Ciclosdepotenciaagas-a572341

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Ciclos de potência a gás
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Considerações básicas na analise de ciclos de 
potência.
A modelagem é uma
poderosa ferramenta
da engenharia que
fornece grande
discernimento e
simplicidade à custa de
alguma perda de
precisão
A análise de muitos
processos complexos pode
ser reduzida para um nível
controlável através da
utilização de algumas
idealizações.
A maioria dos dispositivos para geração de potência 
operam em ciclos.
Ciclo Ideal: É um ciclo que se assemelha com um ciclo 
real, mas é composto apenas por processos 
internamente reversível.
Ciclos reversíveis como o ciclo de Carnot possui a 
maior eficiencia térmica entre todos os motores de calor 
que operam entre os mesmos níveis de temperatura. Ao
contrário dos ciclos ideais, eles são totalmente
reversíveis, e não adaptado como um modelo realista.
Thermal efficiency of heat 
engines
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As idealizações e simplificações na análise 
de ciclos de potência:
1 - O ciclo não envolve qualquer atrito. 
Portanto, o fluido de trabalho não 
experimenta qualquer queda de pressão à 
medida que flui em tubos ou dispositivos, 
tais como permutadores de calor.
2 - Todos os processos de compressão e 
expansão são processors de quase-
equilíbrio.
3 - Os tubos de ligação entre os vários 
componentes de um sistema são bem 
isolado, e a transferência de calor através 
deles é desprezível.
Em ambos os diagramas pv e Ts, a área 
delimitada pela curva processo representa o 
trabalho da rede do ciclo.
Em um diagrama T - s, a razão
entre a área delimitada pela curva
do ciclo e a área sob a curva do
processo de adição de calor
representa a eficiência térmica do
ciclo. Qualquer modificação que
aumenta a razão entre estas duas
áreas também irá aumentar a
eficiência térmica do ciclo
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O CICLO CARNOT
Diagramas P-v e T-s do ciclo de carnot.
Uma máquina de Carnot com fluxo constante.
O ciclo de Carnot é composto de quatro processos 
totalmente reversíveis: adição de calor isotérmico, 
expansão isentropica, rejeição de calor isotérmica, e 
compressão isentropica
Para os ciclos tanto ideais e reais: eficiência 
térmica aumenta com o aumento na temperatura 
média em que o calor é fornecido ao sistema, ou 
com uma diminuição da temperatura média à qual o 
calor é rejeitado a partir do sistema
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CONSIDERAÇÕES AR-PADRÃO
O processo de combustão é substituído por
um processo de adição de calor nos ciclos
ideais.
1. O fluido de trabalho é o ar, que circula
continuamente em circuito fechado e
sempre se comporta como um gás
ideal.
2. Todos os processos que compõem o
ciclo são internamente reversível.
3. O processo de combustão é
substituído por um processo de adição
de calor a partir de uma fonte externa.
4. O processo de exaustão é substituído
por um processo de rejeição de calor
que leva o fluido de trabalho para o
seu estado inicial.
Considerações para ciclos ar-padrão : o fluido de trabalho é considerado ser o ar
com calores específicos constante a temperatura ambiente (25 ° C)
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UMA VISÃO GERAL DE MOTORES ALTERNATIVOS
Nomenclatura para motores alternativos
• Motores de ignição por centelha
• Motores de ignição por compressão
Taxa de compressão
Pressão média 
efetiva
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CICLO OTTO: CICLO IDEAL PARA MOTORES DE 
IGNIÇÃO POR CENTELHA
Ciclo real e ideial de motores de ignição por centelha e seus diagramas P-v.
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Diagrama T-s do 
ciclo Otto.
Ciclo de 4 tempos
1 ciclo = 4 curso = 2 revoluções
Ciclo de 2 tempos
1 ciclo = 2 curso = 1 revolução
Os motores de dois tempos
são geralmente menos
eficiente do que os seus
similares de quatro tempos,
mas eles são relativamente
simples e barato, e eles têm
alta potência-peso e
proporções potência-volume.
Esquemático de um motor 
alternativo de dois tempos
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A eficiência térmica do ciclo 
Otto ideal como uma função 
da taxa de compressão.
A eficiência térmica do ciclo Otto 
aumenta com a r .
A taxa de
compressão
é limitado
pela auto-
ignição ou
detonação do
motor.
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CICLO DIESEL: O CICLO IDEAL PARA MOTORES DE 
IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO
Nos motores diesel, a vela de ignição é substituído por
um injector de combustível, e apenas o ar é
comprimido durante o processo de compressão.
Nos motores diesel, apenas o ar é comprimido durante o curso
de compressão, eliminando a possibilidade de auto-ignição
(detonação do motor). Por consequencia, os motores diesel
podem ser concebidos para funcionar a taxas de compressão
mais elevadas do que os motores de ignição, tipicamente entre
12 e 24 • 1-2 Compressão 
isentropica
• 2-3 Adição de 
calor a pressão 
constante 
• 3-4 Expansão 
isentropica
• 4-1 Rejeição de 
calor a volume 
constante.
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A eficiência térmica do
ciclo Diesel ideal como
uma função da razão de
compressão e de corte 
(k=1.4).
Para a mesma taxa de compressão
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Diagrama P-v de um ciclo Dual 
ideal
Ciclo Dual: Um modelo de 
ciclo ideal mais realista para 
motores de ignição por 
compressão.
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CICLOS STIRLING E ERICSSON
Ciclo Stirling
• 1-2 T = constante, expansão(adição de calor de uma fonte externa)
• 2-3 v = constante, regeneração (transferência de calor do fluido de trabalho para o 
regenerador)
• 3-4 T = constante, compressão (rejeição de calor para um dissipador externo)
• 4-1 v = constante, regeneração (transferência de calor do regenerador para o fluido de 
trabalho)
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Ciclo Stirling.
Motor Ericsson
O ciclo Ericsson é muito parecido com o ciclo de 
Stirling, excepto que os dois processos de volume 
constante são substituídos por dois processos de 
pressão constante.
Ambos os ciclos Stirling e Ericsson são 
totalmente reversíveis, tal como o ciclo de 
Carnot, e assim:
Regeneração pode aumentar a 
eficiência.
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CICLO BRAYTON: O CICLO IDEAL DE TURBINA A 
GÁS
Ciclo aberto de turbina a gás. Ciclo Fechado de turbina a gás..
O processo de combustão é substituído por um processo térmico de adição de calor a 
pressão constante a partir de uma fonte externa, e o processo de escape é substituído 
por um processo térmico de rejeição de calor a pressão constante para o ar ambiente.
1-2 Compressão isentrópica (no compressor)
2-3 Adição de calor a pressão constante
3-4 Expansão isentrópica (na turbina)
4-1 Rejeição de calor a pressão constante
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6Diagrama T-s e P-v de um ciclo Brayton ideal.
Razão de 
pressão
A eficiência térmica
do ciclo Brayton ideal
como uma função da
razão entre as
pressões.
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A fracção do trabalho da turbina utilizado
para accionar o compressor é chamada
a razão de trabalho de volta(Brw).
As duas principais áreas de aplicação
de motores de turbina a gás são
propulsão de aeronaves e geração de
energia elétrica
A temperatura mais elevada no ciclo é limitada
pela temperatura máxima que as pás da
turbina pode suportar. Isto também limita as
taxas de compressão que podem ser utilizados
no ciclo.
O ar nas turbinas a gás fornece o oxidante
necessário para a combustão do combustível,
e que serve como um fluido de arrefecimento
para manter a temperatura dos vários
componentes dentro de limites seguros. Uma
relação ar-combustível de 50 ou acima não é
incomum
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Desenvolvimento de turbina a gás
1. O aumento da entrada temperaturasda turbina (ou queima)
2. Aumentar a eficiência de componentes de turbomáquinas (turbinas, 
compressores):
3. Adicionando modificações no ciclo básico (intercooler, regeneração ou 
recuperação e reaquecimento).
Desvio dos ciclos reais 
daqueles idealizados
O desvio do ciclo de turbina a
gás real a partir do ciclo
Brayton ideal como um
resultado de irreversibilidade..
Razões: irreversibilidades na turbina e 
compressores, quedas de pressão, as 
perdas de calor
Eficiencia isentrópica no compressõe e 
turbina.
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THE BRAYTON CYCLE WITH REGENERATION
Turbina a gás com regeneração.
Diagrama T-s do ciclo 
Brayton com regeneração.
Nas turbinas a gás, a temperatura do gases de escape que sai
da turbina é muitas vezes consideravelmente mais elevadado
que a temperatura do ar que sai do compressor.
Por consequencia, o ar a alta pressão que deixa o compressor
pode ser aquecido pelos gases de escape quentes em um
trocador de calor de contra-fluxo (um regenerador ou um
recuperador).
A eficiência térmica do ciclo de Brayton aumenta como
resultado da regeneração uma vez que menos combustível é
utilizado para a mesma saída de trabalho
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Diagrama T-s do ciclo 
Brayton com regeneração.
Efetividade do regenerador
Efetividade sob condições de ar 
padrão frio.
Considerando ar-
padrão
A eficiência 
térmica do 
ciclo de 
Brayton ideal, 
com e sem 
regeneração.
A eficiência térmica depende 
da relação entre a mínima e 
máxima temperatura, bem 
como da relação de pressão.
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CICLO BRAYTON COM INTER-RESFRIAMENTO, 
REAQUECIMENTO E REGENERAÇÃO
Para minimizar a entrada de 
trabalho compressor e 
Maximizar a produção de 
trabalho da turbina:
Diagrama T - s
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Comparação 
entre trabalho em 
um compressor 
de fase estágio 
(1AC) e um 
compressor de 
dois estágios com 
arrefecimento 
intermediário 
(1abd).
Multiestagios de compressão com inter-resfriamento: O trabalho necessário para comprimir 
um gás entre duas pressões especificadas pode ser reduzida através da realização do processo 
de compressão em fases e arrefecimento do gás entre os estágios. Isso mantém o volume 
específico baixo.
Expansão em multiestágios com reaquecimento: mantém o volume específico do fluido de 
trabalho mais alto, durante o processo de expansão, maximizando assim a produção de trabalho..
Intercooler e reaquecimento sempre diminui a eficiência térmica, a menos que sejam 
acompanhadas por regeneração
À medida que o número de fases de 
compressão e expansão aumenta, o 
ciclo de turbina de gás com 
arrefecimento intermédio-, 
reaquecimento, e aproxima-se o 
ciclo de regeneração Ericsson.
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CICLO IDEAL DE PROPULSÃO A JATO
Em motores a jato, os gases 
de alta temperatura e de alta 
pressão que deixa a turbina 
são acelerados num bocal 
para fornecer empuxo
Turbina a gás são amplamente utilizados em aeronaves porque são leves e compactos e têm uma 
alta relação potência-peso.
Em aviões, as turbinas a gás funcionam em ciclo aberto sendo chamado um ciclo de propulsão a 
jato.
O ciclo de propulsão a jato ideal difere do ciclo de Brayton ideal simples pois os gases não são 
expandidos até a pressão ambiente na turbina. Em vez disso, eles são expandidos a uma pressão 
tal que a energia produzida pela turbina seja suficiente para acionar o compressor e o 
equipamentos auxiliar.
A saída de trabalho líquido de um ciclo de propulsão é zero. Os gases que saem da turbina a uma 
pressão relativamente elevada são acelerados num bocal para fornecer o impulso para impulsionar 
a aeronave.
Aeronave são propulsionadas por uma aceleração do fluido na direcção oposta ao movimento. Isto 
é conseguido por uma ligeira aceleração de uma grande massa de fluido (motor a hélice) ou 
grandemente acelerado por uma pequena massa de fluido (jato ou motor turbo) ou ambos (motor 
turboélice)
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Componentes 
básicos de um 
motor turbojet 
e o diargama 
T-s ideal.
Potência de propulsão é o impulso que
age sobre a aeronave através de uma
distância por unidade de tempo.
Eficiência propulsiva
Potência propulsiva
Empuxo (Força propulsiva)
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Modificações nos Turbojet
Os primeiros aviões construídos foram os de hélice, 
movidos por motores essencialmente idênticos aos 
motores de automóveis..
Ambos os motores, a hélice e motores a jato, têm os 
seus pontos fortes e limitações. Várias tentativas foram 
feitas para combinar as características desejáveis de 
ambos em um só motor.
Um das modificações foi desenvolver o morto 
Turbofan.
O motor mais utilizado em aeronaves 
de propulsão é o motor turbofan (ou 
fanjet) em que um grande ventilador 
accionado pela turbina força uma 
quantidade considerável de ar 
através de um condutor (tampa), que 
envolve o motor.
Energia fornecida a uma aeronave (a 
partir da queima de um combustível) 
manifesta-se de várias formas.
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Um motor a jato moderno usado
para abastecer aeronaves Boeing
777. Este é um Pratt & Whitney
PW4084 turbofan capaz de
produzir 374 kN de empuxo. É
4,87 m de comprimento, tem um
ventilador de 2,84 m de diâmetro,
e pesa 6800 kg.
Motor turboprop.
Motor ramjet
Vários tipos de motores: 
Turbofan, Propjet, Ramjet, Sacramjet, Rocket
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ANALISE DA SEGUNDA LEI DE CICLOS DE POTÊNCIA A GÁS
Destruição de exergia para sistema fechado
Para sistema aberto
Regime permanente, uma entrada, 
uma saída.
Destruição de exergia de um 
ciclo
Para um ciclo com somente uma fonte de calor e um 
sumidouro
Exergia específica sistema fechado
Exergia de fluxo(sistema aberto)
A análise de segunda lei desses ciclos revela onde ocorrem as maiores 
irreversibilidades e onde começar as melhorias.
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