10. Motores de Combust-o e Sistemas de Pot-ncia - Exerc-cios - Turbinas a g-s

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URI - Universidade Regional Integrada do Alto 
Uruguai e das Missões (www.uricer.edu.br) 
Campus de Erechim 
Curso de Engenharia Mecânica 
 
 
 
EXERCÍCIOS – CICLOS A GÁS 
 
1. Em um ciclo Brayton ar entra no compressor a 0,1 MPa e 15°C. A pressão na saída é 
1 MPa e a temperatura máxima no ciclo é 1100 °C. Pede-se determinar: 
a) Trabalho no compressor; 
b) Trabalho na turbina; 
c) Porcentagem de trabalho do compressor pelo trabalho da turbina; 
d) Rendimento térmico do ciclo. 
 
2. Considere um ciclo padrão a ar Brayton ideal onde a pressão e a temperatura do ar 
que entra no compressor são iguais a 100 kPa e 20°C e a relação de pressão do 
compressor é igual a 12 para 1. A temperatura máxima do ciclo é 1100°C e a vazão de 
ar é 10 kg/s. Admitindo que o calor específico do ar é constante, determine o trabalho 
necessário no compressor, o trabalho da turbina e o rendimento térmico do ciclo. 
 
3. Um regenerador ideal é incorporado ao ciclo padrão ar Brayton ideal descrito no 
Problema 2. Calcule o rendimento térmico do ciclo que apresenta esta modificação. 
 
4. Considere um ciclo de turbina a gás de aplicação aeronáutica (propulsão). A pressão e 
a temperatura de alimentação do compressor são 90 kPa e 290 K. A relação de pressão 
do compressor é 14 e a temperatura na entrada da turbina é 1500 K. O ar que sai da 
turbina é expandido em um bocal até a pressão de 90 kPa. 
a) Determine a pressão na entrada do bocal e a velocidade do ar na saída do bocal; 
b) Repetir item a para eficiências de 85% para a turbina, 80% para o compressor e 95% 
para o bocal. 
 
5. A turbina de um motor a jato é alimentada com o ar a 1250 K e 1,5 MPa. A turbina 
descarrega o ar, num bocal, a 250 kPa e o fluido é expandido no bocal até uma pressão 
atmosférica (100 kPa). A eficiência isoentrópica da turbina é 85% e a do bocal é 95%. 
Determine a temperatura na seção de saída da turbina e a velocidade na seção de 
saída do bocal. Admita que a variação de energia cinética na turbina é desprezível. 
 
6. Considere um ciclo de motor a jato que opera num ambiente onde a pressão e a 
temperatura são iguais a 100 kPa e 280 K. A potência utilizada para acionar o 
compressor do ciclo é 4 MW e a vazão de ar no ciclo é 9 kg/s. A temperatura e a 
pressão na seção de alimentação da turbina são iguais a 1600 K e 2 MPa. Sabendo que 
a eficiência isoentrópica da turbina é igual a 85%, determine a pressão e a 
temperatura na seção de alimentação do bocal do ciclo. Admita que a eficiência deste 
bocal é 95%. Calcule a temperatura e a velocidade do escoamento de ar na seção de 
descarga do bocal. 
 
 
 
 
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7. Considere uma estação estacionária de turbina a gás, que opera segundo um ciclo 
Brayton com regenerador, fornecendo 100 MW a um gerador elétrico. A temperatura 
mínima do ciclo é 300 K e a máxima é 1600 K. A pressão mínima é 100 kPa e a relação 
de pressão do compressor é 14. Determine a relação percentual entre a potência 
necessária para acionar o compressor e a potência desenvolvida pela turbina e o 
rendimento térmico do ciclo considerando o regenerador com eficiência de 75% e que 
a turbina e o compressor apresentam eficiências de 88% e 85%, respectivamente. 
 
8. Um turbo-compressor deve ser utilizado para aumentar a pressão do ar na admissão 
de um motor automotivo. Este dispositivo consiste de uma turbina, movida pelo gás 
de exaustão, diretamente acoplada a um compressor de ar (veja figura). Admita que as 
vazões em massa na turbina e no compressor são iguais e que tanto a turbina como o 
compressor são adiabáticos e reversíveis. Para as condições mostradas na figura, 
calcule: 
 
a) A temperatura na seção de saída e a potência produzida na turbina. 
b) A pressão e a temperatura na seção de saída do compressor. 
c) Refaça itens a) e b) considerando as eficiências da turbina e do compressor iguais a 
80% e 85% respectivamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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9. Considere um ciclo de turbina a gás com dois estágios de compressão e dois estágios 
de expansão. A relação de pressão em cada estágio de compressão e em cada estágio 
de expansão é de 8 para 1. A pressão na entrada do primeiro compressor é 100 kPa, a 
temperatura na entrada de cada compressor é 20 °C e a temperatura na entrada de 
cada turbina é 1100 °C. Um regenerador, com eficiência de 70%, também está 
incorporado ao ciclo. 
 
a) Determine o trabalho no compressor, o trabalho da turbina e o rendimento 
térmico do ciclo. 
b) Repetir item a para eficiências de 85% para a turbina e 80% para o compressor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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10. Um ciclo a gás padrão opera com temperatura de entrada no compressor de 288 K e 
eficiência no compressor de 87%. A turbina da seção de geração de gás tem eficiência 
de 89% e a turbina de potência de 87%. A razão de pressão do compressor é 12. Se a 
temperatura de entrada da turbina de geração de gás é 1400 K e a pressão de entrada 
do compressor é atmosférica, calcular: 
 
a) A pressão e temperatura que deixa a turbina geradora de gás; 
b) O trabalho líquido produzido pela turbina de potência e o calor fornecido na 
câmara de combustão, assumindo que não ocorre perda de pressão durante o 
processo de aquecimento e a pressão de saída da turbina de potência é pressão 
atmosférica; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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11. A figura abaixo mostra o esquema de uma central de potência baseada na combinação 
de um ciclo de turbina a gás com um ciclo a vapor d’água tipo Rankine. 
No ciclo a gás, o compressor apresenta relação de pressão de 14 e eficiência de 85%. O 
ar entra no compressor a 100 kPa e 25°C. A transferência de calor no aquecedor é 
60 MW. A temperatura de entrada na turbina é 1250°C e apresenta eficiência de 87%. 
Na saída da turbina a pressão é 100 kPa. A temperatura do ar na saída do trocador de 
calor é 200°C. Nestas condições determine: 
 
a) A vazão em massa do ar no ciclo a gás; 
b) A temperatura real que sai da turbina a gás; 
c) O rendimento térmico do ciclo a gás. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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12. Uma central de potência é baseada na combinação de um ciclo Brayton com um ciclo 
Rankine. No ciclo a gás, o ar entra no compressor a 25°C e 100 kPa. A razão de pressão 
do compressor é 14 e o ciclo é composto por uma turbina de geração de gás em 
tandem com uma turbina de potência. No ciclo Rankine vapor entra na turbina a 500°C 
e a pressão mínima do ciclo é de 10 kPa. A água é bombeada para o gerador de vapor 
a 12,5 MPa. Considerando que o recebimento de calor no ciclo a gás é 30% do calor 
recebido no ciclo a vapor. Determine o rendimento térmico do ciclo combinado se: 
 
a) O fluxo de massa de ar é igual ao fluxo de massa de vapor e 
b) O fluxo de massa de ar é de 50 kg/s e o fluxo de massa de vapor é de 30 kg/s. 
 
 
 
Dados: 
 Propriedades do ar: 
 Calor específico a volume constante = 0,7165 kJ/kgK 
 Calor específico a pressão constante = 1,0035 kJ/kgK 
 Coeficiente isoentrópico = 1,400