Trabalho sobre Ciclos de Potência a Gás

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UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL 
ÁREA DO CONHECIMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ERICK DOS SANTOS PERUZO 
RAFAEL TESSARI BIM 
 
 
 
 
 
 
 
 
TRABALHO SOBRE CICLOS DE PRESSÃO A GÁS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAXIAS DO SUL 
2020 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1 - Volume de controle ciclo Brayton .................................................................. 5 
Figura 2 - Ciclo padrão de ar Brayton ............................................................................ 5 
Figura 3 - Ciclo regenerativo ideal ................................................................................. 6 
Figura 4 - Ciclo Brayton com reaquecimento e regeneração ......................................... 7 
Figura 5 - Ciclo Ericsson ................................................................................................ 8 
Figura 6 - Esquema didático do motor Stirling................................................................ 9 
Figura 1 - Gráficos P-v e T- s do Ciclo Stirling............................................................. 10 
Figura 2 - Gráficos P-v e T-S do ciclo OTTO................................................................ 11 
Figura 3 - Ciclo Diesel.................................................................................................. 12 
Figura 4 - Gráficos P-v e T-S do ciclo Diesel..............................................................12 
Figura 5 - Gráfico P-v do processo Dual.....................................................................13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................. 4 
2 CICLOS DE POTÊNCIA A GÁS ....................................................................... 5 
2.1 CICLO DE AR PADRÃO BRAYTON - CAPB .................................................... 5 
2.2 CICLO DE AR PADRÃO BRAYTON COM REGENERADOR - CAPBR ........... 6 
2.3 CICLO DE AR PADRÃO BRAYTON COM REAQUECIMENTO E 
REGENERAÇÃO - CAPBRR ....................................................................................... 7 
2.4 CICLO ERICSSON - CE ................................................................................... 7 
2.5 CICLO STIRLING CS..........................................................................................8 
2.6 CICLO DE AR PADRÃO OTTO - CAPO............................................................10 
2.7 CICLO DE AR PADRÃO DIESEL - CAPD..........................................................12 
2.8 CICLO DE AR PADRÃO DUAL - CAPDU..........................................................13 
3 TABELA............................................................................................................ 14 
REFERÊNCIAS .......................................................................................................... .15 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
Boa parte dos equipamentos que são dedicados à produção de trabalho 
(motores), utilizam fluido de trabalho no estado gasoso. Motores a diesel, de ignição 
por centelha automotivo e a turbina a gás convencional são alguns exemplos. Esses 
motores possuem uma mudança na composição do fluido de trabalho, pois durante a 
combustão, ele varia de uma mistura de ar e combustível para produtos de combustão. 
Para que seja possível analisar os motores de combustão interna, é vantajoso 
conceber ciclos fechados que se aproximam muito dos ciclos abertos. Uma dessas 
aproximações é o chamado ciclo padrão a ar. Este trabalho irá apresentar uma breve 
explicação sobre alguns ciclos de potência a gás. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
2 CICLOS DE POTÊNCIA A GÁS 
 
2.1 CICLO DE AR PADRÃO BRAYTON - CAPB 
 
Brayton é a denominação dada ao ciclo teórico de potência, que opera em 
regime permanente com um fluido gasoso, utilizando a mudança de fase. É o ciclo 
ideal para a central de potência baseada a turbina a gás. O ciclo de Brayton não 
executa processos isotérmicos, porque estes devem ser realizados muito lentamente. 
No ciclo de Brayton ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro 
processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternando com dois 
processos isobáricos. 
Na figura 1 pode- se verificar que a análise deste ciclo é feita considerando o 
volume de controle ao redor dos elementos compressor (1-2), turbina (3-4) e 
trocadores de calor (2-3 e 4-1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Na figura 2 (a–b) é mostrado o ciclo padrão de ar Brayton. 
 
Figura 7 - Ciclo padrão de ar Brayton 
 
 
Figura 6 - Volume de controle ciclo Brayton 
a b 
6 
 
Rendimento do ciclo: 
 
 
 
O rendimento do ciclo padrão Brayton é função da relação de pressão 
isotrópica. O fato de o rendimento aumentar em relação a pressão é evidente a partir 
da análise da figura 2. 
Abaixo pode- se observar as eficiências do compressor e da turbina que são 
definidas em relação a processos isotrópicos. 
 
 
 
 
2.2 CICLO DE AR PADRÃO BRAYTON COM REGENERADOR - CAPBR 
 
Os gases que saem da turbina, normalmente possuem uma temperatura 
acima da temperatura ambiente. Então esses gases podem ser reaproveitados em um 
regenerador. O regenerador permite que os gases que saem do compressor sejam 
pré- aquecidos antes de chegarem no trocador de calor. Assim podemos reduzir o 
consumo de combustível na câmera e aumentar a eficiência do processo. Figura 3 
representa um esquema do ciclo simples de turbina a gás, de um ciclo aberto com 
regenerador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8 - Ciclo regenerativo ideal 
7 
 
Para o ciclo ideal com regeneração, o rendimento térmico não depende 
apenas da relação de pressão, mas também, da relação das temperaturas máximas 
e mínimas. Diferente do Brayton, o rendimento diminui com o aumento da relação da 
pressão. 
 
2.3 CICLO DE AR PADRÃO BRAYTON COM REAQUECIMENTO E 
REGENERAÇÃO - CAPBR 
 
A temperatura que os gases de combustão que entram na turbina tem um 
determinado limite, ocasionando a contrução da própria turbina. Essa temperatura 
pode ser controlada fornecendo ar em quantidades maiores que as necessárias para 
a queima do combustível no combustor. A uma etapa onde o compressor recebe uma 
injeção de água, para que o fluxo de massa seja aumentado, e aumentando 
consideravelmente a potência de saída da turbina. Na segunda etapa do compressor 
esta água é convertida em uma forma de gás em um sistema de intercooler (através 
do seu calor latente de vaporização). A figura 4 representa as características básicas 
de uma turbina a gás de dois estágios com reaquecimento são apresentadas 
considerando um ciclo de ar padrão. 
 
Figura 9 - Ciclo Brayton com reaquecimento e regeneração 
 
 
 
2.4 CICLO ERICSSON - CE 
 
Diferente do ciclo de ar Brayton (ciclo ideal), o ciclo de ar Ericson, possui seu 
compressor e sua turbina operando reversível e isotermicamente, levando a melhores 
resultados de rendimentos nestes componentes. Esse novo ciclo é composto por 
8 
 
quatro processos reversíveis, dois deles isobáricos e dois deles isotérmicos. 
É um ciclo difícil de ser realizado na prática, porque envolve transferência de 
calor com uma diferença de temperatura infinitesimal em todos os componentes. Isso 
requer superfícies de transferência de calor muito grandes, ou tempos muito longos 
para a realização dos processos. Os processos que ocorrem no ciclo Ericsson ideal 
são: 
a) Compressão isotérmica: Presume- se que o espaço de compressão seja 
inter-resfriado, de modo que o gás sofre compressão isotérmica. O ar 
comprimidoflui para um tanque de armazenamento a pressão constante. 
No ciclo ideal, não há transferência de calor através das paredes do 
tanque. 
b) Adição de calor isobárico: Do tanque, o ar comprimido flui através do 
regenerador e capta calor a uma alta pressão constante no caminho para 
o cilindro de potência aquecido. 
c) Expansão isotérmica: O espaço da expansão do cilindro de potência é 
aquecido externamente e o gás sofre expansão isotérmica. 
d) Remoção de calor isobárico: Antes de o ar ser liberado como exaustão, 
ele é passado de volta pelo regenerador, resfriando o gás a uma pressão 
constante baixa e aquecendo o regenerador para o próximo ciclo. 
 
 Figura 5 ilustra um sistema de aplicação do ciclo Ericsson. 
 
 
Figura 10 - Ciclo Ericsson 
 
 
9 
 
Fonte: https://engenharia360.com/o-que-e-como-funciona-e-como-fazer-um-
motor-de-stirling/ 
 
2.5 CICLO STIRLING – CS 
 
Este ciclo foi desenvolvido por Robert Stirling (1816) é caracterizado por ser reversível 
e cíclico com quatro etapas de funcionamento: 
1-2 Expansão isotérmica- o ar presente no motor sofre expansão 
aproximadamente isotérmica, absorvendo calor de fontes externas; 
2-3 Resfriamento isovolumétrico - o ar presente no motor transfere calor 
para o meio externo, mantendo-se o volume constante; 
3-4 Compressão isotérmica – nesta etapa o ar que está contido dentro do 
cilindro do motor é contraído e sua pressão aumenta consideravelmente, em um 
processo que ocorre a temperatura constante; 
4-1 Aquecimento isovolumétrico – na ultima etapa, o processo ocorre a 
volume constante e envolve transferência de calor da fonte quente para o ar contido 
dentro do cilindro do motor. 
A Figura 6 ilustra apresenta o esquema didático do motor: 
 
 Figura 11: Esquema didático do motor Stirling 
10 
 
Fonte: Sonntag (2003) 
Para ilustrar os processos descritos anteriormente, a Figura 7 apresenta os gráficos 
P- v e T - s do ciclo. 
 
Figura 12: Gráficos P-v e T- s do Ciclo Stirling 
 
 
 
 
Os motores de Stirling apresentam uma eficiência alta se comparados com os 
motores de combustão interna (como aqueles que movem os carros a gasolina), 
atingindo até 45% de eficiência energética, muito além dos 20% a 30% atingidos por 
outros tipos de motores, como os motores movidos a óleo diesel ou gasolina. 
 
2.6 CICLO DE AR PADRÃO OTTO – CAPO 
 
Este ciclo é um ciclo utilizado em motores de combustão interna e ignição por 
centelha, conhecido como motores 4 tempos, que significa que ele possui 4 estágios 
de funcionamento como: 
1-2: Processo de compressão do ar existente dentro da câmera do cilindro em um 
processo isoentrópico. 
2-3: Processo de aquecimento, que é devido a centelha ser acionada e a mistura de 
ar combustível entre em combustão fornecendo calor e se expanda em um processo 
isocórico. 
3-4: O pistão desce fazendo com que o ar se expanda num processo isoentrópico. 
4-1: Processo de rejeição do calor a volume constante, que é um processo isocórico. 
A Figura 8 apresenta os gráficos P-v e T-S do processo descrito acima 
 
11 
 
Fonte: Sonntag (2003) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O rendimento do ciclo padrão Otto, é função apenas da relação de compressão 
(𝑟𝑣), ou seja, com o aumento dessa relação, o rendimento aumentará também, porém 
em motores reais, o aumento excessivo da taxa de compressão pode ocasionar 
“batidas”. Um bom exemplo disso, é quando utilizamos gasolina com menor 
quantidade de álcool, e que os motores foram projetado para funcionar, acabando por 
termos um rendimento melhor, porém com o passar do tempo, o motor iria estragar, 
pelo fato de estar trabalhando com taxas de compressão maiores do que o planejado. 
 
2.7 CICLO DE AR PADRÃO DIESEL – CAPD 
 
Esse ciclo é empregado em motores diesel, também conhecidos por motor de 
ignição por compressão. 
O único processo que difere o ciclo Otto e o ciclo Diesel é que o trabalho é 
realizado durante o processo de combustão. Porém, em aplicações, como em 
motores, a construção do mesmo é diferente, sendo que os motores não tem um 
gerador de centelha, o que pode ser visto na Figura 9, como acorre nos motores ciclo 
Otto. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 13: Gráficos P-v e T-S do ciclo OTTO 
12 
 
Fonte: http://maquinasemotoresnapescavso.blogspot.com/p/motor-do-ciclo-diesel.html 
Fonte: Adaptado de Sonntag (2003) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O ciclo acima é detalhado através de quatro etapas: 
1-2: Processo de compressão do ar existente dentro da câmera do cilindro, 
elevando sua temperatura em um processo isoentrópico. 
2-3: Quando o pistão chega perto do PMS, o óleo Diesel é injetado, e ao se 
deparar com o ar superaquecido entra em combustão instantaneamente, 
ocasionando uma explosão em um processo isobárico. 
3-4: A explosão causa uma grande força de expansão, fazendo com que o 
pistão dessa ao seu PMI em um processo isoentrópico. 
4-1: Processo de rejeição do calor a volume constante, que é um processo 
isocórico. 
 A Figura 10 apresenta os gráficos de P-v e T- S do processo descrito 
anteriormente. 
 
 
 
 
 
 
2.8 
Figura 14: Ciclo Diesel 
Figura 15: Gráficos P-v e T-S do ciclo Diesel 
13 
 
Fonte: Santiago Del Rio Oliveira e Vicente Luis Scalon, 2014, otimização dos ciclos de ar-padrão 
otto, diesel e dual com relação a potência líquida de saída e a pressão média efetiva. 
2.8 CICLO DE AR PADRÃO DUAL - CAPDU 
 
O ciclo dual é um ciclo onde a combustão ocorre em duas fases (por isso o 
nome “dual”), onde parte do calor é fornecido a uma pressão constante e parte do 
calor é fornecido a um volume constante. Pode ser descrito como uma combinação 
do ciclo Otto e Diesel. Sua vantagem é oferecer de mais tempo para o combustível ter 
a queima completa (por característica de combustão este ciclo é apenas utilizado com 
combustível diesel). 
Abaixo seguem os 5 estágios do ciclo-padrão de ar Dual: 
1-2: Compressão adiabática; 
2-3: Adição de calor com volume constante; 
3-4: Adição de calor com pressão constante; 
4-5: Expansão adiabática; 
5-1: Rejeição de calor a um volume constante. 
A Figura 11 apresenta o grafico de pressão e volume do processo. 
 
 
 
 
 
 
Figura 16: Gráfico P-v do processo Dual 
14 
 
3 TABELAS 
 
A tabela abaixo apresenta um resumo dos processos abordados anteriormente 
 
1-2 2-3 3-4 4-1
CAPB
Compressão 
isentrópica
Adição de calor 
isobárica
Expansão 
isentrópica
Rejeição de 
calor isobárica
CAPBR
Compressão 
isentrópica
Adição de calor 
isobárica
Expansão 
isentrópica
Rejeição de 
calor isobárica
CAPBRR
Compressão 
isentrópica
Adição de calor 
isobárica
Expansão 
isentrópica
Rejeição de 
calor isobárica
CE
Compressão 
isotérmica
Adição de calor 
adiabático
Expansão 
isotérmica
Remoção do 
calor isobárico
CS
Expansão 
isotérmica
Resfriamento 
isocórico
Compressão 
isotérmica
Aquecimento 
isocórico
CAPO
Compressão 
isoentrópica
Transferência de 
calor isocórico
Expansão 
isoentrópica
Rejeição de 
calor do ar 
isocórico
CAPD
Compressão 
isoentrópica
Transferência de 
calor isobárico
Expansão 
isoentrópica
Rejeição de 
calor do ar 
isocórico
CAPDU
Compressão 
adiabática
Adição de calor 
isovolumétrico e 
isobárico
Expansão 
isoentrópica
Rejeição de 
calor do ar 
isovolumétrico
Ciclo
Processos
𝜼𝑻é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒐
Tabela1: Resumo dos ciclos de potência e rendimento térmico 
15 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
 
SONNTAG, Richard E.; BORGNAKKE, Claus; WYLEN, Gordon J.van. 
Fundamentos da Termodinâmica. 6. ed. São Paulo: Edgar Blücher Ltda, 2003. 
p.577 
 
GARCIA, Roberto. Combustíveis e combustão industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: 
Interciência, 2013. Disponível em: . Acesso em: 04 jun. 2020. 
 
OLIVEIRA, Santiago del Rio e SCALON, Vicente Luiz. OTIMIZAÇÃO DOS CICLOS DE AR-
PADRÃO OTTO, DIESEL E DUAL COM RELAÇÃO A POTÊNCIA LÍQUIDA DE SAÍDA E A 
PRESSÃO MÉDIA EFETIVA. Disponível em: < http://pdf.blucher.com.br.s3-sa-east-
1.amazonaws.com/mathematicalproceedings/cnmai2014/0016.pdf>.Data de acesso em: 
5/12/2020.