Ciclos Térmodinamicos

Os ciclos termodinâmicos são usados para produzir trabalho (motores, turbinas), aquecimento ou refrigeração.

Ciclos térmicos ideais

os chamados ciclos térmicos ideais sao:

  • ciclo de Carnot;
  • ciclo Otto ou Beau de Rochas;
  • ciclo Diesel;
  • ciclo misto ou Sabathé;
  • ciclo Brayton;

Ciclo Carnot

Seja uma máquina térmica primitiva e pouco prática conforme Figura 01: um cilindro com paredes laterais de material perfeitamente isolante com um êmbolo também isolante perfeito. O fundo do cilindro é de material perfeitamente condutor de calor e de massa desprezível. E, naturalmente, uma determinada massa de um gás ideal no interior.

Nessas condições, o gás só pode trocar calor através do fundo do cilindro.

Supõe-se ainda que há 3 discos móveis que podem ser postos em contato com o fundo do cilindro:

• um disco fonte quente com temperatura TQ.
• um disco fonte fria com temperatura TF.
• um disco isolante térmico perfeito.

Inicialmente o gás tem um volume específico v1, como em (1) da Figura 01. Se é usado o disco quente, ele se expande isotermicamente.

Ao atingir o volume específico v2 de (2) da figura, retira-se o disco quente e coloca-se o disco isolante.

Assim, a expansão continua, desta vez de forma adiabática, até atingir um volume específico v3, como em (3) da figura. Nesse ponto, coloca-se o disco frio e o gás deverá sofrer uma contração isotérmica.

Em (4) da figura o gás atinge o volume específico v4, quando se insere o disco isolante e a contração deverá continuar de forma adiabática até o volume inicial v1, reiniciando o ciclo. Há, portanto, seqüências alternadas de transformações isotérmicas e adiabáticas. E o movimento do pistão produz um trabalho.

Uma máquina que opera nessas condições usa ciclo de Carnot, que é considerado o ciclo básico da Termodinâmica por ser o mais eficiente. É também é perfeitamente reversível, isto é, se trabalho for fornecido, ele funciona como bomba de calor ou refrigerador. Mais detalhes são vistos nos próximos tópicos.

Notar, entretanto, que o ciclo de Carnot é uma operação ideal, não pode ser usado em máquinas práticas. Um processo real, para ser próximo do isotérmico, precisaria ser tão lento que o seu uso seria inviável.

Ciclo de Otto ou Beau de Rochas

O Cliclo Otto é um cliclo termodinâmico onde um determinado gás executa repetidamente transformações termodinâmicas, resultando em trabalho, com aplicações em: motores, turbinas, aquecimento ou refrigeração.

No caso dos motores veiculares de “Cliclo Otto” o gás é a mistura de Ar e combustível, existindo 4 estágios termodinâmicos:

  • Admissão,
  • Compressão,
  • Combustão e
  • Escape.

Admisão

Na figura em baixo temos mais à esquerda o PMS (Ponto Morto Superior).

Quando inicia a admissão, a válvula de admissão está aberta (válvula esq. representada em azul) e o movimento do pistão aspira a mistura de ar e combustível, num movimento de descida.

Até o ponto mais inferior do curso – PMI.

Conpressão

Ao atingir a posição mais inferior (PMI – ponto morto inferior), a válvula de admissão é fechada, e o pistão inicia o movimento de subida (figura mais a esquerda), comprimindo a mistura.

Até atingir o máximo de compressão, no ponto mais superior do curso – PMS.

Combustão

Ao atingir a posição superior (PMS – ponto morto superior), uma centelha na vela é produzida (figura mais a esquerda), provocando a ignição da mistura, e a combustão.O fornecimento de calor eleva a pressão da mistura que se expande forçando o pistão para baixo (figura central), provocando o movimento de descida do pistão, até o ponto mais inferior (figura direita).

Escape

Ao atingir o ponto morto inferior, a válvula de escape é aberta (figura esquerda), reduzindo rapidamente a pressão do gás, agora num movimento de subida do pistão, liberando a maior parte dos gases da combustão, e o ciclo é reiniciado ao atingir o ponto morto superior (figura direita).

Dessa forma, ilustramos o princípio de funcionamento utilizado em motores Ciclo Otto 4 tempos. Existem também ciclos com 2 tempos utilizados em motocicletas, aviões e aplicações diversas.

Diagramas e Fórmulas

De acordo com o esquema de operação visto no tópico anterior, pode-se traçar um diagrama pressão x volume, que deve ser algo parecido com a Figura 01. A Figura 02 dá o diagrama temperatura x entropia.

Na análise termodinâmica do ciclo ideal, é comum não considerar as etapas de admissão e exaustão dos gases (01 e 10 respectivamente). Assim, o ciclo fica limitado à região 1234 do diagrama.

Desde que os processos 12 e 34 são supostamente adiabáticos, a troca de calor se dá em 23 (calor fornecido) e 41 (calor cedido ao ambiente). São transformações isocóricas e valem as relações já vistas:

q23 = cv (T3 − T2) #A.1#.

q41 = cv (T1 − T4) #A.2#.

Quanto ao trabalho executado, ele é nulo em 23 e 41 porque são processos sob volume constante. E o trabalho das transformações adiabáticas 34 e 12 é:

w = w34 + w 12 = cv (T3 − T4) + cv (T1 − T2). Pode-se reagrupar a igualdade:

w = cv (T3 − T2) + cv (T1 − T4) = q23 + q41 #B.1#.

Notar que q41 deve ter sinal negativo porque é calor cedido pelo ciclo.

A eficiência do ciclo é dada pela relação entre o trabalho realizado e o calor fornecido:

η = w / q23 = (q23 + q41) / q23 = 1 + q41/q23.

η = 1 + cv (T1 − T4) / cv (T3 − T2) = 1 + T1 [1 − (T4/T1)] / T2 [(T3/T2) − 1].

a igualdade #C.1#, pode-se concluir que

T2/T1 = T3/T4 = (v1/v2)(x−1) onde x é a relação cp/cv.

Disso resulta que T4/T1 = T3/T2 e a igualdade anterior da eficiência pode ser simplificada:

η = 1 − T1/T2 = 1 − 1 / [ (v1/v2)(x−1) ] #C.1#.

O termo (v1/v2) equivale á relação entre os volumes máximo e o mínimo do interior do cilindro. É comumente denominado relação de compressão ou taxa de compressão do motor, que se simboliza com r:

r = (v1/v2) #C.2#. Portanto, a eficiência é dada por:

η = 1 − 1 / r(x−1) #D.1#.

O gráfico da Figura 03 mostra a variação da eficiência com r, para x = 1,35 (valor típico para uma mistura ar e combustível comum). Entretanto, na prática, a taxa de compressão é limitada pela ocorrência de auto-ignição da mistura. Valores reais estão na faixa de 9 a 11. Mesmo com essa limitação, a eficiência real do ciclo é significativamente inferior à calculada por essa fórmula.

Ciclo Diesel

O motor a Diesel ou motor de ignição por reação é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913), em que a inflamação do combustível se faz por reação do ar comprimido com um óleo injetado dentro da câmara de combustão no momento de máxima compressão. Ele desenvolveu esse metódo quando aperfeiçoava motores para substituir as máquinas a vapor.

Os quatro tempos do ciclo diesel são:

  • Admissão de ar
  • Compressão de ar
  • Injecção de combustível
  • Escape

somente se diferencia do ciclo Otto por apresentar na segunda fase, uma pressão constante.

O combustível utilizado atualmente pelos motores diesel é o gasóleo (O invento original
rodou com óleo vegetal ), um hidrocarboneto obtido a partir da destilação do petróleo a
temperaturas de 250ºC e 350ºC. Recentemente, o diesel de petróleo vem sendo substituido pelo
biodiesel e por óleo vegetal a partir da tecnologias de conversão, que são fontes de energia
renovável.

Onde se tem feito mais evolução neste tipo de motorização mais eficiente que o seu congênere a gasolina é no campo da injecção directa, nomeadamente nas de alta pressão como o injector-bomba e o “common-rail”, que possibilitam a obtenção de mais potência e ainda menor
consumo e menos ruído de funcionamento.

Funcionamento

O ciclo real de um motor Diesel segue com uma razoável aproximação o ciclo teórico composto pelas evoluções:

Compressão isentrópica Parte de introdução de calor a volume constante (isócora) e Parte de introdução de calor a pressão constante (isobárica)
Expansão isentrópica Rejeição de calor a volume constante (isócora)
Este ciclo, tal como descrito, chama-se Ciclo Misto. Quando a totalidade da energia é introduzida a pressão constante o ciclo chama-se Ciclo Diesel.

O ciclo inicia-se com o êmbolo no Ponto Morto Superior (PMS). A válvula de admissão está aberta e o êmbolo ao descer aspira o ar para dentro do cilindro.

O êmbolo atinge o Ponto Morto Inferior (PMI) e inicia-se então a compressão. A temperatura do ar dentro do cilindro aumenta substancialmente, o que é fundamental para a ignição no motor Diesel.

Pouco antes do PMS o combustível começa a ser injectado em finas gotículas com o propósito de se vaporizar facilmente e, em mistura com o ar quente, acaba por se auto-inflamar.
A combustão é controlada pela taxa de injecção de combustível. O combustível começa a ser injectado um pouco antes do PMS devido ao facto de demorar tempo a vaporizar-se e a misturar-se com o ar (atraso físico) e de demorar um determinado tempo até se auto-inflamar (atraso químico). Estes atrasos são designados globalmente por atraso à inflamação.
A diferença entre o ângulo de cambota do PMS e do início de injecção chama-se avanço à injecção.

A expansão começa ainda durante a fase de combustão. Ainda durante o tempo de expansão, abrem-se as válvulas de escape.

O ciclo termina com a fase de escape, onde os gases de combustão são expulsos do cilindro.

Ciclo misto ou Sabathé

No ciclo Otto o processo de combustão ocorre a volume constante, enquanto que o ciclo diesel representa a combustão ocorrendo à pressão constante. No entanto, na prática estes dois ciclos não representam o ciclo de funcionamento real do motor.

No ciclo Otto a combustão a volume constante pressupõe uma combustão instantânea.

O ciclo Misto, Dual (ou de Sabathé), representado pela figura abaixo, é um compromisso entre ambos os ciclos e o que melhor descreve a operação dos motores diesel de alta rotação. Neste ciclo a combustão ocorre em duas fases, com parte do calor sendo fornecida a volume constante e o restante sendo fornecido à pressão constante.

 

r = V1/V2

a = V3/V2’

b = P2’/P2

g= k = cp/cv

O rendimento térmico do ciclo misto é um valor intermediário entre o rendimento térmico do ciclo Diesel e o do ciclo Otto. A expressão é a mais geral. No caso, se o valor de b = 1, a expressão corresponde ao valor do rendimento para um ciclo Diesel; se a = 1,  expressão corresponde ao valor do rendimento para um ciclo Otto.

Ciclo Brayton

O Ciclo Brayton ou ciclo de Brayton é um ciclo termodinamico que descreve os processos num motor que consta de um compresor, uma câmara de combustión e um expansor, é chamado assim em honor do engenheiro americano George Brayton (1830–1892).

O ciclo Brayton é um ciclo ideal, utilizado hoje em dia para uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás, descrevendo variações de estado físico da matéria estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é utilizado como base didáctica 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 compresor, onde ocorre uma compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e consequente aumento de entalpía. Comprimido, o ar é dirigido às câmaras, onde se mistura com o combustível possibilitando a queima e aquecimento, à pressão constante. Ao sair da câmara de combustión, os gases, à alta pressão e temperatura, se expanden conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropía. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palletas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para accionar o compresor e eventualmente para accionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinámico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluído para o ambiente.

Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combustión é rejeitada sob a for-ma de calores, conteúdo nos gases quentes de escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinámicos, mesmo nos casos ideais, como define a Segunda Lei da Termodinámica.
A perda de ciclo ideal pode ser quantificada pela potência proveniente do combustível, descontándose a potência de accionamento do compresor 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.

Diagrama Entalpia x Entropia de Ciclo Brayton (ideal) e ciclo real a gás.

2 Comentários »

  1. Diogo afonso Said:

    Gosto muito deste web site mas queria q me dessem explicação do grafico do ciclo de brayton

  2. Diogo afonso Said:

    Gosto do vosso nosso web site


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