Slide - Ciclos de Potência a Gás Parte 2 Ciclo Diesel -2024-1

Ciclos de potência a gás Parte 2 – Ciclo Diesel Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Observações • Não esqueça de entregar a Atividade Semanal • Tabela de propriedades 2 Bibliografia Material Complementar: • Recomendação de Leitura – Apostila Poli/SISEA (Prof. Dr. José R Simões Moreira) • Prof. Dr. Jorge Sá (UFF) – Ciclo Otto e Diesel https://www.youtube.com/watch?v=xtSm8_aBfM8&list=PLJHqU YUf9YorU7LFQV247OWDcBtmoAtZ3&index=1 Min 9:32 Moran e Shapiro: Tema de estudo: Cap. 9 3 Conceitos fundamentais • Análises de ar-padrão de motores de combustão interna baseadas no Ciclo Diesel; 4 • Diagramas p–ν e T–s (avaliar dados de propriedades nos estados principais; • Aplicar os balanços de energia e estimar a potência líquida de saída, a eficiência térmica e a pressão média efetiva. Introdução • Sistemas de potência a gás Ciclo no qual o fluido de trabalho permanece no estado gasoso. 5 ▪ Motores a combustão interna (MCI) ➢Ignição por centelha ➢Ignição por compressão Revisão • Motores a combustão interna (MCI) 6 ➢ Executam ciclos mecânicos. Porém, o conteúdo do cilindro não executa um ciclo termodinâmico. 𝑂 𝑚𝑒𝑠𝑚𝑜 𝑎𝑟 𝑛ã𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑒𝑐𝑒 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 Como analisar esse ciclo? Ciclo padrão a ar ➢ Modelo simplificado para análise ➢ Assume que o fluido de trabalho passa por ciclo termodinâmico Revisão • Características da análise de ar-padrão 7 1. Ar é fluido de trabalho para todo o ciclo. Considerado gás ideal. 2. Ignora os processos de admissão e exaustão O mesmo ar permanece dentro do motor 5. Os calores específicos (𝐶𝑣 e 𝐶𝑝) do ar são considerados constantes e avaliados na temperatura ambiente (análise de ar-padrão frio). 3. Combustão é substituída por aquecimento proveniente de fonte externa. Descompressão final é substituída por um resfriamento rápido. 4. Todos os processos são internamente reversíveis. • Análise de ar-padrão (Ciclo Otto) 8 Revisão Como estamos assumindo uma análise de ar-padrão, os quatro processos são modelados por um balanço de energia para sistema fechado, considerando que as variações de energia cinética e potencial são desprezíveis. 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑚 = 𝑢2 − 𝑢1 𝑊𝑠𝑎𝑖 𝑚 = 𝑢3 − 𝑢4 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑚 = 𝑢3 − 𝑢2 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑚 = 𝑢4 − 𝑢1 Atenção à convenção de sinais Eficiência térmica (η𝑡) 9 η𝑡 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑊 𝑄 = 𝑊𝑙í𝑞 𝑄23 = 𝑢3−𝑢2 − 𝑢4−𝑢1 𝑢3−𝑢2 = 1 − 𝑢4−𝑢1 𝑢3−𝑢2 Revisão • Análise de ar-padrão (Ciclo Otto) Taxa de compressão (𝑟) 𝑟 = 𝑉𝑜𝑙. 𝑃𝑀𝐼 𝑉𝑜𝑙. 𝑃𝑀𝑆 = 𝑉1 𝑉2 = 𝑉4 𝑉3 10 Revisão • Análise de ar-padrão frio (Ciclo Otto) η𝑡 = 1 − 1 𝑟 k−1 Relação entre eficiência e taxa de compressão ↑ 𝑟 → ↑ η A possibilidade de autoignição da mistura ar-combustível estabelece um limite superior para a taxa de compressão. Ciclo Diesel • Ciclo de ar-padrão Diesel 11 ➢ Ciclo que idealiza o funcionamento de MCIs de ignição por compressão. ➢ Óleo Diesel é o combustível normalmente utilizado. ➢ Diferença em relação ao Otto: Calor é adicionado à pressão constante Material Complementar: https://www.youtube.com/watch?v=xtSm8_aBfM8&list=PLJHqUYUf9YorU7LFQV247OWDcBtmoAtZ3&index=1 Min 9:32 Ciclo Diesel • Ciclo de ar-padrão Diesel 12 Objetivo: Criar um motor com uma taxa de compressão elevada, evitando a autoignição típica de uma mistura ar-combustível modelada em um Ciclo Otto. Como fazer? ➢ Comprimir o ar antes de injetar combustível ➢ O combustível é injetado ao final da compressão ➢ 𝑇𝑎𝑟 excede 𝑇𝑖𝑔𝑛𝑖çã𝑜 e ocorre ignição espontânea quando o pistão se aproxima do PMS e o combustível é injetado ➢ Não é necessário centelha Ciclo Diesel 13 • Ciclo de ar-padrão Diesel 1-2: Compressão isentrópica do ar. Pistão movendo de 𝑃𝑀𝐼 → 𝑃𝑀𝑆 Ciclo Diesel 14 • Ciclo de ar-padrão Diesel • Realização de trabalho (expansão) - 1ª parte do curso de potência 2-3: Transferência de calor a pressão constante para o ar a partir de uma fonte externa. • Simula injeção de combustível e combustão Ciclo Diesel 15 • Ciclo de ar-padrão Diesel 3-4: Expansão isentrópica do ar conforme o pistão se move para o 𝑃𝑀𝐼. Ciclo Diesel 16 • Ciclo de ar-padrão Diesel 4-1: Rejeição de calor a volume constante enquanto pistão está no 𝑃𝑀𝐼. • Análise de ar-padrão 17 Ciclo Diesel Como estamos assumindo uma análise de ar-padrão, os quatro processos são modelados por um balanço de energia para sistema fechado, considerando que as variações de energia cinética e potencial são desprezíveis. 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑚 = 𝑢2 − 𝑢1 𝑊𝑠𝑎𝑖 𝑚 = 𝑢3 − 𝑢4 Atenção à convenção de sinais 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑚 = 𝑢4 − 𝑢1 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑚 = ℎ3 − ℎ2 ? • Análise de ar-padrão 18 Ciclo Diesel Eficiência térmica (η𝑡) η𝑡 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝑄23 Para análise de ar-padrão: 𝑢1, 𝑢4 , ℎ3, e ℎ2 podem ser obtidos na Tabela A-22: Propriedades do Ar como Gás Ideal (Moran Shapiro 8ª Ed.) = 1 − 𝑢4 − 𝑢1 ℎ3 − ℎ2 • Análise de ar-padrão 19 Ciclo Diesel Eficiência térmica (η𝑡) Para calcular a eficiência térmica é fundamental conhecer as temperaturas nos principais estados do ciclo. 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 (Lei dos Gases Ideais) 𝑃2𝑉2 = 𝑛𝑅𝑇2 e 𝑃3𝑉3 = 𝑛𝑅𝑇3 𝑃2 = 𝑃3 Logo: 𝑇3 = 𝑉3 𝑉2 𝑇2 Razão de corte: 𝑟𝑐 = 𝑉3 𝑉2 𝑟𝑐 é frequentemente disponibilizada • Análise de ar-padrão 20 Ciclo Diesel Eficiência térmica (η𝑡) Válido para análise ar-padrão e processos isentrópicos (1-2) e (3-4) • 𝑣𝑟𝑥 é o volume relativo em fç da temperatura. Tabela A-22 (livro texto) 𝑣𝑟2 = 𝑉2 𝑉1 𝑣𝑟1 → 𝑣𝑟2= 1 𝑟 𝑣𝑟1 → 𝑣𝑟4= 𝑟𝑣𝑟3 𝑣𝑟4 = 𝑉4 𝑉3 𝑣𝑟3 Para calcular a eficiência térmica é fundamental conhecer as temperaturas nos principais estados do ciclo. • De maneira análoga encontrar p𝑟𝑥: Pressão relativa em fç da temperatura. • Análise de ar-padrão frio 21 Ciclo Diesel 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 constantes η𝑡 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝑄23 = 1 − 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑄𝑒𝑛𝑡 Eficiência térmica (η𝑡) Como escrever 𝑄𝑠𝑎𝑖 e 𝑄𝑒𝑛𝑡 quando 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 são constantes? • Análise de ar-padrão frio 22 Ciclo Diesel 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 constantes 𝑢 𝑇4 − 𝑢 T1 = න T1 T4 𝑐𝑣 𝑇 ⅆ𝑇 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑚 = 𝑢4 − 𝑢1 Sabe-se que: Variação de Energia Interna: = 𝑐𝑣 (𝑇4 − 𝑇1) Válido pq 𝑪𝒗 = cte = 𝑐𝑣 (𝑇4 − 𝑇1) • Análise de ar-padrão frio 23 Ciclo Diesel 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 constantes ℎ 𝑇3 − ℎ T2 = න T2 T3 𝑐𝑝 𝑇 ⅆ𝑇 Sabe-se que: Variação de Entalpia: = 𝑐𝑝 (𝑇3 − 𝑇2) Válido pq 𝐶𝑝 = cte = 𝑐𝑝 (𝑇3 − 𝑇2) 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑚 = ℎ3 − ℎ2 • Análise de ar-padrão frio 24 Ciclo Diesel 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 constantes Eficiência térmica (η𝑡) η𝑡 = 1 − 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑄𝑒𝑛𝑡 = 1 − 𝑐𝑣 (𝑇4 − 𝑇1) 𝑐𝑝 (𝑇3 − 𝑇2) • Análise de ar-padrão frio 25 Ciclo Diesel 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 constantes Relação entre eficiência térmica (ηt), taxa de compressão (𝑟) e relação de corte (𝑟𝑐) Eficiência térmica (η𝑡) 𝜂𝑡 = 1 − 1 𝑟𝑘−1 𝑟𝑐𝑘 − 1 𝑘 𝑟𝑐 − 1 • Análise de ar-padrão frio 26 Ciclo Diesel 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 constantes Eficiência térmica (η𝑡) 𝜂𝑡 = 1 − 1 𝑟𝑘−1 𝑟𝑐𝑘 − 1 𝑘 𝑟𝑐 − 1 ➢ O aumento da taxa de compressão aumenta a eficiência térmica. ➢ Para 𝑟𝑐 → 1, a η𝑡 𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 → η𝑡 𝑂𝑡𝑡𝑜 • Análise de ar-padrão frio 27 Ciclo Diesel 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 constantes Eficiência térmica (η𝑡) À mesma taxa de compressão (r): • Verifica-se que ciclo Otto tem maior eficiência • Entretanto, na prática o ciclo Diesel pode operar com r maior. What’s next? • Sistemas de potência a gás – Ciclo Brayton. 28 Atividade Semanal Atividade Semanal 5: Data da entrega: 26/03/2024 Individual, escrita à mão em folha de papel Exemplo resolvido 9.2 Morand e Shapiro, 8ª Edição 8) No início do processo de compressão de um ciclo de ar padrão Diesel que opere com uma taxa de compressão de 18, a temperatura é 300 K e a pressão é 0,1 MPa. A razão de corte para o ciclo é 2. Determine: a) A pressão e a temperatura no estado final de cada processo do ciclo. (Resposta: P2 = 5,39 MPa, T2 = 898,3 K, P3 = P2 = 5,39 MPa, T3 = 1796,6 K, P4 = 0,3 MPa, T4 = 887,7 K) b) O rendimento térmico. (Resposta: 57,8%) c) A pressão média efetiva. (Resposta: 0,76 MPa) Importante: Não se esqueça de esboçar diagramas, demonstrar os cálculos e fazer comentários sempre que necessário. Utilize o exercício como se estivesse estudando para recordar no futuro. 29