Slide - Turbinas a Gás para Propulsão - 2024-1

Turbinas a gás para propulsão Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Observações • Não esqueça de entregar a Atividade Semanal (Nome) • Sobre análise dimensional • Método de avaliação do processo de Ensino-Aprendizagem (Fim da aula) 2 Bibliografia Material Complementar: • Recomendação de Leitura – Apostila Poli/SISEA (Prof. Dr. José R Simões Moreira) • Vídeo motor a reação https://www.youtube.com/watch?v=eglDumaJeEg Moran e Shapiro: Tema de estudo: Cap. 9 3 Conceitos fundamentais 4 • Nos motores a jato, os gases a alta temperatura e pressão que deixam a turbina são acelerados em um bocal para produzir empuxo. ➢ Compreender como isso ocorre ➢ Calcular a velocidade de escape dos gases, empuxo e potência de propulsão. 5 • Turbinas a gás para propulsão Motores a jato Material Complementar: • Motor a reação https://www.youtube.com/watch?v=eglDumaJeEg Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) A variação global na velocidade dos gases dá origem a força propulsora, ou empuxo, que move o avião. Motor a propulsão Revisão • Ciclo padrão a ar 6 1. Ar é fluido de trabalho para todo o ciclo. Considerado gás ideal. 2. Não há entrada e saída de ar. Ar segue circuito fechado 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. Exaustão do ar é substituída por resfriamento rápido 4. Todos os processos são internamente reversíveis. • Análise de ar-padrão (Ciclo Brayton) 7 Revisão Atenção à convenção de sinais 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑚 = ℎ4 − ℎ1 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑚 = ℎ3 − ℎ2 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 𝑚 = ℎ3 − ℎ4 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑚 = ℎ2 − ℎ1 Revisão 8 Instalações com Turbinas a Gás Brayton As turbinas a gás dos aviões operam em um ciclo aberto chamado de ciclo de propulsão a jato. Propulsão a jato Difusor Bocal 9 • Princípio de funcionamento Motores a jato 1-a: Aumento de pressão que ocorre no difusor à medida que o ar desacelera a-2: Ar é comprimido por um compressor 2-3: Ar comprimido entra na câmara de combustão e o combustível é injetado (Queimador) 3-4: Gases quentes se expandem na turbina, produzindo potência mecânica 4-5: Os gases quentes são acelerados em um bocal, para então serem descarregados Figura adaptada: Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição 10 • Sobre bocais e difusores Motores a jato Bocal: É um duto com área de seção reta variável na qual a velocidade do fluido de trabalho aumenta na direção do escoamento. 𝑽𝟏 < 𝑽𝟐 (Velocidade) 𝑷𝟏 > 𝑷𝟐 (Pressão) Difusor: Em um difusor o fluido desacelera na direção do escoamento. 𝑽𝟏 > 𝑽𝟐 (Velocidade) 𝑷𝟏 < 𝑷𝟐 (Pressão) Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 11 • Sobre bocais e difusores Motores a jato Balanço da Taxa de Energia para um Volume de Controle ⅆ𝐸𝑣𝑐 𝑑𝑡 = 𝑄 − 𝑊 + 𝑚𝑒 ℎ𝑒 + 𝑉𝑒2 2 + 𝑔𝑧𝑒 − 𝑚𝑠 ℎ𝑠 + 𝑉𝑠2 2 + 𝑔𝑧𝑠 Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) I e III: Taxa de transferência de energia dos fluxos de entrada e saída. Para um volume de controle com uma entrada e uma saída e escoamento unidimensional: I II III II I III II: Taxa líquida de transferência de energia por calor e por trabalho através da fronteira do volume de controle no instante t. Lembre-se: ℎ = 𝑢 + 𝑝𝑣 (𝑝𝑣 é o trabalho de fluxo); 𝐸𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 = 1 2 𝑚𝑣2; 𝐸𝑝𝑜𝑡. 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡. = 𝑚𝑔𝑧 (𝑧 é altura); 12 • Sobre bocais e difusores Motores a jato Balanço da Taxa de Energia para um Volume de Controle ⅆ𝐸𝑣𝑐 𝑑𝑡 = 𝑄 − 𝑊 + 𝑚𝑒 ℎ𝑒 + 𝑉𝑒2 2 + 𝑔𝑧𝑒 − 𝑚𝑠 ℎ𝑠 + 𝑉𝑠2 2 + 𝑔𝑧𝑠 = 0 Para o caso de regime permanente, as vazões mássicas e as taxas de transferência de calor não se alteram com o tempo, assim: 𝑚𝑒 = 𝑚𝑠 e Τ 𝑑𝐸𝑣𝑐 𝑑𝑡 = 0 Para bocais e difusores: ➢ Idealmente não trocam calor e não realizam trabalho ➢ Componente energética referente ao potencial gravitacional é desprezível Logo: ℎ𝑒 − ℎ𝑠 + 𝑉𝑒2 2 − 𝑉𝑠2 2 = 0 0 0 0 13 • Sobre bocais e difusores em motores a jato Motores a jato Balanço da Taxa de Energia para um Volume de Controle ℎ𝑒 − ℎ𝑠 + 𝑉𝑒2 2 − 𝑉𝑠2 2 = 0 0 Difusor Bocal ℎ𝑒 − ℎ𝑠 + 𝑉𝑒2 2 − 𝑉𝑠2 2 = 0 0 14 • Ciclo de propulsão a jato Motores a jato 1-a: Compressão isentrópica que ocorre no difusor à medida que o ar desacelera. a-2: Compressão isentrópica realizada por um compressor. 2-3: Adição de calor a pressão constante. Ar comprimido entra na câmara de combustão. 3-4: Expansão isentrópica pela turbina produzindo potência mecânica. (Aciona compressor) 4-5: Os gases quentes são acelerados em um bocal, para então serem descarregados (isentr.) Figura adaptada: Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição 15 • Ciclo de propulsão a jato Motores a jato O ciclo de propulsão a jato difere do ciclo Brayton simples. Nele, os gases não se expandem até a pressão ambiente, mas sim até uma pressão na qual a potência produzida na turbina é suficiente para acionar o compressor. ➢O trabalho líquido produzido em um ciclo de propulsão a jato é zero. Figura adaptada: Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição 𝑊𝑐 = 𝑊𝑡 16 • Empuxo e potência de propulsão Motores a jato Aviões são acionados pela aceleração de um fluido na direção oposta ao movimento. Os gases que deixam a turbina (Estado 4) a uma pressão relativamente alta são posteriormente acelerados em um bocal para fornecer o empuxo e mover o avião. 17 • Empuxo Motores a jato O empuxo desenvolvido por um turbojato é a força resultante da diferença entre as quantidades de movimento dos gases de exaustão à alta velocidade que deixam o motor e do ar à baixa velocidade que entra no motor, sendo determinado pela segunda lei de Newton: 𝐹 = 𝑚𝑉 𝑠𝑎𝑖 − 𝑚𝑉 𝑒𝑛𝑡 = 𝑚(𝑉𝑠𝑎𝑖 − 𝑉𝑒𝑛𝑡) 𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛𝑠 18 • Potência de propulsão Motores a jato É definida como o produto entre a força de empuxo e a distância ao longo da qual essa força age sobre o avião por unidade de tempo: 𝑊𝑝 = 𝐹𝑉𝑎𝑣𝑖ã𝑜 = 𝑚 𝑉𝑠𝑎𝑖 − 𝑉𝑒𝑛𝑡 𝑉𝑎𝑣𝑖ã𝑜 𝑘𝑊 A potência de propulsão é o empuxo agindo sobre o avião ao longo de uma distância por unidade de tempo. 19 • Eficiência de propulsão Motores a jato Define-se eficiência de propulsão como a relação entre a potência de propulsão e a taxa de calor fornecido pela queima do combustível (𝑄𝑒𝑛𝑡), ou seja: η𝑝 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑢𝑙𝑠ã𝑜 𝑇𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 = 𝑊𝑝 𝑄𝑒𝑛𝑡 20 • Balanço energético Motores a jato Processos: 1-a, a-2, 3-4 e 4,5 Δ𝑆 = 0 • Análise de ar-padrão frio 21 Ciclo Brayton 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 constantes ℎ 𝑇𝑏 − ℎ Ta = න T𝑎 T𝑏 𝑐𝑝 𝑇 ⅆ𝑇 Variação de Entalpia: = 𝑐𝑝 (𝑇𝑏 − 𝑇𝑎) Válido pq 𝐶𝑝 = cte Atividade Semanal Atividade Semanal 8: Data da entrega: 09/04/2024 Individual, escrita à mão em folha de papel Exemplo resolvido 10.5 Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição (Anexo) 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. 22 What’s next? • Sistemas de refrigeração 23 Método de avaliação Cronograma de preparação: ➢ 04/04 – Atividade de acompanhamento (Semelhante a Atividade Pré – contará como Atividade Semanal) ➢ 09/04 – Refrigeração ➢ 11/04 – Refrigeração ➢ 16/04 – Refrigeração ➢ 18/04 – Atividade Pré 1 (Individual e consulta livre) ➢ 23/04 – Avaliação conceitual (Individual e consulta parcial) 24 Sobre o material de consulta para Avaliação Conceitual 1: • Tabelas impressas (alunos propõem) • Uma lauda escrita à mão contendo somente fórmulas e diagramas • O material deverá ser entregue no dia 18/04 (com a atividade Pré 1) e contará como uma Atividade Semanal.