EER0013 Aula 6 Ciclos de Potência com Fluidos de Trabalho Gasosos (Parte 1)

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Aula 6 – Ciclos de Potência com
Fluidos de Trabalho Gasosos (Parte 1)
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 / 15
Tópicos da Aula
● Ciclos de Potência com Fluidos de Trabalho Gasosos – Parte 1:
● Motores de combustão externa.
● Motores de combustão interna.
● Ciclos padrão a ar.
● Ciclo Rankine x Ciclo Brayton.
● Ciclo Brayton.
● Ciclo Brayton com Regenerador.
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Motores de Combustão Externa
● Motores de Combustão Externa:
● São aqueles nos quais a potência térmica dos gases de combustão é transferida 
para o fluido de trabalho, que muda de fase ao percorrer o ciclo termodinâmico:
● Turbina a vapor.
● Motor ciclo Stirling.
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Motores de Combustão Externa
● Vantagens:
● Podem usar uma grande variedade de combustíveis como fonte de energia.
● Há mais tempo para a combustão se processar:
● O processo de combustão é mais completo.
● Menor poluição do ar.
● Maior aproveitamento da energia do combustível.
● Como operam em ciclo fechado, pode-se utilizar um fluido de trabalho com 
características mais desejáveis.
● Possuem alta versatilidade, pois podem operar em qualquer lugar.
● Geralmente possuem eficiência mais alta que os motores de combustão interna.
● Desvantagens:
● Geralmente são motores pesados e grandes, portanto são caros.
● Sua partida é demorada.
● Requerem muitos sistemas de segurança.
● Respondem lentamente a transientes de trabalho.
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Motores de Combustão Interna
● Motores de Combustão Interna:
● São aqueles nos quais em seu interior ocorre uma mudança na composição do 
fluido de trabalho, o qual não muda de fase ao percorrer o ciclo termodinâmico:
● Motor ciclo Otto.
● Motor ciclo Diesel.
● Turbina a gás.
● Operam em um ciclo aberto, pois o fluido de trabalho não passa por um ciclo 
termodinâmico completo.
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Motores de Combustão Interna
● Vantagens:
● Geralmente são motores compactos e leves, portanto são baratos.
● Sua partida é rápida.
● Não requerem muitos sistemas de segurança.
● Ideais para regimes de trabalho transientes.
● Possuem alta versatilidade.
● Desvantagens:
● Permitem apenas o uso de combustíveis gasosos ou líquidos.
● Há menos tempo para a combustão se processar:
● O processo de combustão é mais incompleto.
● Maior poluição do ar.
● Menor aproveitamento da energia do combustível.
● Superaquecem muito rapidamente caso os sistemas de arrefecimento falhem.
● Geralmente possuem eficiência baixa.
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Ciclos Padrão a Ar
● Ciclos Padrão a Ar:
● Permitem o estudo dos motores de combustão interna como ciclos fechados.
● Hipóteses assumidas:
● Fluido de trabalho É→ uma massa fixa de ar (não há processo de 
alimentação e descarga), modelado como gás perfeito.
● Processo de combustão S→ ubstituído por um processo de transferência de 
calor de uma fonte externa.
● Exaustão e admissão Substituído por um processo de→ transferência de 
calor ao meio envolvente.
● Todos os processos são internamente reversíveis.
● O ar apresenta calor específico constante.
● Vantagem → Permite examinar qualitativamente a influência das variáveis no 
desempenho do ciclo.
● Desvantagem → Os resultados obtidos diferem consideravelmente dos de um 
motor real.
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Ciclo Rankine x Ciclo Brayton
● Ciclo Rankine x Ciclo Brayton:
● Ambos são formados por quatro processos em regime permanente:
● Compressão adiabática reversível (isentrópica).
● Recebimento de calor isobárico.
● Expansão adiabática reversível (isentrópica).
● Rejeição de calor isobárica.
● Ciclo Rankine:
● É o ciclo ideal quando o fluido de trabalho utilizado sofre mudança de fase.
● Exemplo: Unidade motora a vapor.
● Ciclo Brayton:
● É o ciclo ideal quando o fluido de trabalho utilizado não sofre mudança de 
fase nos processos isobáricos, permanecendo sempre na fase gasosa.
● Exemplo: Turbina a gás.
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Ciclo Rankine x Ciclo Brayton
● Ciclo Rankine: ● Ciclo Brayton:
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Ciclo Brayton
● Ciclo Brayton:
● Esquema de uma turbina a gás operando segundo um ciclo Brayton:
● (a) Ciclo aberto (processo de combustão interna).→
● (b) Ciclo fechado (utiliza dois processos de transferência de calor).→
● Diagramas p-v e T-s para o ciclo
padrão a ar Brayton (fechado):
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Ciclo Brayton
● O rendimento deste ciclo é dado por:
● Entretanto, para processos isentrópicos, vimos que:
● Como os processos 2-3 e 4-1 são isobáricos, tem-se:
● Logo, o rendimento é função da relação de pressão isentrópica p2/p1:
ηtérmico=1−
qL
qH
=1−
c p(T 4−T 1)
c p(T 3−T 2)
=1−
T1(T 4T 1−1)
T 2(T 3T 2−1)
P3
P4
=
P2
P1
=(T 2T1 )
k
k−1=( T 3T 4 )
k
k−1 →
T 3
T 4
=
T 2
T 1
→
T 3
T 2
=
T 4
T 1
→
T 3
T 2
−1=
T 4
T 1
−1
T 2
T 1
=( P2P1 )
k−1
k →
P2
P1
=(T 2T 1 )
k
k−1
ηtérmico=1−
T 1(T 4T 1−1)
T 2(T 3T 2−1)
=1−
T 1(T 4T1−1)
T 2(T 4T1−1)
→ ηtérmico=1−
T 1
T 2
=1− 1
( P2P1 )
k−1
k
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Ciclo Brayton
● A turbina a gás real difere do ciclo ideal devido:
● Às irreversibilidades no compressor e na turbina.
● À perda de carga nas passagens do fluido e na fornalha.
● A figura ao lado mostra o diagrama de uma turbina a gás
real (ciclo 1-2-3-4-1), comparado com o diagrama de uma
turbina a gás ideal (ciclo 1-2s-3-4s-1).
● Define-se as eficiências isentrópicas do compressor e da turbina:
● Compressor:
● Utiliza de 40 a 80% do trabalho gerado na turbina.
● O rendimento global cai rápido se as eficiências do compressor e da 
turbina caem.
ηcompressor=
W ideal
W real
=
h2 s−h1
h2−h1
e ηturbina=
W real
W ideal
=
h3−h4
h3−h4 s
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Ciclo Brayton com Regenerador
● Ciclo Brayton com Regenerador:
● Melhora-se o rendimento do ciclo da turbina a gás introduzindo um regenerador.
● A figura ao lado mostra o esquema de um ciclo
aberto simples de turbina a gás com regenerador,
e os respectivos diagramas p-v e T-s.
● Como T4 > T2, usando um trocador de calor se pode
transferir calor dos gases de descarga da turbina
para os gases que saem do compressor.
● No caso ideal, Tx = T4 e o calor que deve ser fornecido
na câmara de combustão deve aumentar a temperatura
de Tx para T3 (área x-3-d-b-x), e não mais de T2 para T3,
enquanto a área y-1-a-c-y representa o calor rejeitado.
● Influência da relação de pressão: No ciclo 1-2'-3'-4-1,
onde T4 = T2', não se pode utilizar um regenerador.
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Ciclo Brayton com Regenerador
● O rendimento deste ciclo com regeneração é dado por:
● Onde:
● Para um regenerador ideal, tem-se que T4 = Tx, e portanto qH = wt, e assim:
● Logo, ηtérmico depende não só de p2/p1, mas também da razão T1/T3.
● Ao contrário do ciclo Brayton, o rendimento diminui com o aumento de p2/p1.
ηtérmico=
wlíq
qH
=
w t−|wc|
qH
qH=c p (T 3−T x ) e w t=c p(T 3−T 4)
ηtérmico=
wt−|wc|
qH
=
qH−|wc|
qH
=1−
|wc|
qH
=1−
c p(T 2−T 1)
c p(T 3−T 4)
=1−
T 1(T 2T1−1)
T 3(1−T 4T 3 )
=1−
T 1
T 3
[( p2p1 )
k−1
k −1 ]
[1−( p1p2 )
k−1
k ]
ηtérmico=1−
T 1
T 3 (
p2
p1 )
k−1
k =1−
T 2
T 3
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Ciclo Brayton com Regenerador
● Da figura abaixo define-se a eficiência de um regenerador (o ponto x representa 
o estado do gás a alta pressão que deixa o regenerador):
● Regenerador ideal → ΔT entre as duas correntes de gás é infinitesimal,e o 
gás a alta pressão deixa o regenerador à temperatura Tx' = T4.
● Regenerador real T → do gás que deixa o regenerador Tx é menor que Tx'.
● A eficiência do regenerador pode, então, ser definida por (se o calor específico 
do gás é constante, a equação da direita pode também ser usada):
● Rendimentos mais altos R→ egeneradores maiores → Maiores perdas de carga.
ηregenerador=
hx−h2
hx '−h2
, e se c p=cte : ηregenerador=
T x−T 2
T x'−T 2
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