EER0013 Aula 7 Ciclos de Potência com Fluidos de Trabalho Gasosos (Parte 2)

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Aula 7 – Ciclos de Potência com
Fluidos de Trabalho Gasosos (Parte 2)
Universidade Federal da Integração Latino-Americana
Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Território e Infraestrutura
Engenharia de Energia
Prof. Fabyo Luiz Pereira
fabyo.pereira@unila.edu.br
UNILA – ILATTI – EE Foz do Iguaçu / PR
EER0013 – Máquinas Térmicas
EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 14
Tópicos da Aula
● Ciclos de Potência com Fluidos de Trabalho Gasosos – Parte 2:
● Ciclo Ericsson.
● Ciclo para propulsão a jato.
● Ciclo Otto.
● Ciclo Diesel.
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Ciclo Ericsson
● Ciclo Ericsson:
● Composto pelos seguintes quatro processos em regime permanente:
● Compressão isotérmica reversível.
● Recebimento de calor isobárico.
● Expansão isotérmica reversível.
● Rejeição de calor isobárica.
● Da análise do ciclo de Carnot, o uso de processos isotérmicos para o compressor 
e para a turbina resulta em maiores ηtérmico que o uso de processos isentrópicos.
● Apesar disto, o ciclo Brayton é o referencial para ciclos de turbinas a gás porque 
as vazões de fluido na turbina e no compressor são grandes, o que dificulta 
transferir as quantidades de calor necessárias para que os processos ocorram de 
forma isotérmica.
● Logo, os processos nestes equipamentos são adiabáticos.
● Existe algum meio de utilizar um ciclo parecido com o ciclo Ericsson?
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Ciclo Ericsson
● O ciclo Brayton tende a mudar seu comportamento em direção ao do ciclo 
Ericsson se forem utilizados:
● Múltiplos estágios de compressão,
com resfriamento intermediário
entre os estágios.
● Múltiplos estágios de expansão,
com reaquecimento entre os
estágios e um regenerador.
● A figura ao lado mostra um ciclo com
2 estágios de compressão e 2 de
expansão, além do diagrama T-s.
● Para este ciclo, o máximo ηtérmico é
obtido quando são mantidas iguais as
relações de pressão através dos dois
compressores e das duas turbinas.
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Ciclo Ericsson
● Neste ciclo ideal, admite-se que:
● Temperatura do ar que deixa o
resfriador intermediário, T3, é
igual à temperatura do ar que
entra no primeiro estágio de
compressão, T1.
● Temperatura após reaquecimento,
T8, é igual à temperatura do gás
que entra na primeira turbina, T6.
● Temperatura do ar a alta pressão
que deixa o regenerador, T5, é
igual à temperatura do ar a baixa
pressão que deixa a turbina, T9.
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Ciclo Ericsson
● Usando vários estágios de compressão e de expansão,
o ciclo resultante se aproximará do ciclo de Ericsson,
como mostrado na figura ao lado.
● Aplicações reais N→ úmero de estágios é de 2 ou 3.
● A figura abaixo mostra dois dos vários arranjos possíveis, para ciclos fechados, 
pelos quais as turbinas e compressores que usam este ciclo podem ser utilizados.
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Ciclo para Propulsão a Jato
● Ciclo para Propulsão a Jato:
● Os gases são expandidos na turbina até uma pressão tal que o trabalho da 
turbina é exatamente igual ao trabalho consumido no compressor.
● Assim, a pressão de saída da turbina será superior à do meio envolvente e o gás 
pode ser expandido num bocal até a pressão do meio envolvente.
● Os gases saem do bocal a alta velocidade, apresentando uma variação da 
quantidade de movimento, e disto resulta um grande empuxo que permite que 
mesmo grandes e pesados aviões possam voar.
● Opera de modo similar ao ciclo de Brayton, conforme diagramas abaixo.
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Ciclo Otto
● Ciclo Otto:
● É um ciclo ideal que se aproxima do motor de
combustão interna de ignição por centelha.
● Os processos que ocorrem são:
● 1-2 Compressão adiabática reversível (isentrópica).→
● 2-3 Transferência de calor (recebimento) a volume constante (isocórica).→
● 3-4 Expansão adiabát→ ica reversível (isentrópica).
● 4-1 Transferência de calor (rejeição) a volume constante (isocórica).→
● Admitindo que cv do ar seja constante, o rendimento térmico é dado por:
ηtérmico=
QH−QL
QH
=1−
QL
QH
=1−
mc v (T 4−T 1)
mc v (T 3−T 2)
=1−
T 1
T 2
(T 4T1−1)
(T 3T 2−1)
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Ciclo Otto
● Mas:
● Portanto:
● O rendimento é função apenas da relação de compressão rv, aumentando com o 
aumento desta relação, como mostra a figura abaixo.
● Entretanto, ao aumentar relação de compressão
ocorre um aumento da tendência para a 
detonação do combustível.
● A máxima relação de compressão que pode ser
usada é aquela onde a detonação é evitada.
T 2
T 1
=(V 1V 2 )
k−1
=(V 4V 3 )
k−1
=
T 3
T 4
→
T 2
T 1
=
T 3
T 4
→
T 4
T1
=
T 3
T 2
ηtérmico=1−
T 1
T 2
=1−r v
1−k=1− 1
r v
k−1 , onde r v=
V 1
V 2
=
V 4
V 3
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Ciclo Otto
● O motor de ignição por centelha de ciclo aberto se afasta do ciclo Otto devido:
● Os calores específicos dos gases reais aumentam com o aumento da 
temperatura.
● O processo de combustão substitui o processo de transferência de calor a 
alta temperatura.
● A combustão pode ser incompleta.
● Cada ciclo mecânico do motor envolve um processo de alimentação e 
descarga, e devido às perdas de carga dos escoamentos nas válvulas, é 
necessária uma certa quantidade de trabalho para alimentar o cilindro com 
ar e descarregar os produtos da combustão no coletor de escapamento.
● Há uma transferência de calor significativa entre os gases e as paredes do 
cilindro.
● Há irreversibilidades associadas aos gradientes de pressão e temperatura.
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Ciclo Diesel
● Ciclo Diesel:
● É o ciclo ideal para o motor Diesel, também conhecido 
como motor de ignição por compressão.
● Apenas o processo 2-3 é diferente do processo 2-3 no 
ciclo Otto:
● 1-2 Compressão adiabática reversível →
(isentrópica).
● 2-3 Recebimento de calor a pressão constante →
(isobárica).
● 3-4 Expansão adiabática reversível (isentrópica).→
● 4-1 Rejeição de calor a volume constante →
(isocórica).
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Ciclo Diesel
● 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.
● O rendimento é dado por:
● De acordo com o diagrama p-v, a relação de 
compressão isentrópica no ciclo Diesel é maior que a 
relação de expansão isentrópica, ou seja:
ηtérmico=
QH−QL
QH
=1−
QL
QH
=1−
mcv (T 4−T 1)
mc p (T 3−T 2)
=1−
T 1(T 4T 1−1)
k T 2(T 3T 2−1)
V 1
V 2
>
V 4
V 3
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Ciclo Diesel
● Comparando um ciclo Otto (1-2-3''-4-1) com um ciclo
Diesel (1-2-3-4-1), onde ambos possuem o mesmo estado
no início da compressão (estado 1), mesmo deslocamento
volumétrico do pistão (v1 – v2) e mesma relação de
compressão, pelo diagrama T-s conclui-se que:
● O ciclo Otto possui rendimento maior, pois o trabalho
no ciclo Otto (área 1-2-3''-4-1) é maior que o trabalho no ciclo Diesel (área 1-
2-3-4-1).
● Entretanto, o motor ciclo Diesel pode operar com uma relação de compressão 
maior que o motor de ignição por centelha (ciclo Otto), pois:
● No motor ciclo Otto se comprime uma mistura de ar com combustível, e se a 
relação de compressão for muito alta a detonação começa a ser um 
problema sério.
● No motor ciclo Diesel se comprime apenas ar, e o combustível é injetado 
após a compressão, e portanto a detonação não é um problema.
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Ciclo Diesel
● Logo, deve-se comparar os ciclos Otto e Diesel que 
podem ser obtidos na prática.
● Observando os diagramas ao lado, P e T máximas são 
iguais para os seguintes ciclos:
● Ciclo Otto 1-2'-3-4-1.
● Ciclo Diesel 1-2-3-4-1.
● A relação de compressão do motor ciclo Otto é menor 
que a relação de compressãodo motor ciclo Diesel:
● Neste caso o ciclo Diesel possui um rendimento maior, 
pois a área 1-2-3-4-1 é maior que a área 1-2'-3-4-1.
● O ciclo aberto real de ignição por compressão difere do 
ciclo Diesel da mesma maneira que o ciclo aberto de 
ignição por centelha difere do ciclo Otto.
r v
Diesel=
v1
v2
e r v
Otto=
v1
v 2'
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