1 - ciclos potência
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Ciclos de Potência de Turbinas, envolvendo os conceitos e teorias relativos aos fundamentos daTRANSCRIPT
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
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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
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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
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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
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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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Ciclos de Potência
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)
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Ciclos de Potência
Ciclo ideal de Brayton
Fig. 9 – Diagrama T-s e P-v para o ciclo ideal de Brayton
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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 ).
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Ciclos de Potência
Variações de Motores a Turbojacto
Fig.18 – Motor Turbofan Fig.19 – Turbo-hélice.
Fig.20 – Motor Ramjet Fig.21 – Motor Afterburner
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Ciclos de Potência
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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