1 - Ciclos Potência

Ciclos de Potência

Ciclo Otto - real

Nikolaus Otto construiu com êxito o primeiro motor de 4 tempos em 1876, segundo o ciclo proposto pelo francês Beau De Rochas.

Fig. 1 – Diagrama P-v e respectivo esquema de um motor real de ignição

Energética Industrial 1

Ciclos de Potência

Ciclo Otto - ideal Porém a análise termodinâmica deste ciclo não é simples, pelo que se impõe um conjunto de simplificações, que consistem em admitir o ciclo como uma sequência de quatro processos internamente reversíveis

1–2 Compressão isentrópica 2–3 Fornecimento de calor a volume constante (isocórica) 3–4 Expansão isentrópica 4–1 Rejeição de calor a volume constante (isocórica)

Fig. 2 – Diagrama P-v e respectivo esquema de um motor ideal de ignição por faísca


Ciclos de Potência

Uma vez que não há produção de trabalho de 2-3 e 4-1 (V=cte) e tendo em consideração a 1ª Lei, resulta:

η γt,Ottoout

in

out

in v1

WQ

1QQ

11

r= = − = − −

Sendo a taxa de compressão, rv = Vmax/Vmin = V1/V2

e γ = Cp/Cv

Fig.3 – Diagrama T-s do ciclo de Otto ideal Fig. 4 - Variação do η com a taxa de compressão


Ciclos de Potência

Ciclo Diesel

Ciclo semelhante ao ciclo Otto, diferindo apenas no estágio de fornecimento de calor, que é isobárico, por oposição ao processo a volume constante no ciclo de Otto.

Fig. 5 – Diagrama P-v e T-s de um ciclo Diesel ideal


Ciclos de Potência

Ciclo Otto / Diesel

No ciclo Diesel o ar é comprimido até uma temperatura superior à de auto-ignição do combustível, ocorrendo a combustão imediatamente após a injecção do combustível no seio do ar quente,

A vela de ignição e o carburador do motor a ciclo Otto (gasolina clássico) dão lugar a um injector nos motores que

funcionam segundo o ciclo Diesel.

Ausência do problema de auto-ignição ou detonação no Ciclo Diesel

Maiores taxas de compressão no ciclo Diesel

Para iguais taxas de compressão

ηt, Otto > ηt, Diesel

motores Diesel (12-24), mas motores Otto(8-12).

Uma solução mais realista resultaría da combinação de ambos

Ciclo Misto Fig. 6 – Variação do η com rv no Ciclo Diesel


Ciclos de Potência

Ciclo Ericsson

Ciclo isotérmico que envolve a adição e rejeição de calor a temperaturas constantes, TQ e TF.

Difere do ciclo de Carnot na substituição dos processos isentrópicos, por regeneração a pressão constante.

Regeneração – processo durante o qual calor é transferido para um dispositivo acumulador de energia (denominado regenerador) numa parte do ciclo, sendo devolvido ao fluido operante numa fase posterior.

Fig 7. – Esquema do Ciclo de Ericsson e respectivos diagramas P-v e T-s


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Ciclo Brayton – Turbinas a gás

Usado para turbinas em que tanto a compressão como a expansão ocorrem em máquinas rotativas.

Fig. 8 - Ciclo de motor de Turbina a gás aberto e ciclo fechado equivalente (ideal)


Ciclos de Potência

Ciclo ideal de Brayton

Fig. 9 – Diagrama T-s e P-v para o ciclo ideal de Brayton


Ciclos de Potência

O rendimento,ηt,Brayton , varia directamente com a relação de pressões, rp= Pmax/Pmin, e com o γ,

η γ γ t,Braytonp

1)/11

r= − −(

Fig. 10 – Variação do rendimento: a) com a rp e b) com rp, para igual limite de temperatura


Ciclos de Potência

Turbinas a gás – Ciclo real / ideal

WC,real > WC,ideal

WT,real < WT,ideal

Deve-se a:

- Perdas de calor para o exterior

- Perdas de carga interna:

- Atrito fluido

- acidentes nas condutas

- Atrito equipamento

Fig. 11 – O desvio entre os ciclos de Brayton de turbinas a gás reais e ideais, resultante das irreverssibilidades


Ciclos de Potência

Turbinas a gás – cont.

Muito utilizadas na propulsão de aviões e em geradores de electricidade.

O caudal que passa na turbina, . . .

.

m m mT comp combustivel= +

Relativamente aos equipamentos Diesel, a Turbina a Gás apresenta:

Melhor relação peso / potência

Maior fiabilidade

Menor tempo de arranque

Tem sofrido uma grande evolução:

Anos 30, ηt ≈17%

Tmax≈500 ºC nos anos 40, em final da década de 90 Tmax≈1400ºC

↑ ηT ⇐ melhor desenho aerodinâmico das pás e melhor construção

alteraçãoes ao ciclo básico: Intercooler; Regeneração e Reaquecimento


Ciclos de Potência

Ciclo de Brayton com Regeneração

Verificando T4 >> T2, porque não usar a energia dos gases em 4 para aquecer parcialmente os gases em 2?

Assim surgiu o Regenerador ou recuperador, que não é mais do que um permutador que tem por objectivo aproveitar parte da energia dos gases de escape, sob a forma de calor, para aquecer o fluido operante a montante no ciclo (saída do compressor), em contracorrente.

Fig.12 – Esquema de motor de turbina a gás com regeneração


Ciclos de Potência

Ciclo de Brayton com Regeneração – cont.

T4>>T2 – condição necessário para que o ciclo funcione

ηt - para o mesmo wT, a energia a fornecer pela

caldeira, qin, será menor.

qreg=h5-h2

qreg,max=h5’-h2=h4-h2

sendo a relação dos dois termos anteriores desigando por Efectividade do regenerador,

εR= qreg / qreg,max , (εR≈0.85)

porém o ↑ εR

⇒ ↑ dimensão ⇒ ↑ custos e ↑ perdas (↓ηt )

Fig.13 – Diagrama T-s de um ciclo Brayton com regeneração


Ciclos de Potência

Ciclo de Brayton c/ Arrefecimento intermédio, Reaquecimento e Regeneração

Sendo wutil=wT-wC ⇒ é possível ↑ η ⇒ ↑ wT ou ↓ wC

Fig. 14 – Esquema de um motor de turbina a gás c/ compressão em dois estagios e arrefecimento intermédio, expansão em dois estágios c/ reaquecimento e regeneração


Ciclos de Potência

↑ wT - expansão por estágios com reaquecimento intermédio.

↓ wC - compressão por estágios, aproximando-se de uma compressão isotérmica.

A justificação para isto é simples e deve-se ao facto de qualquer trabalho ser proporcional ao volume de fluido operante. Logo, o volume específico, v, do fluido operante deve ser mantido tão baixo qto possível durante a compressão (dispêndio de menor trabalho) e o contrário é desejável durante a expansão

Fig.15 – Comparação entre wC , c/ e s/ arrefecimento Fig.16 – Diagrama T-s em ciclo com arref, reaq e regen.


Ciclos de Potência

Ciclo ideal de Propulsão a Jacto

Turbinas a gás largamente utilizadas na aviação, devido á sua leveza e compacticidade

Funcionam em ciclo aberto

Fig.17 – Componentes básicos de um motor turbojacto e diagrama T-s do ciclo ideal do mesmo


Ciclos de Potência

Difere do ciclo ideal de Brayton, pelo facto da expansão não ocorrer até à Pamb, mas apenas até um

valor que premite a alimentação do compressor e restantes equipamentos auxiliares (wutil=0).

A restante energia é usada para gerar o Impulso, I, responsável pela sustentação do avião.

** I m U Uout in= −.( ).

** o caudal mássico na verdade não é cte.

(?) Por que razão voam os aviões a elevadas altitudes?

- (?) E uma vez que necessitam de O2 para a combustão não deveriam voar a baixas altitudes devido à rarefação do ar coma altitude?

- (R) É devido ao coeficiente de arrasto, CD=ρ A U2

A potência desenvolvida por este tipo de motores é designada por Potência Propulsiva, wP.

W I UP Aviao

..=

Rendimento propulsivo, ηPP

in

W

Q=

.

. , (note que: wT ≈ wC ⇒ wU =0 ).


Ciclos de Potência

Variações de Motores a Turbojacto

Fig.18 – Motor Turbofan Fig.19 – Turbo-hélice.

Fig.20 – Motor Ramjet Fig.21 – Motor Afterburner


Ciclos de Potência


Ciclos de Potência a Gás Ciclo de potência, é todo aquele durante o qual se produz uma quantidade de trabalho. Caso o fluido operante desse ciclo permaneça na fase gasosa durante todo o ciclo, estamos perante um ciclo de potência a gás.

Rendimento, ηt

Ciclo de Carnot 1− TT

F

Q

Ciclo de Stirling 1− T

TF

Q

Tota

lmen

te

Rev

ersí

veis

Ciclo de Ericsson 1− TT

F

Q

Ciclo Otto 1 11− −r γ

r – taxa de compressão

Ciclo Diesel [ ]1 1

111− −

−−r

rr

C

Cγ γ

γ

( ) rC – relação de volumes antes e após a combustão

Inte

rnam

ente

R

ever

síve

is

Ciclo Brayton 11

1− −rP( )/γ γ rP – relação de pmax e pmin

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