Trabalho de Máquinas Térmicas

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE Departamento de Engenharia Mecânica Disciplina: TEM 04098 - Máquinas Térmicas IV Professor: José Eduardo Sampaio

Máquinas Térmicas Alunos

Matrícula

Diogo França da Silva 20638062 José Ernesto V. Fassarela 10638014 Laís Felinto Pereira 20738068

Niterói 2º Semestre de 2010

TRABALHO DE MÁQUINAS TÉRMICAS

SUMÁRIO 1 - INTRODUÇÃO ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 1.1 - MÁQUINAS TÉRMICAS-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.2 - RENDIMENTO DE UMA MÁQUINA TÉRMICA ---------------------------------------------------------------------------- 5 1.3 - SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA --------------------------------------------------------------------------------------- 6 1.4 - A MÁQUINA DE CARNOT ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 2 - INSTALAÇÕES A VAPOR ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 2.1 - INTRODUÇÃO: COMPONENTES DA PLANTA ----------------------------------------------------------------------------- 8 2.2 - COMPONENTES BÁSICOS DE UMA INSTALAÇÃO A VAPOR ----------------------------------------------------------- 8 2.3 - O CICLO DE RANKINE IDEAL -------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 2.3.1 - Rendimento de um cilco rankine ideal ----------------------------------------------------------------------------- 12 2.4 - MELHORIAS NO RENDIMENTO DO CICLO DE RANKINE --------------------------------------------------------------- 12 2.4.1 - O Ciclo de Rankine com Reaquecimento -------------------------------------------------------------------------- 13 2.4.2 - O ciclo de Rankine com aumento da pressão no fornecimento de calor no gerador de vapor -------- 14 2.4.2 - O ciclo de Rankine com redução da pressão de saída da turbina-------------------------------------------- 14 2.5 - CONFIGURAÇÕES ESPECIAIS NO CICLO DE RANKINE ------------------------------------------------------------------ 15 2.5.1 - Reaquecimento --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 2.5.2 - Regeneração ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 16 2.6 - CICLO RANKINE REAL (NÃO-IDEAL) --------------------------------------------------------------------------------------- 18 3 - MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA ------------------------------------------------------------------------------------------ 19 3.1 - INTRODUÇÃO------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 19 3.1.1 - Considerações Iniciais ------------------------------------------------------------------------------------------------- 19 3.1.2 - Definição de Motores a Combustão Interna --------------------------------------------------------------------- 19 3.1.3 - Principio de Funcionamento dos Motores de Combustão Interna ------------------------------------------- 20 3.2 - CICLO DE OTTO ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20 3.2.1 - Modelo Ideal do Ciclo de Otto --------------------------------------------------------------------------------------- 20 3.2.2 - Rendimento do Modelo Ideal do Ciclo de Otto ------------------------------------------------------------------ 21 3.2.3 - Motor a Quatro Tempos (Ciclo Real) ------------------------------------------------------------------------------- 22 3.2.4 - Motor de Dois Tempos ------------------------------------------------------------------------------------------------ 24 3.3 - O CICLO DIESEL ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 25 3.3.1 - Modelo Ideal do Ciclo Diesel ----------------------------------------------------------------------------------------- 25 3.3.2 - Funcionamento Mecânico em um Motor a Diesel -------------------------------------------------------------- 26 3.4 - POTÊNCIA EFETIVA EM UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA ----------------------------------------------------- 27 3.5 - RENDIMENTO DOS MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA ------------------------------------------------------------- 27 3.5.1 - Rendimento Global ou Total ----------------------------------------------------------------------------------------- 27 3.5.2 - Rendimento Volumétrico (Potência por Litro) ------------------------------------------------------------------- 28 3.5.3 - Rendimento Térmico -------------------------------------------------------------------------------------------------- 29 4 - TURBINAS A GÁS------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 30 4.1 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ----------------------------------------------------------------------------------------- 30 4.1.1 - Aplicações Principais -------------------------------------------------------------------------------------------------- 31 4.2 - COMPONENTES PRINCIPAIS DE UMA TURBINA A GÁS ---------------------------------------------------------------- 32 4. 3 - CICLO IDEAL DE BRAYTON -------------------------------------------------------------------------------------------------- 34 4.3.1 - Rendimento do Ciclo Brayton Ideal--------------------------------------------------------------------------------- 35 4.3.2 - Funcionamento em Ciclo Aberto de uma Turbina a Gás ------------------------------------------------------- 36 4.3.3 - Funcionamento em Ciclo Fechado de uma Turbina a Gás ----------------------------------------------------- 37 4.4 - CICLO BRAYTON COM REGENERAÇÃO ----------------------------------------------------------------------------------- 38

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TRABALHO DE MÁQUINAS TÉRMICAS 4.5 - O CICLO IDEAL DA TURBINA A GÁS, USANDO COMPRESSÃO EM VÁRIOS ESTÁGIOS COM RESFRIAMENTO, EXPANSÃO EM VÁRIOS ESTÁGIOS COM REAQUECIMENTO E REGENERADOR. ---------------------------------------- 40 5 - CONCLUSÕES ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41 APÊNDICE A - DEFINIÇÕES BÁSICAS ----------------------------------------------------------------------------------------------- 42 BIBLIOGRAFIA -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43

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1 - INTRODUÇÃO 1.1 - MÁQUINAS TÉRMICAS Máquinas térmicas são dispositivos que, operando em ciclo, retiram energia na forma de calor de uma fonte quente, como por exemplo: gás ou vapor em expansão térmica, e a transfere para uma fonte fria realizando trabalho. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor para a fonte fria. Como ela opera em ciclo, a substância de trabalho deve passar por uma série fechada de processos termodinâmicos, retornando ao seu ponto de partida ao final de cada ciclo. As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam normalmente um fluido para receber e ceder calor ao qual se dá o nome de fluido de trabalho. O trabalho líquido do sistema é simplesmente a diferença de trabalho da fonte quente e da fonte fria: ܹ௧ = ܹு − ܹ௅ ,

onde:

Wt é trabalho líquido ou total da máquina térmica; WH é o trabalho da fonte quente; WL é o trabalho da fonte fria. O trabalho também pode ser definido a partir das trocas de calor: ܹ௧ = ܳு − ܳ௅ , onde: QH e QL são respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor recebido pela fonte fria. Um desenho esquemático de uma máquina térmica é mostrado na figura 1.1.1.

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FIGURA 1.1.1 - DESENHO ESQUEMÁTICO DE UMA MÁQUINA TÉRMICA

1.2 - RENDIMENTO DE UMA MÁQUINA TÉRMICA Um dos principais objetivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendimento possível. O rendimento, que normalmente se denota por η, define-se como a razão entre o trabalho que a máquina fornece W e a energia sob a forma de calor que sai da fonte quente QH e sem o qual ela não poderia funcionar. ߟ=

ܹ ܳு − ܳ௅ ܳ௅ → ߟ= → ߟ = 1− ܳு ܳு ܳு

O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. Como o quociente entre Qc e Qq tem um valor que pode estar entre 0 e 1, a eficiência de uma máquina térmica teoricamente poderia atingir 100%, no entanto, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 1. Caso o valor de Qc fosse nulo (zero Kelvin), isto é, se a máquina não transferisse energia sob a forma de calor para a fonte fria, o rendimento seria igual a 1. No entanto, não é possível construir máquinas térmicas onde, ciclicamente se transforme toda a energia sob a forma de calor proveniente da fonte quente, em trabalho, uma vez que tal violaria a 2ª Lei da Termodinâmica. Em geral o rendimento das máquinas é baixo:

motores de automóveis - da ordem de 30%; motores a diesel - da ordem de 50%; grandes turbinas a gás - da ordem de 80%. __________________________________________________________ Página 5 de 43


Assim o restante de energia que não é aproveitado pela máquina é expulso para o meio ambiente na forma de energia inútil, "perdida". 1.3 - SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Enunciado de Kelvin-Plank - “É impossível construir uma máquina térmica que, operando em um ciclo, não produza nenhum efeito além da absorção de calor de um reservatório e da realização de uma quantidade igual de trabalho”. Enunciado de Clausius - “É impossível construir uma máquina térmica que opere em ciclo e cujo único efeito seja a transferência de energia na forma de calor de um reservatório a uma dada temperatura para um reservatório a uma temperatura mais alta”. Os desenhos esquemáticos referentes aos enunciados acima são demonstrados na figura 1.3.1.

(a) (b) FIGURA 1.3.1 - DESENHOS ESQUEMÁTICOS DOS ENUNCIADOS DE KELVIN-PLANK (a) E CLAUSIUS (b)

1.4 - A MÁQUINA DE CARNOT Idealizada por Sadi Carnot em 1824, opera com um gás ideal que sofre 4 processos, sendo dois adiabáticos e dois isotérmicos, sendo todos eles reversíveis, conforme gráfico da figura 1.4.1 (a), onde a área dentro do ciclo representa o trabalho líquido produzido.

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(a) (b) FIGURA 1.4.1 - (a) ESQUEMA P x V DO CICLO DE CARNOT; (b) ESQUEMA T x S DO CICLO DE CARNOT

Sendo a entropia uma propriedade, podemos representar o ciclo no diagrama T x S conforme figura 1.4.1 (b). Assim, QH = TH ∆SAB

e

QL = TL∆SCD

Como a maquina é cíclica: ∆S = 0,

assim

∆S AB + ∆S CD = 0

A eficiência da máquina de Carnot é dada, portanto por: ߟ = 1−

ܳ௅ ܶ௅ ∆ܵ ܶ௅ =1− = 1− ܳு ܶு ∆ܵ ܶு

E só depende das temperaturas absolutas dos reservatórios térmicos de alta e baixa temperatura.

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2 - INSTALAÇÕES A VAPOR 2.1 - INTRODUÇÃO: COMPONENTES DA PLANTA Os componentes básicos de uma planta de potência, onde a água é o fluido de trabalho, podem ser vistos na figura 2.1.1. A análise termodinâmica é facilitada dividindo-se a planta em quatro subsistemas, identificados pelas letras A até D.

torre de arrefecimento

chaminé

C

gases de combustão A

D

turbina

gerador água quente combustível ar B gerador de vapor

condensador bomba de alimentação

bomba

água fria

FIGURA 2.1.1 - SISTEMA DE POTÊNCIA A VAPOR

O subsistema B fornece a energia requerida para vaporizar a água que passa pelo gerador de vapor, através da queima de algum combustível. O vapor produzido passará pela turbina onde se expandirá até uma pressão mais baixa. O eixo da turbina está conectado a um gerador elétrico (subsistema D). O vapor que deixa a turbina passa através do condensador, onde condensará fora dos tubos por onde circula a água de arrefecimento. O circuito da água de arrefecimento compreende o subsistema C. O escopo desta seção estará voltada ao subsistema A, onde ocorre a conversão de energia entre calor e trabalho. O ciclo de Rankine ideal é considerado o ciclo modelo em se tratando de usinas termelétricas, pois é que mais se aproxima do ciclo real destas. 2.2 - COMPONENTES BÁSICOS DE UMA INSTALAÇÃO A VAPOR Em sua forma mais básica o ciclo de Rankine consiste em quatro componentes, sendo eles: Bomba - Uma bomba é um dispositivo utilizado para mover os líquidos, tais como líquidos ou suspensões, ou gases. __________________________________________________________ Página 8 de 43


Gerador de vapor - O gerador de vapor ou caldeira é definido como um recipiente fechado em que a água ou outro líquido é aquecido ou vapor é gerado, o vapor é superaquecido, ou qualquer combinação dos mesmos, sob pressão ou de vácuo, para uso externo a si mesmo, através da aplicação direta de energia provenientes da queima de combustíveis, de eletricidade ou de energia nuclear. Turbina - A turbina a vapor é um equipamento que aproveita a energia calorífica do vapor e transforma em energia mecânica, sendo um equipamento com boa eficiência quando utilizado em condições de projeto. Essa energia mecânica pode ser utilizada para mover equipamentos e quando acoplado um gerador se obtêm a transformação da energia mecânica em energia elétrica Condensador - Um condensador é um dispositivo usado para condensar uma substância gasosa ao estado líquido. Ao fazê-lo, o calor latente é cedido pela substância, e passará para a refrigeração do condensador. 2.3 - O CICLO DE RANKINE IDEAL O Ciclo Rankine é um ciclo termodinâminco. Como outros ciclos termodinâmicos, sua eficiência máxima é obtida através da eficiência de um Ciclo de Carnot. Seu nome foi dado em razão do matemático escocês William John Macquorn Rankine. O ciclo Rankine descreve a operação de uma planta de força que opera com vapor. Este é produzido em uma caldeira à alta pressão para logo ser levado a uma turbina onde produz energia cinética, onde perderá pressão. Seu caminho continua ao seguir para um condensador onde o que fica de vapor passa ao estado líquido para poder entrar em uma bomba que lhe subirá a pressão para novamente poder o ingressar à caldeira. O fluido de trabalho num ciclo Rankine segue um ciclo fechado, e é constantemente reutilizado. O vapor que se observa saindo de centrais de produção de energia vem do sistema de resfriamento do condensador, e não do fluido de trabalho. Um desenho esquemático do ciclo de Rankine é exposto na figura 2.3.1 abaixo:

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FIGURA 2.3.1 - DESENHO ESQUEMÁTICO DO CICLO DE RANKINE

Os processos que compreendem o ciclo de Rankine são os seguintes: 1 - 2: Primeiro o fluido de trabalho é bombeado em um processo adiabático de uma pressão baixa para uma pressão alta utilizando-se uma bomba. O bombeamento requer algum tipo de energia para ser realizado. 2 - 3: O fluido pressurizado entra numa caldeira, onde é aquecido a pressão constante até se tornar vapor superaquecido. Fontes comuns de calor incluem carvão, gás natural e energia nuclear. 3 - 4: O vapor superaquecido deixa a caldeira e sofre uma expansão adiabática reversível através de uma turbina para gerar trabalho através da rotação do eixo, normalmente acoplado a um gerador elétrico. Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se reduzem. 4 - 1: O vapor então entra num condensador, onde ele é resfriado até a condição de líquido saturado. Este líquido então retorna à bomba e o ciclo se repete. Pelo fato do condensador ser meramentente um trocador de calor, este processo se dá de forma adiabática O diagrama T x S é do ciclo de Rankine é exposto na figura 2.3.2 abaixo.

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FIGURA 2.3.2 - DIAGRAMA T x S DE UM CICLO DE RANKINE IDEAL

As expressões que tratam do trabalho e do calor trocado para os quatro processos básicos são obtidos aplicando-se a 1ª Lei da Termodinâmica. Na análise do ciclo ideal as transferências de calor (inevitáveis) entre os diversos componentes e o meio são desprezadas. As variações de energia cinética e potencial também são desprezadas. Em geral, isso é uma hipótese razoável para os ciclos reais, uma vez que os termos de trabalho e troca de calor são muito maiores que as anteriores.

Por ser o processo de bombeamento adiabático, a equação da conservação de energia por unidade de massa aplicada a bomba reduz-se a: ‫ݓ‬௕ = ℎଶ − ℎଵ ,

onde wb é o trabalho realizado na bomba, h2 é a entalpia no estado 2 e h1 a entalpia no estado 1. Na turbia por se tratar de um processo similar ao da bomba, a equação da conservação por unidade de massa será: ‫ݓ‬௧ = ℎସ − ℎଷ ,

onde wt é o trabalho realizado na bomba, h4 é a entalpia no estado 4 e h3 a entalpia no estado 3. Considerando-se nulas as interações de trabalho nos processos que ocorrem no gerador de vapor e no condensador, a transfêrencia de calor por unidade de massas nestes componentes também é dada pela diferença entálpica em suas entradas e saídas. Para o gerador de vapor tem-se: ‫ݍ‬௚ = ℎଷ − ℎଶ,

onde qg é o calor específico trocado no gerador de vapor e h3 e h2 são as entalpias específicas nos pontos 3 e 2, respectivamente. __________________________________________________________ Página 11 de 43


Para o condensador tem-se:

‫ݍ‬௖ = ℎଵ − ℎସ ,

onde qc é o calor específico trocado no condensador e h1 e h4 são as entalpias específicas nos pontos 1 e 4, respectivamente. 2.3.1 - Rendimento de um cilco rankine ideal

A eficiência térmica do ciclo estabelece o quanto da energia fornecida ao fluido de trabalho, passando pelo gerador de vapor, é convertido em trabalho líquido de saída e é dada pela seguinte razão: ‫ݓ‬௧ − ‫ݓ‬௕ η = ‫ݍ‬௚

Esta expressão também pode ser rescrita em termos de entalpia do fluido de trabalho para os quatro estados representativos do ciclo conforme anteriormente:

η =

ሺℎଷ − ℎସ ሻ − ሺℎଵ − ℎଶ ሻ ሺℎଷ − ℎଶሻ

É evidente que o ciclo de Rankine tem um rendimento menor que o ciclo Carnot que apresenta mesmas temperaturas máxima e mínina do ciclo de Rankine, porque a temperatura média entre 2 e 2’ é menor que a temperatura durante a vaporização. Podemos então perguntar, porque escolhemos o ciclo de Rankine como ciclo ideal? Porque não escolher o ciclo de Carnot 1’-2’-3-4-1 como ciclo ideal? Pode-se fornecer, pelo menos, duas razões para escolha do ciclo de Rankine. A primeira envolve o processo de bombeamento. O estado 1’ é uma mistura de líquido e vapor e é muito difícil constituir uma bomba que opere convenientemente sendo alimentada como uma mistura de líquido e vapor (1’) e que fornece líquido saturado na seção de descarga (2’). É muito mais fácil condensar completamente o vapor e trabalhar somente com o líquido na bomba (o ciclo de Rankine é baseado neste fato). A segunda razão envolve o superaquecimento do vapor. No ciclo de Rankine o vapor é super aquecido a pressão constante, processo 3-3’. No ciclo de Carnot toda transferência de calor ocorre a temperatura constante e, portanto o vapor é super aquecido no processo 3-3’’. Note que durante esse processo a pressão cai. Isto significa que o calor deve ser transferido ao vapor enquanto ele sofre um processo de expansão (no qual é efetuado o trabalho). Isto também é muito difícil de ser conseguido na prática. Assim, o ciclo de é ciclo ideal que pode ser aproximado na prática. 2.4 - MELHORIAS NO RENDIMENTO DO CICLO DE RANKINE Na análise do ciclo de Rankine é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado __________________________________________________________ Página 12 de 43


aumentará o rendimento do ciclo de Rankine, assim surgem três possibilidades básicas para se obter um maior rendimento: Superaquecendo o vapor no gerador de vapor; Aumentando a pressão no fornecimento de calor no gerador de vapor; Diminuindo a pressão de saída da turbina. O estudo sobre as melhorias do rendimento do ciclo de Rankine tem grande importância porque usinas de potência a vapor são as responsáveis pela produção da maior parte da energia elétrica do mundo. Portanto, ganhos de eficiência térmica podem significar uma grande economia na necessidade de combustível, e conseqüentemente, ganhos ambientais. 2.4.1 - O Ciclo de Rankine com Reaquecimento O superaquecimento do vapor no gerador de vapor geralemente é feito pela passagem do vapor através de tubos expostos a combustão de gases ou alguma outra fonte de energia com temperatura acima da temperatura de saturação. O vapor entra na turbina com entalpia maior do que aquela respectiva a um ciclo de Rankine sem superaquecimento, conforme podemos observar no diagrama da figura 2.4.1.1.

FIGURA 2.4.1.1 - DIAGRAMA T x S MOSTRANDO O SUPERAQUECIMENTO EM UM CICLO DE RANKINE

Percebe-se que o trabalho aumenta o correspondente a área 3-3’-4’-4-3 e o calor transferido no gerador de vapor aumenta o correspondente à área 3-3’-b’-b-3. Como a relação entre estas duas áreas é maior do que a relação entre o trabalho líquido e o calor fornecido no restante do ciclo, é evidente que, para as pressões dadas, o superaquecimento do vapor aumenta o rendimento do ciclo de Rankine. Isto pode ser explicado também pela ocorrência do aumento da temperatura média na qual o calor é transferido ao vapor. Note também que, quando o vapor é superaquecido, o título do vapor na saída da turbina aumenta.

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2.4.2 - O ciclo de Rankine com aumento da pressão no fornecimento de calor no gerador de vapor A segunda possibilidade, em que se considera um aumento da pressão no fornecimento de calor no gerador de vapor, é representada na figura 2.4.2.1 abaixo:

FIGURA 2.4.2.1 - DIAGRAMA T x S MOSTRANDO O AUMENTO DA PRESSÃO NO FORNECIMENTO DE CALOR NO GERADOR DE VAPOR

Nesta análise, a temperatura máxima do vapor, bem como a pressão de saída são mantidas constantes. O calor rejeitado diminui o correspondente a área b’-4’-4-b-b’. O trabalho líquido aumenta o correspondente à área hachurada simples e diminui o correspondente a área do duplo hachurado. Portanto o trabalho líquido tende permanecer o mesmo, mas o calor rejeitado diminui e, portanto, o rendimento do ciclo de Rankine aumenta com o aumento da pressão máxima. Note que, neste caso, a temperatura média na qual o calor é fornecido também aumenta com um aumento da pressão. Já o título do vapor que deixa a turbina diminuir quando a pressão máxima aumenta. 2.4.2 - O ciclo de Rankine com redução da pressão de saída da turbina

A terceira possibilidade, da redução da pressão de saída na turbina com a correspondente diminuição da temperatura na qual o calor é rejeitado, é representada na figura 2.4.2.1:

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FIGURA 2.4.2.1

- DIAGRAMA T x S MOSTRANDO A REDUÇÃO DA PRESSÃO NO CONDENSADOR EM UM CICLO RANKINE

O trabalho líquido aumenta de uma área 1-4-4’-1’-2’-2-1 (hachurada). O calor transmitido ao vapor é aumentando de uma área de a’-2’-2-a-a’. Como essas duas áreas são aproximadamente iguais, o resultado líquido é um aumento no rendimento do ciclo. Isso também é evidente pelo fato de que a temperatura média, na qual o calor é rejeitado, diminui. Note, entretanto, que a redução da pressão de saída causa um aumento no teor de umidade do vapor que deixa a turbina. Isto é um fator significativo, pois ocorrerá um a diminuição na eficiência da turbina e a erosão das palhetas da turbina tornar-se-á um problema muito sério quando a umidade do fluido, nos estágios de baixa pressão da turbina, excede cerca de 10 por cento. Além das três possibilidades relacionadas aos efeitos da temperatura e da pressão, existem também configurações especiais elaboradas sobre o ciclo de Rankine com a finalidade de melhorar a sua eficiência térmica. Estas configurações admitem a incorporação de processos conhecidos como: Reaquecimento, e; Regeneração. 2.5 - CONFIGURAÇÕES ESPECIAIS NO CICLO DE RANKINE 2.5.1 - Reaquecimento O ciclo de Rankine com reaquecimento foi desenvolvido para tirar vanatgem do aumento do rendimento com o uso de pressões mais altas, e ainda evitar umidade execessiva nos estágios de baixa pressão da turbina. Este ciclo é demonstrado esquematicamente na figura 2.5.1.1.

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FIGURA 2.5.1.1 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CICLO DE RANKINE COM REAQUECIMENTO

O ciclo Rankine com reaquecimento opera utilizando duas turbinas em série. A primeira turbina recebe o vapor do gerador de vapor à alta pressão,liberando-o de tal maneira a evitar sua condensação. Este vapor é então reaquecido, utilizando o calor da própria caldeira, e é utilizado para acionar uma segunda turbina de baixa pressão. Entre outras vantagens, isto impede a condensação do vapor no interior das turbinas durante sua expansão, o que poderia danificar seriamente as pás da turbina. Assim com o o processo que ocorre no gerador de vapor, o processo de reaquecimento ideal é também suposto reversível internamente, à pressão constante. 2.5.2 - Regeneração Os conceitos básicos do ciclo regenerativo podem ser mostrados considerando-se o ciclo de Rankine sem superaquecimento como indicado na figura 2.5.2.1:

FIGURA 2.5.2.1 - CICLO DE RANKINE SEM SUPERAQUECIMENTO

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Durante os processos 2-2’, o fluido é aquecido enquanto permanece na fase líquida; a temperatura média do fluido, durante este processo, é muito inferior à do processo 2’-3. Isso faz com que a temperatura média, na qual o calor é fornecido ao ciclo de Rankine, seja menor do que no Ciclo Carnot 1’-2’-3-4-1’ e, conseqüentemente, o rendimento do ciclo de Rankine é menor que o ciclo de Carnot corresnpondente. No ciclo regenerativo, o fluido de trabalho entra no gerador de vapor em algum estado entre 2 e 2’ e, com isso, aumenta a temperatura média na qual o calor é fornecido. Observa-se, então, o ciclo ideal regenerativo mostrado na figura 2.5.2.2:

FIGURA 2.5.2.2 - DIAGRAMA T x S MOSTRANDO O CICLO IDEAL REGENERATIVO

O aspecto singular do ciclo ideal regenerativo é que, após deixar a bomba, o líquido circula ao redor da carcaça da turbina, em sentido contrário ao vapo da turbina. Com isto tranfere-se o calor do vapor que escoa através da turbina ao líquido que circula ao redor da turbina. Na hipótese desta troca ser reversível, ou seja, em cada ponto a temperatura do vapor é apenas infinitesimalmente superior à temperatura do líquido, a linha 4-5 no diagrama T x S da figura 2.5.2.2 que representa os estados do vapor escoando atráves da turbina, é exatamente paralela a linha 1-2-3 que representa o processo de bombeamento e os estados líquido que escoa ao redor da turbina. Assim, as áres 2-3-b-a-2 e 5-4-d-c-5 são iguais e congruentes, e representam o calor transferido ao líquido, e do vapor, respectivamente. Nota-se, também, que o calor transferido ao fluido de trabalho no processo 3-4 e a área 3-4-d-b-3 representa esta troca de calor. O calor é transferido do fluido de trabalho no processo 5-1 e a área 1-5-c-a-a representa esta troca de calor. Nota-se que esta área é exatamente igual a área 1’-3-4-5’-1’. Assim, o ciclo regenerativo ideal tem um rendimento exatamente igual ao rendimento do ciclo de Carnot, com as mesmas temperaturas de forncecimento e rejeição de calor. Obviamente o ciclo regenerativo ideal não é prático, pois não é possível efetuar a troca de calor necessária do vapor que deixa a turbina à água líquida de alimentação. Além disso, o teor de umidade do vapor que deixa a turbina aumenta consideravelmente em consequencia da troca de calor e a desvantagem disto já foi observada anteriormente. O ciclo regenerativo prático envolve a extração de uma __________________________________________________________ Página 17 de 43


parte do vapor após ser expandido parcialmente ne turbina e o uso de aquecedores de água de alimentação. 2.6 - CICLO RANKINE REAL (NÃO-IDEAL) Num ciclo Rankine real, a compressão pela bomba e a expansão na turbina não são isoentrópicos. Em outras palavras, estes processos não são reversíveis, e a entropia aumenta durante os processos. Isto faz com que a energia requerida pela bomba seja maior, e que o trabalho produzido pela turbina seja menor do que o produzido num estado de idealidade.

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3 - MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA 3.1 - INTRODUÇÃO 3.1.1 - Considerações Iniciais Nesta parte do trabalho serão abordados os conceitos e as definições básicas para o entendimento das máquinas térmicas que funcionam a combustão interna. Na atualidade estes motores têm um grande mercado nas pequenas indústrias e também em sistemas de geração de produção de energia elétrica, em sistemas de Co-geração, sempre que as necessidades térmicas sejam pouco significativas, ou quando os consumos de energia sofrem variações ao longo do tempo. Este tipo de Co-geração é habitualmente utilizado em instalações com potências da ordem dos 10 MW, embora possam ser encontrados alguns exemplos com consumos da ordem dos 20 MW ou mais. Vantagens arranque rápido; trabalho em rotações relativamente baixas; pequeno tamanho; fácil manutenção. Desvantagens limitação de potência; não utilização de combustíveis sólidos; peso elevado para a potência; elevado número de peças; baixa eficiência. 3.1.2 - Definição de Motores a Combustão Interna Motores a combustão interna são máquinas térmicas motoras nas quais a energia química dos combustíveis se transforma em trabalho mecânico (o fluido de trabalho consiste nos produtos da combustão). Podem ser classificadas como: 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, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação off-road, 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 existe uma vasta gama de __________________________________________________________ Página 19 de 43


modelos com características apropriadas, conforme o uso. (Laser, trabalho comercial leve, pesado, médio-contínuo e contínuo). 3.1.3 - Principio de Funcionamento dos Motores de Combustão Interna O ciclo mecânico é o mesmo em qualquer motor de combustão interna, sendo ele: 1. 2. 3. 4. 5.

Introduz-se o combustível no cilindro; Comprime-se o combustível, consumindo trabalho (deve ser fornecido); Queima-se o mesmo; Ocorre a expansão dos gases resultantes da combustão, gerando trabalho; Expulsão dos gases.

Nos motores a pistão, este ciclo pode completar-se de duas maneiras: ciclo de trabalho a quatro tempos; ciclo de trabalho a dois tempos. 3.2 - CICLO DE OTTO O Ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento dos motores de combustão interna de ignição por centelha. Foi definido por Beau de Rochas e implementado com sucesso pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne Lenoir e Rudolf Diesel. Motores baseados neste ciclo equipam a maioria dos automóveis de passeio atualmente. Para esta aplicação, é possível construir motores a quatro tempos mais eficientes e menos poluentes em comparação aos motores a dois tempos, apesar do maior número de partes móveis, maior complexidade, peso e volume, comparando motores de mesma potência. 3.2.1 - Modelo Ideal do Ciclo de Otto O ciclo de é o ciclo ideal que se aproxima do motor de combustão interna de ignição por centelha (como já foi observado anteriormente). Este ciclo é representado nos diagramas P x v e T x S da figura 3.2.1.1 abaixo

(a) (b) FIGURA 3.2.1.1 - (a) DIAGRAMA P x v DO CICLO DE OTTO IDEAL; (b) DIAGRAMA T x s DO CICLO DE OTTO IDEAL

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Os processos que compreendem o ciclo de Otto ideal, conforme figura 3.2.1.1, são os seguintes: 0-1: Admissão isobárica; 1-2: Compreensão isoentrópica do ar quando o pistão se move do lado da manivela para o ponto morto do lado do cabeçote; 2-3: Combustão a volume constante enquanto o pistão está momentaneamente em repouso no ponto morto superior; 3-4: Expansão isoentrópica; 4-1: Rejeição de calor. 3.2.2 - Rendimento do Modelo Ideal do Ciclo de Otto Admitindo-se constante o calor especifico do ar, o rendimento do ciclo de Otto ideal é dado por:

η௧ = 1 −

ܳு − ܳ௅ ܳ௅ ݉‫ܥ‬௩ ሺܶସ − ܶଵ ሻ =1− =1− ܳு ܳு ݉‫ܥ‬௩ ሺܶଷ − ܶଶሻ

η௧ = 1 − Além disso, observamos que:

ܶ ܶଵ ሺ ସൗܶ − 1ሻ ଵ

ܶ ܶଶ ሺ ଷൗܶ − 1ሻ ଶ

ܶଶ ܸଵ ௞ିଵ ܸସ ௞ିଵ ܶଷ =൬ ൰ =൬ ൰ = ܶଵ ܸଶ ܸଷ ܶସ Portanto:

e,

ܶଷ ܶସ = ܶଶ ܶଵ

η௧ = 1 −

ܶଵ 1 = 1 − ሺ‫ݎ‬௩ ሻଵି௞ = 1 − ௞ିଵ ܶଶ ‫ݎ‬௩

onde, ‫ݎ‬௩ é a razão de compressão:

‫ݎ‬௩ =

ܸଵ ܸସ = ܸଶ ܸଷ

Uma coisa importante a ser observada é que o rendimento do ciclo de Otto ideal é uma função apenas da razão de compreensão, e que o rendimento aumenta com o aumento desta razão. A figura 3.2.2.1 apresenta o gráfico do rendimento térmico do ciclo de Otto ideal.

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A FIGURA 3.2.2.1 - RENDIMENTO TÉRMICO EM FUNÇÃO DA RAZÃO DE COMPRESSÃO.

Os ciclos termodinâmicos associados às máquinas reais se diferem sensivelmente da idealização, já que os processos ocorrem apenas de forma aproximada à maneira descrita e os motores estão susceptíveis a fenômenos como, por exemplo: O calor específico dos gases reais aumenta com o aumento da temperatura. O processo de combustão substitui o processo de troca de calor a alta temperatura, e a combustão pode ser incompleta. Há considerável troca de calor entre os gases do cilindro e as paredes do cilindro. Haverá irreversibilidades associadas aos gradientes de pressão e temperatura. 3.2.3 - Motor a Quatro Tempos (Ciclo Real) Considerando o uso de apenas duas válvulas que são comandadas pelos ressaltos de árvore de cames, uma designada por válvula de admissão que permite a introdução de uma mistura gasosa composta por ar e combustível no cilindro e outra designada como válvula de escape, que permite a expulsão para a atmosfera dos gases queimados, o ciclo de funcionamento de um motor de combustão a 4 tempos é o seguinte: 1 - Com o êmbolo (também designado por pistão) no ponto morto superior, doravante designado por PMS, é aberta a válvula de admissão, enquanto se mantém fechada a válvula de escape. A dosagem da mistura gasosa é regulada pelo sistema de alimentação, que pode ser um carburador ou pela injeção eletrônica, em que se substitui o comando mecânico destes sistemas por um eletrônico e conseguindo-se assim melhores misturas, principalmente quando solicitadas respostas rápidas do motor. O êmbolo é impulsionado para baixo pelo eixo de manivelas (virabrequim), move-se então até o ponto morto inferior, doravante designado por PMI. A este passo do êmbolo é chamado o primeiro tempo do ciclo, ou tempo de admissão. 2 - Fecha-se a válvula de admissão, ficando o cilindro cheio com a mistura gasosa, que é agora comprimida pelo pistão, impulsionado no seu sentido ascendente em direção à cabeça do motor pelo eixo de manivelas até atingir de novo o PMS. A este __________________________________________________________ Página 22 de 43


segundo estágio do êmbolo é chamado o segundo tempo do ciclo, ou tempo de compressão. 3 - Quando o êmbolo atingiu o PMS, a mistura gasosa que se encontra comprimida no espaço existente entre a face superior do êmbolo e a cabeça do motor, denominado câmara de combustão, é inflamada devido a uma faísca produzida pela vela e explode. O aumento de pressão devido ao movimento de expansão destes gases empurra o êmbolo até ao PMI, impulsionando desta maneira o eixo de manivelas e produzindo a força rotativa necessária para o movimento do eixo do motor que será posteriormente transmitido às rodas. A este terceiro estágio do êmbolo é chamado o terceiro tempo do ciclo, tempo de explosão, tempo motor ou tempo útil, uma vez que é o único que efetivamente produz trabalho, pois durante os outros tempos, apenas se usa a energia de rotação acumulada no volante (acoplado ao eixo), o que faz com que ele ao rodar permita a continuidade do movimento do jogo de manivelas durante os outros três tempos. 4 - O cilindro encontra-se agora cheio de gases queimados. É nesta altura, em que o êmbolo impulsionado pelo eixo de manivelas retoma o seu movimento ascendente, que a válvula de escape se abre, permitindo a expulsão para a atmosfera dos gases impelidos pelo êmbolo no seu movimento até ao PMS, altura em que se fecha a válvula de escape. A este quarto estágio do êmbolo é chamado o quarto tempo do ciclo, ou tempo de exaustão (escape). Após a expulsão dos gases o motor fica nas condições iniciais permitindo que o ciclo se repita. Na figura 3.2.3.1 podemos ver o funcionamento de um motor a 4 tempos de forma mais simples.

FIGURA 3.2.3.1 - SEQÜÊNCIA DO MOTOR 4 TEMPOS.

É importante salientar, que somente no curso de combustão se produz energia mecânica, os outros três tempos são passivos, ou seja, absorvem energia. __________________________________________________________ Página 23 de 43


3.2.4 - Motor de Dois Tempos Os motores deste tipo combinam em dois cursos do êmbolo as funções dos motores de quatro tempos, sendo assim, há um curso motor para cada volta do virabrequim. Normalmente estes motores não têm válvulas, eliminando-se o uso de tuchos, hastes, etc. O cárter, que possui dimensões reduzidas, recebe a mistura arcombustível e o óleo de lubrificação. Deve ser cuidadosamente fechado, pois nele se dá a pré-compressão da mistura. 1º Tempo - Curso de Admissão e Compressão O êmbolo dirige-se ao PMS, comprimindo a mistura ar-combustível. As janelas de escape e carga são fechadas, abrindo-se a janela de admissão. Com o movimento do êmbolo, gera-se uma pressão baixa dentro do cárter e assim, por diferença de pressão, admite-se uma nova mistura ar combustível - óleo lubrificante, que será utilizado no próximo ciclo. O virabrequim dá meia volta, 180 graus, fechando o ciclo. Pouco antes de atingir o PMS, dá-se a centelha, provocando a combustão da mistura, gerando uma força sobre o êmbolo. Inicia-se então o próximo ciclo. 2º Tempo - Combustão e Escape É o curso de trabalho. No PMS, dado início à combustão por meio de uma centelha, o êmbolo é forçado até o PMI. Durante o curso, o êmbolo passa na janela de descarga dando vazão aos gases da combustão. Ao mesmo tempo o êmbolo abre a janela de carga permitindo que uma nova mistura ar-combustível entre no cilindro preparando-o para o novo ciclo e forçando os gases provenientes da combustão para fora (lavagem). O virabrequim, neste primeiro tempo, dá meia volta, 180 graus. Na figura 3.2.4.1 podemos ver o funcionamento de um motor a 2 tempos de forma mais simples.

Figura 3.2.4.1 - Seqüência do motor a 2 tempos.

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3.3 - O CICLO DIESEL O motor a 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 do combustível se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compressão da mistura inflamável. As principais diferenças entre o motor a gasolina e o motor diesel são as seguintes: enquanto o motor a gasolina funciona com a taxa de compressão que varia de 8:1 a 12:1, no motor diesel esta varia de 14:1 a 25:1. Dai a robustez de um em relação ao outro. Enquanto o motor a gasolina aspira a mistura ar + combustível para a câmara de combustão e queima a partir de uma faísca elétrica fornecida pela vela de ignição no momento de máxima compressão. No motor diesel não existe uma aspiração, mas sim uma injeção de óleo (combustível) no momento de máxima compressão, a alta taxa de oxigênio faz com que o óleo entre em combustão, produzindo a explosão sem a necessidade da ignição elétrica. O Engenheiro Rudolf Diesel chegou a esse método quando aperfeiçoava máquinas a vapor. Quando o tempo está frio, o ar ao ser comprimido poderá não atingir a temperatura suficiente para a primeira ignição, mas esses obstáculos têm vindo a desaparecer em virtude das injeções eletrônicas diretas e a maior rotação do motor de partida. Nos modelos antigos ou lugares muito frios costuma-se usar velas de incandescência no tubo de admissão para minimizar esse efeito sendo que alguns motores estacionários ainda usam buchas de fogo e a partida é feita com manivelas. Para melhorar o desempenho, o ar entra pela admissão já pressurizado. Usa-se uma pequena turbina que utiliza os gases de escape para girá-la. Acoplado ao mesmo eixo encontra-se uma outra turbina que pressuriza o ar para dentro da câmara de combustão. Tal processo é chamado de co-geração, pois aproveita a energia que seria desperdiçada. 3.3.1 - Modelo Ideal do Ciclo Diesel O ciclo Diesel ideal é mostrado na figura 3.3.1.1. Este é o ciclo ideal para o funcionamento do motor com o mesmo nome.

(a) (b) FIGURA 3.3.1.1 -(a) DIAGRAMA P x v EM UM CICLO DIESEL IDEAL; (b) DIAGRAMA P x s EM UM CICLO DIESEL IDEAL

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Neste ciclo, o calor é transferido ai fluido de trabalho a pressão constante. Este processo corresponde à injeção e a queima do combustível no motor real. Como o gás se expande durante a adição de calor no ciclo ideal, a troca de calor deve ser apenas o suficiente para manter a pressão constante. Quando se atinge o estado 3, a adição de calor cessa e o gás sofre uma expansão isoentrópica, processo 3-4, até que o pistão atinja o PMI. Como no ciclo Otto padrão, uma rejeição de calor a volume constante no PMI substitui os processos de descarga e de admissão do motor real. O rendimento do ciclo Otto é dado pela relação: ܶ ܶଵ ሺ ସ − 1ሻ ܳ௅ ‫ܥ‬௩ ሺܶସ − ܶଵ ሻ ܶଵ ݊௧ = 1 − =1− =1− ܶ ܳு ‫ܥ‬௣ሺܶଷ − ܶଶሻ ‫ܶܭ‬ଶ ሺ ଷ − 1ሻ ܶଶ É importante notar que no ciclo Diesel, a razão de compressão isentrópica é maior do que a razão de expansão isoentrópica. E também, para um dado estado antes da compressão e uma dada relação de compressão, o rendimento do ciclo diminui com o aumento da temperatura máxima. Isto é evidente pelo diagrama T x s, porque as linhas de pressão constante e de volume constante convergem, e aumentando-se a temperatura será necessária uma maior adição de calor e resultará num aumento relativamente pequeno de trabalho. 3.3.2 - Funcionamento Mecânico em um Motor a Diesel Na maioria das aplicações os motores Diesel funcionam a quatro tempos. O ciclo inicia-se com o êmbolo no PMS. A válvula de admissão está aberta e o êmbolo ao descer aspira o ar para dentro do cilindro. O êmbolo atinge o PMI e inicia-se então a compressão. A temperatura do ar dentro do cilindro aumenta substancialmente devido à diminuição do volume. Pouco antes do PMS o combustível começa a ser pulverizado pelo injetor em finas gotículas, misturando-se com o ar quente até que se dá a combustão. A combustão é controlada pela taxa de injeção de combustível, ou seja, pela quantidade de combustível que é injetado. O combustível começa a ser injetado um pouco antes do PMS devido ao fato de atingir a quantidade suficiente para uma perfeita mistura (ar + combustível) e conseqüentemente uma boa combustão. A expansão começa após o PMS do êmbolo com a mistura (ar + combustível) na proporção certa para a combustão espontânea, onde o combustível continua a ser pulverizado até momentos antes do PMI.

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O ciclo termina com a fase de escape, onde o embolo retorna ao PMS, o que faz com que os gases de combustão sejam expulsos do cilindro, reiniciando, assim, o ciclo. No caso dos motores a dois tempos, o ciclo é completado a cada volta, a admissão não é feita por válvulas mas sim por janelas. 3.4 - POTÊNCIA EFETIVA EM UM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA A potência de um motor é determinada pela quantidade de trabalho que ele pode fornecer em um segundo, isto é, pelo número de joules (J). A unidade de potência atual é o quilowatt (kW) ou o watt para os motores pequenos. Para calcular a potência de um motor, basta calcular a quantidade de trabalho que este é capaz de fornecer em 1 segundo. Esta quantidade de trabalho obtida em joules por segundo será transformada em W ou em kW, conforme a equivalência destas unidades. 1 J/s = 1 W; 1000 J/s = 1 kW; 1000 J/s = 1,36 C.V. nas antigas unidades ou 1 C.V. = 736 J/s. 3.5 - RENDIMENTO DOS MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA 3.5.1 - Rendimento Global ou Total Chama-se rendimento de um motor a relação entre potência mecânica desenvolvida à saída do virabrequim e a que lhe é fornecida sob a forma de carburante. Um grama de gasolina tem um poder calorífico de 11000 calorias. Uma caloria transformada totalmente em trabalho mecânico fornece 4,185 J, ou seja, uma força de 1 Newton (N), provocando um deslocamento de 1 m. Um motor que consome 340 g de gasolina por kWh recebe por segundo uma energia de 340 x 11000 x 4,185/3600 = 4348 J/s. 1 kWh = 3600000 J 1KW =1000 J/s Este motor recebe sob forma de carburante uma energia calorífica capaz de fornecer 4348 J/s; e rende 1000 J/s. O seu rendimento térmico é de 1000 x 100/4348 = 23% Observações: O cálculo do rendimento de um motor pode ser feito com base no seu consumo por hora ou por segundo. Como os catálogos dos motores indicavam __________________________________________________________ Página 27 de 43


sempre, antigamente, o consumo em g por H.P./hora, era lógico calcular o rendimento a partir deste valor e em relação ao H.P./hora. Com as novas unidades MKSA convém calcular o rendimento na base do consumo por segundo. A unidade de trabalho (J) é dez vezes menor que o (kgm) e a unidade de calor (cal) é mil vezes menor que a (kcal), pelo que, calculando por hora, terão valores extremamente elevados e pouco comuns na prática. Aliás, sendo a nova unidade de potência dos motores, o kW, correspondente a 100 J/s, é mais simples calcular o rendimento sobre esta base de tempo. O rendimento de um motor de ciclo Otto funcionando a gasolina é em média de 21 a 25%. O de um motor de ciclo Diesel pode atingir mais de 35%. A energia total desenvolvida pela combustão da gasolina no motor de ciclo Otto distribui-se do seguinte modo: 32% sob forma de calor gasto pelo sistema de arrefecimento dos cilindros; 35% sob forma de calor retirado pelos gases de escape; 8% sob forma de energia mecânica absorvida pelos atritos internos do motor; 25% sob forma de energia mecânica disponível na extremidade do virabrequim. 3.5.2 - Rendimento Volumétrico (Potência por Litro) Para comparar os motores entre si, relaciona-se muitas vezes a sua potência efetiva à unidade de cilindrada expressa em litros, ou seja: potência/cilindrada = potência por litro Os primeiros motores atingiam 5 C.V.(3,6 kW) por litro. Este valor era baseado na potência nominal utilizada ainda hoje em vários países. Os motores modernos desenvolvem entre 30 kW (40 C.V.) e 37 kW (50 C.V.) por litro, e mais de 80 kW (100 C.V.) para os motores de alto rendimento. Estes aperfeiçoamentos resultam principalmente no aumento dos regimes de rotação, da diminuição de peso das peças móveis e da qualidade do carburante. Para comparação mais exata das vantagens da execução mecânica dos motores, é preciso determinar a potência por litro milhares de rpm, ou seja: potência/cilindrada x regime = Potência por litro por 1000 rpm. Os valores atuais situam-se entre 5 e 9 kW por litro/1000 rpm, ou seja, entre 7 e 12 C.V.

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3.5.3 - Rendimento Térmico O rendimento térmico é a relação entre o calor que efetivamente se transforma em trabalho útil e o calor equivalente ao trabalho que poderia ser obtido pela queima do combustível. O aumento do rendimento térmico do motor pode ser conseguido das seguintes maneiras: Aumentando a taxa de compressão. O modo mais fácil de aumentar o rendimento térmico do motor é aumentando-se a sua taxa de compressão. Aumentando a taxa (ou razão), aumenta-se a energia extraída de cada gota de combustível, ou seja, esta modificação proporciona um aumento na eficiência térmica. Este aumento pode ser feito, dependendo da conveniência, através do abaixamento do cabeçote ou troca dos pistões. De uma maneira geral, para cada ponto adicionado na taxa de compressão resultará num aumento de 4% na potência do motor. É claro que isto é limitado pela qualidade da gasolina e pela geometria de construção do motor que pode tornar o motor propenso a detonação. Otimizando a combustão. Quando algumas características do motor são alteradas, com a finalidade de se aumentar a potência, torna-se necessário a otimização da combustão da mistura, o que é possível de ser realizado modificando-se a bobina, vela, módulo de ignição e curva de avanço. Esta melhora na combustão da mistura torna-se necessária porque, ao se aumentar a taxa de compressão do motor, a capacidade da faísca saltar entre os eletrodos da vela é reduzida. É importante lembrar que não se está considerando alterações no combustível, uma vez que não se trata de uma alteração no motor. Como se pode observar na fórmula anterior, aumentando o peso específico da mistura (o que pode ser conseguido enriquecendo-se a mistura) aumentar-se-á a potência do motor. Entretanto, se a mistura for extremamente rica, a combustão já não será perfeita, diminuindo por conseqüência o rendimento térmico do motor, reduzindo a potência. Diminuindo a diferença de temperatura entre a saída e entrada d’água de refrigeração do motor. O ideal seria transformar toda a energia química do combustível em energia térmica, mas existem perdas pelas próprias características dos materiais envolvidos, que necessitam trocar o calor gerado pela combustão e atritos internos. A variação da temperatura da entrada e saída d’água de refrigeração de um motor deve ser a menor possível, pois essa troca de calor, embora necessária, provoca perdas de energia. Portanto, essa variação de temperatura deve ser trabalhada com muito cuidado, caso contrário, o motor poderá apresentar superaquecimento ou ter uma boa parte dessa energia perdida pelo trocador de calor.

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4 - TURBINAS A GÁS 4.1 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Motores térmicos são máquinas usualmente projetadas para transformar a maior parcela possível da energia liberada pela queima de um combustível em trabalho no eixo. A queima de um combustível em um espaço aberto produziria apenas calor. A transferência da energia liberada pela queima de um combustível em um motor térmico para o eixo de saída é obtida pelo uso apropriado de um fluído de trabalho gasoso, normalmente o ar, que é obrigado a escoar através da máquina. A maneira usual de tratar o fluído de trabalho é o ciclo termodinâmico composto pelas fases de admissão, compressão, aquecimento, expansão e descarga. Em um motor alternativo, estes processos são realizados seqüencialmente em um mesmo espaço fechado, formado entre o pistão e o cilindro onde atua intermitentemente uma quantidade definida de massa. Ao contrário, em uma turbina a gás, o fluido de trabalho escoa sem interrupção, passando continuamente em cada componente que possui uma função específica para este fim. O arranjo básico de uma turbina a gás de ciclo simples é mostrado na figura 4.1.1.1 O compressor tem como função conduzir o fluído de trabalho até o aquecimento. O fluído é aquecido por combustão interna num ciclo aberto, ou por troca de calor com uma fonte externa em um ciclo fechado. A turbina é acionada pela expansão do fluído de trabalho comprimido e aquecido e tem como função, além de acionar o compressor, produzir um saldo positivo de potência no eixo, que pode ser usado para acionar uma carga qualquer.

FIGURA 4.1.1 – EXEMPLO DE TURBINA AERONÁUTICA.

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4.1.1 - Aplicações Principais As turbinas a gás tem sua aplicação principalmente nas seguintes áreas: Turbinas aeronáuticas, como por exemplo:

Turbo-jatos; Turbo-fans; APU – Unidade Auxiliar de Potência; Turbo-hélices; Helicópteros.

Um exemplo de turbina aeronáutica é apresentada na figura 4.1.1.1. Turbinas estacionárias, como por exemplo:

Geração local; Geração distribuída; Planta de biogás; Transmissão de gás natural; Bombeamento de líquido e óleo; Armazenagem e extração de gás; Transporte (propulsão marítima, terrestre) Compressão de CO2 (processos industriais, etc).

Um exemplo de turbina estacionaria é apresentado na figura 4.1.1.2.

FIGURA 4.1.1.2 – EXEMPLO DE TURBINA ESTACIONÁRIA

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4.2 - COMPONENTES PRINCIPAIS DE UMA TURBINA A GÁS Podemos distinguir três componentes principais em uma turbina a gás, sendo eles: O compressor; A câmara de combustão (CC); A turbina propriamente dita. Compressor de Ar - É o componente da turbina a gás onde o fluído de trabalho é pressurizado. O compressor usado em turbinas a gás é sempre do tipo dinâmico. Quando é usado um compressor axial temos um grande número de estágios (15 aproximadamente) porque este trabalha com relações de compressão bastante baixas. Entretanto, podemos ter vazões de ar de até 700 Kg/s. Combustor (ou Câmara de Combustão) - A combustão em uma turbina a gás é um processo contínuo realizado a pressão constante. Um suprimento contínuo de combustível e ar é misturado e queimado à medida que escoa através da zona de chama. A chama contínua não toca as paredes da câmara, sendo estabilizada e modelada pela distribuição do fluxo de ar admitido, que também resfria toda a câmara de combustão. O projeto da câmara de combustão deve garantir resfriamento adequado da camisa, combustão completa, estabilidade da chama, e baixa emissão de monóxido de carbono, fumaça, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. O volume da câmara de combustão é pequeno em relação à taxa de calor liberada, uma vez que a combustão é realizada a pressões elevadas. Em turbinas aeronáuticas este volume pode ser de apenas 5% do volume necessário em uma caldeira, por exemplo, com a mesma taxa de liberação de calor. O combustor é a primeira parte da chamada seção quente de uma turbina a gás, onde ocorrem as condições mais severas de temperatura e pressão. A temperatura máxima na zona de combustão no interior da câmara está na faixa de 1800 a 2000 ºC. Após a combustão completa os produtos da combustão passam para a zona de diluição em que o excesso de ar reduz esta temperatura para os níveis compatíveis com os materiais da turbina (850 a 900 ºC). Deve-se notar que apenas 20 a 35% da massa total de ar é utilizado na combustão, o restante é utilizado para o resfriamento da câmara de combustão. Assim sendo, temos 80 a 65% de excesso de ar sendo possível, se desejado, a queima adicional de combustível após a descarga da turbina. Os combustores podem ser internos ou externos. Os combustores internos podem ser tubulares, tubo-anulares ou anulares. Internos - mais eficientes, mais compactos (anular), melhor distribuição de temperatura, maior durabilidade; Externos - queima uma ampla faixa de combustíveis, pior distribuição de temperatura, mais adequado para turbinas industriais. __________________________________________________________ Página 32 de 43


Turbina a Gás Propriamente Dita - A turbina, 2ª parte da seção quente, é a parte motriz da unidade e a parte da máquina que opera em condições mais severas e em conseqüência a que exige a nossa maior atenção. O gás ao escoar através da turbina perde pressão e temperatura à medida que se expande e transforma a sua energia em trabalho. As turbinas podem ser do tipo radial (baixas potências) e do tipo axial (mais comum em altas potências). Aproximadamente 2/3 da energia térmica disponível nos produtos da combustão são para o acionamento do compressor de ar e sistemas auxiliares. O rotor é a parte móvel da turbina e consiste de rodas dinamicamente balanceadas com palhetas móveis fabricadas em superligas e são fixadas ao disco rotativo. Normalmente as palhetas são unidas por uma cinta no seu topo (“shrouded”) formando uma banda no perímetro externo das palhetas que serve para reduzir a vibração das mesmas. As palhetas estão sujeitas a alta velocidade do gás, alta temperatura e esforços elevados devido ao escoamento dos gases e à força centrífuga gerada pela rotação da máquina. Um exemplo de palhetas de uma turbina à gás é exposto na figura 4.2.1.

FIGURA 4.2.1 – PALHETAS DA TURBINA À GÁS

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4. 3 - CICLO IDEAL DE BRAYTON O Ciclo Brayton 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. Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e conseqüente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde se mistura com o combustível, possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar um outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente. Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combustão é rejeitada sob a forma de calor, contido nos gases quentes de escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinâmica. O esquema do Ciclo de Brayton ideal é mostrado na figura 4.3.1 e os diagramas T x s e P x v na figura 4.3.2 (a) e (b), respectivamente.

FIGURA 4.3.1 - ESQUEMA DO CICLO DE UM TURBINA À GÁS (CICLO BRAYTON IDEAL)

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(a)

(b)

FIGURA 4.3.2 – (a) DIAGRAMA T x s EM UM CICLO BRAYTON (b) ) DIAGRAMA P x v EM UM CICLO BRAYTON

4.3.1 - Rendimento do Ciclo Brayton Ideal A perda do ciclo ideal pode ser quantificada pela potência proveniente do combustível, descontando-se a potência de acionamento do compressor e a potência líquida. Assim, diminui-se a perda à medida que se reduz a temperatura de escape e se eleva a temperatura de entrada da turbina, o que faz da resistência, a altas temperaturas, das partes da turbina um ponto extremamente crítico na tecnologia de construção destes equipamentos. O rendimento é dado por: ߟ௧é௥௠௜௖௢ = 1 −

ܳ௅ ܿ௉ ሺܶସ − ܶଵ ሻ =1− ܳு ܿ௣ ሺܶଷ − ܶଶ ሻ

ߟ௧é௥௠௜௖௢ = 1 −

ܶ ܶଵ ൭ ସൗሺܶ − 1ሻ൱ ଵ

ܶ ܶଶ ൭ ଷൗሺܶ − 1ሻ൱ ଶ

‫݌‬ଷ ‫݌‬ଶ ‫݌‬ଷ ‫݌‬ସ = ∴ = ‫݌‬ସ ‫݌‬ଵ ‫݌‬ଶ ‫݌‬ଵ ௞ൗ ሺ௞ିଵሻ

‫݌‬ଶ ܶଵ =൬ ൰ ‫݌‬ଵ ܶଶ

ܶଷ ܶଶ ܶଷ ܶସ = ∴ = ݁ ܶସ ܶଵ ܶଶ ܶଵ ߟ௧é௥௠௜௖௢ = 1 −

௞ൗ ሺ௞ିଵሻ

‫݌‬ଷ ܶଷ = =൬ ൰ ‫݌‬ସ ܶସ

ܶଷ ܶସ −1= −1 ܶଶ ܶଵ

ܶଵ =1− ܶଶ

1

൭ܲଶൗܲ ൱ ଵ

ሺ௞ିଵሻൗ ௞

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Vemos que o rendimento do ciclo de Brayton padrão é, portanto uma função da relação de pressão isoentrópica. 4.3.2 - Funcionamento em Ciclo Aberto de uma Turbina a Gás Durante a partida a turbina necessita de um sistema de arranque para pôr o compressor em funcionamento. Assim que este alcança uma dada velocidade, o ar atmosférico é aspirado, comprimido e conduzido à câmara de combustão, onde é misturado ao combustível (líquido ou gasoso). A energia resultante da combustão libera gases quentes que se expandem através da turbina, produzindo energia mecânica. A estabilidade da combustão, bem como a temperatura na seção da turbina, pode ser mantida através do controle da relação ar/combustível. O ar atmosférico captado pelo compressor é comprimido e direcionado para o combustor. Após passar pelo combustor a temperatura se eleva devido à queima do gás. Em seguida a mistura é direcionada para o acionamento da turbina, a pressão é reduzida à pressão atmosférica e a temperatura cai. Se uma turbina estiver operando isoladamente (ciclo simples), como nas aeronaves, sua eficiência térmica é baixa, da ordem de 36%, ou seja, cerca de 64% do calor gerado pela queima do combustível é perdido nos gases de exaustão. Poder-se-ia elevar esta eficiência térmica através da elevação de temperaturas e pressões de entrada, porém isto elevaria demasiadamente o custo de construção e manutenção dos equipamentos do processo, inviabilizando o projeto. A figura 4.3.2.1 abaixo apresenta um arranjo típico de uma turbina a gás em ciclo aberto, apresentando a distribuição de energia de entrada e saída:

FIGURA 4.3.2.1 – CICLO DE BRAYTON ABERTO

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4.3.3 - Funcionamento em Ciclo Fechado de uma Turbina a Gás Os gases de escape saindo da turbina e sendo diretamente excluídos de forma não reciclada, fazem com que o ciclo deva ser classificado como um ciclo aberto. No ciclo fechado, os processos de compressão e expansão continuam os mesmos, no entanto o processo de combustão é substituído por processos de troca de calor, para aproveitamento de parte da energia perdida no ciclo em forma de calor. O arranjo físico de uma turbina á gás operando em ciclo fechado é apresento na figura 4.3.3.1 abaixo.

FIGURA 4.3.3.1 – CICLO DE BRAYTON FECHADO.

Resumidamento, o ciclo de Brayton fechado utiliza o calor perdido para gerar mais trabalho. Para se construir o ciclo Brayton fechado é necessário que a câmara de combustão seja removida e que o caminho do fluído de trabalho seja quase que integralmente refeito. Um trocador de calor deve ser acrescentado ao sistema. A finalidade deste equipamento é preservar uma parte do calor gerado dentro do circuito, visando manter as temperaturas de operação do ciclo em valores altos de maneira a tirar vantagens da boa eficiência de conversão do ciclo Brayton operando em altas temperaturas. O esquema do ciclo Brayton fechado com trocador de calor é exposto na figura 4.3.3.2.

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FIGURA 4.3.3.2 – CICLO DE BRAYTON FECHADO COM TROCADOR DE CALOR

4.4 - CICLO BRAYTON COM REGENERAÇÃO Nos motores de turbina a gás, a temperatura dos gases de escape saindo da turbina é geralmente muito maior do que a temperatura do ar deixando o compressor. Portanto, o ar de alta pressão deixando o compressor pode ser aquecido pela transferência de calor dos gases de escape quente em um trocador de calor contra-corrente, que é conhecido também como regenerador ou recuperador. A figura 4.4.1 abaixo apresentada o esquema do ciclo Brayton com Regeneração.

FIGURA 4.4.1 - ESQUEMA DO CICLO DE BRAYTON SIMPLES COM REGENERADOR

O regenerador, por sua vez, reduz os requisitos de entrada de calor (e, portanto, combustível) para a saída de um mesmo trabalho líquido. A utilização de um regenerador é recomendada somente quando a temperatura da turbina de escape é superior à temperatura de saída do compressor. Caso contrário, o fluxo de calor no sentido inverso (para os gases de escape) reduzir a eficiência. Esta relação é encontrada em motores de turbina a gás operando com taxas de alta pressão. É claro que um regenerador com uma maior eficiência vai economizar uma grande quantidade de combustível desde que o ar seja pré-aquecido a uma temperatura mais elevada antes da combustão. No entanto, alcançar uma maior eficiência requer o uso de um regenerador maior, o que implica um preço mais alto provoca e uma queda maior da pressão. Assim, a utilização de um recuperador de eficiência muito __________________________________________________________ Página 38 de 43


eficiente não pode ser economicamente justificada, a menos que a poupança de combustível exceder os custos adicionais envolvidos. A maioria dos regeneradores é usada na prática a eficiência inferior a 0,85. Portanto a eficiência térmica de um ciclo de Brayton com regeneração depende da relação entre as temperaturas mínima e máxima e da relação entre as pressões mínima e máxima. A figura 4.4.2 demonstra os diagramas do ciclo regenerativo ideal:

FIGURA 4.4.2 – DIAGRAMAS P x v E T x s DO CICLO DE BRAYTON COM REGENERAÇÃO IDEAL.

O rendimento deste ciclo é obtido como segue:

ߟ௧ =

‫ݓ‬௟௜௤ ‫ݓ‬௧ − ‫ݓ‬௖ = ‫ݍ‬ு ‫ݍ‬ு

‫ݍ‬ு = ‫ܥ‬௣ ሺܶଷ − ܶ௫ ሻ ‫ݓ‬௧ = ‫ܥ‬௣ ሺܶଷ − ܶସሻ

Para o regenerador ideal, ܶସ = ܶ௫ ·, e portanto ‫ݍ‬ு = ‫ݓ‬௧ , logo: ሺ௞ିଵሻൗ ௞

ܶଵ ܲଶ ߟ௧ = 1 − ൬ ൰ ܶଷ ܲଵ

Num regenerador real que deve operar com uma diferença de temperatura, ܶ௫ , a temperatura real do gás que deixa o regenerador é menor do que ܶ௫ ´ . A eficiência do regenerador é definida por: ߟ௥௘௚ =

ℎ௫ − ℎଶ ℎ௫ ´ − ℎଶ

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4.5 - O CICLO IDEAL DA TURBINA A GÁS, USANDO COMPRESSÃO EM VÁRIOS ESTÁGIOS COM RESFRIAMENTO, EXPANSÃO EM VÁRIOS ESTÁGIOS COM REAQUECIMENTO E REGENERADOR. Uma aproximação do ciclo de Brayton com a idealidade se dá na utilização do mesmo com o uso de compressão em vários estágios, com resfriamento intermediário entre os estágios, expansão em vários estágios, com reaquecimento entre os estágios, e um regenerador. A figura 4.5.1 mostra um ciclo com dois estágios de compressão e dois estágios de expansão. O ciclo padrão de ar é mostrado no diagrama T x s da figura 4.5.2 correspondente. Pode-se mostrar que, para este ciclo, se obtém o máximo rendimento quando são mantidas iguais as relações de pressão através dos dois compressores e das duas turbinas.

FIGURA 4.5.1 – CICLO IDEAL DA TURBINA A GÁS, UTILIZANDO RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO, REAQUECIMENTO E UM REGENERADOR.

FIGURA 4.5.2 – DIAGRAMA T x s DO CICLO IDEAL DA TURBINA A GÁS, UTILIZANDO RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO, REAQUECIMENTO E UM REGENERADOR.

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5 - CONCLUSÕES Com este trabalho foi possível entender os principais ciclos de potência de máquinas térmicas. Tal estudo é de grande importância para a engenharia elétrica, pois a maior parte da energia elétrica gerada no mundo é proveniente de centrais termoelétricas. Foi possível também analisar as características de cada tipo de máquina aqui estuda e suas aplicações. Foi visto que as máquinas que tem o funcionamento baseado nos ciclos de Otto e a Diesel são utilizadas para geração de baixas potências, indo deste a alimentação de automóveis até o atendimento de pequenas localidades com baixa demanda, como um hospital ou uma. O ciclo Rankine, por sua vez, explica o funcionamento de plantas de geração à vapor e o ciclo Brayton é utilizado para estudar o funcionamento de turbinas estacionárias, utilizadas na Co-geração de energia elétrica, e também as turbinas utilizadas na propulsão de aeronaves. Muitos estudos sobre o aperfeiçoamento destas máquinas, no que diz respeito ao aumento de seus rendimentos, ainda precisam ser desenvolvidos, estes estudos visam a diminuição de custos e principalmente uma redução na utilização de combustíveis e conseqüentemente menor emissão de gases poluentes na atmosfera.

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Apêndice A - Definições Básicas Calor – é a forma de energia transferida entre dois sistemas em virtude da diferença de temperatura entre eles. Ciclo – quando um sistema parte de um estado inicial passa por diversas transformações e retorna ao mesmo estado inicial, i. e, quando o estado inicial é idêntico ao estado final após as transformações sofridas. Energia – é a capacidade de produzir trabalho. O estado de um sistema pode ser transformado pela adição ou extração de energia. Calor e trabalho são diferentes formas de energia em trânsito, não são contidos em nenhum sistema. Entropia – a entropia indica o grau de desorganização do universo. Faz considerações sobre o grau de liberdade das moléculas (átomos). Estado – o estado de um sistema é a sua condição a qual é definida por suas propriedades. Grandeza específica – é quando a grandeza é relacionada à unidade de massa. Processo – é uma transformação ou série de transformações no estado do sistema. Processo Reversível – um processo é reversível se o sistema e sua vizinhança podem ser reconduzidos aos seus estados iniciais pela reversão do processo. Um processo reversível em uma máquina com escoamento somente é possível quando há ausência de atrito no fluído e transferência de calor com diferenças de temperatura com degraus muito pequenos. Por ser um processo ideal somente serve como referência na comparação com processos reais equivalentes. Processo irreversível – No irreversível o estado inicial não é atingido pela reversão do processo. Como sempre há atrito e as diferenças de temperatura são finitas todos os processos reais são irreversíveis. Processo Adiabático – Quando não há transferência de calor entre o sistema e a vizinhança durante o processo. Sistema – um conjunto arbitrário de matéria tendo uma fixada identidade. fora do sistema têm-se a vizinhança a interface entre sistema/vizinhança chama-se fronteira Sistema fechado – quantidade fixada de matéria – não há fluxo de matéria – há troca de calor e trabalho; a fronteira pode mudar. Sistema aberto – há um fluxo contínuo de matéria através das fronteiras – volume de controle (superfície de controle). A quantidade da matéria ocupando o volume de controle varia com o tempo. Temperatura – É a medida do potencial térmico do sistema. Identifica, portanto, o estado do sistema. Trabalho – É aquilo que o sistema transfere à sua vizinhança quando suas fronteiras são deslocadas pela ação de uma força.

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BIBLIOGRAFIA Van Wylen, G. J. Fundamentos da Termodinâmica Clássica, Editora Edgard Blücher Ltda, 1973. Professora Dra. Ana Marcia Pereira Neto “Termodinâmica Aplicada”, UFABC. Professor Luis Calor Martinelle Jr “Máquinas Térmicas”, Unijui. Apostila de Motores a Combustão Interna, Unijui. Giancarlo Cerutti Panosso Métodos de Simulação para Ciclos de Rankine, Dissertação para obtenção do Título de Mestre em Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2003. Diogo Quental - Fátima Guzmán - Leonardo Santana - Marcus Lins - Mário Márcio de Faria Zacarias Filho Máquinas Térmicas, Trabalho de Conclusão de Curso, UFRJ. Links www.mspc.eng.br/termo/termod0530.shtml www.pantanalenergia.com.br http://redenacionaldecombustao.org/escoladecombustao/arquivos/EDC2009/combustao/comb_capitul o_5.pdf http://www.worldlingo.com//ma/enwiki/pt/Brayton_cycle http://pt.wikipedia.org/wiki/Máquina_térmica http://www.infoescola.com/fisica/maquina-termica/ http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=576&ordem=2 http://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankine#Ciclo_Rankine_com_reaquecimento http://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankine#Ciclo_Rankine_com_reaquecimento http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_diesel http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_dois_tempos http://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Otto

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Trabalho de Máquinas Térmicas

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