As Máquinas Termodinâmicas

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Motores de sistema fechados empregam dispositivo de cilindro e pistão, assim representado no gráfico, cujas principais dimensões que o pistão d, também denominado de calibre e a distância que o pistão percorre é chamada de curso do pistão. O volume de ar no cilindro é mínimo, quando o pistão situa-se no ponto morto superior (PMS). Volume deslocado é a diferença entre o volume máximo e o volume da câmara de combustão, sendo que para conseguir a cilindrada de um motor multiplica-se a cilindrada de um cilindro pelo número total de cilindros. O volume da câmara de combustão dá-se pela razão em relação do volume deslocado e a razão de compressão também é obtida por uma razão, mas entre o volume máximo e o volume mínimo: [pic 1]

Quando se classifica motores de cilindro e pistão, é usada a pressão média efetiva , a qual age no pistão durante o curso de ação, gera uma quantidade de trabalho igual à que realmente é realizada no ciclo, portanto:[pic 2]

[pic 3]

Figura 1- Ciclo ideal de um motor de cilindro e pistão com ignição por centelha elétrica.[pic 4]

[pic 5]

Fonte: Termodinâmica (2006, p.226)

- CICLO DE BRAYTON

A utilização de ciclo Brayton em sistemas abertos, o ar entra pelo bocal de admissão no compressor, passa com pressão constante na câmara de combustão, onde reage com o combustível, os gases de combustão passam no interior da turbina, logo retiram-se pelo duto de escape para a atmosfera.

Identificando uma operação em um ciclo fechado, um trocador de calor é inserido no lugar da câmara de combustão, portanto a energia de alguma fonte quente externa entra no ciclo. Um trocador de calor extra, rejeita calor do ciclo para uma fonte fria externa, de forma que o ar volte ao seu estado inicial.

O ciclo Brayton é muito eficiente para turbinas a gás, este utiliza compressão e expansão de entropia constante, ou seja, isentrópica, como identificado no gráfico acima, a sua eficiência é comprovada pela expressão:

.[pic 6]

Considerando as equações isentrópicas tem-se:

[pic 7][pic 8]

E, analisando que p2=p3 e p1=p4, observa-se que:

ou [pic 9][pic 10]

Portanto a eficiência térmica pode ser escrita assim:

[pic 11]

Em termos da razão de pressão rp=p2/p1, a eficiência térmica é:

[pic 12]

Em uma turbina real, ocorrem perdas, em torno de 15%, pois o compressor e a turbina não são isentrópicas, portanto reduzem significativamente a eficiência do motor e da turbina a gás.

Uma característica importante da turbina a gás, a eficiência térmica é limitada seriamente, é que o compressor necessita de muito trabalho, o trabalho reverso é

representado pela equação FTR= comp/turb podendo chegar a 0,8. O compressor requer de até 80% da potência da turbina, deixando até 20% da potência útil u. Este limite se dá quando a eficiência do compressor e da turbina são pequenas.[pic 13][pic 14][pic 15]

Figura 2- Componentes do Ciclo Brayton[pic 16]

[pic 17]

Ciclo aberto Ciclo fechado

Fonte: Termodinâmica (2006, p.226)

Figura 3- Ciclo Brayton

[pic 18][pic 19]

Fonte: Termodinâmica (2006, p.226)

- CICLO PADRÃO DE REFRIGERAÇÃO A AR

No ciclo padrão de refrigeração a ar o processo de expansão numa turbina é basicamente o inverso do ciclo Brayton, ou seja, é um ciclo Brayton com o escoamento do fluido de trabalho na direção inversa e apresentando as mesmas relações entre propriedades e é utilizado na liquefação do ar e de outros gases, sendo uma de suas aplicações em casos específicos de resfriamento, como nos sistemas de climatização de cabines de aviões.

Após a compressão no primeiro instante o ar é resfriado devido a transferência de calor às vizinhanças à temperatura ambiente. Então o ar é expandido nos seguintes processos até a pressão de entrada do compressor e então a temperatura cai no último estágio na turbina. Calor pode, então, ser transferido ao ar até que se atinja a temperatura do espaço refrigerado. O coeficiente de desempenho é a relação entre duas áreas, a área do trabalho e a área do efeito de refrigeração. O coeficiente de desempenho de um ciclo padrão de refrigeração a ar é determinado pela relação entre o trabalho líquido e o compressor e o expansor.

No esquema do ciclo a seguir o ar frio, obtido na seção de descarga da turbina, é soprado na cabine, proporcionando o efeito de resfriamento. Se implantado trocadores de calor contracorrente no ciclo obtêm-se temperaturas baixas.

Figura 4- Ciclo de refrigeração a ar utilizado no resfriamento de aviões

[pic 20]

Fonte: Fundamentos da termodinâmica (p.367

1.4 CICLO OTTO

O ciclo de Otto representa o funcionamento de motores de combustão interna, popularmente conhecida como motores a explosão. O ciclo já registrado pelo engenheiro francês Beaus de Rochas, fez com que o engenheiro alemão Nikolaus August Otto tivesse rejeição ao patenteá-lo, porém, não satisfeito, em 1876, August Otto o aprimorou, sendo o primeiro a construir um motor com base nesse ciclo.

Figura 5- Ciclo de Otto[pic 21]

Fonte: if.ufrgs.br[1]

O modelo ideal do ciclo de Otto é constituído por quatro processos reversíveis internamente:

1º - Admissão isobárica;

2º - Compressão adiabática;

3º - Expansão adiabática;

4º - Exaustão isobárica

Motores de automóveis movidos