maquinas térmicas

Mquinas Trmicas

Sistemas de Potncia a Gs - I

Prof. M.Sc. Lcio P. Patrocnio

Objetivos

Entender o propsito dos sistemas de potncia a gs e seu

funcionamento.

Descrever os ciclos a ar tpicos usados em processos trmicos.

Entender o funcionamento dos componentes de um ciclo a ar-

padro.

Estabelecer os parmetros que definem a eficincia de uma

turbina a gs.

Mquinas Trmicas - Prof. MSc. Lcio P. Patrocnio 2

Introduo

A maioria dos dispositivos trmicos que produzem potncia

operam em ciclos.

Os ciclos termodinmicos reais so difceis de analisar.

O ciclo ideal consiste em uma aproximao do ciclo real na

qual eliminamos as irreversibilidades e outras

complexidades dos processos reais.

O ciclo ideal formado por processos internamente

reversveis.


Introduo

As mquinas trmicas convertem energia trmica

em trabalho mecnico.

Sua eficincia determinada pela expresso: Sua eficincia determinada pela expresso:

O ciclo de Carnot o ciclo ideal que apresenta a

maior eficincia trmica possvel.


e

liq

QW

=

Idealizaes de um ciclo termodinmico

1. O ciclo no envolve qualquer atrito. O fluido de trabalho no sofre

nenhuma queda de presso ao escoar em tubos ou dispositivos como os

trocadores de calor.

2. Todos os processos de expanso e compresso ocorrem de forma quase

esttica.

3. Os tubos que conectam os diversos componentes de um sistema so

bem isolados e a transferncia de calor ao longo deles desprezvel.

4. As variaes de energia cintica e potencial do fluido de trabalho

normalmente so desprezadas.


Motores de Combusto Interna

So divididos em motores alternativos e rotativos.

Motores alternativos

Ignio por centelha (Ciclo Otto)

Ignio por compresso (Ciclo Diesel) Ignio por compresso (Ciclo Diesel)

Motores rotativos

Turbinas a gs

Motor Wankel

Motor quasiturbine



Motor de ignio por Centelha de 4 tempos

Turbina a gs


Motor Wankel Motor Quasiturbine

Ciclos de Potncia a gs

Ciclo a gs aquele no qual o fluido de trabalho

em se mantm como gs durante todo o tempo.

Exemplos de dispositivos que operam em ciclos Exemplos de dispositivos que operam em ciclos

de potncia a gs

Motor de ignio por centelha

Motor diesel

Turbina a gs convencional.



Motores de combusto interna operam em ciclos

mecnicos.

O fluido de trabalho no passa por um ciclo O fluido de trabalho no passa por um ciclo

termodinmico completo.

So mquinas no qual a energia fornecida pela

queima de combustvel dentro das fronteiras do

sistema.



A composio do fluido de trabalho muda de ar e

combustvel para produtos de combusto durante o curso

do ciclo.

A maior parte do fluido nitrognio e no passa por A maior parte do fluido nitrognio e no passa por

nenhuma reao qumica na cmara de mistura, portanto,

o fluido ainda muito parecido com o ar.

O funcionamento em um ciclo aberto caracterstica de

todos os motores de combusto interna.


Hipteses do Padro a Ar

1. O fluido de trabalho o ar, o qual circula

continuamente em um circuito fechado,

sempre se comportando como um gs

ideal.

2. Todos os processos que forma o ciclo so 2. Todos os processos que forma o ciclo so

internamente reversveis.

3. O processo de combusto substitudo

por um processo de fornecimento de calor

a partir de uma fonte externa.


Hipteses do Padro a Ar

4. O processo de exausto substitudo por um processo de

rejeio de calor que restaura o fluido de trabalho ao seu

estado inicial.

5. O ar tem calores especficos constantes, cujos valores so

determinados a temperatura ambiente (25 C).


Nomenclatura para os Motores Alternativos

PMS

PMI

VV

VV

r ==min

max

Razo de Compresso


PMSmin

minmax VVW

PME liq

=

Presso Mdia Efetiva

Volume Deslocado (Cilindrada)


A vermelho o volume correspondente cilindrada, durante um

ciclo completo de um motor de quatro cilindros a quatro tempos

Exemplo 01Ciclo-Padro a ar

Um motor opera segundo o ciclo de ar mostrado na

figura com processos isentrpicos 1 2 e 3 4.

A razo de compresso 12, a presso mnima, 200

kPa, e a presso mxima, 10 Mpa.

Determine a razo do volume da cmara de combusto

para o volume deslocado e a presso mdia efetiva,

PME.


Ciclo Otto Ciclo Ideal dos Motores de Ignio por Centelha

Motor Criado por Nikolaus A. Otto (1876).

Ciclo idealizado por Beau de Rochas (1862).

Motores

4 tempos

2 tempos (tempo motor e tempo de compresso)



VDEO SOBRE MOTOR DE 4 TEMPOS

Motor de 2 tempos

medida que ocorre o movimento ascendente do mbolo, este obstrui as

janelas, e em seguida comprime a mistura gasosa existente na parte superior do

cilindro.

Ao mesmo tempo cria-se um vcuo no crter, que fora a admisso de ar

atmosfrico no interior do mesmo.

Quando o mbolo atinge o ponto morto superior d-se a ignio, devido

libertao da fasca na vela. Os gases pressionam o pisto em direco ao ponto libertao da fasca na vela. Os gases pressionam o pisto em direco ao ponto

morto inferior, produzindo assim trabalho, movimentando a cambota. Durante

esta etapa, o mbolo libera a janela de escape possibilitando a sada dos

produtos de combusto.

Prximo ao ponto morto inferior, o pisto abre a janela de transferncia. Ao

mesmo tempo, seu movimento descendente pressuriza o carter, forando a nova

mistura a penetrar na cmara o que tambm contribui na exausto de gases de

combusto. Ao trmino desta fase o motor fica nas condies iniciais permitindo

que o ciclo se repita.


Vdeo: Motor de 2 tempos

Ciclo Otto IdealAnlise Trmica

( ) ( )eq:Energia de Balano

uwwq ses =+


( )( )1414

2323eqcalor de ciaTransfern

TTcuuqTTcuu

vs

v

==

==

Ciclo Otto IdealAnlise Trmica

( )( )1/

1/1

11

: trmicaEficincia

141,

23

14,

TTTTTT

TTTT

qq

qw

Ottot

e

s

e

liqOttot

=

===


( )

:

T:oIsentrpic Processo

1/1

123

112

232,

LogorTTrT

TTT

k

k

Ottot

=

=

=

1,11

= kOttotr

Exemplo 02Ciclo Otto Ideal

Um ciclo Otto ideal tem uma razo de compresso igual a

8.

No incio do processo de compresso, o ar est a 100 kPa e

17 C, e 800 kJ/kg de calor so transferidos para o ar 17 C, e 800 kJ/kg de calor so transferidos para o ar

durante o processo de fornecimento de calor a volume

constante.

Considerando a variao dos calores especficos do ar com

a temperatura, determine:


Exemplo 02Ciclo Otto Ideal

a) A temperatura e a presso mximas que

ocorrem durante o ciclo;

b) O trabalho lquido produzido;b) O trabalho lquido produzido;

c) A eficincia trmica e;

d) A presso mdia efetiva do ciclo.


Ciclo DieselCiclo Ideal dos Motores de Ignio por Compresso

Criado por Rudolph Diesel (1890).

O ar comprimido at uma temperatura

acima da temperatura de autoignio do acima da temperatura de autoignio do

combustvel.

Operam a taxas elevadas de compresso (12 a

24).


VIDEO: Ciclo Diesel


Ciclo Diesel IdealAnlise Trmica

( ) 23232e23,e

qq

:fluido o para sferidacalor tran de Quantidade

uuvvPuuw sb

+=

=


( )

( )1441

23e

23232e

rejeitadacalor de Quantidade

qq

TTcquuq

hhuuvvP

vs

s

=

=

=

+=


1

: trmicaEficincia

Dieselt,

=

=

qqw

s

e

liq


( )( )( )1

11

1

1

232

141Dieselt,

23

14Dieselt,

Dieselt,

=

=

=

TTkTTTTTTkTT

qq

e

s


2

3

:Corte de Razo

v

vrc =


cr de funo em Eficincia

( )

= 1

111 1Dieselt,c

kc

krk

r

r

Exemplo 03Ciclo Diesel Ideal

No incio do processo de compresso de um ciclo de ar-

padro Diesel operando com uma taxa de compresso de

18, a temperatura 300 K e a presso 0,1 MPa.

A razo de corte para o ciclo 2. A razo de corte para o ciclo 2.

Determine:

a) A temperatura e a presso ao final de cada processo do ciclo.

b) A eficincia trmica e;

c) A presso mdia efetiva, em MPa.


REFERNCIAS

BORGES NETO, M. R.; CARVALHO, P. C. M. Gerao de energia eltrica:

fundamentos. So Paulo: rica, 2012.

ENGEL, Y.; BOLES, M. A. Termodinmica. 5. Ed. So Paulo: McGraw-Hill, 2006.

LORA, E. E. S.; NASCIMENTO, M. A. R. (Coord.). Gerao Termeltrica: LORA, E. E. S.; NASCIMENTO, M. A. R. (Coord.). Gerao Termeltrica:

planejamento, projeto e operao. Rio de Janeiro: Intercincia, 2004.

MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Princpios de termodinmica para Engenharia.

4.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

REIS, L. B. dos. Gerao de Energia Eltrica. 2ed. rev. e atual. Barueri, SP: Manole,

2011.


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