Termotecnia

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FACULDADE DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
LICENCIATURA EM ENGENHARIA QUÍMICA
TERMOTECNIA
Trabalho de Investigação
Discente: 	Docente:
Mandlate, Daniela Lucília Prof. Doutor Eng° Miguel M. Uamusse
						 Prof. Doutor Eng° Alberto J. Tsamba
 
Maputo, 22 de Janeiro de 2021
ÍNDICE
INTRODUÇÃO	2
1a – Admissão	22
2a – Compressão	22
3a – Combustão	22
4a – Escape	22
1..	– Ciclo Diesel – 2 tempos	23
CONCLUSÃO	69
Referências	70
Introdução
O presente trabalho apresentará uma explicação detalhada sobre Motores Térmicos e sua Eficiência, Turbinas à Gás, Termodinâmica do Vapor de Água e Tecnologia de Refrigeração. 
Está dividido em 4 capítulos, explorando as principais características, equacionamento e resolução de exemplos envolvendo os ciclos termodinâmicos, tais como: Ciclo de Carnot, Ciclo de Otto, Ciclo de Diesel, Ciclo de Ericsson, Ciclo de Stirling, Ciclo de Brayton e de Rankine. 
A metodologia usada foi pesquisa bibliográfica, enriquecida com pesquisa na internet.
1. MOTORES TERMICOS E SUA EFICIENCIA
Máquina térmica, em termodinâmica, é aquela integrada num sistema que realiza a conversão de calor (energia térmica) em trabalho mecânico. Isto se dá quando uma fonte de calor leva uma substância de trabalho de um estado de baixa temperatura para um estado de temperatura mais alta. A substância de trabalho (normalmente gás ou vapor em expansão térmica) transfere essa energia através de sua expansão no interior da máquina térmica acionando o sistema mecânico (pistão, rotor ou outro) e realizando trabalho. Durante essa expansão, a substância de trabalho perde calor para o meio.
O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor:
W=Q1-Q2
onde Q1{\displaystyle Q_{1}} e Q2{\displaystyle Q_{2}} são respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor recebido pela fonte fria.
Apesar de sua limitação de eficiência, têm uma grande vantagem que são várias formas de energia que podem ser transformadas em calor como reações exotérmicas (como combustão), absorção de luz de partículas energéticas, fricção, dissipação e resistência. Como a fonte de calor que abastece a energia térmica da máquina pode ser gerada virtualmente por qualquer tipo de energia, estas são extremamente versáteis e como enorme gama de aplicação.
Motor de combustão interna (explicacao 1)
O motor a combustão é uma máquina térmica comumente relacionada à automóveis. Na animação ao lado podemos observar as fases do processo e entender como a energia de determinados gases pode ser convertida em movimento, que é a justificativa para classificarmos essa máquina como uma máquina térmica, ou seja, que converte energia térmica (calor) em trabalho. A eficiência do motor a combustão é de aproximadamente 25%.
· Fase 1
Uma mistura de gases (ar e combustível) devidamente dosados por um carburador ou pela injeção eletrônica, preenche o cilindro a medida que o pistão libera espaço, mantendo o sistema a uma pressão constante. Esta mistura geralmente separa uma parte de combustível para cada 15 partes de ar, entretanto dosagens diferentes podem melhorar o desempenho do motor dependendo da necessidade. Nesta fase do processo ainda não há nenhum princípio termodinâmico envolvido.
· Fase 2
Em seguida o pistão sobe e comprime a mistura gasosa. Essa compressão pode ser considerada uma transformação adiabática, pois é muito rápida e não permite que o gás troque calor com o meio externo. Nesse ponto a temperatura e a pressão do gás estão muito elevadas.
Deve-se lembrar que o motor precisa estar em movimento para funcionar, ou seja, o pistão deve ser acionado e estar em movimento antes de ser adicionada a mistura gasosa e o motor iniciar seu funcionamento normal. Essa partida do pistão era feita com uma manivela nos primeiros veículos, e atualmente é feita por um motor elétrico auxiliar (motor de arranque), alimentado pela bateria do carro.
· Fase 3
Na terceira fase do processo, uma faísca (como a do fogão automático) faz com que o gás entre em combustão. Quando as moléculas do combustível entram em combustão há um rompimento de ligações químicas e esse processo origina novos gases (CO2 e H2O). A pressão gerada pelo aumento do volume pode ser relacionada pela lei dos gases ideais, e é essa pressão que empurra o pistão e mantém o movimento contínuo do sistema mecânico. Essa expansão do gás em combustão também é um processo adiabático devido a velocidade com que o pistão desce e retorna a pressão inicial do sistema.
· Fase 4
Nesta última etapa os gases queimados precisam ser expulsos do cilindro para recomeçar o processo. Devido a inércia, o pistão é impulsionado para cima e nesse momento a válvula de escape abre e os gases são empurrados para fora. Esse processo também é isobárico pois o pistão não comprime os gases, apenas os empurra para fora.
Motor de combustao interna (explicacao 2)
Motor de combustão interna é uma máquina térmica que transforma a energia proveniente de uma reação química em energia mecânica. O processo de conversão dá-se através de ciclos termodinâmicos que envolvem expansão, compressão e mudança de temperatura dos gases. A sua criação se dá durante o processo da Revolução Industrial no século XVIII, período em que ocorrem as transições e a introdução dos novos processos de manufatura.
São considerados motores de combustão interna aqueles que utilizam os próprios gases de combustão como fluido de trabalho, ou seja, são estes gases que realizam os processos de compressão, aumento de temperatura (queima), expansão e finalmente exaustão.
Motores de combustão interna também são popularmente chamados motores de explosão. Esta denominação, apesar de frequente, não é tecnicamente correta. De fato, o que ocorre no interior das câmaras de combustão não é uma explosão de gases. O que impulsiona os pistões é o aumento da pressão interna da câmara, decorrente da combustão (queima controlada com frente de chama). O que se pode chamar explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, com o objetivo de proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissão de poluentes atmosféricos provenientes da dissociação de pinogênio nitrogênio. (explicacao para apresentacao oral)
Classificação dos Motores de Combustão Interna (MCI)
Segundo Ladeira (2005), os MCI podem ser classificados em:
a)	Quanto à propriedade do gás na admissão:
 Ar (Diesel)
 Mistura ar-combustível (Otto)
b)	Quanto à ignição
 Por centelha (ICE) [spark ignition (SI)]
 Por compressão (ICO) [compression ignition (CI)]
c)	Quanto ao movimento do pistão
 Alternativo (Otto, Diesel).
 Rotativo (Wankel, Quasiturbine).
d)	Quanto ao ciclo de trabalho
 2 tempos
4 tempos.
 
e)	Quanto ao número de cilindros
 Monocilíndricos. Policilíndricos.
f)	Quanto à disposição dos cilindros
 Em linha à opostos (boxer). Em V à em estrela (radial).
g)	Quanto à utilização
 ESTACIONÁRIOS - Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como Geradores, máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante;
 INDUSTRIAIS - Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil, tais como: tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais específicas do acionador;
 VEICULARES - Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões e ônibus;
 MARÍTIMOS - Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval. Conforme o tipo de serviço e o regime de trabalho da embarcação existem uma vasta gama de modelos com características apropriadas, conforme o uso. (Laser, trabalho comercial leve, pesado, médiocontínuo e contínuo).
Ciclos do MCI
Os ciclos termodinâmicos são processos que um sistema realiza a fim de se obter trabalho do sistema ou de se realizar trabalho sobre o sistema. Cada tipo de motor, por exemplo, tem um processo diferenciado para que se obtenha trabalho do sistema. Assim o ciclo que rege o funcionamento do motor a diesel é diferente do ciclo que rege o motor a gasolina ou álcool.
· Ciclo motor de Otto
O ciclo teórico mostrado na figura 1 passou a ser denominado ciclo de Otto. Ele é constituído de quatro processos:
AB - Processo de Compressão Adiabática;
BC - Processo de Aquecimento Isométrico de Calor;
CD - Processo de Expansão Adiabática;
DA - Processo de Rejeição Isométrica de Calor.
Figura 1: Diagrama pV do ciclo teorico de Otto (motor à explosão).
A figura 2 representa o ciclo prático do processo de Otto.
Figura 2: Ciclo prático do processo de Otto.
· Ciclo motor de Diesel
De uma forma geral o estado inicial do ciclo de diesel é aquele que promove uma compressão adiabática e leva a máquina ao próximo estado. Neste estado ocorre uma transformação isobárica onde a máquina recebe calor. Durante a mudança deste para o próximo estado, ocorre uma expansão adiabática. Finalmente, ocorre uma transformação isocórica onde a máquina perde calor e a partir daí, reinicia-se o ciclo.
Abaixo tem-se um diagrama p-V do ciclo de Diesel, onde Qp é o calor recebido e Qo é o calor perdido para o meio. Cabe ressaltar que os pontos numerados 1, 2, 3 e 4 são os estados do sistema termodinâmico. 
 Figura 2: diagrama pV que representa o ciclo Diesel.
Um ciclo hipotético para o motor Diesel pode ser representado pelos diagramas p–v e T–s, ilustrados nas figuras 8a e 8b. LADEIRA C., M. et al (2005); WYLEN, et al (2003).
Figura 8. Ciclo padrão Ar – Diesel. Fonte: Ladeira (2005).
· Ciclo Brayton
AVALIACAO DA EFICIENCIA DOS MCI
A eficiência térmica é definida como uma conversão da fração do calor fornecido em trabalho líquido. O trabalho líquido é a transferência liquida de calor para o sistema. Como em um motor de combustão interna o que se deseja é o trabalho líquido e para que o mesmo aconteça é preciso que ocorra um fornecimento do calor para o fluído de trabalho, então pode-se dizer que a eficiência térmica é dada por:
Eficiência térmica =Trabalho líquido/Calor total fornecido
Ou seja, η =W/Qe (1)
Onde:
η: É a eficiência térmica;
W: O trabalho líquido total;
Qe: A magnitude de energia necessária para completar um ciclo.
O estudo da eficiência térmica é de extrema importância, pois o aumento da mesma implica em menor consumo de combustível e menos danos ao meio ambiente. Desta forma quanto maior a medida do desempenho de uma máquina térmica maior será o benefício, ou seja, menor será o gasto com combustível.
A eficiência de conversão do combustível é dada por: 
nt = (2)
Onde:
nt: É a eficiência térmica em um motor de combustão;
Ẇ : É a potência do motor
ṁ : A vazão mássica do combustível;
PC: O poder calorífico do combustível.
De acordo com a equação (2), pode-se afirmar que a realização de um estudo sobre as propriedades dos combustíveis é imprescindível, pois a energia e característica dos mesmos influenciam bastante na autonomia, desempenho e emissões do motor.
Com relação a eficiência térmica, conclui-se que quanto mais eficiente é o motor menor será o gasto com combustível já que a energia de entrada utilizada para realizar o trabalho do motor irá ser menor.
POTENCIA, CONSUMO DE COMBUSTIVEL E RENDIMENTO
A potência representa a taxa de transformação da energia ao longo do tempo. Nos motores de combustão interna a energia térmica é proveniente da reação de combustíveis com o ar atmosférico. Nem toda a energia térmica gerada na combustão é transformada em energia mecânica pelos motores térmicos. Assim, para fins de avaliação desses motores, temos três tipos de potências: teórica, indicada e efetiva. A potência deve ser expressa na unidade do Sistema Internacional, isto é, em W ou seus múltiplos.
Potência teórica 
É a potência estimada com base em propriedades físicas e consumo de combustível. Essa potência considera que toda energia térmica proveniente da combustão é convertida em energia mecânica (Equação 1).
 (1)
em que,
= potência teórica;
pc = poder calorífico do combustível, kcal.;
q = consumo de combustível, L.;
d = densidade do combustível, kg..
	
Combustível
	
Densidade (kg/L)
	Poder Calorífico Superior
	Relação Estequiométrica Ar/Combustível
	
	
	(kJ/kg)
	kCal/kg
	
	Butano
	0,580
	49500
	11831
	15,50
	Propano
	0,509
	50300
	12022
	15,70
	Gasolina Comum
	0,735
	47600
	11377
	15,20
	Diesel N. 1
	0,823
	45700
	10923
	15,00
	Diesel N. 2
	0,834
	45500
	10875
	15,00
	Álcool Metílico
	0,792
	22700
	5426
	6,49
	Álcool Etílico
	0,785
	29700
	7099
	9,03
	Álcool Butílico
	0,805
	36100
	8628
	11,20
Quadro 1- Algumas características dos principais combustíveis.
Potência indicada 
A potência indicada é estimada a partir da pressão na expansão, características dimensionais e rotação da árvore de manivelas do motor. Após a combustão ocorre aumento da temperatura e pressão. A pressão desloca o pistão do PMS para o PMI havendo realização de trabalho mecânico. De maneira geral, a potência indicada pode ser estimada por meio da Equação 2.
 (2)
onde:
= potência indicada, W;
 F = força na expansão, N;
 L = curso do pistão, m;
 t = tempo para realizar o ciclo, s; 
P = pressão na expansão, Pa; 
A = área do cilindro, m2 ; 
= volume do cilindro, m3 ;
 n = número de cilindros.
Potência efetiva
 A potência efetiva é estimada em função do torque e da rotação no volante do motor. Esses parâmetros são obtidos, segundo normas da ABNT, em equipamentos denominados dinamômetros. A estimativa da potência efetiva parte do princípio da energia mecânica resultante de uma força tangencial a circunferência de raio R (Figura 1). O ponto P1 gira em torno de P0 com velocidade angular constante Ω.
Figura 1- Diagrama da força tangencial FBy aplicada a uma distância R do ponto P0 (centro do eixo da manivela). 
A força atuante na haste da biela é obtida pela Equação 6.
 (6)
Onde:
FB = força na haste da biela, N; 
P = pressão na expansão, Pa; 
= ângulo entre haste da biela e vertical, graus.
O torque no eixo da árvore de manivelas é obtido pela Equação 7.
 (7)
Considerando-se que no início da fase de expansão o pistão está em 0° do PMS, então o ângulo β é igual a 90° e temos que:
O torque do motor ou torque no eixo da árvore de manivelas é obtido pela Equação 7.
	TO
	=
	torque no eixo da árvore de manivelas, N.m;
	FBy
	=
	força tangencial, N;
	R
	=
	raio da circunferência, m.
A potência efetiva pode ser estimada em função da força tangencial FBy e da velocidade angular Ω do ponto P1 (Equação 8).
 (8)
	PE
	=
	potência efetiva, W;
	TO
	=
	torque na árvore de manivelas (torque do motor), N.m;
	N
	=
	rotação na árvore de manivelas (rotação do motor), rps.
Sistema de combustível 
O sistema de combustível é alimentado a partir de um tanque de combustível de capacidade de 4,5 litros, montado no topo da unidade de instrumentação (Fig. 15). Sendo alimentado por gravidade, o carburador do motor deve estar abaixo do nível do tanque. A Fig. 14 mostra o sistema de combustível. A marca mais baixa na pipeta de combustível deve ser montada mais alta que o carburador do motor para garantir que o reservatório de 32 mL esvazie completamente antes da parada do motor. O combustível escoa no fundo da pipeta graduada em volumes de 8, 16 e 32 mL. A torneira T isola o tanque do motor permitindo o consumo de combustível que está na pipeta. O consumo de combustível é determinado pela medição do tempo (t) que o motor leva para consumir um dado volume, 8 mL por exemplo. A torneira T2 isola o motor do sistema de fornecimento de combustível. Esta torneira deve ser fechada somente quando o dispositivo não está em uso. 
Figura14. Sistema de alimentação de combustível.
A autonomia do motor está ligada diretamente ao poder calorífico do combustível, ou seja, quanto maior
o poder calorífico inferior do combustível, maior a autonomia do motor. A maioria dos combustíveis tem em sua composição possuem hidrogênio, em virtude disso ocorre à formação da água, quando o hidrogênio é queimado, desta forma os valores do poder calorífico podem ser alterados em função do estado da água (líquido ou vapor) presente nos produtos da combustão [4]. O poder calorífico dos combustíveis pode ser classificado como superior ou inferior. O poder calorífico superior é dado por um processo de combustão sob um volume constante, onde a água formada neste processo é condensada e o calor provido dessa condensação é recuperado [5]. O poder calorífico inferior é dado quando o processo de combustão se efetua a pressão constante, logo a água de combustão não é condensada [6].
A octanagem dos combustíveis é outro fator que influência de forma decisiva no rendimento do motor, porém ela não define a qualidade do combustível. A octanagem é definida como o índice de resistência a auto detonação de combustíveis [9]. Dependendo do índice de octanagem do combustível, o motor pode suportar maiores taxas de compressão, como também pontos de avanços por ignição adiantados, desta forma proporcionando maior eficiência por parte do motor [4]. O indice de octanagem faz uma relação de equivalência á resistência de detonação de uma mistura percentual de isoctano. Para determinar a octanagem de um combustível utliza-se de três métodos MON, RON e IAD [4]. O método Research Octane Number (RON) promove uma avaliação da resistência a detonação do combustível com um motor de baixa rotação e carga plena. O Motor Octane Number (MON) se diferencia do MON, devido à avaliação ocorrer sobre alta rotação. No entanto, o método Índice Anti-Detonante (IAD) tem a função de traçar a octanagem do combustível através da média aritmética dos dois métodos citados anteriormente [10]. A adição de aditivos (etanol, tolueno, alquilação), processo de isomerização e aromatização são medidas corretivas do índice de detonação do combustível, ou seja, esses procedimentos garantem que o combustível utilizado não cause danos ao veículo [4].
Rendimentos de motores térmicos
Os rendimentos dos motores térmicos são usados como parâmetros comparativos entre motores na avaliação de perdas caloríficas e mecânicas. São coeficientes que expressão a eficiência dos motores térmicos na conversão da energia proveniente da combustão.
· Rendimento térmico
O rendimento térmico representa o percentual de energia térmica que está sendo convertido em energia mecânica nos pistões. É calculado pela seguinte equação:
Onde:
RT = rendimento térmico;
PI = potência indicada;
PT = potência teórica.
· Rendimento mecânico
O rendimento mecânico representa o percentual de energia mecânica nos pistões
que está sendo convertido em energia mecânica no volante motor. É calculado pela
seguinte equação:
onde:
RM = rendimento mecânico;
PE = potência efetiva;
PI = potência indicada.
· Rendimento termo-mecânico 
O rendimento termo-mecânico representa o percentual de energia térmica que está sendo convertido em energia mecânica no volante motor. É calculado pela seguinte equação: 
Onde:
RTM = rendimento mecânico; 
PE = potência efetiva; 
PT = potência teórica.
1. TURBINAS A GAS
Princípio de funcionamento de turbinas a gás
Assim como um motor a diesel ou gasolina, a turbina a gás é um tipo de motor de combustão interna e funciona usando o ciclo de admissão, compressão, combustão (expansão) e escape. Porém, uma grande diferença é o movimento básico. A turbina a gás tem movimento circular, enquanto o motor a pistão tem movimento de vai e vem.
O princípio básico de uma turbina a gás é mostrado no diagrama abaixo. Em primeiro lugar, o ar é comprimido por um compressor, e esse ar comprimido é levado para a câmara de combustão. Na câmara de combustão, o combustível é continuamente queimado para produzir gás em alta temperatura e pressão. A turbina a gás industrial faz com que o gás produzido na câmara de combustão seja expandido na turbina (um rotor de pás feito conectando diversas lâminas a um disco redondo) para a produção de energia rotacional, que faz com que o compressor funcione na fase anterior. A energia restante é fornecida com um eixo de saída.
Figura 3: Principio de funcionamento de uma turbina a gas.
Ciclo de Carnot
O Ciclo de Carnot é um ciclo particular de transformações termodinâmicas de um gás ideal.
É composto por duas transformações isotérmicas e duas transformações adiabáticas.
Foi descrito e analisado pelo engenheiro francês Sadi Carnot, em 1824, em seus estudos sobre as máquinas térmicas.
O ciclo de Carnot pode ser descrito pelas seguintes etapas:
· O gás sofre uma transformação isotérmica. Se expande e absorve a quantidade de calor Q1 de uma fonte quente à temperatura T1.
· Após a transformação isotérmica, o gás sofre uma transformação adiabática (sem trocas de calor com o meio). Como se expande adiabaticamente, sua temperatura cai para um valor T2.
· Em seguida, o gás sofre uma compressão isotérmica e libera uma quantidade de calor Q2 para a fonte fria à temperatura T2.
· Finalmente, retorna a condição inicial após sofrer uma compressão adiabática.
Figura 5: Diagrama do ciclo de Carnot.
Teorema de Canot
A grande importância do ciclo de Carnot se deve ao teorema a seguir: “Nenhuma máquina térmica que opere entre duas dadas fontes, às temperaturas T1 e T2, podem ter maior rendimento que uma máquina de Carnot operando entre estas mesmas fontes.”
A máquina de Carnot é uma máquina térmica que opera segundo o ciclo de Carnot.
Todas as máquinas de Carnot apresentam o mesmo rendimento, desde que operem com as mesmas temperaturas.
Fórmula
Para o cálculo do rendimento de uma máquina de Carnot usamos a seguinte fórmula:
Onde:
R - o rendimento da máquina de Carnot.
T1 - a temperatura da fonte quente em Kelvin (K)
T2 - a temperatura da fonte fria em Kelvin (K)
CO
Quociente de energia
No Ciclo de Carnot o quociente da energia dissipada pela temperatura da fonte fria é igual ao quociente da energia útil pela temperatura da fonte quente. Ou seja, os calores trocados pelas fontes quente e fria são proporcionais às temperaturas das fontes quente e fria. Logo, se tem que o quociente da energia dissipada pela energia útil é igual ao quociente da temperatura da fonte fria pela fonte quente. Assim, o rendimento fica igual à diferença de uma unidade com o quociente da temperatura da fonte fria pela da fonte quente.
onde:
 é a temperatura da fonte quente;
 é a temperatura da fonte fria;
 é a energia útil;
 é a energia dissipada.
Exemplo:
Qual o rendimento máximo teórico de uma máquina à vapor, cujo fluido entra a 560ºC e abandona o ciclo a 200ºC?
Exercicio:
Demonstre que a eficiencia de um ciclo de turbina a gas com uma etapa de regeneracao ideal é igual a:
Considere 1 a entrada do compressor, 2 a entrada do regenerador, 3 a entrada da turbina e 4 o retorno ao regenerador.
O rendimento se calcula como:
Como é recebido no regenerador então temos que:
E é o trabalho da turbina: 
E é o trabalho do compressor: 
Assim, 
Como o regenerador é ideal 
Aplicando em evidência:
Aplicar a relacao de pressao e temperatura para processos isobaricos:
Ciclo motor de Otto
• Ignição por centelha
• Utilizam energia elétrica para dar início a reação de combustão. A centelha (faísca elétrica) é produzida pela vela de ignição;
• O combustível é misturado com o ar fora da câmara de combustão.
O motor baseado no ciclo ideal Otto caracteriza-se pela ignição por faísca.
Este tipo é o mais comumente utilizado em automóveis de passeio e motocicletas.[8] Existem processos alternativos em motores experimentais para iniciar a queima como micro-ondas ou uma injeção piloto.
 Exemplo 10.7 A relação de compressão num ciclo padrão a ar Otto é 10. No início do curso de compressão, a pressão é igual a 0,1MPa e a temperatura é 15°C. Sabendo que a transferência de calor ao ar, por ciclo é igual 1800kJ/kg de ar, determine: 
 1. A pressão e a temperatura no estado final de cada
processo do ciclo. 
 2. O rendimento térmico 
 3. A pressão média efetiva.
Estado 1 
P1=0,1 Mpa
 T1=288,2K
Modelo: gás ideal com calor especifico constante e avaliado a 300K 
Análise: Equação da entropia para o processo de compressão 1-2
Assim:
· Primeiro Lei da Termodinâmica
· Segunda Lei da Termodinâmica para o processo de expansão 3-4
Também:
Portanto: 
Verificando o valor:
Exemplo: Motor de dois cilindros verticais em linha apresenta as seguintes características: a) Diâmetro= 90mm; b) Curso= 100mm; c) VLP= 1,5 m/s; d) Pressão na expansão= 12 kgf/cm2 ; Calcule a potência em cada cilindro na expansão. kgf/cm2 = 9,80665x104 Pa
Força na expansão
• Força atuante na superfície do pistão proveniente da expansão dos gases na combustão.
F=Pe.A
F= 12.9,80655.
F=7486,465 N
Energia na expansão 
• Trabalho mecânico realizado durante a expansão quando o pistão se desloca do PMS para o PMI. 
W= 
W= 7486,465. 0,1 
W= 748,6465 J
Potência na expansão
• Unidade internacional de potência (W)
Pot= =
Pot=11,23 kW
t=
Ciclo de Diesel e Motores de Ignição por Compressão
O motor Diesel ou motor de ignição por compressão é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913), em que a combustão se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compressão do ar.
Os motores Diesel caracterizam-se pela ignição por compressão. O fluido de trabalho (normalmente ar) é comprimido sem ser misturado ao combustível e quando o combustível é injetado no fluido comprimido e quente esse se inflama.
As máquinas que impulsionam veículos pesados como caminhões, trens e navios, usualmente são baseadas no ciclo ideal de Diesel (propulsão diesel-elétrica), o que não se refere ao combustível utilizado e sim ao ciclo termodinâmico em que operam. O Motor de ciclo diesel é usado em veículos menores, como automóveis e motocicletas também são equipadas com este tipo de motor.
4.1.1 Ciclo Diesel – 4 tempos
O motor a combustão interna de pistão que funciona segundo o ciclo Diesel apresenta, durante o funcionamento, quatro fases:
1a – Admissão
2a – Compressão
 3a – Combustão
 4a – Escape
A série dessas quatro fases consecutivas é chamada de ciclo do motor. O detalhamento das fases é o seguinte.
1a – Admissão
Nesta fase, o pistão desce, estando a válvula de admissão aberta e a de escape fechada.
Ao descer, o pistão cria uma depressão no cilindro. O ar é então forçado pela pressão atmosférica a entrar no cilindro, passando pelo filtro de ar e pela tubulação de admissão. A quantidade de ar admitida é sempre a mesma, qualquer que seja a potência que estiver sendo utilizada ou a posição do acelerador.
2a – Compressão
Então, o pistão sobe, as válvulas de admissão e de escape estão fechadas.
O ar admitido na fase de admissão é comprimido até ocupar o volume da câmara de combustão. Devido à compressão, o ar se aquece.
No final da compressão, o bico injetor injeta, finamente pulverizado, o óleo diesel no interior da câmara de combustão.
O óleo diesel, em contato com o ar aquecido, se inflama, iniciando assim a combustão.
3a – Combustão
O pistão desce, acionado pela força de expansão dos gases queimados.
As válvulas de admissão e de escape estão fechadas.
A força de expansão dos gases queimados é transmitida pelo pistão à biela e desta ao virabrequim, provocando assim o movimento de rotação do motor.
A expansão é o único tempo que produz energia, sendo que os outros três tempos consomem uma parte dessa energia. A energia produzida é acumulada pelas massas do virabrequim e do volante.
4a – Escape
O pistão sobe, estando a válvula de escape aberta e a de admissão fechada.
Os gases queimados são expulsos através da passagem dada pela válvula e escape.
Figura 12 – Funcionamento do motor Diesel 4 tempos: a) admissão; b) compressão; c) combustão; d) escape.
a	b	c	d
1.. – Ciclo Diesel – 2 tempos
Num motor de 2 tempos a admissão e o escape ocorrem ao mesmo tempo da compressão e expansão. A parede do cilindro de um motor de 2 tempos contém uma fileira de janelas de admissão de ar.
No 1o tempo, o pistão está em seu movimento descendente, e descobre as janelas de admissão, dando entrada ao ar, que está sendo empurrado por um soprador. O ar que entra expulsa os gases queimados, que sairão através da passagem aberta pelas válvulas de escape.
O fluxo de ar em direção às válvulas de escape causa um efeito de limpeza, deixando o cilindro cheio de ar limpo, por isso, é muitas vezes esse processo é chamado de “lavagem”.
No 2o tempo, o pistão está em seu movimento ascendente e cobre as janelas de admissão (fechando-as) ao mesmo tempo em que as válvulas de escape fecham-se. O ar limpo admitido é submetido à compressão.
Figura 13 – Funcionamento do motor Diesel 2 tempos: a) 1o tempo; b) 2o tempo
Figura 13 – Funcionamento do motor Diesel 2 tempos: a) 1o tempo; b) 2o tempo
a a
 
Um pouco antes de o pistão alcançar sua posição mais alta, uma certa quantidade de óleo diesel é atomizada na câmara de combustível pela unidade injetora de combustível. O intenso calor, causado pela alta compressão do ar, inflama imediatamente o combustível atomizado no cilindro.
A pressão resultante força o pistão para baixo, no curso de expansão. As válvulas de escape vão se abrir quando o pistão estiver na metade do curso descendente, permitindo que os gases queimados saiam pelo coletor de escapamento.
Quando o pistão, em seu curso descendente, descobre as janelas de admissão, o cilindro é novamente “lavado” pelo ar limpo.
O ciclo completo de combustão é concluído em cada cilindro durante cada volta do virabrequim, ou em outras palavras, em 2 tempos.
Pela equação da energia temos:
qH =u3−u2+2 w3 =u3−u2+P2 ( v3−v2) =h3−h2
O rendimento do ciclo Diesel é dado por:Processo 2-3:
Usando a taxa de compressão e , temos:
 
Onde: é chamado de razão de corte.
Desde que: , a relação isentrópica no processo 3-4 pode ser expressada desta forma:
 sabendo que 
Usando a relacao anterior:
Sabendo que:
Substituindo na equacao do rendimento:
Exemplo 12.8
Um ciclo padrão a ar Diesel apresenta relação de compressão igual a 20 e o calor transferido ao fluido de trabalho, por ciclo, é 1800kJ/kg.
Sabendo que no início do processo de compressão, a pressão é igual a 0,1MPa e a temperatura é 15 °C, determine:
1. A pressão e a temperatura em cada ponto do ciclo.
2. O rendimento térmico
3. A pressão média efetiva
Estado 1
P1=0,1 MPa	T 1=288,2 K
Modelo: gás ideal com calor especifico constante e avaliado a 300K
Análise: Equação da entropia para o processo de compressão 1-2
Assim:
· Primeira Lei da Termodinamica para o processo 2-3:
· Segunda Lei da Termodinamica para o processo de expansao 3-4:
· Também:
· Solução:
Ciclo de Stirling e Ericsson
Ciclo de Ericsson 
É um ciclo fechado de turbina a gás regenerativo que compreende o uso simultâneo de inter-resfriamento e reaquecimento. O funcionamento ideal do ciclo de Ericsson se baseia em processos de expansão e compressão isotérmicos, harmonizados com a regeneração de calor existente entre eles, cuja efetividade é de 100% [3]. Nesse sentido, cada inter-resfriador deve retomar o fluido de trabalho para a temperatura fria da entrada do primeiro estágio da turbina. Como pode ser observado nas Figuras 1 e 2, o regenerador possibilita que o calor recebido no processo (2-3) seja obtido do calor rejeitado no processo (4-1). Assim, todo o calor adicionado do meio exterior ocorre nos aquecedores, e todo o calor rejeitado para as vizinhanças ocorre nos inter-resfriados [4]. 
 Figura 1- Diagrama T-S para o ciclo de Ericsson.
Figura 2 - Diagrama P-V para o ciclo de Ericsson.
De acordo com esses diagramas entende-se que:
 1→2: expansão isotérmica, o qual o calor é fornecido ao sistema. 
 2→3: compressão isobárica, de forma que o fluido de trabalho é resfriado e atinge uma Tc (temperatura menor). 
3→4: compressão isotérmica o qual o calor é rejeitado pelo sistema.
 4→1: expansão isobárica, onde o calor é obtido
da etapa 1→2 com auxilio do regenerador. Assim o fluido de trabalho atinge a TH (temperatura maior). Infinitos estágios de reaquecimento e inter-resfriamento permitem fazer a aproximação de que toda forma de calor adicionada ao sistema ocorre quando o fluido se encontra na temperatura mais alta (ponto 3), e é rejeitada quando o fluido se encontra a temperatura mais baixa (ponto 1) [3]. Para um processo isotérmico reversível, a transferência de calor é diretamente proporcional à variação de entropia de acordo com a 2ª Lei da Termodinâmica.
Assim,
A variação de entropia para um processo isotérmico envolvendo um gás ideal é dada por:
Assim, o calor transferido (etapa 1-2) e rejeitado (etapa 3-4) pode ser obtido a partir de:
A eficiência é dada por:
Observe que as etapas que antecedem os processos de rejeição e transferência de calor são isobáricas. Além disso, para o ciclo de Ericsson, =, =, =, =.
 Assim, a relação pode ser reescrita como:
Dessa forma, a eficiência é dada por:
Onde, é a temperatura absoluta (K) do reservatório frio e é a temperatura absoluta (K) do reservatório quente. Este resultado indica que a eficiência não depende de o sistema ser fechado ou funcionar em escoamento com regime permanente. As etapas sequenciais de inter-resfriamento e reaquecimento provocam um aumento na eficiência térmica da turbina, que se assemelha à eficiência definida por Carnot, que pode ser dada pela equação 1.
Aplicações
Sistema de Armazenamento de Energia Térmica (STES).
O STES consiste em armazenar calor utilizando energia solar concentrada, um gerador de corrente elétrica e um motor térmico e, algumas vezes, um sistema de armazenamento de energia. O concentrador solar proporciona obtenção de alta temperatura.
Dois tipos de motores de calor são muito usados em STES, o Ericsson Cycle Heat Engine (ECHE), e as turbinas a vapor de motores Stirling.
EXEMPLO 1 
O ar entra no compressor de um ciclo Ericsson a 300 K e 1 bar, e com uma vazão mássica de 5 kg/s. A pressão e a temperatura na entrada da turbina são, respectivamente, 10 bar e 1400 K. Determine:
 (a) a potência líquida desenvolvida, em kW. 
(b) a eficiência térmica. 
 Considerações: 
· Regime permanente; 
· Todos os processos são internamente reversíveis; 
· Compressão e expansão são processos isotérmicos; 
· A variação de energia cinética e potencial são desprezadas;
· O ar é modelado como gás ideal;
1ar=2
O diagrama esquemático do ciclo é:
O diagrama p-V do ciclo é:
Dados:
=1 bar
1ar=2
a) A potência líquida desenvolvida, em KW.
O trabalho líquido do ciclo é dado por:
Fazendo as substituições,
Analogamente,
Assim,
b) A eficiencia termica.
Conforme demonstrado anteriormente, a eficiencia termica do ciclo de Ericsson é calculada por:
GA
Ciclo de Stirling 
Trata-se de um ciclo termodinâmico que apresenta a mesma eficiência do ciclo de Carnot, dada pela razão entre o trabalho do ciclo e o calor que é fornecido a ele. Esse ciclo é reversível uma vez que há troca de calor com o sistema a temperatura constante. Sabendo a definição de rendimento térmico:
Assim,
Logo conclui-se que: 
As transformações são dadas em 4 fases, seguindo o diagrama da Figura 3, em que mostra as curvas isotérmicas da temperatura alta e da temperatura baixa [5]. 1→2: expansão isotérmica, o qual é fornecido calor ao sistema e, para manter a temperatura constante ocorre uma expansão interna do gás, cuja força e o deslocamento fornece o trabalho de saída realizado pelo sistema. 2→3: rejeição, interna, isocórica de calor à diminuição da temperatura. 3→4: compressão isotérmica, o qual o calor é rejeitado pelo sistema, causando compressão do gás que, cuja força e o deslocamento fornece o trabalho de entrada realizado pela vizinha. 4→1: absorção isocórica de calor ao aumento da temperatura.
O processo de regeneração entre as fases (2-3) e (4-1), isto é, o aumento da temperatura a volume constante fornece calor que é rejeitado, mas aproveitado quando a temperatura aumenta. Essa etapa é importante no ciclo de Stirling, pois não há destruição da exergia, uma vez que na troca de calor há variação infinitesimal de temperatura.
Figura 3 - Ciclo de Stirling, diagrama p-V.
A Figura 4 mostra os diagramas de T-S e p-V do ciclo de Stirling, no qual a variação do volume influencia no grau de desordem do sistema.
Figura 4- Diagramas de T-S e p-V.
Analisando o trabalho realizado, a expressão que se adequa ao cálculo do trabalho neste ciclo é:
Tratando o fluido como gás perfeito tem-se:
PV=1RT
Integrando pdV tem-se:
Aplicando o resultado acima no problema em questão, onde Th temperatura alta e Tl temperatura baixa têm-se:
Sabendo V4=V1 e que V3=V2, tem-se:
O calor trocado pode ser analisado pela seguinte integral:
Como só há troca de calor nos processos isotérmicos (1→2) e (3→4), tem-se:
Por se tratar de um ciclo, então:
Pela primeira lei da termodinâmica tem-se:
RQ=dU+RW
Onde RQ=TdS, RW=pdV e dU é a variação da energia interna, sabendo que essa parcela será nula uma vez que o processo for considerado isotérmico.
Aplicando a primeira lei:
 + 
Aplicando a primeira lei novamente, tem-se:
Aplicação do Ciclo de Stirling
O ciclo de Stirling geralmente é descrito em quatro processos, esse ciclo é chamado de ciclo “idealizado”, ou seja, é um formato mais simples do ciclo porém não otimizado. O ciclo ideal é raramente utilizado em aplicações práticas, por outros ciclos serem mais simples ou por terem menor desgaste nas peças do motor, como pistões e rolamentos. Porém, mesmo com essas alterações, a eficiência do ciclo se assemelha ao ciclo idealizado.[6]
O ciclo idealizado também apresenta complicações ao ser utilizado praticamente, com a aceleração do pistão que precisa ser um pouco maior assim como as “perdas de bombeamento viscosas do fluido utilizado. Porém o stress dos materiais e as perdas de bombeamento apenas seriam intoleráveis quando se aproximam do ciclo ideal e/ou altas taxas de ciclo”.
A transferência de calor também apresenta problemas nos processos isotermais, para corrigir ou amenizar pode ser preciso diminuir a taxa de ciclo, além da troca e utilização de outros tipos de pistões, no modelo mais simples, a máquina irá oscilar em um movimento harmônico simples.
Analisando as atuais aplicações dos motores Stirling, percebe-se que este não é muito utilizado atualmente, porém, devido a esse tipo de motor ter uma eficiência muito grande, possui algumas aplicações interessantes, como as seguintes:
· Motores AIP: No Ciclo Stirling, o calor de uma fonte exterior é transferido para um fluido (geralmente um gás inerte) e submetido a uma série de transformações termodinâmicas. A expansão do gás daqui resultante empurra um pistão e este reenvia-o para uma nova compressão, a qual, finalmente, pode gerar eletricidade. Esta abordagem é tão radical já que como ela separa os processos de combustão daqueles que convertem o calor em trabalho mecânico e este, por sua vez, em eletricidade. A pressão da combustão é maior do que a da água e isto permite que os produtos se dissolvam na água sem uso de um compressor. Isto permite um grau diferente de controlo dos produtos de exaustão e logo, do ruído gerado pelo sistema AIP o que pode ter um reflexo notável da capacidade do inimigo para detectar o navio enquanto submerso. O sistema AIP é um sistema propulsor que não necessita de ar.
· Um dos sistemas AIP mais usados atualmente são os que usam células de combustível, que consistem em conversores de energia eletroquímica que transformam energia química de um determinado combustível armazenado no submarino gerando assim eletricidade.
· Veículos Elétricos: Os motores Stirling são sistemas de acionamento elétrico híbrido. Em Novembro de 2007, um carro protótipo híbrido usando biocombustível sólido e um motor de Stirling foi anunciado pelo projecto Precer, na Suécia.
· Dean Kamen desenvolveu uma
série de plug-ins do carro híbrido com um Ford Pense. DEKA, empresa de tecnologia Kamen localizada no Millyard Manchester, demonstrou recentemente um carro eléctrico, a Revolta DEKA, que pode ir aproximadamente 60 milhas, isto é, 97 km numa única carga da bateria de lítio.
· Resfriamento de Chips: MSI (Taiwan) dsenvolveu recentemente uma máquina de Striling em miniatura de sistema de resfriamento de chips de computador pessoal que usa o calor do chip para dar impulso a um ventilador.
O motor de Stirling 
 O motor de Stirling também denominado de motor de combustão externa foi desenvolvido pelo escocês Robert Stirling juntamente com seu irmão. O intuito inicial era a substituição de motores a vapor que explodiam frequentemente no século 19, a partir disso, os irmãos Stirling desenvolveram o motor em busca de um sistema mais seguro que não utilizasse a compressão e o aquecimento de água [5]. Ao considerar sua construção, o motor de Stirling é composto por duas câmaras em diferentes temperaturas que aquecem e resfriam um fluido de modo alternado, provocando compressão e expansão que movimentam os êmbolos. Desse modo, o motor opera como um ciclo termodinâmico, composto por uma compressão isotérmica, um aquecimento isovolumétrico, uma expansão isotérmica e por fim um resfriamento isovolumétrico [5]. Como vantagens, o motor de Stirling pode ser operado com diversos tipos de combustíveis, é silencioso e apresenta elevado rendimento térmico. Dentre suas aplicações, a conversão de energia solar se destaca, uma vez que, tais motores são capazes de obterem rendimentos consideráveis mesmo para baixas potências térmicas. Porém, como desvantagem tem-se a dificuldade de iniciar a partida e variar as rotações rapidamente o que impede sua aplicação em motores de automóveis [2]. Os motores de Stirling podem ser classificados em três tipos: Alfa, Beta e Gama. Ambos os tipos possuem 
em suas configurações um regenerador que consiste em um trocador de calor regenerativo que armazena o calor durante uma etapa do ciclo e transfere esse calor ao fluido durante outra etapa, a partir desse componente o motor apresenta eficiência próxima a teórica. O fluido de trabalho pode ser escolhido a partir do seu custo e eficiência podendo ser usados diversos tipos de gás. Além disso, os motores apresentam trocadores de calor responsáveis pelo aquecimento e resfriamento dos reservatórios térmicos [5]. O tipo Alfa (Figura 5) é composto por dois cilíndricos separados e posicionados a 90°, cada cilindro desempenha uma função, sendo um deles responsável pela compressão por meio do deslocamento do fluido e o outro responsável por produzir trabalho por meio da expansão. Além disso, o motor conta com regenerador que reutiliza o calor do sistema aumentando sua eficiência energética.
Figura 5 – Motor Stirling Alfa.
O motor de Stirling tipo Beta (Figura 6) consiste em um cilindro composto por uma zona quente e uma zona fria. Nesse caso, há dentro do cilindro o regenerador e dois êmbolos sobrepostos onde um desenvolve trabalho e outro desenvolve a compressão. Devido à sobreposição dos êmbolos, a taxa de expansão é maior e consequentemente a potência desenvolvida pelo motor também é aumentada quando comparada com os demais tipos de motor de Stirling.
Figura 6 – Motor Stirling Beta.
Por fim, o tipo gama (Figura 7) consiste em dois êmbolos dispostos paralelamente onde o fluido é direcionado para o outro cilindro por meio do regenerador. Desse modo, um cilindro possui a região quente na qual o êmbolo está associado ao deslocamento do fluido e o outro cilindro possui a região fria onde ocorrem a compressão e expansão do fluido gerando trabalho.
Figura 7 – Motor Stirling Gama.
EXEMPLO 2 
Nitrogênio (N2) é o fluido de trabalho de um ciclo de Stirling, cuja taxa de compressão é 9. No início da compressão isotérmica, a temperatura, a pressão e o volume são, respectivamente, 310 K, 1 bar, 0,008 m3. A temperatura durante a expansão isotérmica é 1000 K. 
Determine: 
(a) o trabalho líquido, em kJ.
(b) a eficiência térmica. 
Considerações: 
· Regime permanente; 
· Processo em sistema fechado; 
· Processos internamente reversíveis;
· Compressão e expansão isotérmicas;
· Fluido se comporta como gás ideal; 
· A variação de energia cinética e potencial são desprezadas; 
Dados:
R=
l=
A constante dos gases ideais para o ar é obtida pela expressão:
R=
a) O trabalho líquido, em kJ.
Como foi discutido anteriormente, o trabalho é dado por:
W=-1RT
Para encontrar m da equacao (1) tem-se:
PV=1RT
Logo,
m= (2a)
Substituindo (2) em (1), para encontrar o trabalho da etapa de compressão isotérmica:
W=-
W=1,A)Kj
Para encontrar o trabalho na etapa de expansão:
W=-.(1GGGK). ln(p)
W=(,)AkJ
Portanto o trabalho liquid, que é o trabalho total do ciclo, é:
W=(1,A)Kj+((,)AkJ)=A,hVK)
b) A eficiência térmica.
Como discutido anteriormente, para eficiência térmica do ciclo, temos:
Ciclo Brayton
O Ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão constante, utilizado no estudo das turbinas a gás.
Ele é um ciclo ideal, uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás, descrevendo variações de estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é utilizado como base didática e para análise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, devido a limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito.
O ciclo se constitui de quatro etapas, como demonstrado em Esquema básico de Brayton.
O ciclo do motor é nomeado após George Brayton (1830-1892), coordenador americano que o desenvolveu originalmente para o uso nos motores de pistão, embora fosse proposto e patenteado originalmente por John Barber, inglês em 1791.[1] Também é conhecido como o ciclo de Joule. O ciclo de Ericsson é semelhante ao ciclo de Brayton, mas usa calor externo e incorpora o uso de um regenerador. Há dois tipos de ciclos de Brayton, abertos à atmosfera e usando a câmara de combustão interna ou fechado e usando trocador de calor.
Figura 4: Diagrama Entalpia x Entropia de Ciclo Brayton (ideal) e ciclo real a gás.
Esquema básico de Brayton
Entre 1 e 2 o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde por compressão adiabática e isotrópica ocorre o aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, entre 2 e 3, onde é misturado ao combustível possibilitando sua queima e seu aquecimento tendo sua pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, entre 3 e 4. Na medida em que o fluido fornece o trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos seus gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor. A quarta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente em que se encontra.Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia gerada pela combustão é eliminada por forma de calor nos gases quentes fluindo como escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de Ciclo termodinâmico, mesmo nos casos ideais, como define a Segunda lei da termodinâmica.
Modelos
Um compressor, uma câmara de mistura e um expansor são os três componentes necessários de um motor de Brayton, uma vez que os motores mais modernos que o de Brayton são na maioria da vezes uma espécie de turbina, como os utilizados em avião. Embora Brayton só tenha feito motores a pistão, onde o ar ambiente era aspirado para um compressor de pistão, e comprimido, em um processo idealmente isentrópico. O ar comprimido passava através de uma câmara de mistura onde era adicionado combustível, um processo isobárico. A mistura
pressurizada de ar e combustível era então inflamada num cilindro de expansão, e a energia é liberada, fazendo com que o ar aquecido e os produtos de combustão se expandam através de um pistão/cilindro, outro processo idealmente isentrópico. Parte do trabalho extraído pelo pistão/cilindro é usado para dirigir o compressor através de um arranjo de Cambota.
Uma turbina a gás também é um motor de Brayton, composto pelos itens acima já citados, onde o ar ambiente é aspirado para dentro do compressor, posteriormente pressurizado, se tratando de um processo isentrópico, o ar comprimido passa então através de uma câmara de combustão, onde o combustível é queimado, aquecendo o ar - um processo de pressão constante, uma vez que a câmara está aberta para entrar e sair; um processo isobárico, o ar aquecido e pressurizado então fornece sua energia, expandindo-se através de uma turbina (ou série de turbinas). Parte do trabalho extraído pela turbina é usado para conduzir o compressor; um processo isentrópico, e por fim rejeição de calor (na atmosfera); um processo isobárico.
Figura 6: Variação da Energia Específica de saída pela temperatura de entrada da turbina à gás
Estágios, comparação e eficiência
1→2: De 1 a 2, tem-se uma transformação adiabática. Nesse estágio, o gás é comprimido adiabaticamente. Assim, a partir da primeira lei da termodinâmica, o trabalho adiabático é:
{\displaystyle W={\frac {nR}{\gamma -1}}\cdot (T_{2}-T_{1})}
2→3: De 2 a 3 temos uma transformação isobárica do gás. Nesse estágio, o gás expande com mesma pressão, ao mesmo tempo em que recebe calor do meio. O calor recebido é:
{\displaystyle Q_{q}=nc_{p}(T_{3}-T_{2})}
3→4: De 3 a 4 temos uma transformação adiabática. Nesse estágio, ocorre uma expansão adiabática. A partir da primeira lei, a energia é igual ao trabalho adiabático:
W={\displaystyle W={\frac {nR}{\gamma -1}}\cdot (T_{4}-T_{3})}
4→1: De 4 a 1 temos uma transformação isobárica. Nesse estágio, o gás expande com mesma pressão, ao mesmo tempo em que perde calor para o meio. O calor perdido é:
{\displaystyle Q_{f}=nc_{p}(T_{4}-T_{1})}
Assim, a partir do Ciclo do Carnot, a eficiência desse ciclo pode ser definida como:
{\displaystyle \eta ={\frac {Trabalho}{Calorrecebido}}={\frac {c_{p}[(T_{3}-T_{2})-(T_{4}-T_{1})]}{cp[T_{3}-T_{2}]}}=1-{\frac {T_{1}(T_{4}/T_{a}-1)}{T_{2}(T_{3}/T_{2}-1)}}}
A pressão em 1 e 4 temos um processo isobárico, bem como em 2 e 3. Assim {\displaystyle P_{1}=P_{4}}P1=P4 e {\displaystyle P_{2}=P_{3}}P2=P3. Como as outras partes do ciclo são adiabáticas e reversíveis, tem-se:
{\displaystyle {\frac {P_{4}}{P_{3}}}={\frac {P_{1}}{P_{2}}}}{\displaystyle ({\frac {T_{4}}{T_{3}}})^{\gamma /(\gamma -1)}=({\frac {T_{1}}{T_{2}}})^{\gamma /(\gamma -1)}}
Assim, =, ou finalmente, {\displaystyle T_{4}/T_{1}=T_{3}/T_{2}}. Usando essa relação, a eficiência térmica do ciclo de Brayton é:
Ciclo ideal de Brayton
O ciclo de Brayton ideal é composto basicamente por 4 etapas, sendo elas:
· Uma compressão isentrópica dentro de um compressor.
· Fornecimento de calor isobaricamente.
· Expansão isentrópica dentro de uma turbina.
· Perda de calor isobaricamente.
Neste ciclo o ar entra no compressor, que representa a primeira etapa, onde o fluido é comprimido realizando uma transformação isentrópica (1 a 2). O ar comprimido se dirige à uma câmara de combustão onde adiciona-se combustível e este é comburido isobaricamente (2 a 3). Após a combustão os gases saem com elevada temperatura e pressão, se expandem, passam pela turbina colidindo com as palhetas, gerando trabalho e reduzindo sua temperatura e pressão (processo isentrópico de 3 a 4). Parte do trabalho gerado é reaproveitado para conduzir o compressor e o restante gera potência mecânica. A última etapa representa a exaustão dos gases para o ambiente, desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia gerada pela combustão é eliminada na forma de calor pelos gases, fluindo como escape (processo isobárico). Contudo, no ciclo de Brayton real, temos respectivamente para as mesmas etapas: um processo adiabático, isobárico, adiabático e por último isobárico.
Ciclo real de Brayton:
1. Processo adiabático - compressão.
2. Processo isobárico - adição de calor.
3. Processo adiabático - expansão.
4. Processo isobárico - rejeição de calor.
Figura 10: Ciclo real de Brayton.
Uma vez que nem a compressão nem a expansão podem ser verdadeiramente isentrópicas, as perdas através do compressor e do expansor representam fontes de inefectividade ineficaz. Em geral, aumentar a taxa de compressão é a maneira mais direta de aumentar a Potência total produzida por um sistema Brayton.
A determinação do rendimento ciclo-padrão pode ser obtida da seguinte forma:
em que:
Ql = Calor saida (frio),
Qh = Calor entrada (quente),
cp = Constante do gás,
T = Temperaturas.
contudo,
A eficiência do ciclo de Brayton ideal é 
A temperatura mais elevada no ciclo ocorre no final do processo de combustão, e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Isto também limita as relações de pressão que podem ser utilizadas no ciclo. Para uma temperatura fixa de entrada da turbina, a produção líquida de trabalho por ciclo aumenta com a razão de pressão (assim a eficiência térmica) e a saída de trabalho líquido. Com menos produção de trabalho por ciclo, é necessário uma maior quantidade de combustível (assim um sistema maior) para manter a mesma potência, deixando de ser um sistema econômico. Nos desenhos mais comuns, a razão de pressão de uma turbina a gás varia de cerca de 11 a 16.
Métodos para aumentar a potência:
A potência de um motor Brayton pode ser melhorada pelo: Reaquecimento, em que o fluido do trabalho - na maioria dos casos - se expande através de uma série de turbinas, então passa por uma segunda câmara de combustão, antes de se expandir à pressão ambiente, através de um conjunto final de turbinas. Possui uma vantagem de aumentar a potência de escape possível para uma determinada taxa de compressão sem exceder quaisquer restrições metalúrgicas (geralmente cerca de 1000 ° C). O uso de uma pós-combustão para motores de aviões a jato também pode ser atribuido como "reaquecimento"; é um processo diferente em que o ar reaquecido é expandido através de um bocal de impulso em vez de uma turbina. As restrições metalúrgicas são um pouco atenuadas, permitindo temperaturas de reaquecimento muito maiores (cerca de 2000°C). O reaquecimento é utilizado com maior frequencia para melhorar a potência específica (pela taxa de transferência do ar), e geralmente é associado a uma queda na eficiência. Este efeito é especialmente pronunciado nos pós-combustíveis devido às quantidades extremas de combustível extra utilizado. Em overspray após a primeira etapa do compressor, a água é injetada neste, fazendo aumentar assim o fluxo de massa dentro dele, aumentando significativamente a potência de saída da turbina e reduzindo as temperaturas de saída do compressor. [10] Na segunda etapa do compressor, a água é completamente convertida em uma forma de gás, oferecendo algum intercooler através do seu calor latente de vaporização.
Métodos para aumentar a eficiência:
O aumento da pressão, aumenta a eficiência do ciclo de Brayton, ou seja, existe uma relação de pressão crescente. Isto é análogo ao aumento da eficiência observado no ciclo Otto, quando a taxa de compressão é aumentada. No entanto, os limites práticos ocorrem quando se trata de aumentar a proporção da pressão. Em primeiro lugar, o aumento da taxa de pressão aumenta a temperatura de descarga do compressor.Isso pode causar a saída da temperatura dos gases deixando o combustor exceder os limites metalúrgicos da turbina. Além disso, o diâmetro das lâminas do compressor diminui progressivamente nos estádios de pressão mais altos do compressor. Uma vez que o espaço entre as lâminas e o revestimento do motor aumenta em tamanho como uma porcentagem da altura da lâmina do compressor à medida que as lâminas ficam menores em diâmetro. Uma maior porcentagem do ar comprimido pode escorrer
atrás das lâminas em estádios de pressão mais alta, isso causa uma queda na eficiência do compressor, e é mais provável que ocorra em turbinas a gás menores (uma vez que as lâminas são menores para começar). Finalmente, como pode ser visto na Figura 1, a eficiência aumenta a taxa de pressão. Por isso, é esperado um pequeno acréscimo ao aumentar o índice de pressão se já estiver alto. Recuperador - Se o ciclo de Brayton for executado com uma relação de baixa pressão e um aumento de temperatura na câmara de combustão, o gás de escape (após o último estágio da turbina) pode ainda ser mais quente do que o gás de entrada comprimido (após o último estágio de compressão, mas antes da câmara de combustão). Nesse caso, um permutador de calor pode ser usado para transferir energia térmica da exaustão para o gás já comprimido, antes de entrar na câmara de combustão. A energia térmica transferida é efetivamente reutilizada, aumentando assim a eficiência. No entanto, esta forma de reciclagem de calor só é possível se o motor for executado em um modo de baixa eficiência com baixa relação de pressão, em primeiro lugar. A transferência de calor da saída (após a última turbina) para a entrada (antes da primeira etapa do compressor) reduziria a eficiência, pois o ar de entrada mais quente significa mais volume, portanto, mais trabalho para o compressor. Para motores com combustíveis criogênicos líquidos, ou seja, hidrogênio, pode ser viável, porém, usar o combustível para esfriar o ar de entrada antes da compressão para aumentar a eficiência. Este conceito é amplamente estudado para o motor SABRE.[11] Um motor Brayton também forma metade do sistema de ciclo combinado, que combina com um motor Rankine para aumentar ainda mais a eficiência geral. No entanto, embora isso aumente a eficiência geral, não aumenta a eficiência do próprio ciclo de Brayton. Os sistemas de cogeração utilizam o calor residual dos motores Brayton para produção de água quente ou aquecimento de espaços.
Variações
Ciclo fechado de Brayton
Um ciclo fechado de Brayton circula o fluido de trabalho, o ar expelido da turbina é reintroduzido no compressor, este ciclo utiliza um permutador de calor para aquecer o fluido de trabalho em vez de uma câmara de Combustão interna. O ciclo de Brayton fechado é usado, por exemplo, em turbinas a gás de ciclo fechado e geração de energia espacial. O ciclo de Brayton , assim como os outros ciclos apresenta dois processos isobáricos e dois isoentrópicos. Diferencia-se pelo fato de que o fluido de trabalho, em seu ciclo, não apresenta mudança de fase (o fluido sempre está na fase de vapor). O ciclo fechado de Brayton é o próprio ciclo ideal da turbina a gás simples. O ciclo fechado utiliza-se de dois processos de transferência de calor.[13] Utiliza-se no ciclo algumas ferramentas que atuam com papéis relevantes, como um permutador de calor para aquecer o fluido de trabalho ao invés de uma câmera de combustão interna. [14] O funcionamento, de forma geral, do ciclo citado ocorre através da entrada da entrada de ar no compressor, nas condições de uma determinada temperatura e pressão. O ciclo terá um temperatura máxima suportada e um pressão de escape na saída do compressor. O ciclo terá, também, uma eficiência para o compressor e também para a turbina. Após a circulação gás dentro do ciclo, obtém-se de forma calculada o trabalho do compressor, da turbina e o rendimento do ciclo todo. Admite-se muitas vezes, para melhor realização dos trabalhos e dos rendimentos, que o ar comporta-se como gás perfeito e que apresenta calor específico de valor constante e que cada processo ocorre em regime permanente e que não apresentem variações de energia cinética ou potencial.
Ciclo solar de Brayton
Em 2002, um ciclo híbrido solar aberto de Brayton foi operado pela primeira vez consistente e eficazmente com os papéis relevantes publicados, no frame do programa de SOLGATE da UE.O ar foi aquecido de 570 K para mais de 1000 K para dentro da câmara de combustão. A hibridação adicional foi conseguida durante o projeto EU Solhyco executando um ciclo de Brayton hibridado, utilizando Energia solar e Biodiesel somente. Esta tecnologia foi ampliada para 4,6 MW dentro do projeto Solugas localizado perto de Sevilha, onde atualmente é demonstrada em escala pré-comercial.[15] Abaixo segue exemplo de aplicação: As plantas de torre centradora contam com centenas ou até milhares de refletores são posicionados em torno de uma torre central. Cada refletor rastreia o sol de modo a refletir a radiação ao receptor central.[16] O calor concentrado absorvido no receptor é transferido para um fluido circulante que pode ser armazenado e/ou utilizado para produzir trabalho.[17] O ar permite a operação de uma turbina a gás, o que possibilita a criação de uma planta de geração elétrica de torre de concentração, onde a torre aquece ar em ciclo aberto, pode ou não ter um queimador adicional, que vaporiza água em um trocador de calor para operação de uma turbina a vapor.
Ciclo reverso de Brayton
Um ciclo de Brayton que é dirigido em sentido inverso, através de entrada de trabalho de rede, e quando o ar é o fluido de trabalho, é o ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. Seu objetivo é mover calor, em vez de produzir trabalho. Esta técnica de arrefecimento a ar é amplamente utilizada em aviões a jato e para sistemas de Ar condicionado que utilizam ar comprimido a partir dos compressores do motor. Também é usado na indústria de GNL, onde o maior ciclo de brayton reverso é para sub-resfriamento LNG usando 86 MW de potência de um compressor de turbina a gás e Nitrogênio.[18] Vide figura, o funcionamento deste ciclo se dá pela compressão de 1 a 2, após isto, o ar é resfriado em consequência da transferência de calor ao meio envolvente (a temperatura ). O ar é então expandido, no processo 3-4, até a pressão de entrada do compressor e a temperatura cai para , no expansor. Calor pode, então, ser transferido ao ar até que se atinja a temperatura . O trabalho para esse ciclo, é representado pela área 1-2-3-4-1 e o efeito frigorífico é representado pela área 4-1-b-a-4. O coeficiente de eficácia é a relação entre estas duas áreas.
Figura 11: Funcionamento do ciclo reverso.
Aplicação
O ciclo de Joule-Brayton é a base para produção de Energia elétrica e Energia mecânica. Nestes casos, o ciclo é usado na entalpia dos fluidos para produzir trabalho mecânico para o eixo. Existem muitos esquemas construtivos, como o uso de compressores axiais ou radiais de acordo com o tamanho, com a utilização de um ou dois veios coaxiais de, e ainda outras diferenças. Um valor para o desempenho real de máquinas estacionárias é de cerca de 35-38% para um ciclo básico, embora possa ser superior a 50% durante um ciclo com intercooler. Os globais aumenta a eficiência energética, mesmo os que exploram o calor residual (ar a cerca de 500 ° C) para a cogeração ou para um ciclo de vapor secundários. Estas medidas, é claro, fazem aumentar a Eficiência do processo, mas deixa inalterado o funcionamento do ciclo de Joule-Brayton.
O ciclo Brayton é um processo utilizado, principalmente, em turbinas a gás. Ele pode operar em um ciclo aberto e em um ciclo fechado. Quando operada em um ciclo aberto, o gás utilizado entra uma câmara de compressão, pelo bocal de admissão. Em seguida, o gás passa por uma câmara de combustão à pressão constante, onde reage com o combustível. Por fim, os gases de combustão passam pela turbina e são eliminados pelo duto de escape. Este ciclo pode ser utilizado como motor de veículos terrestres, marítimos ou aéreos. Já no ciclo fechado, o gás, na câmara de combustão, recebe calor de uma fonte quente externa. Após a passagem do gás pela turbina, um trocador de calor recebe o gás, em que há a liberação de calor para uma fonte fria externa, de modo que o ar volte ao seu estado inicial. Este último ciclo pode ser utilizado em uma usina termoelétrica.[20]
O ciclo fechado também tornou-se importante em reatores nucleares. Nele, o calor é transferido, diretamente ou através
de um segundo fluido, do combustível no reator nuclear ao fluido de trabalho do ciclo e é rejeitado do fluido de trabalho para o meio envolvente.
Figura 11: Ciclo fechado de Bryton.
Figura 12: Ciclo aberto de Bryton.
Um destino diferente é a do Turbojato - propulsão a ar - onde a expansão na turbina produz o tanto de trabalho que é necessário para adicionar o compressor e a eventual turbofan (ou ventilador). O restante de energia contida no fluído vem gasta para fazer acelerar esse mesmo fluído dentro de um bocal e produzir, como consequência, um impulso para frente que faz mover o avião. Entre as muitas características importantes de Turbina a gás (TAG), para abrir ciclo, é o de ser capaz de desenvolver a energia específica elevada e uma elevada eficiência de propulsão, o que os torna muito adequados para a propulsão a ar.
• 1 a 2 compressão isentrópica em um compressor
• 2 a 3 adição de calor a pressão constante
• 3 a 4 expansão isentrópica em uma turbina
• 4 a 1 rejeição de calor a pressão constante
Figura 13: Diagrama T-s para o cilo ideal de um turbojato.
Análise dos ciclos de potência a gás
O primeiro ciclo de Ericsson é chamado agora de ciclo de Brayton. O segundo ciclo de Ericsson que é o ciclo mais conhecido usualmente como "Ciclo de Ericsson"; Já o segundo ciclo de Ericsson seria o limite do Ciclo de Brayton.
O primeiro ciclo desenvolvido por Ericsson é chamado atualmente de "ciclo Brayton", comumente aplicado aos motores a jato rotativo para aviões.
A modificação no Ciclo Brayton que faz com que seu comportamento se aproxime do Ciclo Ericsson é a utilização de múltiplos estágios de compressão e expansão[1]. Diferentemente do Ciclo Brayton, que utiliza compressões e expansões adiabáticas, o Ciclo Ericsson usa compressões e expansões isotérmicas.
O Ciclo Ericsson, assim como o Ciclo Stirling, utiliza um regenerador. Os dois ciclos possuem eficiências térmicas iguais a do Ciclo de Carnot.
	Ciclo/Processo
	Compressão
	Adição de calor
	Expansão
	Dissipação do calor
	Ericsson (Primeiro, 1833)
	adiabático
	isobárico
	adiabático
	isobárico
	Ericsson (Segundo, 1853)
	isotérmico
	isobárico
	isotérmico
	isobárico
	Brayton (Turbina)
	adiabático
	isobárico
	adiabático
	isobárico
Exercicio:
Considere um ciclo padrao a ar Brayton ideal onde a pressao e a temperatura do ar que entra no compressor sao, respectivamente iguais a 100 Kpa e 20°C e a relacao de pressao do compressor é de 12 para 1. A temperatura máxima desse ciclo é de 1100°C e a vazao do ar é igual a 10 Kg/s. 
Admitindo calor especifico constante para o ar igual a Cp=1,0035Kj/Kg.K e 
a) A eficiencia deste ciclo.
b) O trabalho no compressor.
c) O trabalho gerado pela turbina.
Dados:
· Para o compressor temos 
· Temperatura maxima do ciclo 
· 
· 
· 
Se o problema pedir a eficiencia, e deu a relacao de pressao no compressor entao é so substituir na equacao:
A potencia pode ser calculada como:
Entao basta as temperaturas de entrada e saida do compressor para achar a potencia. Como já sabemos a temperatura de entrada e temos, tambem, a relacao de compressao podemos utilizar a relacao de isentropicos para achar a temperatura de saida e calcular a potencia.
Substituindo na equacao da potencia
Agora para acharmos a temperatura da turbina utilizaremos o facto das relacoes entre temperatura serem iguais:
Substituindo na equacao da potencia:
2. TERMODINAMICA DO VAPOR DE AGUA
Funções Termodinâmicas e condições de equilíbrio
Em estados de equilíbrio (P,T e são ctes) todas as transformações de fase são possíveis e são reversíveis ( a entropia não se altera):
Vapor -> Liquido
Vapor -> Sólido
Liquido -> Sólido
Turbina a vapor
Turbina a vapor é uma máquina térmica que aproveita a energia térmica do vapor sob pressão, gerado por uma caldeira, convertendo-a em trabalho mecânico útil através de uma transformação de dilatação térmica. Por exemplo, quando a turbina é acoplada a um gerador, obtém-se a transformação da energia mecânica em energia elétrica.
Figura 14: Turbina a vapor.
Classificação
O tamanho das turbinas a vapor varia de unidades muito pequenas (a potência mínima é de cerca de 1 kW) a turbinas de grande porte que produzem até 1.650 MW. Normalmente, as turbinas de potência mais limitadas são usadas como motores para operar máquinas, como bombas ou compressores, enquanto as turbinas maiores são usadas na geração de eletricidade. Modernas turbinas a vapor são classificadas de acordo com diferentes critérios.
Condições de vapor para admissão e descarga
De acordo com este tipo de classificação, as turbinas podem ser condensação, contrapressão, reaquecimento, extração.
Turbinas de contrapressão são amplamente utilizadas em aplicações de processo. A pressão de descarga é geralmente controlada por uma válvula de ajuste para atender às necessidades do processo. Elas são encontrados em refinarias, fábricas de papel, usinas de dessalinização e outras plantas onde são necessárias grandes quantidades de vapor no processo.
As turbinas de condensação são usadas em usinas termelétricas. Estas turbinas, graças à presença de um condensador a jusante, descarrega o vapor a uma pressão consideravelmente menor do que a pressão atmosférica. Normalmente, o vapor de escape está acima de 90%. Isso aumenta a diferença de entalpia entre admissão e alta e, portanto, em condições de admissão iguais, a potência disponível. O título deve necessariamente permanecer alto, pois a presença de gotículas de água presentes no vapor saturado, que possuem alta energia cinética, pode levar a danos às lâminas. Para evitar isso, o superaquecimento é usado, o que permite que a turbina opere com um maior salto de entalpia e com o vapor permaneça acima do limite de 90% de saturação.
Além disso, as turbinas superaquecidas são usadas quase exclusivamente em usinas termoelétricas. Nestas turbinas, o vapor que sai da seção de alta pressão é retornado para a caldeira, onde é novamente levado para as condições de superaquecimento. O vapor então retorna para a seção de média pressão, onde a expansão continua. Também é possível mais que um reaquecimento.
As turbinas de extração são caracterizadas por derramamentos de vapor de um ou mais estágios da turbina. Em plantas industriais, o vapor aproveitado é usado de acordo com os requisitos do processo. Nas usinas termoelétricas, ela é usada para pré-aquecer a água que entra na caldeira, a fim de melhorar a eficiência térmica geral do ciclo. O caudal dos derrames pode ser controlado por válvulas.
Arranjo de corpos ou árvores
Nas usinas termoelétricas existem configurações de corpo único, "composto em tandem" e "composto cruzado".
As unidades de corpo único são as mais simples. A energia é fornecida por um único eixo acoplado a um gerador elétrico.
A configuração "tandem composto" consiste em dois ou mais corpos separados, cujos eixos formam uma linha de eixo único e são mecanicamente acoplados entre si, operando um único gerador.
Além disso, a configuração "composto cruzado" consiste em dois ou mais corpos separados, mas os eixos não formam uma única linha de eixo e geralmente operam em velocidades diferentes, acoplados a mais de um gerador. Essa configuração é normalmente aplicada em usinas termoelétricas ou nucleares de alto nível.
Princípio de funcionamento
No caso ideal, a expansão do vapor no interior da turbina é isentrópica , isto é, ocorre em entropia constante desde a admissão até a descarga. O caso ideal é puramente teórico porque pode ocorrer apenas na ausência total de perdas (devido a atrito, turbulência, etc.). Devido a essas perdas, que ocorrem em qualquer processo termodinâmico real, a entropia de vapor aumenta durante a expansão da turbina. A expansão isentrópica é, portanto, tomada como uma comparação para determinar a eficiência isentrópica de uma turbina real. Esse parâmetro, dependendo do tipo de aplicação e tamanho da turbina, pode variar de 20% a 90%.
A equação geral das turbomáquinas foi descoberta por Leonhard Euler. A forma para o trabalho por unidade de massa que passa pelo rotor
das turbomáquinas de motor axial é:
L=u
Onde  {\displaystyle U}U é conhecida como velocidade periférica e é a velocidade linear do rotor, {\displaystyle C_{1}}C1 e {\displaystyle C_{2}}C2 são as velocidades absolutas do fluido de trabalho antes e depois de passar pelo rotor. Respectivamente, {\displaystyle \alpha _{1}}  {\displaystyle \alpha _{2}}ão os ângulos entre as velocidades absoluta e periférica antes e depois de passar pelo rotor. Se introduzirmos o conceito de velocidade relativa , que é a velocidade do fluido em relação ao rotor, e definimos o ângulo β como o que existe entre a velocidade periférica e {\displaystyle {\vec {W}}}, podemos reescrever a equação anterior, por propriedades do triângulo como:
Escreve-se a primeira lei da termodinâmica para um balanço de energia do fluido de trabalho em sua passagem pelo rotor, assumindo que é um processo adiabático:
Lembrando que considera-se que L é definido positivo.
Assim encontra-se que a mudança entálpica é igual à mudança dos quadrados da velocidade relativa:
Estágios da turbina a vapor
O vapor se expande na turbina por várias etapas sucessivas. Essa medida serve para melhorar a eficiência geral da turbina. Cada estágio consiste de dois conjuntos de lâminas: as do estator (ou bicos) são fixas e integrais com o revestimento da turbina, enquanto as do rotor são móveis e integram o eixo. Como um todo, as partes fixas em contato com o vapor são chamadas de "estator", enquanto o todo constituído pelo eixo e as partes integrantes dele é chamado de "rotor". Os estágios são caracterizados pela maneira como o vapor dá sua energia à árvore e, de acordo com isso, são definidos como "acionáveis" ou "reativos". Tipicamente, para otimizar não apenas o desempenho, mas também os custos, em uma única turbina a vapor ocorrem as etapas de ação e reação.
Estágios de ação
Um estágio de ação consiste em tubeiras fixas que fazem com que o vapor se expanda, criando jatos de alta velocidade e energia cinética, com uma direção fortemente inclinada em relação ao eixo da máquina. Quando os jatos passam pelas lâminas do rotor, ele varia fortemente sua direção graças ao perfil côncavo especial, e o vapor dá parte de sua energia cinética na forma de trabalho mecânico de rotação do eixo. A queda de pressão ocorre quase inteiramente nas tubeiras, enquanto é quase zero entre a montante e a jusante da lâmina do rotor.
Estágios de reação
Em um estágio de reação, não apenas as lâminas do estator, mas também as lâminas do rotor, têm um perfil tal que constitui uma tubeira convergente em cada folga. Portanto, o fluxo de vapor aumenta sua velocidade em relação às lâminas, não apenas no estator, mas também no rotor. O salto de pressão é menos abrupto do que o estágio de ação e é dividido entre o estator e o rotor.
Os estágios reativos, comparados aos de ação, têm a vantagem de uma maior eficiência, mas, para funcionar adequadamente, podem suportar menores quedas de pressão. Por essa razão, com o mesmo salto de pressão, uma turbina totalmente a jato precisa de um número maior de etapas. Além disso, como a diminuição da pressão é mais gradual, a caixa deve ser capaz de suportar pressões mais altas. Por estas razões, as turbinas a jato são mais caras.
Normalmente, as grandes turbinas a vapor consistem em estágios de ação nas seções de alta pressão, seguidas pelos estágios de reação nas seções subsequentes. Esta solução de projeto atinge um compromisso entre os requisitos de eficiência e custo, pois poucos estágios de ação reduzem de repente a pressão, limitando as dimensões e as características estruturais dos estágios a jusante.
Operação e manutenção
Em condições de turbinas estacionárias, normalmente é utilizado um virador, um dispositivo que faz a máquina girar lentamente, em torno de 200-300 RPM, a fim de evitar (especialmente quando está parado e está em alta temperatura) deformações do eixo, o virador desaciona quando a turbina é "armada" e começa a girar. A primeira fase inicial da turbina é chamada de "taxiamento"; nessa condição, as válvulas de controle da turbina são levemente abertas para aumentar as rotações da turbina, de acordo com as especificações de velocidade e temperatura estabelecidas pelo fabricante da mesma máquina. Este procedimento permite um aquecimento gradual e uniforme da máquina. Então as válvulas são abertas (gradualmente) e o vapor alimentado com vazões maiores aumenta a velocidade da máquina até a nominal.
A tecnologia das turbinas a vapor é agora considerada madura e as falhas são bastante raras. Os requisitos para a manutenção de turbinas a vapor são, portanto, bastante limitados. A presença acidental e excessiva de água no vapor provoca a corrosão precoce das lâminas, devido ao impacto em alta velocidade. Isso pode causar desbalanceamento e, portanto, vibrações excessivas do rotor, que também podem ter consequências nos rolamentos axiais. O problema pode ser reduzido usando água destilada no vapor que, isenta de sais, limita consideravelmente os danos às lâminas. Como a água destilada é um "líquido precioso", é comum usar um trocador de calor mais comumente chamado de condensador: ao descarregar a uma pressão próxima de zero, a saturação de vapor nos estágios de baixa pressão é evitada com a aparência relativa de gotículas de água "disparando" de um estágio a outro para a alta velocidade assumida pelo fluido entre as lâminas. Isto tem a tarefa de devolver o vapor ao estado líquido através da transferência de calor. Outro requisito comum é o uso de materiais de preenchimento nos perfis de entrada das lâminas, especialmente no caso de turbinas de condensação (exaustão conectada a um condensador) ou, em outros casos, de tratamentos térmicos particulares para aumentar suas características de dureza.
Ajuste e controle da turbina a vapor
A presença de um sistema de controle de turbinas é essencial, pois garante que as sequências previstas em qualquer regime de transição sejam seguidas sem a possibilidade de erros ou esforço excessivo. Isso protege contra os efeitos de manobras incorretas, que podem causar danos à máquina e até mesmo situações perigosas. Além disso, o sistema de controle, quando totalmente operacional, é responsável por regular a velocidade e a potência e monitorar os parâmetros operacionais da turbina. Em caso de anomalias, o sistema de controle é programado para fornecer sinais de alarme ao operador e tentar trazer automaticamente a máquina de volta às condições de controle ou pará-la em caso de emergência.
Vapor de agua como fluido do motor
O resfriamento das partes é realizado através de um fluido térmico, o fluido de arrefecimento. Geralmente sua composição é a base de água e um aditivo, mistura essa que deve garantir a eficiência da troca de calor e não possuir potencial corrosivo. A retirada de calor do sistema apenas ocorre quando a válvula termostática abre devido a uma identificação de alta temperatura, sendo assim o fluido circulado pelo sistema .
O fluido mais utilizado em motores de combustão a diesel é a base de água e etilenoglicol em suas devidas proporções. O etilenoglicol é um álcool totalmente solúvel em água, e possui baixo potencial corrosivo, além de ser quimicamente estável e reduzir a pressão de vapor da água. O processo de redução da pressão de vapor da água garante aumento no ponto de ebulição da mistura (ebulioscopia) e a diminuição do ponto de congelamento (crioscopia). Assim, mesmo que ocorram grandes variações de temperatura, o fluido consegue manter sua eficiência ao realizar as trocas térmicas necessárias, sem mudança de fase.
Sistemas de arrefecimento que utilizam apenas água como fluido refrigerante podem sofrer processos de cavitação quando o fluido é bombeado em altas temperaturas, pois podem ocorrer momentos em que a pressão local fica mais baixa em relação à pressão de vapor saturado. Bolhas de vapor podem implodir junto ao rotor e corpo da bomba de arrefecimento, causando grande impulso de pressão e consequentemente danos ao sistema. A adição de etilenoglicol causa redução da pressão