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Fundamentos da Termodinâmica
chamada motor de combustão externa, porque o calor é transferido dos produtos de combustão ao fluido de trabalho. Já foram construídos motores de combustão externa que utilizam um gás como fluido de trabalho (usualmente o ar). Até o momento, têm tido uma aplicação muito limitada, mas o uso do ciclo de turbina a gás, em associação com um reator nuclear, tem sido extensivamente investigado. Atualmente, tem sido dada muita atenção a outros motores de combustão externa, com o objetivo de combater o problema da poluição do ar. Apesar do motor de combustão interna operar em um ciclo mecânico, ele opera segundo um ciclo denominado aberto, porque o fluido de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico completo. Entretanto, para 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, que é baseado nas seguintes hipóteses: 1. O fluido de trabalho é uma massa fixa de ar ao longo de todo o ciclo, e o ar é sempre considerado como um gás ideal. Assim, não há processo de alimentação nem de descarga. 2. O processo de combustão é substituído por um processo de transferência de calor de uma fonte externa.
10.2 O CICLO BRAYTON Na Seção 9.1, discutindo ciclos ideais de potência, compostos por quatro processos em regime permanente, foi examinado um ciclo envolvendo dois processos isobáricos e dois processos isotrópicos (o diagrama desse ciclo pode ser visto na Figura 9.2). Esse ciclo teórico, utilizando um fluido de trabalho com mudança de fase, é denominado ciclo Rankine. Quando esse ciclo teórico é utilizado sem mudança de fase, com um fluido de trabalho gasoso, é denominado ciclo Brayton. O ciclo padrão a ar Brayton é o ciclo ideal para a turbina a gás simples. A Figura 10.1 mostra o diagrama esquemático de uma turbina a gás simples de ciclo aberto, que utiliza um processo de combustão interna e o de uma de ciclo fechado, que utiliza dois processos de transferência de calor. O ciclo padrão a ar Brayton é mostrado nos diagramas P-v e T-s, na Figura 10.2. A análise do ciclo Brayton é feita considerando-se um volume de controle ao redor de cada um dos quatro elementos mostrados na Figura 10.1b, (a) Combustível Câmara de combustão
3. O ciclo é completado pela transferência de calor às vizinhanças (diferentemente do processo de exaustão e admissão em um motor real).
Compressor
4. Todos os processos são internamente reversíveis.
1
5. Usualmente, é admitida a hipótese adicional de que o ar apresenta calor específico constante, determinado a 300 K, denominado propriedades do ar frio, reconhecendo-se que este não é o modelamento mais preciso.
2
3 Turbina Wlíq 4
Ar
Produtos de combustão
(b)
QH Trocador de calor 3
2
O principal valor do ciclo padrão a ar consiste em permitir o exame qualitativo da influência de diversas variáveis no desempenho do ciclo. Os resultados quantitativos obtidos no ciclo padrão a ar, tais como o rendimento e a pressão média efetiva, serão consideravelmente diferentes daqueles relativos ao motor real. Portanto, a ênfase na análise do ciclo padrão a ar está, principalmente, nos aspectos qualitativos.
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Compressor
Turbina Wlíq
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Trocador de calor
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QL
Figura 10.1
Turbina a gás operando segundo o ciclo Brayton: (a) Ciclo aberto; (b) Ciclo fechado.
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