Otto,diesel,dual

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Termodinâmica II
Sistemas de Potência a Gás (ciclos padrão-ar)
 
 
 
Introdução
Objetivos do capítulo: apresentar os ciclos motores
padrão-ar (Otto, Diesel e Brayton), analisar os 
fatores determinantes do rendimento térmico e 
identificar as melhorias possíveis.
Os ciclos motores padrão-ar explicam, do ponto de 
vista termodinâmico, a operação de motores de 
combustão interna (ICE e ICO) e de turbinas a gás 
(estacionárias e aeronáuticas).
São sistemas de potência a gás pois o fluido, quando 
da expansão, é uma mistura de gases de combustão.
Importância dos ciclos baseados em TGs
100%
Na figura ao lado é
apresentado o perfil 
da geração elétrica 
no Mundo (dados 
reais até 2003),
segundo a EIA-DOE 
(dos EUA).
A geração elétrica com 
ciclos baseados em 
turbinas a gás tem 
cada vez mais 
importância no 
Mundo.
80%
60%
40%
20%
0%
1980 1990 2000 2001 2002 2003 2010 2020 2025
%
 g
er
aç
ão
 e
lé
tr
ic
a Outros 
Nuclear 
Outros gases 
GN
Petróleo
Carvão
Ciclo Otto
Referência ao alemão Nikolaus August Otto (1832-1891). Otto e 
seu sócio, Eugen Langen (1833-1895), construíram um motor 
de combustão interna, em 1876, que funcionava com gás de 
iluminação. O motor foi apresentado em uma exposição em 
Paris, em 1878. Apesar do sucesso, Otto não conseguiu o 
direito de construir e comercializar motores na França.
Em 1864 criou uma empresa, que mais tarde se dedicou à 
construção de motores de combustão interna.
Os primeiros motores construídos por Otto eram motores 2T. 
O primeiro motor 4T de Otto produzia 3 HP a 180 rpm, com
eficiência de 14%. Tinha taxa de compressão 2,5:1. No
desenvolvimento de motores 4T, Otto trabalhou com Daimler
Maybach.
Na França, o ciclo Otto é conhecido como ciclo Beau de Rochas 
(referência a Alphonse Beau de Rochas – 1815-1893 – que 
conseguiu uma patente em 1862 mas jamais construiu um
e
motor). Por conta disso, a patente de Otto foi anulada em 1886.
Ciclo Otto
Nomenclatura: diâmetro, curso, taxa de compressão, ponto morto
superior, ponto morto inferior, cilindrada (volume de
deslocamento), quatro tempos, cursos (de admissão, 
compressão, de potência e de escape), pressão média efetiva.
Pressão média efetiva
Pressão média efetiva é a pressão constante, teórica, que se
atuasse no pistão durante o ciclo de potência produziria o 
mesmo trabalho líquido produzido pelo ciclo.
Pressão média efetiva (pme) é a relação entre o trabalho líquido 
de um ciclo e o volume deslocado (de deslocamento).
Se dois motores têm o mesmo volume de deslocamento (mesma 
cilindrada), o de maior pme produz mais trabalho. Se os 
motores operam à mesma rotação, o de maior pme produz 
mais potência.
A pme está diretamente associada ao torque do motor.
Ciclo padrão-ar (ar-padrão) (ICE e ICO)
Em relação aos motores de combustão interna reais, várias hipóteses
simplificadoras são feitas para a análise dos ciclos.
Primeiro, considera-se que o fluído de trabalho é o ar (que se comporta 
como gás perfeito) em qualquer etapa da operação do motor.
Segundo, é considerado um sistema fechado (modelo conjunto cilindro- 
pistão).
Para respeitar as hipóteses acima, o processo de combustão é substituído por 
um processo de transferência de energia por calor, de um reservatório de 
alta temperatura para o ar.
O processo de rejeição de calor é substituído por um processo de rejeição de 
calor a volume constante.
Considera-se que os calores específicos do ar (a pressão e a volume 
constante) são constantes (para efeitos de cálculo, considera-se a 
temperatura média ou a menor temperatura do ciclo).
Ciclo padrão Otto
O ciclo é constituído de quatro processos termodinâmicos. Os processos de
compressão e de expansão são imaginados adiabáticos e reversíveis 
(portanto, isentrópicos), enquanto os processo de fornecimento e de 
rejeição de calor são a volume constante.
O processo de fornecimento de calor substitui a combustão. A rejeição de 
calor substitui os processos de exaustão e de admissão.
Ciclo padrão Otto
O modelo físico é o de um conjunto 
cilindro-pistão.
Aplicando-se a primeira lei ao 
sistema ao processo de 
compressão tem-se que:w
12
= u
1 
– u
2 
= c
v
.(T
1 
– T
2
)
segundo as hipóteses de que o
fluído é ar, que este se comporta 
como gás ideal, e que o calor 
específico é constante.
Para os demais processos, tem-se:
Fornecimento de calor: q
23
= u
3 
– u
2 
= c
v
.(T
3 
– T
2
)
Expansão: w
34
= u
3 
– u
4 
= c
v
.(T
3 
– T
4
)
Rejeição de calor: q
41
= u
1 
– u
4 
= c
v
.(T
1 
– T
4
)
Ciclo padrão Otto
O rendimento térmico do ciclo é 
dado pela relação:η
to
= 1 – (q
41
/q
23
)
Substituindo as expressões
derivadas da Primeira Lei, tem-
se que:η
to
= 1 – [c
v
.(T
4 
– T
1
) /c
v
.(T
3 
– T
2
)]
e como o calor específico é
constante, resta:
η
to
= 1 – [(T
4 
– T
1
) /(T
3 
– T
2
)]
A equação é rescrita de forma que:
η
tO
= 1 – (T
1
/T
2
).[(T
4
/T
1 
- 1) /(T
3
/T
2 
- 1)]
Pode-se demonstrar que a expressão dentro dos colchetes é igual a 1.
(v
2
/v
1
)[(k-1)/k]Já a relação de temperaturas (T
1
/T
2
) é igual a
Ciclo padrão Otto
Assim, o rendimento térmico 
do ciclo Otto ideal é 
função exclusiva da taxa 
de compressão.
Para um motor real, o 
rendimento é função da 
taxa de compressão, do 
rendimento volumétrico, 
do rendimento mecânico, 
da relação ar-combustível, 
(indiretamente) da carga, 
da rotação, etc.
T
1
T2
 1 η
tO
= 1 
−
= (k −1) k
 
 
v
1
v
2 
Exemplo 9.1
Considere um ciclo padrão-ar Otto que
= 8. São dados pressão, temperatura
tem taxa de compressão
e volume do cilindro noestado 1. Também é dada a temperatura máxima do ar ao
longo do ciclo. Pede-se: (a) pressão e temperatura no final de 
cada processo; (b) o rendimento térmico do ciclo; (c) a
pressão média efetiva, em atm.
Exemplo 9.1
Hipóteses:
O ar, no conjunto cilindro-pistão, é o sistema fechado;
Os processos de compressão e expansão são adiabáticos; 
Todos os processos são internamente reversíveis;
O ar é modelado como gás ideal;
Variações de energia cinética e potencial devem ser desprezadas;
1.
2.
3.
4.
5.
Discussão do procedimento de solução:
O fluído de trabalho é gás ideal, e a equação de estado p.v = R.T pode ser 
aplicada no cálculo das propriedades. Ademais, os processos de 
compressão e de expansão são isentrópicos, e a taxa de compressão 
pode ser associada à relação dos volumes relativos. O volume relativo 
é função exclusiva da temperatura.
Exemplo 9.1
O estado termodinâmico 1 está determinado. Trabalhando com
a relação de volumes relativos é possível encontrar a 
temperatura em 2 e, a partir daí, determinar a pressão.
Do estado 3 são conhecidos temperatura e volume. Portanto, a 
pressão pode ser calculada. A temperatura em 4 é 
determinada a partir do volume relativo.
Conhecidas todas as temperaturas, a energia interna do ar em 
cada estado pode ser determinada.
A eficiência térmica do ciclo é calculada como 51%. 
A pressão média efetiva é calculada como 8,03 atm.
Ciclo Diesel
Embora tenha nascido em Paris, Diesel era alemão de origem. Rudolf 
Diesel (1858-1913) construiu o primeiro motor de ignição por 
compressão em 1894. A patente foi obtida em 1892.
O primeiro motor (apenas um cilindro) utilizou carvão mineral 
pulverizado como combustível, e não funcionou bem (na realidade, 
funcionou apenas por alguns minutos). O motor tinha 3 metros de 
altura!
O segundo motor construído, em 1897, já utilizava um combustível 
líquido de especificaçãoaproximadas ao óleo diesel atual. Diesel 
tinha interesse em empregar óleos vegetais.
Os motores diesel tiveram emprego extremamente limitado, o que, 
aparentemente, levou Diesel a ter sérios problemas econômicos. 
Morreu em circunstâncias misteriosas em uma travessia do Canal da 
Mancha.
Só em 1923 um motor diesel foi pela primeira vez usado em um 
caminhão. Em automóveis só foi empregado pela primeira vez em
1936.
O empregado mais geral em automóveis só ocorreu nos anos 1970, 
quando das chamadas “Crises do Petróleo”.
Ciclo padrão Diesel
O ciclo é formado por quatro processos termodinâmicos. Os processos de
compressão e de expansão são imaginados adiabáticos e reversíveis (portanto,
isentrópicos). O processo de fornecimento de calor é imaginado a pressão 
constante e o de rejeição de calor a volume constante.
O processo de fornecimento de calor a pressão constante substitui a combustão.
A rejeição de calor substitui os processo de exaustão e de admissão.
Ciclo padrão Diesel
O modelo físico também é o de um 
conjunto cilindro-pistão.
Aplicando-se a primeira lei ao 
sistema durante o processo de 
compressão tem-se que:w
12
= u
1 
– u
2 
= c
v
.(T
1 
– T
2
)
segundo as hipótese de que o fluído
é ar, que se comporta como gás 
ideal, e que o calor específico é 
constante.
Para os demais processos, tem-se:
Fornecimento de calor: q
23
= (u
3 
– u
2
) + p.(v
3 
- v
2
) = c
p
.(T
3 
– T
2
)
Expansão: w
34
= u
3 
– u
4 
= c
v
.(T
3 
– T
4
)
Rejeição de calor: q
41
= u
1 
– u
4 
= c
v
.(T
1 
– T
4
)
Ciclo padrão Diesel
k −1 k 1
k
v
2 
r
c 
− 1 
 
. .
 η = tD v
1
r
c 
−1 
v
3 
r =c v
2
O rendimento do ciclo Diesel ideal é função da taxa de
compressão e do grau de expansão preliminar (ou razão de
corte, segundo alguns autores).
Ciclo padrão Diesel
k −1 k 1
k
v
2 
r
c 
− 1 
 
. .
 η = tD v
1
r
c 
−1 
v
3 r =c v
2
Para uma dada taxa de compressão, quanto menor a razão de
corte maior o rendimento térmico. Razão de corte pequena,
na prática, requer combustão rápida.
Exemplo 9.2
Considere um ciclo padrão-ar Diesel que tem taxa de
compressão = 18. São dados pressão e temperatura no estado
1. A razão de corte é igual a 2. Pede-se: (a) pressão e 
temperatura no final de cada processo; (b) o rendimento
térmico do ciclo; (c) a pressão média efetiva, em MPa.
Exemplo 9.2
Hipóteses:
O ar, no conjunto cilindro-pistão, é o sistema fechado;
Os processos de compressão e expansão são adiabáticos; 
Todos os processos são internamente reversíveis;
O ar é modelado como gás ideal;
Variações de energia cinética e potencial devem ser desprezadas;
1.
2.
3.
4.
5.
Discussão do procedimento de solução:
O fluído de trabalho é gás ideal, e a equação de estado p.v = R.T pode ser 
aplicada no cálculo das propriedades. Ademais, os processos de 
compressão e de expansão são isentrópicos, e a taxa de compressão 
pode ser associada à relação dos volumes relativos. O volume relativo 
é função exclusiva da temperatura.
Exemplo 9.2
Do estado termodinâmico 2 tem-se que
em T2 = 898,3 K, p2 = 5,39 MPa.
v
r2
= 34,51, resultando
O processo de fornecimento de calor ocorre a pressão constante
e a razão de corte é conhecida. Portanto, pode-se calcular 
que T3 = 1796,6 K.
Trabalhando novamente com o volume relativo (atenção que a 
relação volumétrica na expansão é diferente dacompressão), tem-se que v
r4
= 35,73, T
4 
= 887,7 K.
A eficiência térmica do ciclo é calculada como 57,8%.
A pressão média efetiva do ciclo é 0,76 MPa.
Otto x Diesel
A comparação correta deve
ser feita entre ciclos que
operem entre as mesmas 
temperaturas máxima e
mínima. Nessas condições,
a temperatura média de 
fornecimento de calor do
ciclo Diesel é maior.
Então?Caso fosse possível comparar ciclos que têm a mesma taxa de
compressão, o ciclo Otto teria a maior temperatura média de
fornecimento de calor. Então?
Por que não é correta a comparação segundo a mesma taxa de 
compressão?
Otto x Diesel
Comparando motores para as mesmas finalidades (veículos
equivalentes), tem-se que os motores diesel são mais caros,
mas são mais eficientes. O uso de motores diesel é 
justificável quando do uso mais intensivo do veículo (e.g.,
caminhões, ônibus, etc.)
Ciclo Dual
O Ciclo Dual é mais adequado para representar motores diesel
modernos, nos quais a injeção de combustível é feita por
bomba injetora.
processo de fornecimento de calor ocorre parte a volume 
constante, parte a pressão constante.
ciclo dual também é conhecido como ciclo Sabathé ou ciclo
Trinkler.
O
O
Exemplo 9.3
Um motor é modelado pelo ciclo padrão-ar dual, com taxa de
compressão 18. Pressão e temperatura do ar no início da
compressão são conhecidos. No processo de fornecimento de 
energia por calor a volume constante a pressão do ar aumenta
50%. A razão de corte é 1,2:1. Determine: a) a eficiência
térmica, e b) a pressão média efetiva.
Exemplo 9.3
Hipóteses:
O ar, no conjunto cilindro-pistão, é o sistema fechado;
Os processos de compressão e expansão são adiabáticos; 
Todos os processos são internamente reversíveis;
O ar é modelado como gás ideal;
Variações de energia cinética e potencial devem ser desprezadas;
1.
2.
3.
4.
5.
Discussão do procedimento de solução:
O fluído de trabalho é gás ideal, e a equação de estado p.v = R.T pode ser 
aplicada no cálculo das propriedades. Ademais, os processos de 
compressão e de expansão são isentrópicos, e a taxa de compressão 
pode ser associada à relação dos volumes relativos. O volume relativo 
é função exclusiva da temperatura.
Exemplo 9.3
Nos processos de fornecimento de calor as temperaturas T
3 
e T
4são calculadas como 1347,5 K e 1617 K, respectivamente.
A eficiência térmica é calculada como 63,5% (deve ser notado,
comparando resultados com o Exemplo 9.2, que para a
mesma taxa de compressão e embora a temperatura 
máxima seja menor no caso ciclo dual, o rendimento
térmico é maior em relação ao ciclo diesel).
eficiência térmica é calculada como 0,56 MPa (por outro 
lado, a pressão média efetiva do ciclo dual e menor do que 
a do ciclo diesel, o que significa que para motores de 
mesma cilindrada, operando na mesma rotação, a potência 
do motor que operasse no ciclo dual seria menor).
A
Turbinas a gás estacionárias
O que se chama de
turbina a gás é um
conjunto compressor
+ câmara de 
combustão +
expansor (turbina)
Ciclo Brayton (Joule)
O ciclo de referência para o estudo das 
turbinas a gás é o ciclo Brayton.
O ciclo ideal tem dois processos 
adiabáticos reversíveis (compressão 
e expansão), enquanto os processos 
de fornecimento e rejeição de calor 
são a pressão constante.
Ciclo Brayton (Joule)
Calculando as Transferências de Calor 
Trabalho Principais.
A eficiência térmica do ciclo é
Ciclo Brayton (Joule)
Para os processos isentrópicos 1–2 e 3–4:
Quando um ciclo Brayton ideal é analisado com base em ar-padrão frio, os calores específicos 
são considerados constantes. Obtemos então as seguintes equações
Ciclo Brayton (Joule)
O rendimento térmico do ciclo Brayton 
ideal é função exclusiva da relação 
de pressões.Para as turbinas a gás reais, existe
relação de pressões que resulta
uma
máximo rendimento térmico.
Exemplo
Uma turbina a gás é modelada pelo ciclo Brayton padrão-ar. Ar 
entra no compressor a 100 kPa, 300 K, com vazão volumétrica 
de 5 m3/s. A relação de compressão (relação de pressões) é 10 e 
a temperatura máxima é 1400 K. Determine a eficiência térmica 
e a potência líquida, em kW.
Exemplo
Hipóteses:
Cada componenteé analisado como um VC operando em RP;
Os processos de compressão e expansão são isentrópicos; 
Não existe perda de carga nos processos de escoamento; 
O ar é modelado como gás ideal;
Variações de energia cinética e potencial devem ser desprezadas;
1.
2.
3.
4.
5.
Discussão do procedimento de solução:
O estado termodinâmico 1 está determinado, por pressão e temperatura. 
O processo de compressão é isentrópico e envolve um gás ideal. Então, a
relação de pressões pode ser associada à relação de pressões relativas.
Com isso, pode-se determinar a temperatura do ar no estado 2.
Exemplo
O processo de expansão também é isentrópico e envolve um gás ideal. 
Então, a relação de pressões pode ser associada à relação de pressões 
relativas. Com isso, pode-se determinar a temperatura do ar no estado 4.
Conhecidas pressão e temperatura no fim de cada processo, pode-se 
encontrar o valor das entalpias específicas do ar. Em decorrência, 
podem ser calculadas as transferências de trabalho e calor em cada 
processo.
A
A 
A
eficiência térmica do ciclo padrão-ar Brayton é calculada em 45,7%.
relação entre o trabalho de compressão e o trabalho de expansão é 39,6%. 
potência líquida produzida é 2.841 kW.
Ciclo Brayton (Joule)
Ainda para o ciclo ideal, o 
trabalho líquido tem valor 
máximo para uma dada relação 
de pressões (também para as 
turbinas reais).
Assim, o projeto de uma 
turbina a gás é uma relação de 
compromisso entre o máximo 
rendimento térmico e o 
máximo trabalho líquido 
(máxima potência da turbina).
250
200
150
100
50
0
0 10 20 30 40
Relação de pressões
Tr
ab
al
ho
 lí
qu
id
o 
[k
J/
kg
 a
r]
ideal, 1000K
Ciclo Brayton real
As irreversibilidades no 
ciclo Brayton gás estão 
associadas às perdas de 
carga no fornecimento e 
na rejeição de calor, e à 
irreversibilidades nos 
processos de compressão 
e de expansão.
Dessas, as irreversibilidades 
na compressão e na 
expansão jamais podem 
ser desconsideradas.
Como o trabalho de compressão é
significativo em relação aotrabalho de expansão, deixar
considerar a eficiência do 
compressor implica erros
expressivos.
de
Ciclo Brayton real
As eficiências isentrópicas da turbina e do compressor 
são dadas por
Exemplo
Uma turbina a gás é modelada
pelo ciclo Brayton. Ar entra
no compressor a 100 kPa,
300 K, com vazão 
volumétrica de 5 m3/s. A
relação de compressão
(relação de pressões) é 10 e a 
temperatura máxima é 1400
K. As eficiências isentrópicas 
do compressor e do expansor
são 80%. Determine a 
eficiência térmica e a 
potência líquida, em kW.
Exemplo
Hipóteses:
Cada componente é analisado como um VC operando em RP;
Os processos de compressão e expansão são adiabáticos; 
Não existe perda de carga nos processos de escoamento; 
O ar é modelado como gás ideal;
Variações de energia cinética e potencial devem ser desprezadas;
1.
2.
3.
4.
5.
Exemplo
A eficiência térmica do ciclo é calculada em 24,9%, contra 
45,7% no caso do ciclo padrão-ar. A diferença, portanto, é 
muito significativa.
A razão de trabalho reverso é calculada em 61,8%, contra 
39,6% no caso do ciclo padrão-ar. A diferença, portanto, é 
também muito significativa.
Finalmente, a potência líquida do ciclo é calculada em 1254 
kW, quando havia sido calculada no ciclo padrão como é
2.841 kW (apenas 44% do valor anterior).
Ciclo Brayton regenerativo
O objetivo da regeneração é aumentar a temperatura média de fornecimento 
de calor, aproveitando a energia dos gases de exaustão, que seria perdida na 
atmosfera.
Ciclo Brayton regenerativo
Efetividade do regenerador dada na equação a seguir é a relação entre a 
energia recuperada em relação à energia que poderia ser recuperada (na 
figura acima, a efetividade seria 100% se Tx fosse igual a T4).
Ciclo Brayton regenerativo
Já havia sido discutido anteriormente que quanto maior a 
diferença de temperaturas entre as duas correntes (quente e fria), 
maiores as irreversibilidades. Para que a diferença de 
temperaturas seja reduzida, é preciso aumentar a área de troca 
de calor (mais caro o trocador de calor) 
Exemplo
Uma turbina a gás é modelada pelo ciclo Brayton padrão-ar. Ar
entra no compressor a 100 kPa, 300 K, com vazão
volumétrica de 5 m3/s. A relação de compressão (relação de 
pressões) é 10 e a temperatura máxima é 1400 K. Determine
a eficiência térmica considerando que um regenerador com
efetividade 80% é incorporado ao ciclo.
Exemplo
O procedimento de resolução é exatamente o mesmo do
Exemplo 9.4, com a diferença que a relação entre as 
variações de entalpias (hx – h2)/(h4 – h2) = 0,8.
Com o regenerador especificado, a eficiência térmica do ciclo 
passa a 56,8%, quando era 45,7% sem o regenerador.
A figura abaixo mostra o efeito da efetividade do regenerador 
sobre a eficiência do ciclo.
Ciclo Brayton regenerativo
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0 10 20 30 40
Relação de pressões
A regeneração no ciclo Brayton (mesmo no caso do ciclo
padrão-ar) tem resultados variáveis com a relação de
pressões. Inclusive, acima de uma dada relação de 
pressões a eficiência térmica é inferior à do ciclo simples.
Por que?
Ef
ic
iê
nc
ia
 té
rm
ic
a
simples,
ideal
reg, 5
reg, 4
TG com reaquecimento
Em turbinas estacionárias, a expansão estagiada com
reaquecimento visa o aumento do trabalho de expansão.
Apenas com tal medida, não há ganhos de eficiência do ciclo de 
potência. Por que?
Em turbinas aeronáuticas o reaquecimento permite o aumento 
do empuxo, mas com redução da eficiência propulsiva.
Compressão com inter-resfriamento
A compressão estagiada com resfriamento
intermediário visa a redução do 
trabalho necessário para a elevação 
da pressão do ar.
Apenas com tal medida, não há ganhos de 
eficiência do ciclo de potência. Por 
que?
Exemplo
Ar é comprimido em dois estágios, de
kPa. Há resfriamento intermediário
100 kPa, 300 K, até 1000
até 300 K, na saída doprimeiro estágio (300 kPa). Cada estágio do compressor é
isentrópico. Determine a temperatura na saída do segundo 
estágio e o trabalho total por kg de ar.
Exemplo
Hipóteses:
Cada estágio do compressor é analisado como um VC operando em
RP;
Os processos de compressão são adiabáticos; 
Não existe perda de carga no resfriador;
O ar é modelado como gás ideal;
Variações de energia cinética e potencial devem ser desprezadas;
1.
2.
3.
4.
5.
Discussão do procedimento de solução:
A temperatura do ar na saída do segundo estágio do compressor pode ser 
calculada pelo procedimento anteriormente discutido: o processo é 
isentrópico e a relação entre as pressão (1000/300) é igual à relação 
entre as pressões relativas. Como o ar é gás ideal, as pressões relativas 
dependem apenas das temperaturas. Assim, calcula-se a temperatura 
T2. Assim, T2 = 422 K, e h2 = 423,8 kJ/kg.
Exemplo
Como os estágios de compressão são isentrópicos, o trabalho de
compressão é igual à soma das variações das entalpias do 
ar em cada estágio:
w
compressão
= (h
c 
– h
1
) + (h
2 
– h
d
) = 234,7 kJ/kg
Caso a compressão de 100 kPa até 1000 kPa fosse isentrópica,
mas apenas em um estágio, o trabalho de compressão seria 
igual a 279,7 kJ/kg (portanto, 19% maior).
Para a compressão em dois estágios, a pressão intermediária é 
tal que a relação de pressões nos dois estágios é igual, ou 
seja, a relação de pressões em cada estágio é (p2/p1)
½.
Ciclo Brayton regenerativo + reaquecimento
+ resfriamento
• Com a regeneração pode haver
ganho da eficiência térmica.
• Com reaquecimento e 
resfriamento intermediários 
há ganhos do trabalho 
líquido.
• A combinação dos três 
recursosvisa aumento da 
eficiência térmica e do 
trabalho líquido.
• O recurso é chamado de 
“Carnotização“. Não é muito 
usual porque há alternativas 
melhores para ciclos 
baseados em turbinas a gás.
Ciclo Combinado
• Foram propostos conceitualmente nos 
anos 1960, mas apenas nos anos 1970 é 
que as primeiras unidades, de pequena 
capacidade – a maioria na faixa de 15 a 
20MW, foram construídas.
• Alta eficiência térmica baixo custo de 
combustível. Eficiências líquidas até 
55-57% (condições de referência), e 
eficiências de até 60% anunciadas por 
fabricantes de equipamentos.
• Tecnologia de referência para a geração 
termelétrica.
TGs para jato propulsão
• O mesmo ciclo Brayton explica o funcionamento de turbinas a gás 
aeronáuticas.
• Considera-se o ciclo padrão-ar. Parte da compressão isentrópica ocorre 
no difusor.
• A expansão na turbina deve ser apenas para a produção da potência 
necessária para acionar o compressor. A expansão entre os estados 4 e 
5 ocorre em um bocal, para que seja criado um fluxo de gases de alta 
velocidade.
TGs para jato propulsão
A força de empuxo que atua no corpo da turbina é igual à 
variação da quantidade de movimento do ar (dos gases) na 
turbina. O fluxo mássico é considerado, por simplificação, igual à entrada e à saída (i.e., o fluxo mássico de combustível é 
desprezado).
Empuxo = m.(V
e 
–
e, se p
e 
= p
0Empuxo = m.(V
e 
–
V
0
) + (p
e 
– p
0
).S
e
V0)
[N]
[N]
TGs para jato propulsão
Uma alternativa é a pós-queima, o que permite aumento do 
empuxo. Entretanto, o recurso tem baixa eficiência.
Tal recurso é relativamente usual em turbinas aeronáuticas 
empregadas na aviação militar, mas nesses casos o acionamento 
da pós-queima é ocasional (e.g., decolagem em pistas curtas).
Outros conceitos de TGs aeronáuticas
• O esquema mostrado na figura (a) corresponde a um turbo-hélice. No caso, o 
empuxo deriva – única ou majoritariamente – do funcionamento da hélice.
• O esquema mostrado na figura (b) corresponde a um turbofan, e é o conceito 
mais usual na aviação.
• Já o esquema mostrado na figura (c) corresponde a um estatoreator, que é 
empregado, por exemplo, em mísseis.
Exemplo
Uma turbina a gás aeronáutica é modelada pelo ciclo Brayton 
padrão-ar. São dados a velocidade de entrada do ar, pressão e 
temperatura. 
São dados, também, a relação de pressões, a temperatura máxima do 
ciclo e a pressão à saída do bocal. 
Os processos no difusor, no compressor, na turbina e no expansor 
são isentrópicos. Pede-se a velocidade de saída do ar do bocal.
Exemplo
Hipóteses:
Cada componente é analisado como um VC operando em RP;
Os processos de compressão e expansão são isentrópicos; 
Não existe perda de carga no combustor;
O ar é modelado como gás ideal;
A energia cinética é desprezada, exceto na entrada do ar no difusor e 
na saída do bocal;
O trabalho produzido na expansão deve ser igual ao trabalho requerido 
na compressão.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Discussão do procedimento de solução:
Os processos de compressão no difusor e no compressor são isentrópicos. A 
aplicação da Primeira Lei ao difusor indica que a variação da energia 
cinética está associada ao salto entálpico. Assim, calcula-se a entalpia 
na saída do difusor. Conhecida a entalpia, encontra-se a temperatura e 
a pressão relativa. Pode-se, então, calcular a pressão na entrada do 
compressor.
Exemplo
Os processos que ocorrem no compressor, no combustor e na turbina 
são analisados conforme procedimentos anteriormente apresentados. 
Aspecto importante é que o trabalho de expansão na turbina deve ser 
igual ao trabalho de compressão, no compressor. Assim:
(h2 – h1) = (h3 – h4)
Encontrada a entalpia h4, determina-se a temperatura e a 
pressão relativa à saída da turbina.
A análise de Primeira Lei no bocal permite o cálculo da velocidade 
do ar à sua saída. A velocidade à saída é igual à variação das 
entalpias entre as seções 4 e 5; o salto entálpico é calculado da 
determinação dos estados, em função das pressões relativas.
FIM DO CAPITULO 9
Entrega do resumo até o dia...