Sistemas de Potencia

UTFPR Termodinmica 2

Sistemas de Potncia a Gs

Princpios de Termodinmica para Engenharia Captulo 9

SISTEMAS DE POTNCIA A GS

Objetivos

Estudar sistemas de potncia que utilizam fludos de trabalho que so sempre um gs;

Anlise de motores de combusto interna e instalaes de potncia movidas a turbinas a gs;


Gs X VaporVapor: matria no estado gasoso, capaz de existir em equilbrio com o lquido ou com o slido correspondente, podendo sofrer liquefao pelo simples abaixamento de temperatura ou aumento da presso.

Gs: Fluido, elstico, impossvel de ser liqefeito s por um aumento de presso ou s por uma diminuio de temperatura.


Tipos de Ignio

Ignio por centelha: uma mistura de combustvel e ar incendiada por uma vela, so relativamente leves e baixo custo;

Ignio por compresso: o ar comprimido at uma presso e temperaturas elevadas o suficiente para ocorrer combusto espontnea na injeo do combustvel.


Terminologia de MotoresTaxa de compresso:Presso Mdia Efetiva:


Motor de Combusto Interna de Quatro Tempos


Simplificaes para Ciclos IdeaisAnlise de Ar-padro:Uma quantidade fixa de ar modelado com gs ideal o fludo de trabalho;O processo de combusto substitudo por uma transferncia de calor de uma fonte externa;Os processos de exausto e admisso so substitudos por um processo de perda de calor a volume constante;Todos os processos so internamente reversveis;Calores especficos so constantes nos seus valores para temperatura ambiente.


Ciclo de Ar-Padro Otto1-2: Compresso adiabtica reversvel (isoentrpico);2-3: Fornecimento de calor a volume constante;3-4: Expanso adiabtica reversvel (isoentrpico);4-1: Perda de calor a volume constante.

1-2: Compresso adiabtica reversvel (isoentrpico);2-3: Fornecimento de calor a volume constante;3-4: Expanso adiabtica reversvel (isoentrpico);4-1: Perda de calor a volume constante.


Grficos p-v e T-sTrabalho realizadopelo sistemaTrabalho fornecidopara o sistemaTrabalho Lquido ObtidoCalor fornecidoCalor rejeitadoCalor Lquido Absorvido


Anlise Energtica do Ciclo OttoProcesso 1-2:

Processo 3-4:

Processo 4-1:Processo 2-3:


Eficincia Trmica do Ciclo Otto


O Problema da Auto-ignioOcorre se a temperatura da mistura no-queimada torna-se muito alta antes de a mistura ser queimada;Gera uma onda de alta presso, que leva a perda de potncia, bem como dano ao motor;Pode ser evitado com a utilizao de combustvel com alta octanagem (resistncia detonao).Taxa de compresso tpica entre 12 e 20.


Ciclo de Ar-Padro Diesel1-2: Compresso adiabtica reversvel (isoentrpico);2-3: Fornecimento de calor a presso constante;3-4: Expanso adiabtica reversvel (isoentrpico);4-1: Perda de calor a volume constante.


Grficos P-v e T-sTrabalho Lquido ObtidoCalor Lquido Absorvido


Anlise Energtica do Ciclo DieselProcesso 1-2:Processo 3-4:

Processo 2-3:

Processo 4-1:


Eficincia Trmica do Ciclo DieselRazo de Corte


Problemas no Ciclo DieselDevido a falta de qualidade do leo, pode permanecer combustvel na cmara sem queimar na hora certa;Quando queimado, essa sobra gera uma quantidade de energia superior quela necessria;Isso fora o pisto a descer com velocidade superior, causando danos mecnicos e perda de potncia;Pode-se evitar com a utilizao de combustvel com alta cetanagem (facilidade detonao).


Comparao entre Ciclos Otto e DieselTaxa de compresso constante:Temperatura mxima constante:Constante


Ciclo de Ar-Padro DualOs motores de combusto interna reais no so bem descritos pelos ciclos Otto e Diesel;

O ciclo de Ar-Padro Dual melhor aproxima o ciclo real;

O Ciclo Dual uma fuso dos ciclos Otto e Diesel;


Ciclo de Ar-Padro Dual1-2: Compresso adiabtica reversvel (isoentrpico);2-3: Fornecimento de calor a volume constante;3-4: Fornecimento de calor a presso constante;4-5: Expanso adiabtica reversvel (isoentrpico);5-1: Perda de calor a volume constante.


Grficos P-v e T-sTrabalho lquido obtidoCalor lquido fornecido


Anlise Energtica do Ciclo DualProcesso 1-2:Processo 4-5:

Processo 3-4:

Processo 5-1:Processo 2-3:


Eficincia Trmica do Ciclo Dual


Instalaes de Potncia com Turbinas a Gs

Possuem uma relao potncia de sada/peso maior que em outras instalaes de potncia;

So usadas em aplicaes de propulso de aeronaves, instalaes martimas, entra outras;

A anlise de Ar-Padro aplicvel, ou seja, considera-se o fludo de trabalho o ar como gs ideal e substitui-se a combusto por uma troca de calor.


Turbinas a Gs Simples Ciclo Brayton(a) Aberta para a atmosfera(b) Fechada


Grficos P-v e T-sTrabalho lquido obtidoCalor lquido fornecido


Anlise Energtica do Ciclo BraytonPotncia Consumida no CompressorRazo de Trabalho ReversoCalor que Adicionado no CicloPotncia Produzida na TurbinaCalor que Rejeitado pelo Ciclo


Eficincia Trmica do Ciclo BraytonRazo de Compresso


Limitao na Razo de CompressoA temperatura mxima permissvel na entrada da turbina limitada por questes metalrgicas;

Precisa-se encontrar uma razo de compresso que otimize a eficincia.


Irreversibilidades e PerdasAs irreversibilidades nos compressor e na turbina no podem ser desprezadas e devem ser levadas em conta atravs de eficincias isoentrpicas;

Atualmente com o desenvolvimento de tecnologias as eficincias de turbinas e compressores esto na faixa de 0,75 a 0,95.


Irreversibilidades no Grfico T-s (a) Realstica(b) Simplificada


Eficincias IsoentrpicasEficincia Isoentrpica da TurbinaEficincia Isoentrpica do Compressor


Turbinas a Gs RegenerativasO gs de escape da turbina possui um potencial para uso;

Essa exergia pode ser utilizada por um regenerador que pr-aquece o gs antes de entrar no combustor;

Com isso diminui-se a quantidade de calor a ser fornecida na cmara de combusto.


Ciclo de Brayton RegenerativoNova quantidade de calor fornecida :


Efetividade do Regenerador(a) Real(b) Reversvel


Eficincia RegenerativaEfetividade do RegeneradorEfetividades Tpicas


Turbinas a Gs ModificadasPara aumentar o trabalho lquido produzido pode ser utilizado:

Expanso em mltiplos estgios com reaquecimento;

Compresso em mltiplos estgios com inter-resfriamento.


Turbina a Gs com Reaquecimento


Turbina a Gs com Reaquecimento

Vantagem: Potncia maior com a mesma vazo de ar;

Desvantagem: H uma queima a mais, logo gasta-se mais combustvel;


Compresso com Inter-Resfriamento


Compresso com Inter-ResfriamentoAumenta-se o trabalho lquido produzido atravs da reduo do trabalho de compresso (rea destacada);A presso em que ser realizado o inter-resfriamento, deve ser tal que otimize o ganho de potncia.


Reaquecimento e Inter-resfriamento


Grfico T-s


Ciclo EricssonConsiderando uma situao onde o nmero de estgios de inter-resfriamento e reaquecimento infinitamente grande;Os inter-resfriadores retornam fludo a Tc e os reaquecedores retornam a Th;O regenerador possui uma efetividade de 100%;No limite, todo o calor recebido ocorre a Tc e todo calor rejeitado ocorre a Th.


Grfico T-sMltiplos inter-resfriamentos e reaquecimentos;(b) Situao limite (Ciclo Ericsson).


Ciclo Stirling1-2: Compresso isotrmica Tc;2-3: Aquecimento a volume constante;3-4: Expanso isotrmica Th;4-1: Resfriamento a volume constante.


Grficos p-v e T-s


Eficincia Trmica Ericsson e Stirling Com o uso de um regenerador de efetividade igual a 100%: o calor recebido no Processo 2-3 obtido do calor rejeitado no Processo 4-1;Logo um ciclo Ericsson, um ciclo Stirling e um ciclo de Carnot que operam entre reservatrios trmicos a Temperaturas Th e Tc, possuem a mesma eficincia;


Motor Stirling

um motor tipo cilindro-pisto que utiliza o Ciclo Stirling;Oferece uma alta eficincia, juntamente com emisses de produtos de combusto reduzidas;A combusto ocorre externamente e no degrada o fludo de trabalho; um motor de combusto externa.

Termodinmica 2

Sistemas de Potncia a Vapor

Princpios de Termodinmica para Engenharia Captulo 8

Usina de Potncia a Vapor Simples


Subsistema A


Ciclo de Rankine1-2: Expanso isoentrpica do fluido de trabalho atravs da turbina de vapor saturado no estado 1 at a presso do condensador;2-3: Transferncia de calor do fluido de trabalho medida que ele escoa a presso constante atravs do condensador com lquido saturado no estado 3;3-4: Compresso isoentrpica na bomba at o estado 4 na regio de lquido comprimido;4-1: Transferncia de calor para o fluido de trabalho medida que ele escoa a presso constante atravs da caldeira para completar o ciclo.


Grfico T-s


Anlise Energtica do Ciclo de Rankine1-2: Turbina2-3: Condensador4-1: Caldeira3-4: Bomba


Eficincia Trmica

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