Maquinas térmicas
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Mquinas Trmicas
Sistemas de Potncia a Gs - I
Prof. M.Sc. Lcio P. Patrocnio
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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.
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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.
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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.
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e
liq
QW
=
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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.
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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
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Motor de ignio por Centelha de 4 tempos
Turbina a gs
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Motor Wankel Motor Quasiturbine
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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.
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Ciclos de Potncia a gs
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.
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Ciclos de Potncia a gs
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.
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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.
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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).
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Nomenclatura para os Motores Alternativos
PMS
PMI
VV
VV
r ==min
max
Razo de Compresso
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PMSmin
minmax VVW
PME liq
=
Presso Mdia Efetiva
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Volume Deslocado (Cilindrada)
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A vermelho o volume correspondente cilindrada, durante um
ciclo completo de um motor de quatro cilindros a quatro tempos
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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.
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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)
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VDEO SOBRE MOTOR DE 4 TEMPOS
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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.
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Vdeo: Motor de 2 tempos
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Ciclo Otto IdealAnlise Trmica
( ) ( )eq:Energia de Balano
uwwq ses =+
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( )( )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
=
===
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( )
:
T:oIsentrpic Processo
1/1
123
112
232,
LogorTTrT
TTT
k
k
Ottot
=
=
=
1,11
= kOttotr
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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:
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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.
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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).
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VIDEO: Ciclo Diesel
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Ciclo Diesel IdealAnlise Trmica
( ) 23232e23,e
qq
:fluido o para sferidacalor tran de Quantidade
uuvvPuuw sb
+=
=
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( )
( )1441
23e
23232e
rejeitadacalor de Quantidade
qq
TTcquuq
hhuuvvP
vs
s
=
=
=
+=
-
Ciclo Diesel IdealAnlise Trmica
1
: trmicaEficincia
Dieselt,
=
=
qqw
s
e
liq
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( )( )( )1
11
1
1
232
141Dieselt,
23
14Dieselt,
Dieselt,
=
=
=
TTkTTTTTTkTT
qq
e
s
-
Ciclo Diesel IdealAnlise Trmica
2
3
:Corte de Razo
v
vrc =
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cr de funo em Eficincia
( )
= 1
111 1Dieselt,c
kc
krk
r
r
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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.
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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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