Máquinas térmicas DP e ADAP

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MATERIAL DP/ADAP
MÁQUINAS TÉRMICAS E DE FLUXO
Terminologia de Motores
 
 
Ponto Morto Inferior
Ponto Morto Superior
V
r
V

Taxa de compressão:
Pressão Média Efetiva:
ciclo
deslocado
W
pme
V

Motor de Combustão Interna de Quatro Tempos
Simplificações para Ciclos Ideais
• Análise de Ar-padrão:
– Uma quantidade fixa de ar modelado com gás ideal é 
o fluído de trabalho;
– O processo de combustão é substituído por uma 
transferência de calor de uma fonte externa;
– Os processos de exaustão e admissão são substituídos 
por um processo de perda de calor a volume 
constante;
– Todos os processos são internamente reversíveis;
– Calores específicos são constantes nos seus valores 
para temperatura ambiente. 
Ciclo de Ar-Padrão Otto
1-2: Compressão adiabática 
reversível (isoentrópico);
2-3: Fornecimento de calor 
a volume constante;
3-4: Expansão adiabática 
reversível (isoentrópico);
4-1: Perda de calor a 
volume constante.
1-2: Compressão adiabática 
reversível (isoentrópico);
2-3: Fornecimento de calor 
a volume constante;
3-4: Expansão adiabática 
reversível (isoentrópico);
4-1: Perda de calor a 
volume constante.
Gráficos p-v e T-s
Trabalho realizado
pelo sistema
Trabalho fornecido
para o sistema
Trabalho Líquido Obtido
Calor fornecido
Calor rejeitado
Calor Líquido Absorvido
Análise Energética do Ciclo Otto
Processo 1-2:
23
23 3 2
0
( )
W
Q m u u

 
12
12 2 1
0
( )
Q
W m u u

 
34
34 3 4
0
( )
Q
W m u u

 
41
41 4 1
0
( )
W
Q m u u

 
Processo 3-4:
Processo 4-1:Processo 2-3:
Eficiência Térmica do Ciclo Otto
4 1
23 3 2
1
2
1
 1
 1
1
 1
liq
k
W u u
Q u u
T
T
r
 




  

 
 
1,4k 
3 2 4 1( )liqW m h h u u   
Ciclo de Ar-Padrão Diesel
1-2: Compressão adiabática 
reversível (isoentrópico);
2-3: Fornecimento de calor 
a pressão constante;
3-4: Expansão adiabática 
reversível (isoentrópico);
4-1: Perda de calor a 
volume constante.
Gráficos P-v e T-s
Trabalho Líquido Obtido
Calor Líquido Absorvido
Análise Energética do Ciclo Diesel
Processo 1-2:
12
12 2 1
0
( )
Q
W m u u

 
Processo 3-4:
Processo 2-3: Processo 4-1:
41
41 4 1
0
( )
W
Q m u u

 
34
34 3 4
0
( )
Q
W m u u

 
23 2 3 2
23 3 2
( )
( )
W p v v
Q m h h
 
 
Eficiência Térmica do Ciclo Diesel
3 2 4 1( )liqW m h h u u   
3
2
c
V
r
V

4 1
23 3 2
1
 1
11
 1
( 1)
liq
k
c
k
c
W u u
Q h h
r
r k r
 



  

 
   
 
Razão de Corte
Problemas no Ciclo Diesel
• Devido a falta de qualidade do óleo, pode 
permanecer combustível na câmara sem 
queimar na hora certa;
• Quando queimado, essa sobra gera uma 
quantidade de energia superior àquela 
necessária;
• Isso força o pistão a descer com velocidade 
superior, causando danos mecânicos e perda 
de potência;
• Pode-se evitar com a utilização de combustível 
com alta cetanagem (facilidade à detonação).
Comparação entre Ciclos Otto e Diesel
1 s
e
Q
Q
  
3( ) 3( )
( ) ( )
( ) 
Otto Diesel
e Otto e Diesel
Otto Diesel
T T
Q Q
 



Taxa de compressão constante: Temperatura máxima constante:
Constante
2( ) 2( )
( ) ( )
( ) 
Otto Diesel
e Otto e Diesel
Otto Diesel
T T
Q Q
 



Turbinas a Gás Simples – Ciclo Brayton
(a) Aberta para a atmosfera (b) Fechada
Gráficos P-v e T-s
Trabalho líquido obtido
Calor líquido fornecido
Análise Energética do Ciclo Brayton
2 1( )cW m h h 
3 4( )tW m h h 
4 1( )saiQ m h h 
2 1
3 4
c
t
W m h h
bwr
W m h h

 

3 2( )entraQ m h h 
Potência Consumida no Compressor
Razão de Trabalho Reverso
Calor que Adicionado no Ciclo
Potência Produzida na Turbina
Calor que Rejeitado pelo Ciclo
Eficiência Térmica do Ciclo Brayton
3 4 2 1
4 1
3 2
1
2
1
2
1
 ( )
 1
1
 1
 
liq
liq
entra
k
k
W m h h h h
W h h
Q h h
P
P
P
RC
P



   
 
    
 
 
 
 
 
Razão de Compressão
Limitação na Razão de Compressão
• A temperatura máxima 
permissível na entrada 
da turbina é limitada por 
questões metalúrgicas;
• Precisa-se encontrar uma 
razão de compressão que 
otimize a eficiência.
1
32 2
1 1
 
k
kTP
P T
 
  
 
Irreversibilidades e Perdas
• As irreversibilidades nos compressor e na 
turbina não podem ser desprezadas e 
devem ser levadas em conta através de 
eficiências isoentrópicas;
• Atualmente com o desenvolvimento de 
tecnologias as eficiências de turbinas e 
compressores estão na faixa de 0,75 a 
0,95. 
Irreversibilidades no Gráfico T-s 
(a) Realística (b) Simplificada
Eficiências Isoentrópicas
 
 
3 4
3 4
t
t
st s
W m h h
h hW m


 

 
 
2 1
2 1
c s s
c
c
W m h h
h hW m


 

Eficiência Isoentrópica da Turbina
Eficiência Isoentrópica do Compressor
Turbinas a Gás Regenerativas
• O gás de escape da turbina possui um 
potencial para uso;
• Essa exergia pode ser utilizada por um 
regenerador que pré-aquece o gás antes 
de entrar no combustor;
• Com isso diminui-se a quantidade de calor 
a ser fornecida na câmara de combustão.
Ciclo de Brayton Regenerativo
3( )entra xQ m h h 
Nova quantidade de calor fornecida :
Efetividade do Regenerador
(a) Real (b) Reversível
Eficiência Regenerativa
2
4 2
x
reg
h h
h h




Efetividade do Regenerador
Efetividades Típicas
0,6 0,8reg 
Turbinas a Gás Modificadas
• Para aumentar o trabalho líquido 
produzido pode ser utilizado:
• Expansão em múltiplos estágios com 
reaquecimento;
• Compressão em múltiplos estágios com 
inter-resfriamento. 
Turbina a Gás com Reaquecimento
Turbina a Gás com Reaquecimento
• Vantagem: Potência maior com a mesma 
vazão de ar;
• Desvantagem: Há uma queima a mais, logo 
gasta-se mais combustível;
Compressão com Inter-Resfriamento
Termodinâmica 2
Sistemas de Potência a Vapor
Princípios de Termodinâmica para Engenharia
Capítulo 8
Usina de Potência a Vapor Simples
Subsistema “A”
Ciclo de Rankine
1-2: Expansão isoentrópica do fluido de trabalho 
através da turbina de vapor saturado no estado 1 
até a pressão do condensador;
2-3: Transferência de calor do fluido de trabalho à 
medida que ele escoa a pressão constante através 
do condensador com líquido saturado no estado 3;
3-4: Compressão isoentrópica na bomba até o 
estado 4 na região de líquido comprimido;
4-1: Transferência de calor para o fluido de 
trabalho à medida que ele escoa a pressão 
constante através da caldeira para completar o 
ciclo.
Gráfico T-s 
Análise Energética do Ciclo de Rankine
1 2( )tW m h h 
2 3( )saiQ m h h 
4 3( )bW m h h 
1-2: Turbina
2-3: Condensador 4-1: Caldeira
3-4: Bomba
1 4( )entraQ m h h 
Eficiência Térmica
1 2 4 3
2 3
1 4
( )
 
( )
 1
( )
liq
t b
entra
W m h h h h
W W
Q
h h
h h


   



 
