Ciclos – padrão a ar
Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira
Ciclos – Padrão a ar
• Muitos equipamentos dedicados a produção
de trabalho (motores) utilizam gás como
fluido de trabalho.
• Ex: motores com ignição por centelha, motor
a diesel e turbinas a gás.
https://www.youtube.com/watch?v=JhcAig6QQGY
Ciclos – Padrão a ar
• Motor a combustão interna – ciclo aberto
• Para analisar motores de combustão interna é
vantajoso conceber ciclos fechados que se
aproximem dos ciclos abertos (ciclos padrão a
ar);
Ciclos – Padrão a ar
O ciclo-padrão a ar é baseado nas seguintes hipóteses:
• O fluido de trabalho é uma massa fixa de ar e este pode ser sempre
modelado como um gás perfeito. Assim não há processo de
alimentação nem de descarga;
• O processo de combustão é substituído por um processo de
transferência de calor de uma fonte externa;
• O ciclo é completado pela transferência de calor ao meio
envolvente (em contraste com o processo de exaustão e admissão
num motor real);
• Todos os processos são internamente reversíveis;
• Usualmente é feita a hipótese adicional de que o ar apresenta calor
específico constante.
Ciclos – Padrão a ar
Considerações importantes:
• O ciclo-padrão a ar permite avaliar qualitativamente a influência de
várias variáveis no desempenho do ciclo;
• Os resultados obtidos no ciclo padrão a ar, tais como o rendimento
e a pressão média efetiva, diferirão consideravelmente daqueles
relativos ao motor real;
• O termo “pressão média efetiva”, utilizado em associação aos
motores alternativos, é definido como a pressão que, ao agir no
pistão durante todo o curso do motor, realiza um trabalho igual ao
realmente realizado sobre o pistão;
• O trabalho em um ciclo é determinado pela multiplicação dessa
pressão média efetiva pelo volume de deslocamento do pistão.
O Ciclo de Brayton
É o ciclo ideal das turbinas a gás. Pode operar
em um ciclo aberto ou fechado, como na figura:
O Ciclo de Brayton
Consiste em quatro processos internamente
reversíveis:
• Compressão isentrópica (1-2);
• Fornecimento de calor (2-3, P=cte);
• Expansão isentrópica em uma turbina (3-4);
•Rejeição de calor para o ambiente (4-1,
P=cte).
O Ciclo de Brayton
Efeito da razão da pressão de compressão
• Eficiência térmica:
Efeito da temperatura de saída da câmara de
combustão
k = cp/cv
O Ciclo de Brayton
Exemplo: Ar entra no compressor de um ciclo padrão a ar Brayton, fechado, a
0,1 MPa e 15°C. A pressão na seção de descarga do compressor é de 1,0 MPa
e a temperatura máxima do ciclo é 1100 °C. Determine 1. a pressão e
temperatura em cada ponto do ciclo; 2. o trabalho no compressor, o trabalho
na turbina e a eficiência. (propriedades do ar Tabela A.5).
Solução:
VC compressor:
Primeira lei: wc =h1-h2=cp(T1-T2)
Rc=1/0.1=10;
k=1,4; cp=1,0035 kJ/(kgK) (tab A.5)
T2/T1=(p2/p1)^[(k-1)/k]T2=556,8 K
wc=1,0035(288,2-556,8)
wc=-269,5 kJ/kg
O Ciclo de Brayton
Exemplo: Ar entra no compressor de um ciclo padrão a ar Brayton, fechado, a
0,1 MPa e 15°C. A pressão na seção de descarga do compressor é de 1,0 MPa
e a temperatura máxima do ciclo é 1100 °C. Determine 1. a pressão e
temperatura em cada ponto do ciclo; 2. o trabalho no compressor, o trabalho
na turbina e a eficiência. (propriedades do ar Tabela A.5).
Solução:
Eficiência:
η=1-288,2/556,8=0,482=48,2%
O Ciclo Otto
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O ciclo-padrão a ar Otto é um ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna de
ignição por centelha;
Como mostra a figura, o ciclo Otto inicia no ponto morto inferior - estado 1 - quando o pistão inicia
a compressão da mistura gás/combustível e termina no ponto morto superior - estado 2;
No ponto 2, a mistura é detonada e a pressão aumenta subitamente e o ciclo passa para o estado 3.
Este aumento de pressão força o pistão na direção do ponto morto inferior - estado 4- produzindo
trabalho.;
A partir do momento em que as válvulas de exaustão são abertas, os gases de exaustão são
liberados para a atmosfera.
O Ciclo Otto
O trabalho realizado pelo pistão é dado pelo
produto do volume de deslocamento pela
pressão média efetiva do ciclo.
• Rendimento do ciclo Otto:
• Ver exemplo 11.11 do Van Wylen
O Ciclo Diesel
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O ciclo-padrão a ar Diesel é um ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna de
ignição por compressão como o motor real a Diesel;
O processo inicial (1-2) considera a compressão isentrópica de um ciclo-padrão a ar;
No ciclo Diesel o calor é transferido ao fluido de trabalho a pressão constante, correspondendo a
injeção e a queima do combustível em um motor Diesel real (processo 2-3);
Como o gás expande durante a transferência de calor no ciclo-padrão a ar, a transferência de calor
deve ser apenas o suficiente para manter a pressão constante;
Quando se atinge o estado 3, a transferência de calor cessa e o gás sofre uma compressão
isentrópica (processo 3-4) até que o pistão atinja o ponto morto inferior;
A rejeição de calor, como no ciclo Otto, ocorre a volume constante e com o pistão no ponto morto
inferior (simulando os processos de descarga e admissão do motor real).
Ver exemplo 11.12 do Van-Wylen