Brayton requer muito mais trabalho (~60% ciclo real) para acionar o compressor do que para a bomba no ciclo Rankine (1 ou 2 %). O trabalho é igual a .

Esta é a vantagem de se utilizar a condensação do fluido de trabalho.

vdpw

Fazer em casa os exemplos 11.6, 11.7, 11.8 e 11.9

19


11.13 – Ciclos de Potência dos Motores com PistãoItens 11.10 a 11.12 – Estudar em casa.

Como funciona um motor de combutão interna?

20


Referem-se aos ciclos de potencia que produzem trabalho a partir do movimento de fronteira (AQUI OS PROCESSOS QUE ENVOLVEM TRABALHO NO CICLO NÃO OCORREM A VOLUME CONSTANTE). Vejamos alguns importantes conceitos:

- Os motores utilizados em automóveis operam com 4, 6 e 8 cilindros (usuais) e cada conjunto cilindro – pistão apresenta diâmetro nominal B.

- O pistão está conectado a uma virabrequim (manivela) através de uma biela. Ver Fig. 11.17. Observe que o ângulo da manivela, , varia com a posição do pistão no cilindro.



O curso do pistão é dado por:

O volume deslocado pelo pistão pode ser calculado por

A relação de compressão (razão entre os vol. máximo e mínimo) é

O trabalho específico líquido do ciclo completo é utilizado para definir a pressão média efetiva

O trabalho líquido realizado por um cilindro é

Assim, a potência do motor fica:

manRS 2

SANVVNV cilcilcildesl minmax

min

maxV

VRCrv

minmax vvppdvw mefliq minmax VVpmwW mefliqliq

6060

RPMVp

RPMmwNW deslmefliqcil



11.14 – O Ciclo padrão a Ar Otto• Ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna por centelha. Ver Fig. 11.28.

1-2: Compressão isoentrópica de ar (ponto morto inferior para o superior).2-3: Transferência de calor ao ar A VOLUME CONSTANTE (motor real: centelha, ignição e combustão).3-4: Expansão isoentrópica4-1: Transferência de calor do ar A VOLUME CONSTANTE (descarga dos gases de combustão)

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• O rendimento do ciclo padrão Otto é função apenas da relação de compressão. MAIOR RELAÇÃO, MAIOR RENDIMENTO (motores aspirados e turbinados). Ver Fig. 11.29.• Qual seria o limite dessa relação de compressão?As propriedades do combustível limitam. A grandes pressões tem-se a chamada auto ignição. Maior o nº de Cetanos mais baixa é a pressão limite. A adição de chumbo tetraetil ajudou a aumentar o ponto de detonação dos combustíveis - poluição.

1

11 k

v

térmicor

3

4

2

1

V

V

V

Vrv



• Afastamento do ciclo padrão a ar Otto do ciclo real por centelha1- O cp dos gases reais aumenta com o aumento de T.

2 - O processo de combustão substitui o processo de transferência de calor a alta temperatura e a combustão pode ser incompleta.

3- Cada ciclo mecânico envolve alimentação e descarga (perda de carga).

4 - As paredes do cilindro não são adiabáticas.

5 - Irreversibilidades sobre os gradientes de p e T.

Fazer o Ex. 11.11.



11.15 – O Ciclo padrão a Ar Diesel• A Fig. 11.30 mostra um ciclo a Ar Diesel, também chamado de motor de ignição por compressão.

1-2: Compressão isoentrópica até o ponto morto superior2-3: Calor é transferido ao fluido de trabalho a PRESSÃO CONSTANTE (injeção e queima para o motor real).3-4: Expansão isoentrópica até o ponto morto inferior

4-1: Rejeição do calor a VOLUME CONSTANTE (descarga para motor real)



OBS. A relação de compressão isoentrópica desse ciclo É MAIOR do que a relação de expansão isentrópica.

OBS. O rendimento do ciclo diminui com o aumento da temperatura máxima (T-s: ponto 3 para 3’ – linhas de pressão convergentes).

1

1111

2

3

1

4

2

1

23

14

TT

TT

kT

T

TTc

TTc

Q

Q

p

v

H

Ltérmico



Considere os ciclos Otto (1-2-3”-4-1) e Diesel (1-2-3-4-1) para mesmo início de curso, mesmo deslocamento volumétrico e mesmas taxas de compressão. Verifica-se que o Otto tem maior rendimento. No entanto, o Diesel pode trabalhar com rv maiores.

No diesel apenas o ar é comprimido, injetando-se o combustível depois, evitando-se assim a auto-ignição na compressão (batida).

Comparando então uma situação onde ambos os ciclos podem operar. Otto (1-2’-3-4-1) e Diesel (1-2-3-4-1) p e T máximas são as mesmas, o que significa que o ciclo Otto tem menor rv. Pelo diagrama T-s fica evidente que o ciclo Diesel tem maior rendimento. Sendo assim, ao comparar os ciclos deve-se sempre relacionar as bases de comparação.

Fazer em casa o Ex. 11.12



11.16 – O Ciclo Padrão Stirling (Semelhante ao Ericsson: 11.11)• A Fig. 11.31 mostra um ciclo desse tipo.

1-2: Compressão ISOTÉRMICA.2-3: Transferência de calor a volume constante.3-4: Expansão ISOTÉRMICA. 4-1: Transferência de calor a volume constante

OBS. O ciclo Stirling é igual ao ciclo Otto, porém com os processos adiabáticos sendo substituídos por processos isotérmicos. Motores desse tipo são chamados de motores de COMBUSTÃO EXTERNA e apresentam o mesmo rendimento do ciclo de Carnot.



11.17 – Introdução aos Ciclos Frigoríficos

• Vamos considerar o mesmo ciclo de potencia ideal anterior, PADRÃO, só que agora operando de modo reverso, como mostra a Fig. 11.32. Sendo assim temos:

1-2: Bombeamento isoentrópico.

2-3: Transferência de calor a p e T constantes do fluido de trabalho.

3-4: Expansão isoentrópica.

4-1: Transferência de calor a p e T constantes para o fluido de trabalho.



11.18 – Ciclo Frigorífico por Compressão de Vapor

• Vamos imaginar o ciclo de Rankine, porém trocando a turbina por um dispositivo de estrangulamento (válvula de expansão ou capilar), pois o trabalho que poderia ser obtido para baixar da condição 3 (líquido saturado a temperatura do condensador) para a condição 4 (vapor saturado a temperatura do evaporador) é pequeno – expansão numa região bifásica COM BAIXO TÍTULO. A Fig. 11.33 mostra esse ciclo.



1-2: Compressão adiabática reversível (compressor).

2-3: Transferência de calor isobárica reversível do fluido de trabalho (condensador).

3-4: Expansão isoentalpica irreversível (dispositivo de estrangulamento).

4-1: Transferência de calor isobárica e isotérmica reversível para o fluido de trabalho (evaporador).

O afastamento desse ciclo para o de Carnot (1’-2’-3-4’-1’) é evidente. Os principais motivos são:

1- Não se tem um compressor para bombear líquido –vapor (1’-2’).

2- É mais fácil que se tenha um processo de expansão num válvula de estrangulamento (3-4) do que num dispositivo que receba líquido saturado e despeje uma mistura de liquido + vapor.

OBS. Por essas razões o ciclo ideal de compressão de vapor é representado pelos processos 1-2-3-4-1, da Fig. 11.33.



• Duas situações podem ser obtidas com o ciclo da Fig. 11.33.

1º) Quando se deseja manter um espaço refrigerado – Refrigerador.

2º) Quando se deseja aquecer um espaço – Bomba de calor.

c

L

w

q

c

H

w

q'Fazer em casa o Ex. 11.13: Usar R-22 e considerar que a vazão seja de 0,04 kg/s.



11.19 – Fluidos de Trabalho para Sistemas de Refrigeração por Compressão de Vapor

• Dar uma lida em casa. Pg. 350.

11.20 – Afastamento do Ciclo Frigorífico Real Compressão de Vapor em Relação ao Ciclo Ideal

O ciclo real se afasta do ideal basicamente devido as perdas de carga no escoamento do fluido de trabalho, irreversibilidades e à transferência de calor para ou do meio envolvente (aumento ou diminuição de entropia). A Fig. 11.34 mostra um ciclo real.Fazer em casa o Ex. 11.14: Usar o R-22

como fluido de trabalho.

OBS. Como o refrigerante sofre mudança de fase no processo, p será a psat tanto na rejeição quanto no fornecimento de calor.



11.22 – Ciclo Padrão de Refrigeração a Ar

• Considera-se o ciclo de refrigeração original que opere com fluido de trabalho livre de mudança de fase (o trabalho nesse caso não será pequeno na expansão isoentrópica). Considera-se assim que a expansão possa ocorrer no interior de uma turbina, conforme mostra a Fig. 11.36. Note que esse ciclo é o inverso do ciclo Brayton.

Efeito frigorífico, QL.



• Após a compressão de 1 a 2, o ar é resfriado em conseqüência da transferência de calor ao meio envolvente (T0). O ar é então expandido (3-4) até a pressão de entrada do compressor e a temperatura cai para T4, na turbina. Calor pode, então, ser transferido ao ar até que ele atinja a temperatura TL. • Uma versão aberta desse ciclo tem sido usada para o resfriamento de aviões. A Fig. 11.37 mostra esse ciclo.

Fazer em casa o Ex. 11.15 (Trocar a pressão de saída do compressor para 0,8 MPa) e ler o Item 11.23 – Ciclos Combinados de Potência e Refrigeração.



FIM

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