Motor a ar comprimido

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1. INTRODUÇÃO
O desenvolvimento da máquina térmica, no século XVIII contribuiu para a expansão da indústria moderna. Até então, os trabalhadores utilizavam-se somente da força manual, da energia animal, do vento ou da água. Uma única máquina a vapor realizava o trabalho de centenas de cavalos. Fornecia a energia necessária para acionar todas as máquinas de uma fábrica. Uma locomotiva a vaporpodia deslocar cargas pesadas a grandes distâncias em um único dia. Os navios à vapor ofereciam transporte rápido, econômica e seguro (http://www.fisica.ufpb.br). A partir da criação das máquinas térmicas elas foram estudadas e surgiram as teorias dos ciclos termodinâmicos. Qualquer série de processos termodinâmicos tais que, ao transcurso de todos eles, o sistema regresse a seu estado inicial é umciclo termodinâmico, ou seja, que a variação das grandezas termodinâmicas próprias do sistema seja nula. O francês Sadi Carnot enunciou o que ficou conhecido como ciclo de Carnot ou ciclo ideal onde o rendimento é máximo (Wylen, 1973). Utilizaremos os conceitos citados no trabalho para elaborar um pré-projeto de máquina térmica a vapor simples que iremos abordar a seguir.

2. FUNDAMENTAÇÃOTEÓRICA

2.1 CICLOS TERMODINÂMICOS
Segundo Gaspar (2002), os ciclos termodinâmicos são processos que um sistema realiza a fim de se obter trabalho do sistema ou de se realizar trabalho sobre o sistema. Cada tipo de motor, por exemplo, tem um processo diferenciado para que se obtenha trabalho do sistema. Assim o ciclo que rege o funcionamento do motor a diesel é diferente do ciclo que rege o motor agasolina ou álcool. Estes dois ainda são diferentes do ciclo a vapor e estão longe de ser um ciclo ideal.
Os dispositivos termomecânicos transformam o calor gerado em potência e/ou eletricidade e baseiam-se no princípio termodinâmico de ciclos, que operam entre fontes em diferentes temperaturas, gerando energia quando trabalham no sentido da temperatura mais alta para a mais baixa(http://coralx.ufsm.br/revce/).

Os ciclos termodinâmicos mais empregados são os de Rankine (usa como fluido térmico o vapor), e de Brayton (gás em expansão), além dos usuais motores térmicos, Diesel e Otto, com queima de combustíveis diversos como: óleo diesel, gasolina, álcool etílico, óleos vegetais, álcool metílico, gás natural, biogás, GLP e gás pobre. A Figura 1.2 mostra esquematicamente os processosque compõem cada ciclo (Bejan, 1997).

A geração térmica caracteriza-se, entre outras, pelo baixo rendimento termodinâmico de conversão do potencial existente no combustível em energia final e, como em vários outros processos, as perdas constituem-se em calor residual, o que pode ser verificado na Tabela 1.1, onde diferentes processos estão listados com seus respectivos usos e perdas(http://coralx.ufsm.br/revce/).

2.2 CICLO BRAYTON
Também denominado ciclo de Joule, é o processo teórico dos motores de turbina a gás. A Figura abaixo dá o esquema básico.

Figura 2.1 - Fonte: http://www.mspc.eng.br/termo/termod0530.shtml
Entre 1 e 2 o ar é comprimido de forma adiabática por um compressor tipo axial.
Ao passar pelo queimador ou câmara de combustão (de 2 a 3), o ar se expande devido aofornecimento de calor pelo processo de combustão. Isso ocorre supostamente sob pressão constante porque a forma construtiva da câmara oferece pouca resistência ao fluxo.
O ar aquecido pela combustão movimenta uma turbina num processo teoricamente adiabático (de 3 a 4). Saindo da turbina, o ar troca calor com o ambiente num processo claramente isobárico (http://www.mspc.eng.br).
As Figuras 01 e02 exibem, respectivamente, os diagramas (aproximados e sem escalas) pressão x volume específico e temperatura x entropia para o ciclo de Brayton, em conformidade com a operação teórica vista no tópico anterior.

Figura 2.2 - O ciclo-padrão de ar Brayton. Fonte: Wylen (1973). p249.

Figura 2.3 - Diagrama de eficiência teórica x p2/p1. Fonte: http://www.mspc.eng.br.

O resultado mostra que...
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