Ciclos de Potencia a Gas

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Ciclos de Potência a Gás
Máquinas Térmicas e Motores Térmicos
• Dispositivos que operam segundo um dado ciclo de potência
• Ciclos de Potência: Ciclos termodinâmicos para conversão de calor em 
trabalho
Ciclo a Gás ou a Vapor
Ciclo a gás: O fluido de trabalho permanece na fase gasosa durante todo o ciclo
Ciclo a vapor: Há mudança de fase no ciclo (fluido de trabalho é vapor em parte do 
ciclo e líquido em outra)
Ciclo Fechado ou Aberto
Ciclo fechado: O fluido de trabalho volta ao estado inicial ao fim o ciclo e recircula.
Ciclo aberto: O fluido de trabalho é renovado ao fim do ciclo (ex. motor de 
automóvel)
Máquinas de Conversão de Calor em Trabalho
• Ciclo gás (Brayton)
• Ciclo vapor (Rankine)
• Motores de Combustão Interna
Motores Alternativos 
• Otto 
• Diesel
Ciclo Otto – 4 Tempos
1. Aspiração
2. Compressão
3. Combustão
4. Exaustão
Ciclo Otto - Real
1. Aspiração Vad = 1 Vex = 0
2. Compressão Vad = 0 Vex = 0
3. Combustão centelha
4. Exaustão Vad = 0 Vex = 1
• PMS – Ponto morto superior – posição do pistão quando ele forma o menor
volume no cilindro
• PMI – Ponto morto inferior – posição do pistão quando ele forma o maior
volume no cilindro
• Curso – distância entre o PMS e PMI – maior distancia que o pistão pode
percorrer
• Espaço morto – Volume mínimo formado no cilindro quando o pistão estão no
PMS
• Volume deslocado – o volume deslocado quando o pistão se move do PMI para o
PMS
Ciclo Otto - Teórico
Trabalho (área) pequeno  desprezar
Hipótese do Padrão a Ar
1. O fluido de trabalho é o ar, comportando-se como um gás
ideal
2. Todos os processos que formam o ciclos são internamente
reversíveis
3. O processo de combustão é substituído por um processo de
fornecimento de calor
4. O processo de exaustão é substituído por um processo de
rejeição de calor que restaura o fluido de trabalho ao seu
estado inicial
Outra hipótese muito utilizada para simplificar ainda mais a análise
é a de que ar tem calores específicos constantes, cujos valores são
determinados a temperatura ambiente.
Hipótese do Padrão a Ar Frio
Ciclo Otto - Teórico
Rendimento 
onde
Ciclo Otto – Motor 4 e 2 tempos
Exemplo 1
Ciclo Diesel
Ciclo Diesel
Eficiência Térmica – Ciclo Diesel
Sendo rc razão de corte
Para uma mesma razão de 
compressão r 
Ciclo Dual
A aproximação do processo de combustão dos motores a combustão interna como
um processo de fornecimento de calor a pressão constante ou a volume constante
é algo extremamente simplista e pouco realista. Uma abordagem melhor seria
modelar o processo de combustão dos motores como uma combinação de dois
processos de transferência de calor, um a volume constante e outro a pressão
constante. O ciclo ideal baseado nesse conceito é chamado de ciclo dual.
Exemplo 2
Um ciclo diesel ideal com o ar como fluido de trabalho tem uma razão de
compressão de 18 e uma razão de corte de 2. No início do processo de compressão,
o fluido de trabalho está a 14,7 psia, 80⁰F e 117 pol3. Utilizando as hipóteses do
padrão a ar frio, determine:
a) a temperatura e a pressão do ar no final de cada processo
b) o trabalho líquido produzido e a eficiência térmica
Ciclo Brayton – Turbina a Gás
Ciclo Brayton
Hipótese do Padrão a Ar
Ciclo Brayton – Padrão a Ar
A eficiência térmica do ciclo Brayton ideal depende da razão de pressão da turbina 
a gás e da razão dos calores específicos do fluido de trabalho. A eficiência térmica 
aumenta com esses parâmetros.
Rendimento
Razão de pressão
• A temperatura mais alta ocorre ao final do processo de combustão 
(estado 3), e é limitada pela temperatura máxima que as pás da 
turbina podem suportar. Isso também limita as razões de pressão que 
podem ser usadas.
• Para um valor fixo de temperatura na entrada da turbina, o trabalho 
líquido aumenta com a razão de pressão, atinge um máximo e depois 
começa a diminuir.
Otimização do Ciclo Brayton
Otimização do Ciclo Brayton
Otimização do Ciclo Brayton
Otimização do Ciclo Brayton
Desenvolvimento das Turbinas a Gás
As primeiras turbinas a gás tinham baixa eficiência devido as baixas eficiências dos
compressores e turbinas além da baixa temperatura de entrada da turbina. Os
esforços para melhora as turbinas se concentravam em três áreas.
1. Aumento das temperaturas de entrada da turbina
Desenvolvimento de novos materiais e técnicas de resfriamento
2. Aumento das eficiências dos componentes das turbomáquinas
Técnicas numéricas avançadas  projeto de forma mais adequada a aerodinâmica
3. Acrescentando modificações ao ciclo básico
Incorporação do resfriamento intermediário, regeneração e do reaquecimento
Exemplo 3
Uma usina a turbina a gás que operam em um ciclo Brayton ideal tem razão de
pressão de 8. A temperatura do gás é de 300 K na entrada do compressor e 1300 K
na entrada da turbina. Utilizando as hipóteses do padrão a ar, determine:
a) A temperatura do gás nas saídas do compressor e turbina
b) A razão de consumo de trabalho
c) Eficiência térmica
Diferenças entre Ciclo de Turbinas a Gás Reais 
e Idealizados
Queda de pressão durante
processo de adição de
calor
Trabalho de compressão
real é maior
Trabalho realizado pela
turbina é menor
Exemplo 4
Considerando uma eficiência para o compressor de 80% e uma eficiência para a 
turbina de 85%, em relação ao exemplo anterior, determine:
a) A razão de consumo de trabalho
b) A eficiência térmica 
c) A temperatura na saída da turbina do ciclo de turbina a gás discutido no 
exemplo anterior
Ciclo Brayton com Regeneração
Ciclo Brayton com Regeneração
𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛,𝑟𝑒𝑎𝑙 = ℎ5 − ℎ2
𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛,𝑚𝑎𝑥 = ℎ5′ − ℎ2 = ℎ4 − ℎ2
Supondo que o regenerador esteja bem isolado e que todas as
variações de energia cinética e potencial sejam desprezíveis, as
transferências de calor real e máxima dos gases de combustão para o ar
podem ser expressas como
Uma indicação do quanto um regenerador se aproxima de um
regenerador ideal é chamado de efetividade:
∈ =
𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛,𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑞𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛,𝑚𝑎𝑥
=
ℎ5 − ℎ2
ℎ4 − ℎ2
Considerando a hipótese de padrão a ar frio
∈ =
𝑇5 − 𝑇2
𝑇4 − 𝑇2
• Um regenerador com maior efetividade economiza maior quantidade de 
combustível, uma vez que pré-aquece o ar a uma temperatura mais alta antes da 
combustão
• Entretanto, a obtenção de uma efetividade mais alta exige o uso de um 
regenerador maior, que custa mais caro e causa maior queda de pressão.
Dentro da hipótese de padrão a ar frio, a eficiência térmica de um ciclo Brayton
ideal com regeneração é
Exemplo 5
Determine a eficiência térmica da turbina a gás descrita no exemplo 
anterior se um regenerador com efetividade de 80% for instalado.
Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, 
Reaquecimento e Regeneração
• Para minimizar o trabalho do compressor o processo de compressão deve ser
executado de forma internamente reversível (minimizando as
irreversibilidades como atrito, turbulência e a compressão em não equilíbrio).
• Uma forma prática de se reduzir o trabalho do compressor é manter o volume
específico do gás no menor nível possível durante o processo de compressão.
• Isso é feito mantendo a mais baixa temperatura possível para o gás durante a
compressão.
• Uma técnica para diminuir o trabalho de compressão é realizar a compressão
em múltiplos estágios com resfriamento intermediário, no qual o gás é
comprimido em estágios e resfriado entre cada estágio, quando passa no por
um trocador de calor chamado resfriador intermediário.
Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, 
Reaquecimento e Regeneração
• Da mesmaforma que o resfriamento no compressor diminui o 
trabalho, a expansão em múltiplos estágios com reaquecimento 
aumenta o trabalho produzido.
O trabalho de compressão ou expansão em regime permanente é 
proporcional ao volume específico do fluido. Portanto, o volume 
específico do fluido de trabalho deve ser o mais baixo possível durante 
um processo de compressão e o mais alto possível em um processo de 
expansão.
Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, 
Reaquecimento e Regeneração
• Em geral, a combustão nas turbinas a gás ocorre com quatro vezes a quantidade
de ar necessária com a finalidade de efetuar uma combustão completa e evitar
temperaturas excessivas. Assim, os gases de exaustão são ricos em oxigênio e o
reaquecimento pode ser realizado simplesmente aspergindo combustível
adicional nos gases de exaustão entre dois estágios de exaustão.
• Quando o resfriamento intermediário e o reaquecimento são utilizado, o fluido
de trabalho deixa o compressor a uma temperatura mais baixa e a turbina a uma
temperatura mais alta. Isso torna a regeneração mais atraente.
Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, 
Reaquecimento e Regeneração
Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, 
Reaquecimento e Regeneração
O trabalho fornecido ao compressor de dois estágios é minimizado quando razões
de pressão iguais são mantidas ao longo de cada estágio. Assim como esse
procedimento também maximiza o trabalho realizado pela turbina. Então para
obtermos o melhor desempenho:
Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, 
Reaquecimento e Regeneração
A razão de consumo de trabalho de um ciclo de turbina a
gás melhora devido ao resfriamento intermediário e ao
reaquecimento.
Entretanto, o resfriamento e o reaquecimento sempre
diminuem a eficiência térmica, ao menos que sejam
acompanhados por regeneração.
Isso acontece porque o resfriamento intermediário diminui
a temperatura média com o qual o calor é fornecido, e o
reaquecimento aumenta a temperatura média com a qual
o calor é rejeitado.
Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, 
Reaquecimento e Regeneração
Se o número de estágios de compressão e
expansão aumentar a eficiência térmica se
aproxima do limite teórico (eficiência de
Carnot). Entretanto, a contribuição de cada
estágio adicional para a eficiência térmica é cada
vez menor, e a utilização de mais de dois ou três
estágios não se justifica economicamente.
Exemplo 6
Um ciclo de turbina a gás ideal com dois estágios de compressão e dois estágios de
expansão tem uma razão de pressão global igual a 81/2. O ar entra em cada estágio
do compressor a 300 K e em cada estágio da turbina a 1300 K. Determine a razão
de consumo de trabalho e a eficiência térmica desse ciclo de turbina a gás,
considerando
a) nenhum regenerador 
b) um regenerador ideal com efetividade de 100%.
Ciclo de Propulsão a Jato Ideal
• O ciclo de propulsão a jato difere do ciclo Brayton, uma vez
que os gases não se expandem até a pressão ambiente no
interior da turbina. Em vez disso eles se expandem até
uma pressão na qual a turbina produz trabalho apenas
para acionar o compressor e equipamentos auxiliares,
como um gerador pequeno e bombas hidráulicas.
• O trabalho líquido produzido é zero
• Os gases que deixam a turbina a uma pressão alta são
acelerados em um bocal para fornecer empuxo e mover o
avião.
Ciclo de Propulsão a Jato Ideal
• As turbinas a gás de aviões operam com alta razões de pressão (entre 
10 e 25), e o fluido passa primeiro através de um difusor, no qual é 
desacelerado e sua pressão aumenta antes dele entrar no 
compressor.
• Motor a hélice  grande massa de fluido pequena aceleração
• Motor turbojato forte aceleração de uma pequena massa de fluido
• Motor turboélice ou turbofan ambos
Ciclo de Propulsão a Jato Ideal
• O empuxo de um turbojato é a força resultante da diferença entre as
quantidade de movimento do ar a baixa velocidade que entra no
motor e dos gases de exaustão a alta velocidade que deixam o motor.
• Para um avião na velocidade de cruzeiro constante, o empuxo é usado
para superar o arrasto do ar e a força líquida que age sobre o avião é
zero.
Potencia de Propulsão
Eficiência de Propulsão
A eficiência de propulsão é a medida da eficiência de conversão da energia 
térmica liberada durante o processo de combustão em energia de propulsão.
Turbofan (fanjet)
Turbofan (fanjet)
Turboélice (propjet)
Turboélice
• Os turbofan e turboélice diferem principalmente nas razões de diluição: 5 a 6 para 
turbofan e até 100 para turboélice
• Razão de diluição: razão entre a vazão em massa de ar que não escoa pela câmara de 
combustão e a vazão de ar que escoa através dela. O aumento da razão de diluição 
aumenta o empuxo.
• Em geral os motores a hélice são mais eficientes do que os a jato, mas se limita a 
operações a baixa velocidade e altitude.
• Turboélice  necessita de menor pista para decolagem. 
• O Airbus A320 (turbofan) alcança 900 km/h enquanto o ATR 72 (turboélice) alcança 500 
km/h.
• Aviões turboélice alcança cerca de 7.500 metros 
• Aviões turbofan alcança cerca de 10.000 metros
Exemplo 7
Um avião turbojato voa com velocidade de 850 pés/s a uma altitude onde o ar está
a 5 psia e -40 ⁰F. O compressor tem uma razão de pressão de 10, e a temperatura
de saída dos gases da turbina é 2000 ⁰F. O ar entra no compressor a uma taxa de
100 lbm/s. Utilizando as hipóteses do padrão a ar frio, determine:
a) A temperatura e a pressão dos gases na saída da turbina
b) A velocidade dos gases na saída do bocal
c) A eficiência da propulsão do ciclo