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O que é taxa de compressão e eficiência térmica – Definição

2020-01-262019-11-07 Por Nick Connor

Quando reescrevemos a expressão para eficiência térmica usando a taxa de compressão, concluímos que a eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar é uma função da taxa de compressão. Engenharia Térmica

Taxa de compressão – Otto Engine

A taxa de compressão , CR , é definida como a taxa do volume no ponto morto inferior e o volume no ponto morto superior. É uma das principais características de muitos motores de combustão interna. Na seção a seguir, será mostrado que a taxa de compressão determina a eficiência térmica do ciclo termodinâmico usado do motor de combustão. Em geral, é desejável ter uma alta taxa de compressão, pois permite que um motor atinja maior eficiência térmica.

Por exemplo, vamos supor um ciclo Otto com taxa de compressão de CR = 10: 1. O volume da câmara é de 500 cm = 500 x 10 ^-6 m ³ (0,5 L) antes do curso de compressão. Para este motor um ll necessário volumes são conhecidos:

V ₁ = V ₄ = V _max = 500 × 10 ^-6 m ³ (0,5l)
V ₂ = V ₃ = V _min = V _máx / CR = 55,56 × 10 ^-6 m ³

Observe que (V _max – V _min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor.

Eficiência térmica para o ciclo Otto

Em geral, a eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q _H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q _C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:

O calor absorvido ocorre durante a combustão da mistura combustível-ar, quando a faísca ocorre, aproximadamente a volume constante. Como durante um processo isocórico não há trabalho realizado pelo sistema ou sobre ele, a primeira lei da termodinâmica determina ∆U = ∆Q. Portanto, o calor adicionado e rejeitado é dado por:

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ )

Q _out = mc _v (T ₄ – T ₁ )

Substituindo essas expressões pelo calor adicionado e rejeitado na expressão por eficiência térmica, obtém-se:

Podemos simplificar a expressão acima usando o fato de que os processos 1 → 2 e de 3 → 4 são adiabáticos e, para um processo adiabático, a seguinte fórmula p, V, T é válida:

Pode-se derivar que:

Nesta equação, a razão V ₁ / V ₂ é conhecida como taxa de compressão, CR . Quando reescrevemos a expressão para eficiência térmica usando a taxa de compressão, concluímos que a eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar é uma função da taxa de compressão e κ = c _p / c _v .

eficiência térmica - Otto Cycle - Motor — Eficiência térmica para o ciclo Otto – κ = 1,4

É uma conclusão muito útil, porque é desejável alcançar uma alta taxa de compressão para extrair mais energia mecânica de uma dada massa de mistura ar-combustível. Uma taxa de compressão mais alta permite alcançar a mesma temperatura de combustão com menos combustível, proporcionando um ciclo de expansão mais longo. Isso cria mais potência mecânica e reduz a temperatura do escapamento . A redução da temperatura de exaustão causa a diminuição da energia rejeitada na atmosfera. Essa relação é mostrada na figura para κ = 1,4, representando o ar ambiente.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O que é taxa de compressão – Ciclo Otto – Definição

2020-01-262019-11-07 Por Nick Connor

A taxa de compressão, CR, é definida como a taxa do volume no ponto morto inferior e o volume no ponto morto superior. É uma das principais características de muitos motores de combustão interna. Engenharia Térmica

Taxa de compressão – Otto Engine

V ₁ = V ₄ = V _max = 500 × 10 ^-6 m ³ (0,5l)
V ₂ = V ₃ = V _min = V _máx / CR = 55,56 × 10 ^-6 m ³

Observe que (V _max – V _min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor.

Exemplos de taxas de compressão – Gasolina x Diesel

A taxa de compactação em um motor a gasolina geralmente não será muito maior que 10: 1 devido a uma possível batida no motor (autoignição) e não menor que 6: 1 .
Um Subaru Impreza WRX turbo tem uma taxa de compressão de 8,0: 1 . Em geral, os motores turboalimentados ou sobrealimentados já possuem ar comprimido na entrada de ar, portanto são geralmente construídos com menor taxa de compressão.
Um motor Honda S2000 (F22C1) tem uma taxa de compressão de 11,1: 1 .
Alguns motores de carros esportivos atmosféricos podem ter uma taxa de compressão de até 12,5: 1 (por exemplo, Ferrari 458 Italia).
Em 2012, a Mazda lançou novos motores a gasolina sob a marca SkyActiv com uma taxa de compressão de 14: 1 . Para reduzir o risco de bater no motor, o gás residual é reduzido usando sistemas de escape do motor 4-2-1 , implementando uma cavidade do pistão e otimizando a injeção de combustível.
Os motores a diesel têm uma taxa de compressão que normalmente excede 14: 1 e taxas acima de 22: 1 também são comuns.

Eficiência térmica para o ciclo Otto

A eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar é uma função da taxa de compressão e κ = c _p / c _v .

Autoignição – Limite para taxa de compressão

Em motores a gasolina comuns, a taxa de compressão tem seus limites. A taxa de compactação em um motor a gasolina geralmente não será muito maior que 10: 1 devido a uma possível batida no motor ( autoignição ) e não menor que 6: 1 . Taxas de compressão mais altas, no entanto, sujeitam os motores a gasolina a bater ao motor, causados pela autoignição de uma mistura não queimada , se for usado combustível com menor octanagem. A mistura não queimada pode se auto-incendiar, detonando apenas da pressão e do calor, em vez de inflamar da vela exatamente no momento certo. A batida do motor pode ser reduzida usando combustível de alta octanagem, o que aumenta a resistência da gasolina à auto-ignição . Quanto maior o número de octanas, maior a compressão do combustível antes de detonar (acender). Como a temperatura atingida pela mistura combustível-ar durante a compressão aumenta à medida que a taxa de compressão aumenta, a probabilidade de auto-ignição aumenta com a taxa de compressão. A autoignição pode reduzir a eficiência ou danificar o motor se não houver sensores de batida para modificar o tempo de ignição.

Taxas de compressão mais altas podem ser alcançadas em motores a diesel (também chamados de motores de ignição por compressão ), porque eles não comprimem o combustível, mas comprimem apenas o ar e injetam combustível no ar que foi aquecido por compressão. As taxas de compressão na faixa de 12 a 20 são típicas para motores a diesel. A maior expansão nos motores diesel significa que eles rejeitam menos calor em seus escapamentos mais frios. A maior taxa de compressão (maior expansão) e a temperatura de pico mais alta fazem com que os motores a diesel atinjam maior eficiência térmica.

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O que é o Ciclo Otto Real e Ideal – Definição

2019-11-07 Por Nick Connor

Ciclo Otto real e ideal. Nesta seção, é mostrado um ciclo Otto ideal, no qual existem muitas suposições diferentes do ciclo Otto real. Engenharia Térmica

Comparação dos ciclos Otto reais e ideais

Nesta seção, é mostrado um ciclo Otto ideal, no qual existem muitas suposições diferentes do ciclo Otto real . As principais diferenças entre o mecanismo Otto real e ideal aparecem na figura. Na realidade, o ciclo ideal não ocorre e há muitas perdas associadas a cada processo. Para um ciclo real, a forma do diagrama de pV é semelhante ao ideal, mas a área (trabalho) delimitada pelo diagrama de pV é sempre menor que o valor ideal. O ciclo Otto ideal é baseado nas seguintes premissas:

Ciclo fechado. A maior diferença entre os dois diagramas é a simplificação dos movimentos de admissão e escape no ciclo ideal. No curso de escape, o calor Q _out é ejetado para o ambiente, em um motor real, o gás sai do motor e é substituído por uma nova mistura de ar e combustível.
Adição instantânea de calor ( adição isocórica de calor). Em motores reais, a adição de calor não é instantânea; portanto, o pico de pressão não está no TDC, mas logo após o TDC.
Sem transferência de calor (adiabático)
- Compressão – O gás (mistura combustível-ar) é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2. Nos motores reais, sempre existem algumas ineficiências que reduzem a eficiência térmica.
- Expansão. O gás (mistura combustível-ar) se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4.
Combustão completa da mistura combustível-ar.
Nenhum trabalho de bombeamento . Trabalho de bombeamento é a diferença entre o trabalho realizado durante o golpe de escape e o trabalho realizado durante o golpe de admissão. Nos ciclos reais, há uma diferença de pressão entre as pressões de exaustão e de entrada.
Sem perda de purga . A perda de purga é causada pela abertura precoce das válvulas de escape. Isso resulta em perda de produção durante o curso de expansão.
Sem perda de impacto . A perda soprada é causada pelo vazamento de gases comprimidos através de anéis de pistão e outras fendas.
Sem perdas por atrito .

Essas suposições e perdas simplificadoras levam ao fato de que a área fechada (trabalho) do diagrama de pV para um motor real é significativamente menor que o tamanho da área (trabalho) envolvida pelo diagrama de pV do ciclo ideal. Em outras palavras, o ciclo ideal do motor superestimará o trabalho líquido e, se os motores funcionarem na mesma velocidade, maior potência produzida pelo motor real em cerca de 20%.

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O que é o motor a gasolina a quatro tempos – Otto Cycle – Definição

2020-01-262019-11-07 Por Nick Connor

Motor a gasolina a quatro tempos – Otto Cycle. Como funciona o motor a quatro tempos. Um curso refere-se ao curso completo do pistão ao longo do cilindro, em qualquer direção. Engenharia Térmica

Ciclo Otto – Otto Engine

Em 1876, um engenheiro alemão, Nikolaus August Otto, avançou no estudo de motores térmicos construindo o primeiro motor de quatro tempos em funcionamento. um motor estacionário usando uma mistura de carvão-gás-ar como combustível. Wilhelm Maybach (1846-1929), um dos mais importantes engenheiros alemães, aperfeiçoou a construção, que foi produzida em grandes quantidades já no final do ano de 1876. Essas invenções rapidamente remodelaram o mundo em que viviam.

O ciclo do mecanismo Otto é chamado de ciclo Otto. É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados em motores de automóveis e descreve o funcionamento de um motor de pistão de ignição comandada típico. Ao contrário do ciclo de Carnot, o ciclo Otto não executa processos isotérmicos, porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo Otto ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos reversíveis internamente: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isocóricos.

Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor térmico Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura, o motor Otto deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot. Um motor automotivo a gasolina típico opera com cerca de 25% a 30% de eficiência térmica. Cerca de 70-75% é rejeitado como calor residual sem ser convertido em trabalho útil, ou seja, trabalho entregue às rodas.

Motor a quatro tempos - motor Otto — Motor a quatro tempos – motor Otto
Fonte: wikipedia.org, trabalho próprio da Zephyris, CC BY-SA 3.0

Otto Cycle – Motor a Quatro Tempos

O ciclo Otto é um conjunto de processos usados pelos motores de combustão interna de ignição por faísca (dois tempos ou quatro tempos). Nikolaus August Otto primeiro projetou o que é conhecido como o motor de quatro tempos. Um curso refere-se ao curso completo do pistão ao longo do cilindro, em qualquer direção. Portanto, cada um deles não corresponde ao processo termodinâmico único fornecido no capítulo Ciclo Otto – Processos.

O motor de quatro tempos compreende:

o curso de admissão – O pistão se move do ponto morto superior (TDC) para o ponto morto inferior (BDC) e o ciclo passa pelos pontos 0 → 1. Nesse curso, a válvula de admissão é aberta enquanto o pistão puxa uma mistura de ar e combustível para dentro do cilindro produzindo pressão de vácuo no cilindro através de seu movimento descendente.
o curso de compressão – O pistão se move do ponto morto inferior (BDC) para o ponto morto superior (TDC) e o ciclo passa pelos pontos 1 → 2. Nesse curso, as válvulas de admissão e de escape estão fechadas; portanto, a mistura combustível-ar é comprimida. No final deste curso, a mistura combustível-ar é inflamada por uma faísca, o que causa um aumento adicional na pressão e temperatura na câmara. No final deste curso, a cambota completou uma revolução completa de 360 graus.
o curso de força – O pistão se move do ponto morto superior (TDC) para o ponto morto inferior (BDC) e o ciclo passa pelos pontos 2 → 3 → 4. Nesse curso, as válvulas de admissão e de escape estão fechadas. No início do curso de força, uma faísca inflama a mistura combustível-ar na câmara de combustão, que por sua vez causa uma combustão muito rápida do combustível. Nesse golpe, o pistão é direcionado para o eixo de manivela, o volume aumenta e a pressão cai à medida que o trabalho é feito pelo gás no pistão.
o curso de escape. O pistão se move do ponto morto inferior (BDC) para o ponto morto superior (TDC) e o ciclo passa pelos pontos 4 → 1 → 0. Nesse curso, a válvula de escape está aberta enquanto o pistão puxa os gases de escape para fora da câmara. No final deste curso, a cambota completou uma segunda revolução completa de 360 graus.

Comparação dos ciclos Otto reais e ideais

Ciclo fechado. A maior diferença entre os dois diagramas é a simplificação dos movimentos de admissão e escape no ciclo ideal. No curso de escape, o calor Q _out é ejetado para o ambiente, em um motor real, o gás sai do motor e é substituído por uma nova mistura de ar e combustível.
Adição instantânea de calor ( adição isocórica de calor). Em motores reais, a adição de calor não é instantânea; portanto, o pico de pressão não está no TDC, mas logo após o TDC.
Sem transferência de calor (adiabático)
- Compressão – O gás (mistura combustível-ar) é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2. Nos motores reais, sempre existem algumas ineficiências que reduzem a eficiência térmica.
- Expansão. O gás (mistura combustível-ar) se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4.
Combustão completa da mistura combustível-ar.
Nenhum trabalho de bombeamento . Trabalho de bombeamento é a diferença entre o trabalho realizado durante o golpe de escape e o trabalho realizado durante o golpe de admissão. Nos ciclos reais, há uma diferença de pressão entre as pressões de exaustão e de entrada.
Sem perda de purga . A perda de purga é causada pela abertura precoce das válvulas de escape. Isso resulta em uma perda de produção durante o curso de expansão.
Sem perda de impacto . A perda soprada é causada pelo vazamento de gases comprimidos através de anéis de pistão e outras fendas.
Sem perdas por atrito .

Taxa de compressão – Otto Engine

V ₁ = V ₄ = V _max = 500 × 10 ^-6 m ³ (0,5l)
V ₂ = V ₃ = V _min = V _máx / CR = 55,56 × 10 ^-6 m ³

Observe que (V _max – V _min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor.

Exemplos de taxas de compressão – Gasolina x Diesel

A taxa de compactação em um motor a gasolina geralmente não será muito maior que 10: 1 devido a uma possível batida no motor (autoignição) e não menor que 6: 1 .
Um Subaru Impreza WRX turbo tem uma taxa de compressão de 8,0: 1 . Em geral, os motores turboalimentados ou sobrealimentados já possuem ar comprimido na entrada de ar, portanto são geralmente construídos com menor taxa de compressão.
Um motor Honda S2000 (F22C1) tem uma taxa de compressão de 11,1: 1 .
Alguns motores de carros esportivos atmosféricos podem ter uma taxa de compressão de até 12,5: 1 (por exemplo, Ferrari 458 Italia).
Em 2012, a Mazda lançou novos motores a gasolina sob a marca SkyActiv com uma taxa de compressão de 14: 1 . Para reduzir o risco de bater no motor, o gás residual é reduzido usando sistemas de escape do motor 4-2-1 , implementando uma cavidade do pistão e otimizando a injeção de combustível.
Os motores a diesel têm uma taxa de compressão que normalmente excede 14: 1 e taxas acima de 22: 1 também são comuns.

Eficiência térmica para o ciclo Otto

A eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar é uma função da taxa de compressão e κ = c _p / c _v .

Autoignição – Limite para taxa de compressão

Pressão Efetiva Média – MEP

O MEP é uma medida muito útil da capacidade de um motor para executar um trabalho independente do deslocamento do motor.

Um parâmetro usado pelos engenheiros para descrever o desempenho dos motores de pistão alternativo é conhecido como pressão efetiva média , ou MEP . O MEP é uma medida muito útil da capacidade de um motor para executar um trabalho independente do deslocamento do motor. Existem vários tipos de MEP. Esses MEPs são definidos pela medição da localização e pelo método de cálculo (por exemplo, BMEP ou IMEP).

Em geral, a pressão efetiva média é a pressão constante teórica que, se ela atuasse no pistão durante o curso de força, produziria o mesmo trabalho líquido como realmente desenvolvido em um ciclo completo. O MEP pode ser definido como:

Por exemplo, a pressão efetiva média líquida indicada , conhecida como IMEP _n é igual à pressão efetiva média calculada a partir da pressão no cilindro (deve haver essa medição) durante todo o ciclo do motor. Observe que é 720 ° para um motor a quatro tempos e 360 ° para um motor a dois tempos.

Alguns exemplos:

O MEP de um motor a gasolina atmosférico pode variar de 8 a 11 bar na região de torque máximo.
O MEP de um motor a gasolina turbo pode variar de 12 a 17 bar.
O MEP de um motor diesel atmosférico pode variar de 7 a 9 bar.
MEP de um motor diesel turboalimentado pode variar de 14 a 18 bar

Por exemplo, um motor a gasolina a quatro tempos produzindo 200 N · m a partir de 2 litros de deslocamento possui um MPE de (4π) (200 N · m) / (0,002 m³) = 1256000 Pa = 12 bar. Como pode ser visto, o MEP é uma característica útil de um motor . Para dois motores de igual volume de cilindrada, aquele com um MEP maior produziria o maior trabalho líquido e, se os motores funcionassem na mesma velocidade, maior potência .

Ciclo Otto – Problema com solução

Vamos assumir o ciclo Otto , que é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados em motores de automóveis . Um dos principais parâmetros desses motores é a mudança de volumes entre o ponto morto superior (TDC) e o ponto morto inferior (BDC). A proporção desses volumes ( V ₁ / V ₂ ) é conhecida como taxa de compressão .

A taxa de compactação em um motor a gasolina geralmente não será muito maior que 10: 1 devido a uma possível batida no motor (autoignição) e não menor que 6: 1. Por exemplo, alguns motores de carros esportivos podem ter taxa de compressão de até 12,5: 1 (por exemplo, Ferrari 458 Italia).

Otto Cycle - Diagrama PV — diagrama pV do ciclo Otto. A área delimitada pelo caminho completo do ciclo representa o trabalho total que pode ser realizado durante um ciclo.

Neste exemplo, vamos assumir um ciclo Otto com taxa de compressão de CR = 9: 1 . O ar de admissão é de 100 kPa = 1 bar, 20 ° C e o volume da câmara é de 500 cm³ antes do curso de compressão. A temperatura no final da expansão adiabática é T ₄ = 800 K.

Capacidade térmica específica a pressão constante do ar à pressão atmosférica e à temperatura ambiente: c _p = 1,01 kJ / kgK.
Capacidade térmica específica a um volume constante de ar à pressão atmosférica e à temperatura ambiente: c _v = 0,718 kJ / kgK.
κ = c _p / c _v = 1,4

Calcular:

a massa de entrada de ar
a temperatura T ₃
a pressão p ₃
a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar
a eficiência térmica deste ciclo
o deputado

Solução:

1) a massa de entrada de ar

No início dos cálculos, temos que determinar a quantidade de gás no cilindro antes do curso de compressão. Usando a lei do gás ideal, podemos encontrar a massa:

pV = mR _específico T

Onde:

p é a pressão absoluta do gás
m é a massa da substância
T é a temperatura absoluta
V é o volume
R _específico é a constante de gás específica, igual à constante de gás universal dividida pela massa molar (M) do gás ou mistura. Para ar seco R _específico = 287,1 J.kg ^-1 .K ^-1 .

Portanto

m = p ₁ V ₁ / R _específico T ₁ = (100000 × 500 × 10 ^-6 ) / (287,1 × 293) = 5,95 × 10 ^-4 kg

Nesse problema, todos os volumes são conhecidos:

V ₁ = V ₄ = V _max= 500 × 10 ^-6 m ³ (0,5l)
V ₂ = V ₃ = V _min = V _máx / CR = 55,56 × 10 ^-6 m ³

Observe que (V _max – V _min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor.

2) a temperatura T ₃

Como o processo é adiabático, podemos usar a seguinte relação p, V, T para processos adiabáticos :

portanto

T ₃ = T ₄ . CR ^{k – 1} = 800. 9 ^0,4 = 1926 K

3) a pressão p ₃

Novamente, podemos usar a lei do gás ideal para encontrar a pressão no início do curso de força como:

p ₃ = mR _específico T ₃ / V ₃ = 5,95 × 10 ^-4 x 287,1 x 1926 / 55,56 × 10 ^-6 = 5920000 Pa = 59,2 bar

4) a quantidade de calor adicionada

Para calcular a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar, _adicione Q , temos que usar a primeira lei da termodinâmica para processos isocóricos , que declara Q _add = ∆U, portanto:

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ )

a temperatura no final do curso de compressão pode ser determinada usando a relação p, V, T para processos adiabáticos entre os pontos 1 → 2.

T ₂ = T ₁ . CR ^{k – 1} = 293. 9 ^0,4 = 706 K

então

Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂ ) = 5,95 × 10 ^-4 x 718 x 1220 = 521,2 J

5) a eficiência térmica

Eficiência térmica para um ciclo Otto:

Como foi derivado na seção anterior, a eficiência térmica de um ciclo Otto é uma função da taxa de compressão e κ:

6) a pressão efetiva média

O MEP foi definido como:

Nesta equação, o volume de deslocamento é igual a V _max – V _min . O trabalho líquido para um ciclo pode ser calculado usando o calor adicionado e a eficiência térmica:

W _net = Q _add . η _Otto = 521,2 x 0,5847 = 304,7 J
MEP = 304,7 / ( 500 × 10^-6 – 55,56 × 10^-6) = 685,6 kPa = 6,856 bar

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O que é processos termodinâmicos no ciclo Otto – Definição

2020-01-262019-11-07 Por Nick Connor

Em um ciclo Otto ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) e dois processos isocóricos. Engenharia Térmica

Ciclo Otto – Processos

Em um ciclo Otto ideal , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos reversíveis internamente: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isocóricos:

Compressão isentrópica (curso de compressão) – O gás (mistura combustível-ar) é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2, conforme o pistão se move do ponto morto inferior para o ponto morto superior. O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o. Por outro lado, a entropia permanece inalterada. As mudanças nos volumes e sua taxa ( V ₁ / V ₂ ) são conhecidas como taxa de compressão.
Compressão isocórica (fase de ignição) – Nesta fase (entre o estado 2 e o estado 3), há um volume constante (o pistão está em repouso) transferido para o ar a partir de uma fonte externa, enquanto o pistão está em repouso no ponto morto superior . Esse processo visa representar a ignição da mistura combustível-ar injetada na câmara e a subsequente queima rápida. A pressão aumenta e a razão ( P ₃ / P ₂ ) é conhecida como “taxa de explosão”.
Expansão isentrópica (golpe de energia) – O gás se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4, conforme o pistão se move do ponto morto superior para o ponto morto inferior. O gás trabalha nos arredores (pistão) e perde uma quantidade de energia interna igual ao trabalho que sai do sistema. Novamente a entropia permanece inalterada. A taxa de volume ( V ₄ / V ₃ ) é conhecida como a razão de expansão isentrópica, mas para o ciclo Otto, é igual à taxa de compressão.
Descompressão isocórica (curso de escape) – Nesta fase, o ciclo é concluído por um processo de volume constante no qual o calor é rejeitado do ar enquanto o pistão está no ponto morto inferior. A pressão do gás de trabalho cai instantaneamente do ponto 4 ao ponto 1. A válvula de escape se abre no ponto 4. O curso de escape ocorre imediatamente após esta descompressão. À medida que o pistão se move do ponto morto inferior (ponto 1) para o ponto morto superior (ponto 0) com a válvula de escape aberta, a mistura gasosa é ventilada para a atmosfera e o processo começa novamente.

Durante o ciclo Otto, o trabalho é realizado no gás pelo pistão entre os estados 1 e 2 ( compressão isentrópica ). O trabalho é realizado pelo gás no pistão entre os estágios 3 e 4 ( expansão isentrópica ). A diferença entre o trabalho realizado pelo gás e o trabalho realizado com o gás é o trabalho líquido produzido pelo ciclo e corresponde à área delimitada pela curva do ciclo. O trabalho produzido pelos tempos de ciclo, a taxa do ciclo (ciclos por segundo) é igual à potência produzida pelo motor Otto.

Processo isentrópico

Um processo isentrópico é um processo termodinâmico , no qual a entropia do fluido ou gás permanece constante. Isso significa que o processo isentrópico é um caso especial de um processo adiabático no qual não há transferência de calor ou matéria. É um processo adiabático reversível . A suposição de que não há transferência de calor é muito importante, pois podemos usar a aproximação adiabática apenas em processos muito rápidos .

Processo isentrópico e a primeira lei

Para um sistema fechado, podemos escrever a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia :

dH = dQ + Vdp

dH = TdS + Vdp

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁ → H ₂ – H ₁ = C _P (T ₂ – T ₁ ) (para gás ideal )

Processo isentrópico do gás ideal

O processo isentrópico (um caso especial de processo adiabático) pode ser expresso com a lei dos gases ideais como:

pV ^κ = constante

p ₁ V ₁^k = p ₂ V ₂^k

em que κ = c _p / c _v é a proporção de aquecimentos específicos (ou capacidades de calor ) para o gás. Um para pressão constante (c _p ) e outro para volume constante (c _v ) . Observe que essa razão κ = c _p / c _v é um fator na determinação da velocidade do som em um gás e em outros processos adiabáticos.

Processo Isocórico

Um processo isocórico é um processo termodinâmico, no qual o volume do sistema fechado permanece constante (V = const). Ele descreve o comportamento do gás dentro do recipiente, que não pode ser deformado. Como o volume permanece constante, a transferência de calor para dentro ou para fora do sistema não funciona , mas altera apenas a energia interna (a temperatura) do sistema.

Processo isocórico e a primeira lei

A forma clássica da primeira lei da termodinâmica é a seguinte equação:

dU = dQ – dW

Nesta equação, dW é igual a dW = pdV e é conhecido como trabalho de fronteira . Então:

dU = dQ – pdV

No processo isocórico e no gás ideal , todo o calor adicionado ao sistema será usado para aumentar a energia interna.

Processo isocórico (pdV = 0):

dU = dQ (para gás ideal)

dU = 0 = Q – W → W = Q (para gás ideal)

Processo isocórico do gás ideal

O processo isocórico pode ser expresso com a lei dos gases ideais como:

Em um diagrama pV , o processo ocorre ao longo de uma linha horizontal que possui a equação V = constante.

Veja também: Lei de Guy-Lussac

Processo isentrópico - características — Processo isentrópico – principais características

Processo isocórico - principais características — Processo isocórico – principais características

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O que é o ciclo Rankine – diagrama pV, Ts – Definição

2020-01-262019-11-07 Por Nick Connor

Ciclo de Rankine – pV, diagrama de Ts. O ciclo Rankine é frequentemente plotado em um diagrama de volume de pressão (diagrama pV) e em um diagrama de temperatura-entropia (diagrama Ts). Engenharia Térmica

Ciclo de Rankine – diagrama pV, Ts

Ciclo de Rankine - diagrama de Ts — Ciclo de Rankine – diagrama de Ts

O ciclo Rankine é frequentemente plotado em um diagrama de volume de pressão ( diagrama pV ) e em um diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts ).

Quando plotados em um diagrama de volume de pressão , os processos isobáricos seguem as linhas isobáricas do gás (as linhas horizontais), os processos adiabáticos se movem entre essas linhas horizontais e a área delimitada pelo caminho completo do ciclo representa o trabalho total que pode ser feito durante um ciclo.

O diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts) no qual o estado termodinâmico é especificado por um ponto em um gráfico com entropias específicas como eixo horizontal e temperatura absoluta (T) como eixo vertical. Os diagramas Ts são uma ferramenta útil e comum, principalmente porque ajuda a visualizar a transferência de calor durante um processo. Para processos reversíveis (ideais), a área sob a curva Ts de um processo é o calor transferido para o sistema durante esse processo.

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O que é o ciclo Rankine – Processos – Expansão e compressão – Definição

2020-01-262019-11-07 Por Nick Connor

Ciclo de Rankine – Processos – Expansão e Compressão. Em um ciclo Rankine ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos. Engenharia Térmica

Ciclo Rankine – Processos

Em um ciclo Rankine ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.

Ciclo Rankine – Processos

Ciclo de Rankine – Diagrama Ts

Compressão isentrópica (compressão em bombas centrífugas) – O condensado líquido é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2 por bombas centrífugas (geralmente por bombas de condensação e depois por bombas de água de alimentação). Os condensados líquidos são bombeados do condensador para a caldeira de alta pressão. Nesse processo, o ambiente trabalha com o fluido, aumentando sua entalpia (h = u + pv) e comprimindo-o (aumentando sua pressão). Por outro lado, a entropia permanece inalterada. O trabalho necessário para o compressor é dado por W _Pumps = H ₂ – H ₁ .
Adição de calor isobárico (em um trocador de calor – caldeira) – Nesta fase (entre o estado 2 e o estado 3), há uma transferência de calor de pressão constante para o condensado líquido de uma fonte externa, uma vez que a câmara está aberta para entrar e sair . A água de alimentação (circuito secundário) é aquecida até o ponto de ebulição (2 → 3a) desse fluido e depois evaporada na caldeira (3a → 3). O calor líquido adicionado é dado por Q _add = H ₃ – H ₂
Expansão isentrópica (expansão em uma turbina a vapor) – O vapor da caldeira se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4 em uma turbina a vapor para produzir trabalho e depois é descarregado no condensador (parcialmente condensado). O vapor trabalha nos arredores (pás da turbina) e perde uma quantidade de entalpia igual ao trabalho que sai do sistema. O trabalho realizado pela turbina é dado por W _T = H ₄ – H ₃ . Novamente a entropia permanece inalterada.
Rejeição de calor isobárica (em um trocador de calor) – Nesta fase, o ciclo é concluído por um processo de pressão constante no qual o calor é rejeitado pelo vapor parcialmente condensado. Há transferência de calor do vapor para a água de resfriamento que flui em um circuito de resfriamento. O vapor condensa e a temperatura da água de resfriamento aumenta. O calor líquido rejeitado é dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Durante um ciclo de Rankine, o trabalho é realizado no fluido pelas bombas entre os estados 1 e 2 ( i compressão sentropic ). O trabalho é feito pelo fluido na turbina entre as fases 3 e 4 ( i expansão sentropic ). A diferença entre o trabalho realizado pelo fluido e o trabalho realizado no fluido é o trabalho líquido produzido pelo ciclo e corresponde à área delimitada pela curva do ciclo (no diagrama pV). O fluido de trabalho em um ciclo Rankine segue um circuito fechado e é reutilizado constantemente.

Como pode ser visto, é conveniente usar a entalpia e a primeira lei em termos de entalpia na análise desse ciclo termodinâmico. Esta forma da lei simplifica a descrição da transferência de energia . A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Veja também: Por que os engenheiros de energia usam entalpia? Resposta: dH = dQ + Vdp

Processo isentrópico

Processo isentrópico e a primeira lei

Para um sistema fechado, podemos escrever a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia :

dH = dQ + Vdp

dH = TdS + Vdp

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Processo isobárico

Um processo isobárico é um processo termodinâmico , no qual a pressão do sistema permanece constante (p = const). A transferência de calor para dentro ou para fora do sistema funciona, mas também altera a energia interna do sistema.

Como existem mudanças na energia interna (dU) e no volume do sistema (∆V), os engenheiros costumam usar a entalpia do sistema, que é definida como:

H = U + pV

Processo isobárico e a primeira lei

A forma clássica da primeira lei da termodinâmica é a seguinte equação:

dU = dQ – dW

Nesta equação, dW é igual a dW = pdV e é conhecido como trabalho de fronteira . Em um processo isobárico e no gás ideal, parte do calor adicionado ao sistema será usada para realizar o trabalho e parte do calor adicionado aumentará a energia interna (aumentará a temperatura). Portanto, é conveniente usar a entalpia em vez da energia interna.

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no sistema ou pelo mesmo.

Ciclo de Rankine – diagrama pV, Ts

O ciclo Rankine é frequentemente plotado em um diagrama de volume de pressão ( diagrama pV ) e em um diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts ).

O diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts) no qual o estado termodinâmico é especificado por um ponto em um gráfico com entropia (s) específica (s) como eixo horizontal e temperatura absoluta (T) como eixo vertical. Os diagramas Ts são uma ferramenta útil e comum, principalmente porque ajuda a visualizar a transferência de calor durante um processo. Para processos reversíveis (ideais), a área sob a curva Ts de um processo é o calor transferido para o sistema durante esse processo.

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O que é a teoria do ciclo de Rankine – Equações e cálculo – Definição

2020-01-262019-11-07 Por Nick Connor

Teoria do Ciclo de Rankine – Equações e Cálculo. O cálculo do ciclo Rankine é simples com tabelas a vapor. Engenheiros usam entalpias específicas em todas as equações. Engenharia Térmica

Teoria do Ciclo de Rankine

O ciclo Rankine recebeu seu nome e descreve o desempenho de sistemas de turbinas a vapor , embora o princípio teórico também se aplique a motores alternativos, como locomotivas a vapor. Em geral, o ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico idealizado de um motor térmico de pressão constante que converte parte do calor em trabalho mecânico. Nesse ciclo, o calor é fornecido externamente a um circuito fechado, que geralmente usa água (na fase líquida e de vapor) como fluido de trabalho. Em contraste com o ciclo de Brayton , o fluido de trabalho no ciclo Rankine passa pela mudança de fase de uma fase líquida para vapor e vice-versa.

Embora muitas substâncias possam ser usadas como fluido de trabalho no ciclo Rankine (inorgânico ou mesmo orgânico), a água é geralmente o fluido de escolha devido às suas propriedades favoráveis, como química não tóxica e não reativa, abundância e baixo custo, bem como suas propriedades termodinâmicas. Por exemplo, a água possui o calor específico mais alto de qualquer substância comum – 4,19 kJ / kg K. Além disso, possui um calor de vaporização muito alto , o que a torna um fluido de arrefecimento eficaz e médio em usinas termelétricas e outras indústrias de energia. No caso do ciclo Rankine, a Lei do Gás Idealquase não pode ser usado (o vapor não segue pV = nRT), portanto, todos os parâmetros importantes de água e vapor são tabulados nas chamadas ” Tabelas de Vapor “.

Uma das principais vantagens do ciclo Rankine é que o processo de compressão na bomba ocorre em um líquido . Ao condensar o vapor de trabalho em um líquido (dentro de um condensador), a pressão na saída da turbina é reduzida e a energia requerida pela bomba de alimentação consome apenas 1% a 3% da potência de saída da turbina e esses fatores contribuem para uma maior eficiência para o ciclo.

Em um ciclo Rankine ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos:

Ciclo de Rankine – Diagrama Ts

Compressão isentrópica (compressão em bombas centrífugas) – O condensado líquido é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2 por bombas centrífugas (geralmente por bombas de condensação e depois por bombas de água de alimentação). Os condensados líquidos são bombeados do condensador para a caldeira de alta pressão. Nesse processo, o ambiente trabalha com o fluido, aumentando sua entalpia (h = u + pv) e comprimindo-o (aumentando sua pressão). Por outro lado, a entropia permanece inalterada. O trabalho necessário para o compressor é dado por W _Pumps = H ₂ – H ₁ .
Adição de calor isobárico (em um trocador de calor – caldeira) – Nesta fase (entre o estado 2 e o estado 3), há uma transferência de calor de pressão constante para o condensado líquido de uma fonte externa, uma vez que a câmara está aberta para entrar e sair . A água de alimentação (circuito secundário) é aquecida até o ponto de ebulição (2 → 3a) desse fluido e depois evaporada na caldeira (3a → 3). O calor líquido adicionado é dado por Q _add = H ₃ – H ₂
Expansão isentrópica (expansão em uma turbina a vapor) – O vapor da caldeira se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4 em uma turbina a vapor para produzir trabalho e depois é descarregado no condensador (parcialmente condensado). O vapor trabalha nos arredores (pás da turbina) e perde uma quantidade de entalpia igual ao trabalho que sai do sistema. O trabalho realizado pela turbina é dado por W _T = H ₄ – H ₃ . Novamente a entropia permanece inalterada.
Rejeição de calor isobárica (em um trocador de calor) – Nesta fase, o ciclo é concluído por um processo de pressão constante no qual o calor é rejeitado pelo vapor parcialmente condensado. Há transferência de calor do vapor para a água de resfriamento que flui em um circuito de resfriamento. O vapor condensa e a temperatura da água de resfriamento aumenta. O calor líquido rejeitado é dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Veja também: Por que os engenheiros de energia usam entalpia? Resposta: dH = dQ + Vdp

Processo isentrópico

Processo isentrópico e a primeira lei

Para um sistema fechado, podemos escrever a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia :

dH = dQ + Vdp

dH = TdS + Vdp

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Processo isobárico

Como existem mudanças na energia interna (dU) e no volume do sistema (∆V), os engenheiros costumam usar a entalpia do sistema, que é definida como:

H = U + pV

Processo isobárico e a primeira lei

A forma clássica da primeira lei da termodinâmica é a seguinte equação:

dU = dQ – dW

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no sistema ou pelo mesmo.

Eficiência térmica do ciclo Rankine

Em geral, a eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

Essa é uma fórmula muito útil, mas aqui expressamos a eficiência térmica usando a primeira lei em termos de entalpia .

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota no separador-reaquecedor de umidade (ponto D ) O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade . O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de0,008 MPa ) e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

Nesse caso, geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de água de alimentação constituem um motor térmico, sujeito às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . No caso ideal (sem atrito, processos reversíveis, design perfeito), este motor térmico teria uma eficiência de Carnot de

= 1 – T _frio / T _quente = 1 – 315/549 = 42,6%

onde a temperatura do reservatório quente é de 275,6 ° C (548,7 K), a temperatura do reservatório frio é de 41,5 ° C (314,7 K). Mas a usina nuclear é o verdadeiro motor térmico , no qual os processos termodinâmicos são de alguma forma irreversíveis. Eles não são feitos infinitamente devagar. Em dispositivos reais (como turbinas, bombas e compressores), um atrito mecânico e perdas de calor causam mais perdas de eficiência.

Para calcular a eficiência térmica do ciclo Rankine mais simples (sem reaquecer), os engenheiros usam a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia e não em energia interna.

A primeira lei em termos de entalpia é:

dH = dQ + Vdp

Nesta equação, o termo Vdp é um trabalho de processo de fluxo. Este trabalho, Vdp , é usado para sistemas de fluxo aberto como uma turbina ou uma bomba na qual existe um “dp” , ou seja, mudança de pressão. Não há alterações no volume de controle . Como pode ser visto, essa forma de lei simplifica a descrição da transferência de energia . A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

É óbvio que será muito útil na análise de ambos os ciclos termodinâmicos usados na engenharia de energia, ou seja, no ciclo de Brayton e no ciclo de Rankine.

A entalpia pode ser transformada em uma variável intensiva ou específica dividindo-se pela massa . Os engenheiros usam mais a entalpia específica na análise termodinâmica do que a própria entalpia. Ele é tabulado nas tabelas de vapor, juntamente com o volume específico e a energia interna específica . A eficiência térmica desse ciclo simples de Rankine e em termos de entalpias específicas seria:

É uma equação muito simples e, para determinar a eficiência térmica, você pode usar os dados das tabelas de vapor .

Takaishi, Tatsuo; Numata, Akira; Nakano, Ryouji; Sakaguchi, Katsuhiko (março de 2008). “Abordagem para motores a diesel e gás de alta eficiência” (PDF). Revisão técnica Mitsubishi Heavy Industries. 45 (1). Página visitada em 2011-02-04.

Nas modernas usinas nucleares, a eficiência térmica geral é de cerca de um terço (33%); portanto, são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica. O motivo está na temperatura do vapor relativamente baixa ( 6 MPa ; 275,6 ° C). Eficiências mais altas podem ser alcançadas aumentando a temperaturado vapor. Mas isso requer um aumento nas pressões dentro de caldeiras ou geradores de vapor. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores a essas pressões. Em comparação com outras fontes de energia, a eficiência térmica de 33% não é grande. Mas deve-se notar que as usinas nucleares são muito mais complexas que as usinas de combustíveis fósseis e é muito mais fácil queimar combustíveis fósseis do que gerar energia a partir de combustíveis nucleares. As usinas subcríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão crítica (ou seja, inferiores a 22,1 MPa), podem atingir uma eficiência de 36 a 40%.

Ciclo de Rankine – Equações e Cálculo

Vamos assumir o ciclo Rankine , que é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns em usinas termelétricas. Nesse caso, assuma um ciclo simples, sem reaquecimento e sem a turbina a vapor de condensação funcionando com vapor saturado (vapor seco). Nesse caso, a turbina opera em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (ponto 3). O vapor sai deste estágio da turbina a uma pressão de 0,008 MPa, 41,5 ° C e x = ??? (ponto 4)

Calcular:

a qualidade do vapor do vapor de saída
a diferença de entalpia entre estes dois estados (3 → 4), a qual corresponde ao trabalho realizado pelo vapor, W _t .
a diferença de entalpia entre estes dois estados (1 → 2), que corresponde ao trabalho feito por bombas, W _P .
a diferença de entalpia entre esses dois estados (2 → 3), que corresponde ao calor líquido adicionado no gerador de vapor
a eficiência termodinâmica deste ciclo e compare esse valor com a eficiência de Carnot

Como não sabemos a qualidade exata do vapor de saída, precisamos determinar esse parâmetro. O estado 4 é fixado pela pressão p ₄ = 0,008 MPa e o fato de que a entropia específica é constante para a expansão isentrópica (s ₃ = s ₄ = 5,89 kJ / kgK para 6 MPa ). A entropia específica da água líquida saturada (x = 0) e do vapor seco (x = 1) pode ser selecionada nas tabelas de vapor . No caso de vapor úmido, a entropia real pode ser calculada com a qualidade do vapor, x, e as entropias específicas de água líquida saturada e vapor seco:

s ₄ = s _v x + (1 – x) s _l

Onde

s ₄ = entropia de vapor úmido (J / kg K) = 5,89 kJ / kgK

s _v = entropia do vapor “seco” (J / kg K) = 8,227 kJ / kgK (para 0,008 MPa)

s _l = entropia de água líquida saturada (J / kg K) = 0,592 kJ / kgK (para 0,008 MPa)

A partir desta equação, a qualidade do vapor é:

x ₄ = ( s ₄ – s _l ) / ( s _v – s _l ) = (5,89 – 0,592) / (8,227 – 0,592) = 0,694 = 69,4%

A entalpia para o estado 3 pode ser coletada diretamente das tabelas de vapor, enquanto a entalpia para o estado 4 deve ser calculada usando a qualidade do vapor:

h _{3, v} = 2785 kJ / kg

h _{4, molhado} = h _{4, v} x + (1 – x) h _{4, l} = 2576. 0,694 + (1 – 0,694). 174 = 1787 + 53,2 = 1840 kJ / kg

Então o trabalho realizado pelo vapor, W _T, é

W _T = Δh = 945 kJ / kg

A entalpia para o estado 1 pode ser obtida diretamente das tabelas de vapor:

h _{1, l} = 174 kJ / kg

O estado 2 é fixado pela pressão p ₂ = 6,0 MPa e pelo fato de a entropia específica ser constante para a compressão isentrópica (s ₁ = s ₂ = 0,592 kJ / kgK para 0,008 MPa ). Para esta entropia s ₂ = 0,592 kJ / kgK ep ₂ = 6,0 MPa, encontramos h _{2, sub-resfriado} em tabelas de vapor para água comprimida (usando interpolação entre dois estados).

h _{2, sub-resfriado} = 179,7 kJ / kg

Então, o trabalho realizado pelas bombas, W _P, é

W _P = Δh = 5,7 kJ / kg

A diferença de entalpia entre (2 → 3), que corresponde ao calor líquido adicionado no gerador de vapor, é simplesmente:

Q _add = h _{3, v} – h _{2, sub-resfriado} = 2785 – 179,7 = 2605,3 kJ / kg

Observe que, não há regeneração de calor neste ciclo. Por outro lado, a maior parte do calor adicionado é para a entalpia da vaporização (isto é, para a mudança de fase).

Nesse caso, geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de água de alimentação constituem um motor térmico, sujeito às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . No caso ideal (sem atrito, processos reversíveis, design perfeito), esse motor térmico teria uma eficiência de Carnot de

η _Carnot = 1 – T_frio / T_quente = 1 – 315/549 = 42,6%

onde a temperatura do reservatório quente é de 275,6 ° C (548,7 K), a temperatura do reservatório frio é de 41,5 ° C (314,7 K).

A eficiência termodinâmica deste ciclo pode ser calculada pela seguinte fórmula:

assim
η _th = (945 – 5,7) / 2605,3 = 0,361 = 36,1%

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O que é o Ciclo Ericsson – Teoria e Eficiência – Definição

2019-11-07 Por Nick Connor

Primeiro e Segundo Ciclo Ericsson – Teoria e Eficiência. O ciclo da Ericsson é um ciclo termodinâmico com o nome de um inventor sueco-americano John Ericsson. Engenharia Térmica

Ciclo Ericsson

O ciclo da Ericsson é nomeado em homenagem ao inventor sueco-americano John Ericsson , que projetou e construiu muitos motores térmicos exclusivos com base em vários ciclos termodinâmicos. Ele é creditado por ter inventado dois ciclos únicos de motores térmicos e pelo desenvolvimento de motores práticos com base nesses ciclos.

Seu primeiro ciclo termodinâmico “ o primeiro ciclo da Ericsson ” agora é chamado de “ ciclo de Brayton ”; na verdade, é o ciclo de Brayton fechado, que é comumente aplicado aos modernos motores de turbina a gás de ciclo fechado.

O segundo ciclo da Ericsson é o que agora é chamado de ciclo da Ericsson. O segundo ciclo da Ericsson é semelhante ao ciclo de Brayton, mas usa calor externo e incorpora o uso múltiplo de um inter – resfriamento e reaquecimento . De fato, é como um ciclo de Brayton com um número infinito de estágios de reaquecimento e intercooler no ciclo. Comparado ao ciclo de Brayton, que usa compressão e expansão adiabática , um ciclo Ericsson ideal consiste em processos de expansão e compressão isotérmicos , combinados com a regeneração de calor isobárico entre eles. A aplicação de inter-resfriamento, regeneração de calor e combustão sequencial aumenta significativamenteeficiência térmica de uma turbina, de fato, a eficiência térmica do ciclo ideal da Ericsson é igual à eficiência de Carnot .

Assume-se (no caso ideal) que cada permutador de calor regressar o fluido de trabalho à temperatura ambiente T ₁ e cada um reaquecedor aquece o fluido de trabalho à temperatura de T ₃ . O regenerador é 100% eficiente e permite que a entrada de calor do processo 2 → 3 seja obtida do calor rejeitado no processo 4 → 1 . Como não há necessidade de transferência de calor (Q _add ) no processo 2 → 3, todo o calor adicionado externamente ocorreria nos reaquecedores e todo o calor rejeitado para o ambiente ocorreria nos intercoolers. Como pode ser visto na figura, nesse caso todo o calor adicionado ocorreria quando o fluido de trabalho estivesse na temperatura mais alta , T ₃E todo o calor rejeitado teria lugar quando o fluido de trabalho está no seu menor temperatura , T ₁ . Como se presume que as irreversibilidades estão ausentes e todo o calor é fornecido e rejeitado isotérmica , a eficiência térmica de um ciclo Ericsson ideal pode ser calculada a partir destas temperaturas:

Onde:

η _Carnot é a eficiência do ciclo de Carnot, ie é a proporção = W / Q _H do trabalho realizado pelo motor com a energia de calor que entra no sistema a partir do reservatório quente.
T _C é a temperatura absoluta (Kelvins) do reservatório frio,
T _H é a temperatura absoluta (Kelvin) do reservatório quente.

Embora os processos termodinâmicas do ciclo Ericsson diferem daqueles do ciclo de Carnot, ambos os ciclos de ter o mesmo valor de eficiência térmica quando operando entre as temperaturas T _H e T _C .

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O que é exemplo do ciclo de Brayton – problema com solução – definição

2020-01-262019-11-07 Por Nick Connor

Exemplo de Ciclo de Brayton – Problema com a Solução. Calcule os parâmetros termodinâmicos das chaves de ciclo de Brayton fechados, como temperaturas, pressões e transferências de calor. Engenharia Térmica

Ciclo de Brayton – Problema com a solução

Vamos assumir o ciclo fechado de Brayton , que é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados nos modernos motores de turbina a gás. Nesse caso, assuma uma turbina a gás hélio com um único compressor e arranjo de turbina única. Um dos principais parâmetros de tais motores é a temperatura máxima de entrada da turbina e a razão de pressão do compressor (PR = p ₂ / p ₁ ), que determina a eficiência térmica desse motor.

Nesta turbina, o estágio de alta pressão recebe gás (ponto 3 na figura) de um trocador de calor:

p ₃ = 6,7 MPa;
T ₃ = 1190 K (917 ° C))
a eficiência da turbina isentrópica é η _T = 0,91 (91%)

e esvazie-o em outro trocador de calor, onde a pressão de saída é (ponto 4):

p ₄ = 2,78 MPa
T _{4, é} =?

Assim, a razão de pressão do compressor é igual a PR = 2,41. Além disso, sabemos que o compressor recebe gás (ponto 1) na figura:

p ₁ = 2,78 MPa;
T ₁ = 299 K (26 ° C)
a eficiência isentrópica do compressor η _K = 0,87 (87%).

A razão de capacidade térmica,, para o hélio é igual a = c _p / c _v = 1,66

Calcular:

o calor adicionado pelo trocador de calor (entre 2 → 3)
a temperatura de saída do compressor do gás (T2 _{, é} )
o trabalho real realizado neste compressor, quando a eficiência isentrópica do compressor é η _K = 0,87 (87%)
a temperatura de saída da turbina do gás (T _{4, é} )
o trabalho real realizado por essa turbina, quando a eficiência da turbina isentrópica é η _T = 0,91 (91%)
a eficiência térmica deste ciclo

Solução:

1) + 2)

A partir da primeira lei da termodinâmica , o calor líquido adicionado é dado por Q _{add, ex} = H ₃ – H ₂ [kJ] ou Q _add = C _p . (T ₃ -T _2s ) , mas neste caso não sabemos a temperatura (T _2s ) na saída do compressor. Vamos resolver esse problema em variáveis intensivas . Temos que reescrever a equação anterior (para incluir η _K ) usando o termo ( + h ₁ – h ₁ ) para:

Q _adicione = h ₃ – h ₂ = h ₃ – h ₁ – (h _{2 s} – h ₁ ) / η _K [kJ / kg]

Q _add= c _p (T ₃ -T ₁ ) – (c _p (t _2s -T ₁ ) / η _K )

Em seguida, iremos calcular a temperatura, T _2s , utilizando p, V, T Relação (a partir de lei do gás ideal ) para processo adiabático entre (1 → 2).

Nesta equação, o fator para o hélio é igual a = c _p / c _v = 1,66. A partir da equação anterior segue-se que a temperatura de saída do compressor, t _2s , é:

Usando esta temperatura e a eficiência isentrópica do compressor , podemos calcular o calor adicionado pelo trocador de calor:Q _add = c _p (T ₃ -T ₁ ) – (c _p (t _2s -T ₁ ) / η _K ) = 5200. (1190 – 299) – 5200. (424-299) /0.87 = 4,633 MJ / kg – 0,747 MJ / kg = 3,886 MJ / kg

O trabalho realizado no gás pelo compressor no processo de compressão isentrópica é:

W _{C, S} = C _p (t _2s – T ₁ ) = 5200 x (424 – 299) = 0,650 MJ / kg

O trabalho real feito no gás pelo compressor na compressão adiabática é então:

W _{C, verdadeiro} = c _p (t _2s – T ₁ ). η _C = 5200 x (424 – 299) / 0,87 = 0,747 MJ / kg

A temperatura de saída da turbina do gás, T4 _{, é} , pode ser calculada usando a mesma relação p, V, T que em 2), mas entre os estados 3 e 4:

A partir da equação anterior, segue que a temperatura de saída do gás, T ₄ , é:

O trabalho realizado pela turbina a gás na expansão isentrópica é então:

W _{T, s} = c _p ( _T3 – _T4s ) = 5200 x (1190 – 839) = 1,825 MJ / kg

O verdadeiro trabalho realizado pela turbina a gás na expansão adiabática é então:

WT _{, real} = _cp ( _T3 – _T4s ). η _T = 5200 x (1190 – 839) x 0,91 = 1,661 MJ / kg

Como foi derivado na seção anterior, a eficiência térmica de um ciclo de Brayton ideal é uma função da razão de pressão e κ :

Portanto

η _th = 0,295 = 29,5%

A eficiência térmica também pode ser calculada usando o trabalho e o calor (sem η _K ):

η _{th, s}= ( WT _{, s} – WC _{, s} ) /_{adição de} Q_{, s} = (1,825 – 0,650) / 3,983 = 0,295 = 29,5%

Finalmente, a eficiência térmica, incluindo a eficiência isentrópica de turbina / compressor, é:

η _{th, real} = ( WT _{, real} – WC_{, real} ) / Q_add = (1,661 – 0,747) / 3,886 = 0,235 = 23,5%

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