cap. 9 – sistemas de potência a gás sistemas de potência a gás motores de combustão interna...
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Cap. 9 – Sistemas de potência a gás
Sistemas de potência a gás
Motores de combustão interna
Motores ciclo Otto (ignição por centelha)
Motores ciclo Diesel (ignição por compressão)
Turbinas a gás (Ciclo Brayton)
Trabalho de eixo => Geração de Energia Elétrica
Energia cinética => Propulsão
Ciclo Ericsson
Ciclo Stirling (Motor de combustão externa)
9.1 – Terminologia de motores
Curso = Distância percorrida pelo cilindro
Ponto morto superior = Posição do cilindro correspondente ao volume mortoVolume morto = Menor volume possível da câmara do motor
Volume máximo = Maior volume possível da câmara do motor
Taxa de compressão = Volume máximo dividido pelo volume morto
Ponto morto inferior = Posição do cilindro correspondente ao maior volume
9.2 – Ciclo de ar padrão - Otto
Diagrama p-v Diagrama T-s
Ciclo Otto ideal
Processo 1-2 = Compressão isentrópicaProcesso 2-3 = Adição de calor a volume constanteProcesso 3-4 = Expansão isentrópicaProcesso 4-1 = Rejeição de calor a volume constante
Análise do Ciclo Otto ideal
1212 uu
m
W 43
34 uum
W
2323 uu
m
Q 14
41 uum
Q
)uu()uu(m
W
m
W
m
W1243
1234ciclo
)uu()uu(mQ
mQ
mQ
14234123ciclo
)uu(
)uu(1
)uu(
)uu()uu(
Q
W
23
14
23
1423
23
ciclo
u3
u4
u2
u1
Análise do Ciclo Otto ideal1k
2
1
1
2
V
V
T
T
1k
4
3
3
4
V
V
T
T
Compressão e expansão isentrópica
r = Taxa de compressão = 3
4
2
1
V
V
V
V
1k
1
2 rT
T 1k
3
4
r
1
T
T
)TT(c
)TT(c1
Q
W
23v
14v
23
ciclo
)1TT(T
)1TT(T1
232
141
2
3
1
4
4
3
1
2
T
T
T
T
T
T
T
T
2
1
23
ciclo
TT
1QW
1kr
11
Eficiência em função da taxa de compressão – Ciclo Otto ideal
)4,1k(r
11
1k
9.3 – Ciclo de ar padrão - Diesel
Diagrama p-v Diagrama T-s
Ciclo Diesel ideal
Processo 1-2 = Compressão isentrópicaProcesso 2-3 = Adição de calor a pressão constanteProcesso 3-4 = Expansão isentrópicaProcesso 4-1 = Rejeição de calor a volume constante
Análise do Ciclo Diesel ideal
)vv(pdv.pmW
232
3
2
23
O processo 2-3 , adição de calor a pressão constante, envolve trabalho:
232323 uu
m
W
m
Q
Equação da energia:
)vv(p)uu(m
Q2323
23
23223323 hh)pvu()pvu(
m
Q
1441 uu
m
Q
23
14
23
41
23
4123
23
ciclo
hhuu
1mQmQ
1mQ
mQmQmQmW
Análise do Ciclo Diesel ideal1k
2
1
1
2
V
V
T
T
1k
4
3
3
4
V
V
T
T
Compressão e expansão isentrópica
332222 mRTVpmRTVpmRTpV
Equação do gás perfeito
2C22
33 T.rT
V
VT rC = razão de corte
C3
2
2
1
3
2
2
4
3
4
r
r
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
)1r(r
)1r(
k
11
)1r(r
)1TT(
k
11
)1TT(T
)1TT(T
k
11
)TT(c
)TT(c1
C1k
kC
C1k
14
232
141
23p
14v
1k
1
2 rT
T 1k
C
3
4
r
r
T
T
kC
2
31kC
1
4
3
2
1
41kC
1
2
3
4 rT
Tr
T
T
T
T
T
Tr
T
T
T
T
Eficiência em função da taxa de compressão – Ciclo Otto ideal
4,1k
9.4 – Ciclo de ar padrão - Dual
9.5 – Turbina a gás
entraQ
saiQ
liqW
Turbina a gás
9.6 – Ciclo de ar-padrão Brayton
entraQ
saiQ
liqW
Processo 1-2 = Compressão isentrópicaProcesso 2-3 = Adição de calor a pressão constanteProcesso 3-4 = Expansão isentrópicaProcesso 4-1 = Rejeição de calor a pressão constante
9.6.1 – Calculando as transferência de calor e trabalho
43t hh
m
W
12
c hhm
W
23entra hhm
Q
14
sai hhm
Q
23
1243
entra
ct
entra
ciclo
hh
)hh()hh(
mQ
mWmW
mQ
mW
43
12
t
c
hh
hh
mW
mWbwr
9.6.2 – Ciclo de ar-padrão Ideal Brayton
)T(f
)T(f
p
p
p
p
1
2
1r
2r
1
2
Ar como gás ideal – Calor específico variável
)T(f
)T(f
p
p
p
p
p
p
3
4
3r
4r
3
4
2
1
Calor específico constante
k)1k(
1
2
1
2
p
p
T
T
k)1k(
2
1
k)1k(
3
4
3
4
p
p
p
p
T
T
Exemplo 9.4
Ponto 1 – h1=300,19 [kJ/kg] – pr1=1,386 86,13p386,1
p10
p
p2r
2r
1
2
K575T2 ]kg/kJ[9,579h2 Ponto 2
05,45pp
5,450
p
p10
p
p4r
4r4r
3r
4
3 Ponto 4 K790T4 ]kg/kJ[5,808h4
Ponto 3 5,450p]kg/kJ[4,515.1hK400.1T 3r33
Tabela A.22 – Ar como gás ideal
]kg/kJ[9,7065,8084,515.1m
Wt
]kg/kJ[7,2792,3009,579m
Wc
]kg/kJ[5,9359,5794,515.1m
Qentra
]kg/kJ[3,5082,3005,808m
Qsai
%7,454566,05,935
2,427
5,935
7,2799,706
%5,39395,0
9,706
7,279bwr
]s/kg[807,5m]s/m[0,5Q 3
]kW[481.2807,5x2,427Wciclo
]kW[433.54566,0/481.2Qentra
Relação de compressão x Eficiência :
)TT(
)TT()TT(
)TT(c
)TT(c)TT(c
hh
)hh()hh(
23
1243
23p
12p43p
23
1243
)1TT(
)1TT(
T
T1
)TT(
)TT(1
)TT(
)TT()TT(
23
14
2
1
23
14
23
1423
k)1k(
1
2
1
2
p
p
T
T
k)1k(
2
1
k)1k(
3
4
3
4
p
p
p
p
T
T
k)1k(
2
1
2
1
p
p
T
T
1
4
2
3
3
4
2
1
T
T
T
T
T
T
T
T
k)1k(
2
1
2
1
p
p1
T
T1
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
9.6.3 – Irreversibilidades e perdas nas Turbinas a Gás
s43
43
st
tt hh
hh
mW
mW
12
1s2
c
scc hh
hh
mW
mW
]kg/kJ[9,7065,8084,515.1m
Wt
]kg/kJ[7,2792,3009,579m
Wc
]kg/kJ[5,9359,5794,515.1m
Qentra
]kg/kJ[3,5082,3005,808m
Qsai
%7,454566,05,935
2,427
5,935
7,2799,706
%5,39395,0
9,706
7,279bwr
]s/kg[807,5m]s/m[0,5Q 3
]kW[481.2807,5x2,427Wciclo
]kW[433.54566,0/481.2Qentra
Exemplo 9.5
]kg/kJ[5,5659,706x8,0m
W]kg/kJ[9,706
m
W t
s
t
]kg/kJ[6,8658,6494,515.1hhm
Q23
entra
]kg/kJ[6,3498,0/7,279m
W]kg/kJ[7,279
m
W c
s
c
]kg/kJ[7,6499,2156,865m
Qsai
%9,24249,06,865
9,215 %8,61618,0
5,565
6,349bwr
]s/kg[807,5m]s/m[0,5Q 3 ]kW[253.1807,5x9,215Wciclo
]kW[035.5249,0/254.1Qentra
]kg/kJ[8,6492,3006,349hhhm
W212
c
]kg/kJ[9,2156,3495,565m
W
m
W
m
Wctliq
9.7 – Turbinas a gás regenerativas
Exemplo 9.6
h1=300,19 [kJ/kg] h2=579,9 [kJ/kg] h3=1.515,4 [kJ/kg] h4=808,5 [kJ/kg]
%8080,0hh
hh
24
2xreg
]kg/kJ[8,762)hh(80,0hh 242x
%8,56568,0hh
)hh()hh(
x3
1243
9.8 – Turbinas a gás regenerativas com reaquecimento e inter-resfriamento
9.8.1 – Turbinas a gás com reaquecimento
Exemplo 9.8
%4,65654,0)hh()hh(
)hh()hh()hh(
abx3
124ba3
%100ctreg
9.8.2 – Compressão com inter-resfriamento
9.8.3 – Reaquecimento e Inter-resfriamento
%3,44
9.10 – Ciclo combinado
%50
9.9 – Turbinas a gás para propulsão
Oitava lista de exercícios
9.11 - 9.19 - 9.40 - 9.49 - 9.59