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Professor Luiz Henrique Monqueiro
Sistemas Fluidotérmicos
AULA 1
Neste módulo serão abordados os seguintes tópicos:
Classificação dos sistemas termodinâmicos;
Considerações na análise dos ciclos de potência;
O Ciclo de Carnot e seu valor na engenharia;
Hipótese do Padrão a Ar;
Visão Geral dos Motores Alternativos;
Ciclo Otto – Ignição por centelha;
Ciclo Diesel – Ignição por compressão;
Ciclos Stirling e Ericsson;
Conteúdo Programático
Continuação:
Ciclo Brayton – Ciclo Ideal das Turbinas a Gás;
Ciclo Brayton com Regeneração;
Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, Reaquecimento e Regeneração;
Conteúdo Programático
Bibliografia Básica
 MORAN, M.J. e SHAPIRO, H.N. – Princípios da Termodinâmica para a Engenharia - Ed. LTC, 6ª Ed. 2009.
ÇENGEL, Y.A. e BOLES, M.A. - Termodinâmica - Ed. McGraw-Hill, 2007. Ciclo Brayton com Regeneração;
Bibliografia complementar : 
Wylen, G.J., Borgnakke, C. e Sonntag, R.E. – Fundamentos da Termodinâmica Clássica - Ed. Edgard Blucher 1997. ;
Bibliografia
Os ciclos termodinâmicos podem ser divididos em duas categorias gerais: os ciclos de potência e os ciclos de refrigeração;
Os ciclos termodinâmicos também podem ser classificados baseados nos fluidos de trabalho. Sendo assim, se classificam como ciclo a gás ou a vapor;
Podem, ainda, ser classificados como ciclo aberto ou fechado;
As máquinas térmicas são classificadas também como: a combustão interna ou combustão externa
Introdução
Nos ciclos fechados, o fluido de trabalho volta ao estado inicial no final do ciclo e circula novamente;
Nos ciclos aberto, o fluido de trabalho é renovado ao final de cada ciclo em vez de circular novamente;
Nos motores dos automóveis, ocorre a exaustão e a substituição dos gases da combustão pela mistura de ar fresco e combustível, ao final de cada ciclo.
Introdução
Nos motores de automóveis ocorre um ciclo mecânico, mas o ciclo termodinâmico não se completa, pois o fluido de trabalho é rejeitado e, portanto, não retorna ao seu estado inicial;
Nas máquinas térmicas a combustão externa (usinas de potência a vapor), o calor é fornecido por uma fonte externa à fronteira do sistema, tais como: fornalha, caldeira, reator nuclear, sol e etc.
Introdução
Maquinas Térmicas
Combustão Externa
Nos motores de combustão interna (motores de automóveis), a combustão é realizada dentro da fronteira do sistema (câmara de combustão)
Combustão Interna
Os ciclos encontrados em dispositivos reais são difíceis de se analisar devido ao atrito e a falta de tempo suficiente para se estabelecer as condições de equilíbrio. Sendo assim, para superar a complexidade do dispositivos reais são propostas algumas idealizações.
Análise dos Ciclos de Potência
Nesta análise despreza-se os efeitos da irreversibilidade (atrito por exemplo) e idealiza-se um sistema sem perdas e que possua processos internamente reversíveis. Ou seja, trata-se o sistema como um sistema ideal.
Esta idealização permite os estudos dos principais parâmetros que dominam o ciclo e se aproximam dos modelos reais. É lógico que o modelo idealizado possui algumas imprecisões, mas serve de ponto de partida para estudos mais aprofundados
Análise dos Ciclos de Potência
A eficiência térmica do ciclo Otto ideal aumenta com o aumento da razão de compressão e isso também é válido para o ciclo Otto real
Análise dos Ciclos de Potência
As máquinas térmicas foram desenvolvidas para converter energia térmica (calor) em trabalho, e seu desempenho é expresso em termos da eficiência térmica:
Máquinas Térmicas
O ciclo não envolve atrito. Assim, o fluido de trabalho não sofre nenhuma queda de pressão ao escoar em tubos ou dispositivos como os trocadores de calor;
Todos os processos de expansão e compressão ocorrem de forma quase estática;
Os tubos que conectam os diversos componentes de um sistema são isolados e a transferência de calor ao longo deles é desprezível
Ciclo idealizado
As energias cinética e potencial podem ser consideradas desprezíveis em dispositivos como turbinas, bombas e compressores, pois a sua contribuição na equação de energia é pequena em relação aos outros termos;
As variações de velocidades em caldeiras, condensadores e câmara de mistura são muito baixas o que torna a energia cinética desprezível;
Em difusores e bocais as variações de velocidades são significativas e, portanto, a energia cinética não pode ser desprezada.
Ciclo idealizado
Nos diagramas P-v e T-s, a área delimitadas pelas curvas de processo de um ciclo representa o trabalho líquido produzido durante o ciclo, que também equivalente à transferência líquida de calor do ciclo
Diagramas P-v e T-s
Um ciclo de potência ideal não envolve nenhuma irreversibilidade interna, assim o único efeito capaz de variar a entropia do fluido de trabalho durante um processo é a transferência de calor.
Ciclo de Potencia Ideal
Em um diagrama T-s, um processo de fornecimento de calor acontece na direção do aumento da entropia, um processo de rejeição de calor acontece na direção da diminuição da entropia e um processo isentrópico (internamente reversível e adiabático) acontece a uma entropia constante 
Diagrama T-s
O Ciclo de Carnot é composto por quatro processos totalmente reversíveis:
1 – fornecimento isotérmico de calor (A→B)
2 – expansão adiabática (B→C)
3 – rejeição isotérmica de calor (C→D)
4 – compressão adiabática
(D→A)
Ciclo de Carnot
O ciclo de Carnot pode ser executado em um sistema fechado (conjunto pistão-cilindro) ou em um sistema com escoamento em regime permanente (usina de potência), e o fluido de trabalho utilizado pode ser um gás ou um vapor;
É o ciclo mais eficiente que pode ser executado entre uma fonte de calor a temperatura TQ (fonte quente) e um sumidouro à temperatura TF (fonte fria)
Ciclo de Carnot
A eficiência térmica do ciclo de Carnot é dada por:
A transferência isotérmica reversível exige trocadores de calor muito grandes e muito tempo, que torna este ciclo inviável na prática;
O ciclo ideal de Carnot é um padrão com relação ao qual os ciclos ideais e reais podem ser comparados.
Ciclo de Carnot
A eficiência térmica aumenta com o aumento da temperatura média com a qual o calor é fornecido ao sistema, ou com a diminuição da temperatura média com a qual o calor é rejeitado pelo sistema
Ciclo de Carnot
Mostre que a eficiência térmica de um ciclo que opera entre os limites de temperatura de TQ e TF é exclusivamente uma função dessas duas temperaturas e que é dada pela equação abaixo
Exemplo 1
Resolução
A eficiência térmica não depende do tipo de fluido de trabalho e nem se o ciclo opera em um sistema é aberto ou fechado, ou se opera em regime permanente
Em ciclos de potência a gás, o fluido de trabalho mantém-se como um gás em todo o ciclo.
Os motores de ignição por centelha, motores a diesel e as turbinas a gás convencionais são exemplos de dispositivos que operam em ciclos a gás.
Nessas máquinas a energia é fornecida pela queima de um combustível dentro da fronteira do sistema (combustão interna)
Hipótese do Padrão a AR
A composição do fluido de trabalho, durante o ciclos dessas máquinas, muda de ar e combustível para produtos de combustão. 
O ar é, basicamente, composto por nitrogênio, que não sofre reação química na câmara de mistura, ou seja, o fluido de trabalho sempre se parece muito com o ar.
Motores de combustão interna operam em ciclos mecânicos, mas o fluido de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico.
Hipótese do Padrão a AR
Os motores de combustão interna tem como característica o fato de operarem em ciclos abertos.
Os ciclos de potência a gás são bastante complexos.
Para conduzir a análise em um nível de complexidade adequado, utiliza-se aproximações conhecidas como hipóteses do padrão de ar
Hipótese do Padrãoa AR
O fluido de trabalho é o ar, o qual circula continuamente em um circuito fechado, sempre se comportando como um gás ideal.
Todos os processos que formam o ciclo são internamente reversíveis.
O processo de combustão é substituído por um processo de fornecimento de calor a partir de uma fonte externa.
O processo de exaustão é substituído por um processo de rejeição de calor que restaura o fluido de trabalho ao seu estado inicial.
Hipótese do Padrão a AR
Outra hipótese utilizada é a de que o ar tem calores específicos constantes, cujos valores são determinados à temperatura ambiente (25 ºC ou 77 ºF).Quando essa hipótese é utilizada, as hipóteses do padrão a ar são chamadas hipóteses do padrão ao ar frio.
Um ciclo ao qual se aplicam as hipóteses do padrão a ar são chamados de ciclo padrão a ar.
Hipótese do Padrão a AR
As hipóteses do padrão a ar permitem uma simplificação considerável da análise sem desviá-la significativamente dos ciclos reais.
Esse modelo simplificado permite estudar qualitativamente a influência dos principais parâmetros sobre o desempenho das máquinas reais.
Hipótese do Padrão a AR
O motor alternativo (basicamente um sistema pistão-cilindro) é muito versátil com uma ampla variedade de aplicações.
É utilizado em automóveis, caminhões, aviões pequenos, navios, geradores de energia elétrica e etc.
O pistão se alterna no cilindro entre duas posições fixas chamadas de ponto morto superior (PMS) – a posição quando ele forma o menor volume no cilindro, e o ponto morto inferior (PMI) – a posição do pistão quando ele forma o maior volume dentro do cilindro
MOTORES ALTERNATIVOS
Componentes
A distância entre o PMS e o PMI é a maior distância que o pistão pode percorrer em uma direção e é chamada de curso do motor ou curso do pistão.
MOTORES ALTERNATIVOS
O ar ou a mistura ar combustível entra pela válvula de admissão.
Os produtos da combustão são rejeitados através da válvula de escapamento
MOTORES ALTERNATIVOS
O volume mínimo obtido quando o pistão atingiu o PMS é chamado de volume morto e é o volume da câmara de combustão.
Há o volume que é deslocado quando o pistão se desloca do PMI para o PMS, que é chamado de volume deslocado (cilindrada) (CC)
Taxa de compressão – relação entre o volume deslocado e o volume morto
MOTORES ALTERNATIVOS
Taxa de compressão ou razão de compressão (r)
MOTORES ALTERNATIVOS
Pressão Média Efetiva – é uma pressão fictícia que, se agisse sobre o pistão durante todo o curso (ou tempo) motor, produziria a mesma quantidade de trabalho líquido que a produzida durante um ciclo real.
MOTORES ALTERNATIVOS
Pressão Média Efetiva
A pressão média efetiva pode ser usada como parâmetro para comparar o desempenho de motores alternativos de igual tamanho. 
O motor com maior PME produz mais trabalho líquido por ciclo e, portanto, tem melhor desempenho.
Pressão Média Efetiva
Nos motores de ignição por centelha, a combustão da mistura ar combustível é iniciada por uma vela de ignição.
Motores a Ignição por Centelha
Nos motores de ignição por compressão, a ignição da mistura ar e combustível é resultado da compressão da mistura acima da temperatura de auto-ignição.
Ignição por Compressão
Exemplo 1
Um ciclo Otto tendo uma razão de compressão de 9:1 usa ar como fluido de trabalho. Inicialmente P1 = 95 kPa, T1 = 17 ºC, e V1 = 3,8 litros. Durante o processo de adição de calor, é adicionado 7,5 kJ de calor. Determine todas as temperaturas, pressões, o rendimento térmico, a razão de trabalho de retorno (back work) e a pressão média efetiva.
Dados: cv = 0,718 kJ/(kg.K) gama = K = 1,4
Aplicando a 1ª Lei da termodinâmica
Mas qentra = Qentra/m e m = V1/v1
Exemplo 1
T1 = 17ºC
r = 9
 
Exemplo 1
Usando a Lei do gás ideal (V3 = V2)
Exemplo 1
Processo 4-1 é a volume constante. Então a primeira lei resulta em
A 1ª Lei para ciclos fechados resulta em (U = 0)
Exemplo 1
A eficiência térmica será:
A Pressão Média Efetiva será:
Exemplo 1
A razão de trabalho de retorno
Exemplo 1
Exemplo 2
Um ciclo Otto ideal tem uma razão de compressão igual a 8. No início do processo de compressão, o ar está a 100 kPa e 17°C, e 800 kJ/kg de calor são transferidos para o ar
durante o processo de fornecimento de calor a volume constante. Considerando a variação dos calores específicos do ar com a temperatura, determine:
a) A temperatura e a pressão máximas que ocorrem durante o ciclo.
b) O trabalho líquido produzido.
c) A eficiência térmica.
d) A pressão média efetiva do ciclo.
Exemplo 2
a) Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar para T1 = 290 K 
Processo 1-2: compressão isentrópica de um gás ideal 
u1 = 206,01 kJ/kg
vr1 = 676,1
Exemplo 2
Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar para v𝑟2 = 84,51
Por interpolação:
T2 = 652,4 K
u2 = 475,11 kJ/kg
Da lei dos gases perfeitos temos:
Exemplo 2
Processo 2-3: foram 800 kJ/kg de calor a volume constante. Logo:
Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar
Por interpolação T3 = 1.575,1 K e vr3 = 6,108
Exemplo 2
Por interpolação T3 = 1.575,1 K e vr3 = 6,108
Da lei dos gases perfeitos e lembrando que v2 = v3, temos:
Exemplo 2
b) Processo 3-4: expansão isentrópica em um gás ideal
Usando as tabelas de propriedades de gás ideal do ar
Por interpolação T4 = 795,6 K e u4 = 588,74 kJ/kg
Exemplo 2
Processo 4-1: rejeição de calor específico a volume constante.
Trabalho específico do ciclo
Exemplo 2
c) A eficiência térmica.
Exemplo 2
d) A pressão média efetiva do ciclo.
DÚVIDAS???
Espero que tenham gostado
Obrigado
Até a próxima aula
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