Aula 4: Ciclo Otto - Máquinas Térmicas

Aula 4 CICLO OTTO Disciplina de Máquinas Térmicas CH 60 h CRE 04 Prérequisitos s Termodinâmica II e Transferência de Calor e Massa Universidade Federal da Paraíba Curso de Engenharia de Energias Renováveis 20231 Profª Taynara Geysa Silva do Lago taynaracearufpbbr 2 24072023 Aula 4 Ciclo Otto CICLO OTTO 3 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto O ciclo de arpadrão Otto é um ciclo ideal que considera que a adição de calor ocorre instantaneamente enquanto o pistão se encontra no ponto morto superior O ciclo consiste de quatro processos internamente reversíveis em série 4 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Processo 12compressão isentrópica conforme pistão se move do ponto morto inferior para o ponto morto superior Ciclo de ArPadrão Otto 5 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Processo 23 transferência de calor calor adicionado a volume constante a partir de uma fonte externa enquanto o pistão está no ponto morto superior Ciclo de ArPadrão Otto 6 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Processo 34 expansão isentrópica curso de potência Ciclo de ArPadrão Otto 7 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Processo 41 transferência de calor calor rejeitado pelo ar a volume constante enquanto o pistão está no ponto morto inferior Ciclo de ArPadrão Otto 8 24072023 Aula 4 Ciclo Otto REVISÃO Gases Ideais pv 𝑹𝑻 pV 𝒎𝑹𝑻 𝒖𝑻𝟐 𝒖𝑻𝟏 න 𝑻𝟏 𝑻𝟐 𝒄𝒗 𝑻𝒅𝑻 𝒉𝑻𝟐 𝒉𝑻𝟏 න 𝑻𝟏 𝑻𝟐 𝒄𝒑 𝑻𝒅𝑻 h𝑻𝟐 𝒉𝑻𝟏 𝒄𝒑𝑻𝟐𝑻𝟏 𝒖𝑻𝟐 𝒖𝑻𝟏 𝒄𝒗𝑻𝟐𝑻𝟏 Equações de Estado Variação em u e h Ciclo de ArPadrão Otto 9 24072023 Aula 4 Ciclo Otto REVISÃO Gases Ideais 𝑻𝟐 𝑻𝟏 𝒔𝒄𝒕𝒆 𝒗𝟏 𝒗𝟐 𝒌𝟏 𝑻𝟐 𝑻𝟏 𝒔𝒄𝒕𝒆 𝒑𝟐 𝒑𝟏 𝒌𝟏 𝒌 𝒑𝟐 𝒑𝟏 𝒔𝒄𝒕𝒆 𝒗𝟏 𝒗𝟐 𝒌 Sendo que 𝑹 𝒄𝒑 𝒄𝒗 𝒌 𝒄𝒑 𝒄𝒗 𝑹𝒄𝒗 𝒌 𝟏 Para processos isoentrópicos e cv e cp constantes Tabela A20 𝒗𝟐 𝒗𝟏 𝒔𝒄𝒕𝒆 𝒗𝒓𝟐 𝒗𝒓𝟏 𝒑𝟐 𝒑𝟏 𝒔𝒄𝒕𝒆 𝒑𝒓𝟐 𝒑𝒓𝟏 Para processos isoentrópicos e cv e cp variáveis apenas para o ar Ciclo de ArPadrão Otto Análise do Ciclo 10 24072023 Aula 4 Ciclo Otto O ciclo de arpadrão Otto consiste de dois processos nos quais há trabalho mas não há transferência de calor e de dois processos nos quais há transferência de calor mas não há trabalho Ciclo de ArPadrão Otto Análise do Ciclo 11 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Assim aplicando um balanço de energia a um sistema fechado com variações de energia cinética e potencial desprezíveis temse valores positivos 𝑾𝟏𝟐 𝒎 𝒖𝟐 𝒖𝟏 𝑸𝟐𝟑 𝒎 𝒖𝟑 𝒖𝟐 𝑾𝟑𝟒 𝒎 𝒖𝟑 𝒖𝟒 𝑸𝟒𝟏 𝒎 𝒖𝟒 𝒖𝟏 Ciclo de ArPadrão Otto Análise do Ciclo 12 24072023 Aula 4 Ciclo Otto O trabalho líquido do ciclo expresso por 𝑾𝒄𝒊𝒄𝒍𝒐 𝒎 𝑾𝟑𝟒 𝒎 𝑾𝟏𝟐 𝒎 𝒖𝟑 𝒖𝟒 𝒖𝟐 𝒖𝟏 𝑾𝒄𝒊𝒄𝒍𝒐 𝒎 𝑸𝟐𝟑 𝒎 𝑸𝟒𝟏 𝒎 𝒖𝟑 𝒖𝟐 𝒖𝟒 𝒖𝟏 Ciclo de ArPadrão Otto Análise do Ciclo 13 24072023 Aula 4 Ciclo Otto A eficiência térmica é a razão entre o trabalho líquido do ciclo e o calor adicionado 𝜼 𝒖𝟑 𝒖𝟐 𝒖𝟒 𝒖𝟏 𝒖𝟑 𝒖𝟐 𝜼 𝟏 𝒖𝟒 𝒖𝟏 𝒖𝟑 𝒖𝟐 Ciclo de ArPadrão Otto Análise do Ciclo 14 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Para os processos isoentrópicos 12 e 3 4 do ciclo as relações fornecidas a seguir também são importantes 𝒗𝒓𝟐 𝒗𝒓𝟏 𝑽𝟐 𝑽𝟏 𝒗𝒓𝟏 𝒓 𝒗𝒓𝟒 𝒗𝒓𝟑 𝑽𝟒 𝑽𝟑 𝒓𝒗𝒓𝟑 Ciclo de ArPadrão Otto Análise do Ciclo 15 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Quando o ciclo Otto é analisado em uma base de arpadrão frio calor específico constante as seguintes relações podem ser usadas para os processos isoentrópicos 12 e 34 𝑻𝟐 𝑻𝟏 𝑽𝟏 𝑽𝟐 𝒌𝟏 𝒓𝒌𝟏 𝑻𝟒 𝑻𝟑 𝑽𝟑 𝑽𝟒 𝒌𝟏 𝟏 𝒓𝒌𝟏 𝒌 𝒄𝒑𝒄𝒗 Ciclo de ArPadrão Otto Efeito da taxa de compressão 16 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Voltando ao diagrama Ts do ciclo observasse que a eficiência do ciclo Otto aumenta de acordo com o aumento da taxa de compressão ciclo 12341 muda para 12341 Uma vez que a temperatura média de fornecimento de calor é maior no último ciclo mantendo o mesmo processo de rejeição de calor concluise que o ciclo 12 341 tem maior eficiência térmica Ciclo de ArPadrão Otto Efeito da taxa de compressão 17 24072023 Aula 4 Ciclo Otto 𝜼 𝟏 𝒄𝒗 𝑻𝟒 𝑻𝟏 𝒄𝒗 𝑻𝟑 𝑻𝟐 𝜼 𝟏 𝑻𝟏 𝑻𝟒𝑻𝟏 𝟏 𝑻𝟐 𝑻𝟑𝑻𝟐 𝟏 Numa base de arpadrão frio eficiência térmica pode ser relacionada à taxa de compressão de seguinte maneira 𝜼 𝟏 𝑻𝟏 𝑻𝟐 𝑻𝟒 𝑻𝟏 𝑻𝟑 𝑻𝟐 𝜼 𝟏 𝟏 𝒓𝒌𝟏 Ciclo de ArPadrão Otto Efeito da taxa de compressão 18 24072023 Aula 4 Ciclo Otto 𝜼 𝟏 𝟏 𝒓𝒌𝟏 k14 Ciclo de ArPadrão Otto 19 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto 1 Um ciclo Otto ideal tem razão de compressão 8 No início da compressão o ar está a 100 kPa e 17C e 800 kJkg de calor são transferidos ao ar a volume constante Considerando a variação dos calores específicos com a temperatura calcule a Tmax e pmaxno ciclo b wnet c ηth d PME 20 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto 21 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto Estado 1 Estado 2 22 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto 23 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto Estado 3 24 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto 25 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto Estado 4 26 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto 27 24072023 Aula 4 Ciclo Otto Ciclo de ArPadrão Otto 2 A razão de compressão de motor ciclo Otto é de 95 O ar é admitido a 100kPa 17C e 600 cm3 O processo no final da expansão isentrópica é de 800K Utilizando os calores específicos a temperatura ambiente determine a a maior temperatura e pressão no ciclo b a quantidade de calor transferido c a eficiência térmica e d a pressão média efetiva 28 24072023 Aula 4 Ciclo Otto MORAN Michael J SHAPIRO Howard N Princípios de termodinâmica para engenharia 4ed Rio de Janeiro Livros Técnicos e Científicos 2008 681 p ISBN 9788521613404 ÇENGEL Y A e Boles M A 2013 Termodinâmica Editora McGraw Hill 7ª edição UFSC Polo Laboratórios de Pesquisa em Refrigeração e Termofísica Referências