O que é o tipo de mecanismo térmico – exemplo de mecanismo térmico – definição

Tipos de motores térmicos

Em geral, os motores térmicos são classificados de acordo com um local de combustão como:

• Motor de combustão externa. Por exemplo, os motores a vapor são motores de combustão externa, onde o fluido de trabalho é separado dos produtos de combustão.
• Motor de combustão interna. Um exemplo típico de motor de combustão interna é um motor usado em  automóveis , no qual a alta temperatura é alcançada queimando a mistura gasolina-ar no próprio cilindro.

A categorização detalhada é baseada em um fluido de trabalho usado no ciclo termodinâmico:

• Ciclos de gás. Nestes ciclos, o fluido de trabalho é sempre um gás. O ciclo Otto e o ciclo Diesel (usado são automóveis) também são exemplos típicos de ciclos somente de gás. Os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração, também baseados no ciclo apenas de gás, seguem o ciclo de Brayton.
• Ciclos líquidos. Ciclos apenas líquidos são bastante exóticos. Nestes ciclos, o fluido de trabalho é sempre um líquido. O mecanismo líquido Malone é um exemplo de ciclo somente líquido. O motor líquido Malone era uma modificação do ciclo de Stirling, usando a água como fluido de trabalho em vez de gás
• Ciclos com alterações de fase. Os motores a vapor são exemplos típicos de motores externos com mudança de fase do fluido de trabalho.

Exemplo de motor térmico

Motores a vapor e geladeiras são exemplos típicos de motores externos com mudança de fase do fluido de trabalho. O ciclo termodinâmico típico usado para analisar esse processo é chamado de ciclo Rankine , que geralmente usa água como fluido de trabalho.

O ciclo Rankine descreve de perto os processos em motores térmicos a vapor comumente encontrados na maioria das usinas termelétricas . As fontes de calor usadas nessas usinas são geralmente a combustão de combustíveis fósseis, como carvão, gás natural ou também a fissão nuclear .

Uma usina nuclear ( usina nuclear) parece uma usina termelétrica padrão, com uma exceção. A fonte de calor na usina nuclear é um reator nuclear . Como é típico em todas as centrais térmicas convencionais, o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade.

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 saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota para o 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.

Portanto, usinas nucleares geralmente têm eficiência em torno de 33%. Nas modernas usinas nucleares, a eficiência termodinâmica 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.

De acordo com o princípio de Carnot, é possível obter maiores eficiências aumentando a temperatura do 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. Deste ponto de vista, os reatores supercríticos de água são considerados um avanço promissor para as usinas nucleares devido à sua alta eficiência térmica (~ 45% vs. ~ 33% para as LWRs atuais). Os SCWRs são operados sob pressão supercrítica (ou seja, maior que 22,1 MPa).