Aula 5 - Ciclo Diesel

Aula 5 CICLO DIESEL 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 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Introdução 1897 RUDOLF DIESEL patenteou um motor à combustão de elevada eficiência um motor movido a óleo de amendoim cuja tecnologia leva seu nome até hoje 3 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Ciclo de ArPadrão Diesel O ciclo de arpadrão Diesel é um ciclo ideal que considera que a adição de calor ocorre durante um processo a pressão constante que se inicia com o pistão no ponto morto superior Foi visto na aula anterior que o ciclo de arpadrão Otto é um ciclo ideal que considera que a adição de calor ocorre enquanto o pistão se encontra no ponto morto superior ie a volume constante 4 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Ciclo de ArPadrão Diesel Processo 12 compressão isentrópica conforme o pistão se move do ponto morto inferior para o ponto morto superior 5 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Ciclo de ArPadrão Diesel Processo 23 transferência de calor calor adicionado a pressão constante Este constitui a primeira parte do curso de potência 6 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Ciclo de ArPadrão Diesel Processo 34 expansão isentrópica segunda parte do curso de potência 7 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Ciclo de ArPadrão Diesel Processo 41 transferência de calor calor rejeitado pelo ar a volume constante enquanto o pistão está no ponto morto inferior 8 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Ciclo de ArPadrão Diesel Como os processos são internamente reversíveis as áreas nos diagramas pv e Ts representam o trabalho e o calor envolvidos respectivamente 9 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Ciclo de ArPadrão Diesel 10 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Ciclo de ArPadrão Diesel 11 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Ciclo de ArPadrão Diesel 𝜼 𝟏 𝟏 𝒓𝒌𝟏 𝒓𝒄𝒌 𝟏 𝒌 𝒓𝒄 𝟏 Assim como no ciclo Otto a eficiência térmica do ciclo Diesel aumenta com o aumento da taxa de compressão Na base de arpadrão frio a eficiência térmica pode ser expressa como 12 26072023 Aula 5 Ciclo Diesel Exercício 1 Um ciclo Diesel com uma razão de compressão de 18 opera com ar aspirado com uma pressão de 200 kPa e uma temperatura de 20C Se a temperatura máxima for limitada para 2200 K determine a eficiência térmica e PME Calcule também a eficiência de um ciclo Otto operando com a mesma razão de compressão 2 Um ciclo Diesel ideal tem uma razão de compressão de 20 e uma razão de corte de 13 Determine a temperatura máxima do ar e a taxa de fornecimento de calor para esse ciclo quando se produz 250 kW de potência e o estado do ar no início da compressão é de 90 kPa e 15 C Considere calores específicos constantes à temperatura ambiente 13 26072023 Aula 8 Ciclo Dual Ciclo Dual A maior eficiência e os menores custos de combustível dos motores a diesel os tornam atraentes para aplicações que exigem quantidades relativamente grandes de potência como os motores de locomotivas as unidades de emergência para geração de potência os grandes navios e os caminhões pesados Como exemplo do tamanho que esses motores podem atingir um motor a diesel de 12 cilindros construído em 1964 pela Fiat da Itália apresentou uma produção de potência de 25200 hp 188 MW a 122 rpm com diâmetro dos cilindros de 90 cm e curso dos pistões de 91 cm Em modernos motores de ignição por compressão de alta velocidade o combustível é injetado na câmara de combustão muito mais cedo em comparação com os motores diesel O combustível começa a inflamar no final do curso da compressão e consequentemente parte da combustão ocorre quase a volume constante A injeção de combustível continua até que o pistão atinge o ponto morto superior e a combustão do combustível se mantém a uma alta pressão bem no curso da expansão Assim o processo de combustão pode ser melhor modelado como uma combinação de dois processos um a volume constante e outro a pressão constante O ciclo ideal baseado neste conceito é chamado de Ciclo Dual 14 26072023 Aula 8 Ciclo Dual Ciclo Dual Características do Ciclo Dual 12 compressão adiabática reversível por tanto isentrópica 2X a volume constante combustão X3 a pressão constante com admissão de calorcombustão 34 expansão adiabática reversível por tanto isentrópica 41 a volume constante exaustão Na realidade a maioria dos motores opera de fato num ciclo mais próximo do dual os ciclos Otto e Diesel são aproximações às quais se assemelham um ou outro tipo de motor 15 26072023 Aula 8 Ciclo Dual Exercícios 1 Um ciclo duplo padrão a ar tem uma razão de compressão de 14 e uma razão de corte de 12 A razão de pressão durante o processo de fornecimento de calor a um volume constante é de 15 Determine a eficiência térmica a quantidade de calor fornecido a máxima pressão e temperatura do gás quando esse ciclo é operado a 80 kPa e 20 C no início da compressão Considere calores específicos constantes à temperatura ambiente 1 1 1 RT v P 3 1 0287 293 80 kPA m kg K K v kPa 3 1 1051 v m kg O volume específico do ar no início da compressão é 16 26072023 Aula 8 Ciclo Dual Exercícios E o volume específico no final da compressão é 1 2 v v r 3 2 1051 14 m kg v 3 2 007508 v m kg A pressão no final da compressão é 1 2 1 1 2 k k v P P Pr v 14 2 80 14 P kPa 2 3219 P kPa E máxima pressão 3 2 x p P P r P 3 153219 xP P 3 4829 xP P kPa 1 1 1 2 1 1 2 k k v T T T r v A temperatura no final da compressão é 04 2 T 293 14 2 842 T K 17 26072023 Aula 8 Ciclo Dual Exercícios 3 2 2 x P T T P 4829 842 3219 x kPa T kPa 1263 xT K A partir da definição da razão de corte 3 c x v r v 3 3 12007508m kg v 3 3 009010 v m kg As temperaturas de estado restantes são então 1 3 4 3 4 k v T T v 3 3 x x v T T v 3 1263 009010 1516 007508 T K 14 1 4 1516 009010 5675 1051 T K 18 26072023 Aula 8 Ciclo Dual Exercícios 2 3 ent v x p x q c T T c T T A aplicação da primeira lei e expressão de trabalho aos processos de adição de calor dá 0718 1263 842K 1005 1516 1263K qent kJ kg K kJ kg K 5565 qent kJ kg O calor rejeitado é 4 1 sai v q c T T 0718 5675 293K qsai kJ kg K 1971 Kg qsai kJ Eficiência 1 sai th ent q q 1971 1 5565 th kJ kg kJ kg 0646 th 19 26072023 Aula 8 Ciclo Dual Exercícios de Revisão 2 Repita o Prob 1 considerando que no início da compressão o ar está a 95 kPa e 20 C