Ciclos Termodinâmicos em Turbinas

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11.10 – Ciclo Simples de Turbina a gás com regenerador 
 
 
 
 O rendimento desse ciclo com regeneração é obtido do seguinte 
modo ( onde os estados são dados na Fig. 9.22): 
 
ηtérmico = Wliq / qH =(wt - | wc|)/ qH qH = cP (T3 – Tx) wt = cP (T3 – T4) 
 
Porém, para o regenerador ideal, T4=Tx e, portanto qH = wt. 
Consequentemente, 
 
 
ηtérmico = 1 – T1/T3 (P2/P1) 
(k-1/k)
 
 
 
Exemplo 10 
 
Se um regenerador for incorporado ao ciclo do exemplo 8, determine o 
rendimento térmico do ciclo. 
 
 
 
11.11 – Ciclo ideal da turbina a gás, utilizando compressão em vários 
estágios com resfriamento intermediário, expansão em vários estágios 
com reaquecimento e regenerador 
 
 O ciclo Brayton é o ciclo ideal para a central de potência baseada na 
turbina a gás. O compressor e a turbina no ciclo ideal são adiabáticas 
reversíveis. Veremos, no próximo exemplo, o que acontece com o ciclo se 
trocarmos estes dois equipamentos por outros que operam reversível e 
isotérmicamente. 
 
Exemplo 11 
 
 Um ciclo ideal a ar Brayton opera com os mesmos estados 
fornecidos pelo exemplo 8. Entretanto, neste ciclo, a turbina e o 
compressor operam de modo reversível e isotérmico. Calcule o trabalho 
consumido no compressor e o fornecido pela turbina e compare estes 
resultados com aqueles do exemplo8. 
 
 
 
 
11.12 – Ciclo-padrão a ar para propulsão a jato 
 
 Neste ciclo, o trabalho efetuado pela turbina é exatamente o 
suficiente para acionar o compressor. Os gases são expandidos na turbina 
até uma pressão tal que o trabalho da turbina é exatamente igual ao trabalho 
consumido no compressor. Então, a pressão de saída da turbina será 
superior a do meio envolvente e o gás pode ser expandido num bocal até a 
pressão deste meio. Como os gases saem do bocal a alta velocidade, estes 
apresentam uma variação de quantidade de movimento e disto resulta um 
empuxo sobre o avião no qual o motor está instalado. O ciclo-padrão a ar é 
mostrado na Fig. 9.27. Este ciclo opera de modo similar ao ciclo de 
Brayton e a expansão no bocal é modelada como adiabática e reversível. 
 
Exemplo 12 
 Considere um ciclo ideal de propulsão a jato no qual o ar entra no 
compressor a 0,1 MPa e 15°C. A pressão de saída do compressor é de 
1MPa e a temperatura máxima é de 1100/C. O ar expande na turbina até 
uma pressão tal que o trabalho da turbina é exatamente igual ao trabalho no 
compressor. Saindo da turbina, o ar expande num bocal, adiabática e 
reversivelmente, até 0,1 MPa. Determine a velocidade do ar na seção de 
saída do bocal. 
 
 
11.13 – Ciclo-padrão a ar Otto 
 O ciclo padrão Otto é um ciclo ideal que se aproxima o motor de 
combustão interna de ignição por centelha. Admitindo-se que o calor 
específico do ar seja constante, determina-se o rendimento térmico deste 
ciclo do seguinte modo: 
ηtérmico = QH - QL = 1-QL = 1- mcv (T4 – T1) = 1 - T1 (T4 / T1 – 1) 
 QH QH mcv (T3 – T2) T2 (T3 / T2 – 1) 
 
Além disso, observamos que 
 
 T2 = (V1 / V2 )
k-1
 = (V4 / V3 )
k-1
 = T3 
 T1 T4 
 
Portanto, 
 
 T2 = T3 
 T1 T4 
e 
 
ηtérmico = 1 – T1 = 1 – (rv)
1-k
 = 1 - 1__ 
 T2 (rv)
1-k
 
Onde 
 
rv = relação de compressão = V1 = V4 
 V2 V3 
 Alguns pontos importantes nos quais o motor de ignição por centelha 
de ciclo aberto se afasta do ciclo-padrão são os seguintes: 
• Os calores específicos dos gases reais aumentam com o aumento de 
temperatura. 
• O processo de combustão substitui o processo de transferência de 
calor a alta temperatura e a combustão pode ser incompleta. 
• Cada ciclo mecânico do motor envolve um processo de alimentação 
e de descarga e, devido as perdas de carga dos escoamentos nas 
válvulas, são necessárias uma certa quantidade de trabalho para 
alimentar o cilindro com ar e descarregar os produtos da combustão 
no coletor de escapamento. 
• Existe uma transferência de calor significativa entre os gases e as 
perdas do cilindro. 
• Existem irreversibilidades associadas aos gradientes de pressão e 
temperatura. 
 
Exemplo 13 
 A relação de compressão num ciclo-padrão a ar Otto é 8. No inicio 
do curso de compressão a pressão é igual a 0,1 MPa e a temperatura é 
15°C. Sabendo que a transferência de calor ao ar, por ciclo, é igual 1800 
kJ/kg de ar, determine: 
1. A pressão e a temperatura no estado final de cada processo do ciclo. 
2. O rendimento térmico. 
3. A pressão média efetiva. 
 
 
11.14 – Ciclo-padrão de ar Diesel 
 
 Neste ciclo, o calor é transferido ao fluido de trabalho a pressão 
constante. Este processo corresponde à injeção e queima do combustível no 
motor Diesel real. 
 O rendimento do ciclo-padrão Diesel é dado pela relação 
 
ηtérmico = 1-QL = 1- cv (T4 – T1) = 1 - T1 (T4 / T1 – 1) 
 QH cv (T3 – T2) kT2 (T3 / T2 – 1) 
 
Exemplo 14 
 
 Um ciclo-padrão de ar Diesel apresenta relação de compressão igual 
a 18 e o calor transferido ao fluido de trabalho, por ciclo, é 1800 kJ/kg. 
Sabendo que o inicio do processo de compressão, a pressão é igual a 0,1 
MPa e a temperatura é 15°C, determine: 
1. A pressão e a temperatura em cada ponto do ciclo. 
2. O rendimento térmico. 
3. A pressão média efetiva. 
 
 
11.15 – Ciclo Stirling 
 
 Os motores baseados no ciclo de Stirling têm sido desenvolvidos 
como motores de combustão externa com regeneração. O significado da 
regeneração pode ser visto na Fig. 9.31. Note que a transferência de calor 
para o gás no processo 2-3, corresponde a área 2-3-b-a-2, é exatamente 
igual a transferência de calor do gás no processo 4-1, corresponde a área 1-
4-d-c-1. Assim, no ciclo ideal, todo calor transferido ao ciclo, QH, é 
fornecido no processo de expansão isotérmica 3-4 e toda a rejeição de calor 
QL, ocorre no processo de compressão isotérmica. Como todas as 
transferências de calor ocorrem em processos isotérmicos, a eficiência 
deste ciclo é igual a eficiência do ciclo de Carnot que opera entre as 
mesmas temperaturas.