O que é Ciclo Duplo – Ciclo de Pressão Limitado – Definição

O ciclo duplo, ou ciclo de pressão limitado, é um ciclo termodinâmico que combina o ciclo Otto e o ciclo Diesel. Um ciclo duplo consiste em cinco processos termodinâmicos. Engenharia Térmica

Ciclo Diesel – Motor Diesel

O ciclo duplo , ou ciclo de pressão limitado , é um ciclo termodinâmico que combina o ciclo Otto e o ciclo Diesel . No ciclo duplo, a combustão ocorre em parte a volume constante e em parte a pressão constante. Pode ser usado para descrever motores de combustão interna. Os diagramas pressão-volume dos motores de combustão interna reais não são bem descritos pelos ciclos Otto e Diesel. Um ciclo padrão do ar que pode ser feito para aproximar mais as variações de pressão é o ciclo duplo padrão do ar. Uma abordagem mais capaz seria modelar o processo de combustão nos motores Otto e Diesel como uma combinação de dois processos de transferência de calor, um processo isocórico e outroprocesso isobárico .

Em comparação com um ciclo Otto, que assume uma adição instantânea de calor (adição isocórica de calor), em um ciclo duplo, o calor é adicionado parcialmente a volume constante e parcialmente a pressão constante. Portanto, a vantagem é que há mais tempo disponível para o combustível queimar completamente. Por outro lado, o uso de um ciclo duplo é um pouco mais complexo . A eficiência térmica situa-se entre os ciclos Otto e Diesel.

O ciclo duplo combina o ciclo Otto e o ciclo Diesel. . Nesta foto, existe um mecanismo Otto, que é acionado por uma vela de ignição em vez da própria compressão.

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

Ciclo Duplo – Processos

Em um ciclo duplo , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de cinco processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isocóricos e um processo isobárico:

  • Diagrama de ciclo duplo - pV
    Diagrama de ciclo duplo – pV

    Compressão isentrópica (curso de compressão) – O gás é comprimido adiabaticamente do estado 1 para o estado 2, à medida que o pistão se move do ponto de fechamento da válvula de admissão (1) 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 proporção ( 1 / V 2 ) são conhecidas como taxa de compressão. A taxa de compactação é menor que a taxa de expansão.

  • 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 . Este processo é semelhante ao processo isocórico no ciclo Otto. Pretende-se representar a ignição da mistura combustível-ar injetada na câmara e a subsequente queima rápida. A pressão aumenta e a razão ( 3 / P 2 ) é conhecida como “taxa de explosão”.
  • Expansão isobárica (golpe de força) – Nesta fase (entre o estado 3 e o estado 4), há uma transferência de calor de pressão constante (modelo idealizado) para o ar a partir de uma fonte externa (combustão do combustível) enquanto o pistão está se movendo em direção ao V 4 . Durante o processo de pressão constante, a energia entra no sistema à medida que o calor Q é adicionado e uma parte do trabalho é feita movendo o pistão.
  • Expansão isentrópica (poder acidente vascular cerebral) – O gás expande-se adiabaticamente de estado 4 para o estado 5, quando o pistão se move da V 3 a centro 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.
  • Descompressão isocórica (curso de exaustão) – 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 5 ao ponto 1. A válvula de escape se abre no ponto 5. 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 recomeça.

Durante o ciclo duplo, o trabalho é realizado sobre o gás pelo pistão entre os estados 1 e 2 ( compressão sentropic ). O trabalho é realizado pelo gás no pistão entre os estágios 2 e 3 ( adição de calor sobárico ) e entre os estágios 2 e 3 ( expansão sentrópica ). 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 Diesel.

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

ou

dH = TdS + Vdp

Processo isentrópico (dQ = 0):

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

Processo isentrópico do gás ideal

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

pV κ = constante

ou

1 V k = p 2 V 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

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

processo isocórico - equação 1

ou

processo isocórico - equação 2

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 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.

Processo isobárico do gás ideal

processo isobárico pode ser expresso com a lei do gás ideal como:

processo isobárico - equação - 2

ou

processo isobárico - equação - 3

Em um diagrama de pV , o processo ocorre ao longo de uma linha horizontal (chamada isobar) que possui a equação p = constante.

Veja também: Lei de Charles

Processo isentrópico - características
Processo isentrópico – principais características
Processo isocórico - principais características
Processo isocórico – principais características
Processo isobárico - principais características
Processo isobárico – principais características

Eficiência térmica para ciclo duplo

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 .

fórmula de eficiência térmica - 1

eficiência térmica , η th , representa a fração de calor , 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:

fórmula de eficiência térmica - 2

Portanto, o calor adicionado e rejeitado é dado por:

add-1 = mc v (T 3 – T 2 )

add-2 = mc p (T 4 – T 3 )

a = mc v (t 5 – T 1 )

Portanto, a eficiência térmica para um ciclo duplo é:

Ciclo duplo - eficiência térmica

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