View
104
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
PRP28:TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA APLICADA
Análise de Ciclo
Março 5, 2013
Departamento de Propulsão
Cristiane Aparecida Martins
2
INTRODUÇÃO A ANÁLISE DE CICLOS• Análise de Ciclos → O que determina as características do motor?
• Análise de ciclo é o estudo termodinâmico do comportamento do ar quando este flui através de um motor sem considerar os meios mecânicos usados que afetam seu movimento
• Caracterizam os componentes pelo efeito que produzem
• Comportamento de um motor real é determinado pela geometria
– Análise de ciclo representa um motor ideal
• Principal propósito é determinar quais carcaterísticas escolher para os componentes de um motor para melhor satisfazer determinada aplicação
– Expressar T, , Isp, TSFC como função de parãmetros de projeto
• Motores tipo turbina operam no ciclo Brayton
3
MÁQUINA TÉRMICA: CADEIA PROPULSIVA
EnergiaQuímica
Calor(EnergiaTérmica)
Potência Mecânica
Mecânica para
Fluxo
Empuxo
A eficiência global para a cadeia propulsiva é dada:
Combustão Térmica Propulsiva
Empuxo = F
voode Velocidade o
u
A Jet para J/kg 710 x 4.3 =) reação de (taxa combustão deCalor comb
h
lcombustíve de mássico Fluxo f
m
comb
0= global
ηh
fm
FU
utilizada química energia de taxa
Empuxo
pagamos Quanto
queremos que O
propulsivamecânicatérmicacombustãoglobal ηηηηη
Mecânica
4
5
6
7
EFICIÊNCIAS
• Eficiências
• Eficiência Global, global, overall
• Eficiência Térmica (Ciclo), térmica, thermal
• Eficiência Propulsiva, propulsiva, propulsive
– Impulso Específico, Isp [s]
– Consumo de Combustível Específico, (Thrust) Specific Fuel Consumption, (T)SFC [lbm/hr lbf] or [kg/s N]
• Implicações da Eficiência Propulsiva no Projeto do Motor
• Tendências na Eficiência Térmica e Propulsiva
8
9
10
11
Representação esquemática – turbinas a gás aplicadas a aeronaves
12
CONCEITOS/ FERRAMENTAS PARA ANÁLISE DO CICLO MOTOR IDEAL
• Equação de estado gás ideal, p = RT
• Gá dinâmica unidimensional
• Conceito de quantidades de estagnação e estáticas (temperatura, pressão, etc.)
– Relação entre Mach e propriedades termodinâmicas
• Thermodinâmica do ciclo propulsivo
– Uso da1a e 2a Leis da Termodinâmica
• Comportamento de quantidades úteis: energia, entropia, entalpia
• Relação entre propriedades termodinâmicas em um processo reversível (“sem perdas”)
– Isentrópico = reversível + adiabático
• Propriedades dos ciclos (isto é ciclicas)
– Ar parte a P e T ambiente e finaliza as mesmas T e P ambiente
– Definição de Ciclos ‘Aberto’ vs. ‘Fechado’
13
DEFINIÇÃO QUANTIDADES DE ESTAGNAÇÃO• Quantidades utilizadas na descrição de desempenho de motor são pressão, entalpia
e temperatura de estagnação
• Entalpia de estagnação, ht , entalpia se o fluxo é desacelerado adiabaticamente até velocidade nula
22
11ou
2
2
2
11
2
1
)2(
21
2
2
2
2
MTt
T
a
u
Tt
T
RTa
RC
TC
u
Tt
T
C
uT
tT
TCh
uh
th
p
p
p
p
Gás ideal
Temperatura de estagnação
Velocidade do somRazão entre temperatura total e temperatura estáticaem termos de número de Mach
14
REVERSÍVEL + ADIABATICO = PROCESSO ISENTRÓPICO
e velocidadbaixa de fluxo para " Bernouli de Equação"
22
1
obter para binomial teoremao usando expande ,12For
12
2
11
zero) e velocidadaté amenteisentropic dodesacelera é fluxo o se pressão a é (
estagnação de pressão a define 1
constante)1/(
que fica usando
constante
uPP
M
MP
P
P
T
T
P
P
T
PRTP
P
t
t
t
tt
15
16
RECAP NA TERMODINÂMICA: 1a LEI
Primeira Lei (conservação de energia) para um sistema:
E0 = Q - W
Variação na energia global (E0 ) = Calor que entra – Trabalho realizado
E0 = Energia térmica + energia cinética ...
Neglenciando variações de energia cinética e potencial
E = Q - W ; (Variação na energia térmica)
Por unidade de massa, a 1a Lei fica:
e = q - w
17
RECAP NA TERMODINAMICA: 2a LEI
A segunda lei define entropia, s,:
T
dqds reversível
Onde dqreversivel é o incremento de calor recebido em um processo reversível entre dois estados
A segunda lei também declara que para qualquer processo a soma das variações de entropia para o sistema mais as vizinhanças é igual ou maior do queZero.
0svizinhançasistema ss
Igualdade somente existe em um processo reversível (ideal)
18
REPRESENTANDO MOTORES EM COORDENADAS TERMODINÂMICAS
1a Lei: E = Q - W, onde E é a energia total da parcela do ar.
Para um processo cíclico E é zero (volta ao estado inicial)Assim: Q (líquido entrada) = W (líquido realizado)
Preciso de um diagrama o qual represente entrada ou saída de calor.Uma forma é fornecida pela Segunda Lei
Tdsreversível
dq
onde ds é a variação de entropia de uma unidade de massa edq é a entrada de calor por unidade de massa
Assim, uma variável deveria ser a entropia , s
19
EQUAÇÃO DE ENERGIA PARA FLUXO PERMANENTE (I)
Trabalho de eixo
Calor que entra
Fluxo de Massa
Dispositivo
1 2
eixo12 wqhh tt
q calor de entrada/unidade massa weixo é trabalho de eixo / unidade massa
Para qualquer dispositivo em regime permanente
definida) (já estagnação de entalpia a é 2/ quantidadeA
eixo pelo realizado trabalhode taxa-entra quecalor de Taxa = 2
eixo12
uhh
WQhhm
t
tt
Por unidade de fluxo mássico:
20
EQUAÇÃO DE ENERGIA PARA FLUXO PERMANENTE (II)
• A forma da equação de energia para fluxo permanente mmostra que entalpia, h:
h = e + pv = e + p/
• Variável natural para uso em fluido no processo transferência fluxo-energia
• Para um gás ideal com calor específico constante, dh = cpdT.
• Variações na entalpia são equivalentes a variações na temperatura.
• Resumindo, as variáveis úteis naturais na representação de um processo de turbina a gás são h,s (ou T, s).
• Representa thermodinâmicamente o ciclo (Brayton) para turbina a gás em diagrama T,s
21
MODELO TERMODINÂMICO: CICLO BRAYTON
22
COMPONENTES DA TURBINA A GÁS
• Entrada: Desacelera (difusor), o fluxo para o compressor
• Fan/Compressor: (generalmente 2, ou 3, compressores em série) realiza o trabalho no ar e aumenta sua temperatura e pressão de estagnação
• Combustor: Calor é adicionado para o ar a Pressão Constante
• Turbina: (generalmente 2 ou 3 turbinas em série) extraí trabalho do ar para comandar o compressor e/ou para gerar potência
• Afterburner (Pós-queimador): (motores militares) adiciona calor a P cte
• Nozzle (Tubeira): Aumenta a velocidade do fluxo mássico
• Gases de exaustão rejeitam calor para a atmosfera a pressão constante
23
24
Pressão estática aumenta
25
Pressão estática diminui
26
CARACTERÍSTICAS TERMODINÂMICAS DOS COMPONENTES (COMPONENTES IDEIAS)
0 = Δs calor, de trocasem nulo, eixo de trabalho: Exaustão de Tubeira
perdas sem ,adiabatico 0Δs
, turbinada trabalhode saída 0,>eixo
w wΔh :Turbina
calor) de (entrada qΔh :rafterburne eCombustor
perdas sem ,adiabatico 0Δs
,compressor o para trabalhode entrada 0, wwΔh:Compressor
0Δh :Entrada
eixot
int
eixo eixot
t
27
THERMODYNAMIC MODELO TERMODINÂMICO DE TURBINA A GÁS [Cravalho and Smith]
28
ESQUEMA DAS CONDIÇÕES ATRAVÉS DE UMA TURBINA A GÁS [Rolls-Royce]
29
30
PRESSÕES E TEMPERATURAS NOMINAIS PARA PW4000 TURBOFAN [Pratt&Whitney]
31
REVISÃO DA LOCALIZAÇÃO DAS ESTAÇÕES
32
COMBUSTOR LOCAL
MilitarF119-100
CommercialPW4000
Combustor
Afterburner
33
COMPRIMENTO EELATIVO DO AFTERBURNER
• Porque AB (AfterBurner) é muito mais longo do que combustor primário?
– Pressão é tão baixa em AB que eles precisam ser muito mais longo ( mais pesados)
– Taxa de reação ~ pn (n~2 para taxa de colisão de gases misturados)
J79 (F4, F104, B58)
Combustor Afterburner
Recommended