Aula 6: Análise dos Ciclos de Motores

Aula 6 ANÁLISE DOS CICLOS DE MOTORES 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 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MOTORES Processos de um motor de combustão interna Ciclo Padrão a Ar Hipóteses Análise do desempenho do modelo relativamente simples Análise do Desempenho Cálculo da eficiência Parâmetros que influem 3 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DO CICLO A AR RESULTADOS OBTIDOS 1 Correspondência entre tipos de motores de combustão interna e ciclos teóricos 2 Para o ciclo Otto a eficiência térmica só depende da razão de compressão quanto maior a razão maior é a eficiência 3 Para o ciclo Diesel a eficiência térmica depende da razão de compressão e do calor admitido quanto maior o calor admitido menor é a eficiência 4 Para o ciclo dual a eficiência térmica depende da razão de compressão e do calor total admitido 4 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DO CICLO A AR RESULTADOS OBTIDOS 1 Para mesmas condições iniciais mesma razão de compressão e mesmo calor admitido o ciclo Otto é mais eficiente 2 Para mesmas condições iniciais mesma pressão máxima e mesmo calor admitido o ciclo Diesel é mais eficiente 3 Para as duas comparações acima o ciclo dual tem eficiência térmica intermediária entre o Diesel e o Otto 4 Os ciclos de motor diesel de aspiração natural e turbocarregado têm a mesma eficiência para mesma razão de compressão e mesmo calor admitido por unidade de massa se as temperaturas iniciais são as mesmas 5 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DO CICLO A AR LIMITAÇÕES DOS RESULTADOS 1 As hipóteses adotadas para o estudo do ciclo a ar tornam o modelo muito simples e os valores de eficiência térmica estão bem acima das eficiências dos motores correspondentes ciclos reais 2 O fluido é tratado com gás perfeito e os calores específicos são considerados constantes com a temperatura Mas para os gases reais esta hipótese só é válida para baixas pressões 3 Para os processos que ocorrem em motores particularmente ao final da compressão as pressões são elevadas e os calores específicos aumentam com a temperatura 4 Quando se elimina esta hipótese as temperaturas e pressões no ciclo ficam mais baixas diminuindo a eficiência térmica do ciclo 6 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DO CICLO A AR LIMITAÇÕES DOS RESULTADOS 1 Conceitos básicos CP CV R k CP CV 2 Consequência Quando a temperatura aumenta se CP e CV aumentam para uma mesma quantidade de calor admitido temse uma menor elevação temperatura ΔT Qad M CV adição de calor a volume constante ΔT Qad M CP adição de calor a pressão constante 3 Quando se elimina esta hipótese as temperaturas e pressões no ciclo ficam mais baixas diminuindo a eficiência térmica do ciclo 7 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores EFEITO DE CALOR ESPECÍFICO VARIÁVEL Comparação entre dois ciclos com mesma razão de compressão e mesmo calor admitido Ciclo 1 Ciclo Otto com calor específico constante com a temperatura Ciclo 2 Ciclo Otto com calor específico variável com a temperatura Ao final do processo de compressão ocorre um desvio do ciclo 2 em relação ao ciclo 1 porque k diminui com a temperatura O desvio é acentuado no processo de adição de calor Como resultado o trabalho líquido do ciclo 2 é menor que o do ciclo 1 Como o calor admitido é o mesmo a eficiência térmica é menor 8 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MOTORES PRIMEIRO MODELO SEGUNDO MODELO CICLO A AR BEM SIMPLIFICADO FÁCIL TRATAMENTO REPRESENTAÇÃO NOS DIAGRAMAS pV e Ts ALTAS EFICIÊNCIAS CICLO IDEAL COMBUSTÍVEL AR MAIS PRÓXIMO DO REAL TRATAMENTO MAIS DIFÍCIL REPRESENTAÇÃO NO DIAGRAMA Pv EFICIÊNCIAS MAIS BAIXAS 9 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores CICLO IDEAL COMBUSTÍVEL AR 1 São considerados os processos de admissão e descarga do fluido de trabalho como acontecem nos motores existe distinção entre esses processos para motores de 4 tempos e de dois tempos 2 O fluido não é tratado como gás perfeito assim e os calores específicos são considerados variáveis com a temperatura 3 O processo de adição de calor é substituído por um processo de combustão Neste caso o correspondente à quantidade de calor admitido é a energia química do combustível 4 A energia química do combustível só é convertida totalmente em energia interna dos produtos de combustão quando a reação de combustão é completa 5 Como regra geral em motores de combustão interna a combustão não é completa DIFERENÇAS EM RELAÇÃO AO CICLO A AR 10 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores CICLO IDEAL COMBUSTÍVEL AR HIPÓTESES PARA O TRATAMENTO DO CICLO a Não há mudança química do combustível ou ar antes da combustão b Existe sempre equilíbrio químico depois do processo de combustão c Todos os processos são adiabáticos não havendo assim fluxo de calor através das paredes do cilindro d As velocidades do fluido são desprezíveis 11 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MOTORES HIPÓTESES PARA O TRATAMENTO DO CICLO Para CICLOS DE 4 TEMPOS e As válvulas abrem e fecham nas posições de ponto morto não havendo restrição ao escoamento f No ha variação de volume no cilindro enquanto a diferença de pressão através de uma válvula aberta não cair até zero 12 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MOTORES CICLO OTTO DE 4 TEMPOS CICLO IDEAL COMBUSTÍVEL AR TRATAMENTO DE UM EXEMPLO A Processos do Ciclo Admissão a pressão constante0 1 Entra mistura arcombustível no cilindro no início existe no cilindro gases residuais Compressão isentrópica1 2 O fluido contido no cilindro é comprimido pelo movimento do pistão Combustão a volume constante 2 3 só participa do processo a mistura arcombustível 13 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MOTORES CICLO OTTO DE 4 TEMPOS CICLO IDEAL COMBUSTÍVEL AR TRATAMENTO DE UM EXEMPLO A Processos do Ciclo Expansão isentrópica 3 4 O fluido expande realizando trabalho sobre o pistão durante a expansão existe alteração da composição do fluido Alívio 4 6 Com a abertura da válvula de descarga uma parcela do fluido sai do cilindro a parcela que permanece no cilindro se expande e passa a ocupar todo o volume Descarga a pressão constante 6 7 O pistão de desloca descarregando os gases uma fração permanece no cilindro 14 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MOTORES CARACTERÍSTICAS DO CICLO CICLO IDEAL COMBUSTÍVEL AR 1 VARIAÇÃO DA QUANTIDADE DE FLUIDO AO LONGO DO CICLO mgr massa de gases residuais no início do ciclo mt massa total do ponto 1 até o ponto 4 mr massa remanescente no cilindro depois do alívio 2 VARIAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DO FLUIDO AO LONGO DO CICLO gases residuais produtos de combustão totalmente oxidados no início gases residuais mistura arcombustível do ponto 1 até ponto 2 produtos de combustão parte totalmente oxidado e parte parcialmente oxidado no ponto 3 produtos de combustão totalmente oxidados do ponto 4 até ponto 7 3 REPRESENTAÇÃO APENAS NO DIAGRAMA pV 15 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MOTORES PARÂMETROS DO CICLO CICLO IDEAL COMBUSTÍVEL AR 1 TRABALHO LÍQUIDO Considera apenas os processos de expansão e compressão Wliq 3W4 1W2 2 EFICIÊNCIA TÉRMICA ηt Trabalho Liquido Energia Introduzida em que energia introduzida é tomada como sendo o poder calorifico do combustível nas condições de admissão 3 RAZÃO COMBUSTÍVEL AR F massa de combustível massa de ar Tem efeito direto sobre a eficiência do cicl 4 FRAÇÃO DE GASES RESIDUAIS f mgr mt V7 V5 V2 V5 16 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores ANÁLISE DE DESEMPENHO DE MOTORES CICLO IDEAL COMBUSTÍVEL AR PORQUE A EFICIÊNCIA DO CICLO IDEAL AR COMBUSTÍVEL É MENOR QUE A DO CICLO A AR 1 EFEITO DE CALOR ESPECÍFICO VARIÁVEL Com mesmo calor admitido há menor aumento de temperatura e pressão no cilindro 2 EFEITO DO EQUILÍBRIO QUÍMICO A energia química do combustível que é a energia introduzida no ciclo só é totalmente transformada em energia interna com reflexo em aumento de temperatura e pressão no ciclo quando a combustão é completa Para uma determinada temperatura dos produtos de combustão as leis do equilíbrio químico determinam a porcentagem de produtos parcialmente oxidados Para misturas próximas da estequiométrica a combustão é sempre parcial 17 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores COMPARAÇÃO Ciclo Real CICLO IDEAL COMBUSTÍVEL AR Diferenças Análise de Diferenças Análise de Desempenho Desempenho Eficiência Térmica ηt Δηt 18 02082023 Aula 6 Análise dos Ciclos de Motores CICLOS REAIS CICLO OTTO ANÁLISE DE DESVIOS 1 PERDAS TÉRMICAS 2 PERDAS DEVIDAS AO TEMPO 3PERDAS NA DESCARGA