PRP28: TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA APLICADA

01-2013

Divisão de Engenharia AeronáuticaDepartamento de Propulsão

Responsáveis:Profa Cristiane Aparecida MartinsProfa Claudia Regina de Andrade

PRP-28 TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA APLICADA

• Bibliografia: Hill, P., Peterson, C., Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Addison, Turns S.R., An introduction to combustion: concepts and applications,  Boston, MA: McGraw-Hill, 2006, Turns S.R., Mattingly, J.D., Elements of gas turbine propulsion, New York, NY: McGraw-Hill, 1996. Holman, J. P. Heat Transfer. 10.ed., McGraw-Hill, 2009. Bergman T.L., Lavine, A.S. and Incropera, F.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7.ed. Wiley, 2011.

MÁQUINAS TÉRMICAS E PROPULSÃO

Lecture 1: Introdução e Visão Geral

01_ 2013

Divisão de Engenharia AeronáuticaDepartamento de Propulsão

Responsáveis:Profa Cristiane Aparecida MartinsProfa Claudia Regina de Andrade

• Material aula

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AA Área da seção (mÁrea da seção (m22))AA** Throat area (mThroat area (m22))AAee Exit area (mExit area (m22))ATDCATDC After Top Dead CenterAfter Top Dead CenterBMEPBMEP Brake Mean Effective Pressure (N/mBrake Mean Effective Pressure (N/m22))BSFCBSFC Brake Specific Fuel ConsumptionBrake Specific Fuel ConsumptionBTDCBTDC Before Top Dead CenterBefore Top Dead Centercc Sound speed (m/s)Sound speed (m/s)CCDD Drag coefficient (---)Drag coefficient (---)COCO Monóxido de CarbonoMonóxido de CarbonoCCPP Calor específico a pressão constante (J/kgK)Calor específico a pressão constante (J/kgK)CCvv Calor específico a volume constante (J/kgK)Calor específico a volume constante (J/kgK)CVCV Volume de ControlVolume de ControlDD Força de Arrasto (N)Força de Arrasto (N)EE Energia contida na substância = U + KE + PE Energia contida na substância = U + KE + PE (J)(J)EE Energia de Ativação (J/mole)Energia de Ativação (J/mole)gg Aceleração da gravidade (m/sAceleração da gravidade (m/s22))gg função de Gibbs função de Gibbs h - Ts (J/kg) h - Ts (J/kg)HH Entalpia Entalpia U + PV (J) U + PV (J)hh Entalpia por unidade de massa = u + Pv Entalpia por unidade de massa = u + Pv (J/kg)(J/kg)ICEICE Internal Combustion EngineInternal Combustion EngineIMEP IMEP Indicated Mean Effective Pressure (N/mIndicated Mean Effective Pressure (N/m22))ISFCISFC Indicated Specific Fuel ConsumptionIndicated Specific Fuel ConsumptionIISPSP Specific impulse (sec)Specific impulse (sec)KEKE Energia cinética (J or J/kg)Energia cinética (J or J/kg)PEPE Energia PotencialEnergia Potencial

Nomenclatura (resumo)Nomenclatura (resumo)

• A principal idéia é a compreensão clara sobre relação entre máquinas térmicas e propulsão

• INTRODUÇÃO GERAL - VISÃO GERAL DE MOTORES AERONÁUTICOS

Quais forças atuam em uma aeronave ou foguete ?

foguete

Thrust (empuxo) drag (arrasto) weight (peso) e lift (sustentação)

O movimento de uma aeronave depende das forças aerodinâmicas (drag e lift), do peso e do empuxo;

INTRODUÇÃO

Peso é a força gerada devido a atração gravitacional.

Lift e drag são forças mecânicas/aerodinâmicas. (de contato). Forças aerodinâmicas são percebidas somente se o objeto está em movimento.

Empuxo é também uma força mecânica, tal que o sistema propulsivo deve estar em contato com o fluido de trabalho para que se produza empuxo.

O formato da superfície pode exigir maior quantidade de energia para movimentá-lo.

Drag (arrasto)?

Cd em automóveis

http://www.prandiano.com.br/html/m_rev.htm#2

Aeronaves, o que importa?

• Cl - Coeficiente de sustentação, que é de uma forma simplificada, a capacidade que tem um determinado perfil, de gerar sustentação. Neste ponto, quanto maior, melhor. Para o Cl é importante também a forma com que a curva de sustentação termina, ou seja, o ideal é que o início da perda de CL se dê de forma bastante suave, e não bruscamente. Um valor médio fica por volta de 1.4.

•  Cd - Coeficiente de arrasto. Por ele podemos determinar quanto de potência vai ser consumida da aeronave para o vôo. O Cd, quanto menor, melhor. Valores mínimos por volta de 0.08 são bastante altos para os dias atuais, no entanto valores iguais a 0.03, é muito difícil de ser conseguido. Um perfil bom em termos de Cd tem seu valor mínimo por volta de 0.04 a 0.045.

DRAG – DIFERENTES FONTES

Para aeronave acelerar durante vôo, empuxo deve ser maior do que o arrasto.

Para uma aeronave decolar, lift deve ser maior que o peso.

Forças - resumo

avião foguete

Thrust (empuxo) é força a qual movimenta uma aeronave através do ar. Empuxo é utilizado para superar o drag (arrasto) de um avião, e superar o weight + drag (peso + arrasto) em um foguete. Empuxo é gerado através de algum sistema propulsivo.

Foguete Modelo e Foguetes ReaisComparação e Contrastes

4 forças em todo o vôo

todo o vôo na atmosferaforças aerodinâmicas muito importantes

muito curta potência de vôo

motor foguete sólidopequena fração mássica

propelente

estabilidade passivanenhum controle

baixa velocidadeaquecimento não importante

materiais baratospapelão, plástico

4 forças somente na atmosfera

vôo curto na atmosferaforças aerodinâmicas

pouco importantes

alta potência de vôo

motor foguete sólido ou líquidoalta fração mássica

propelente

estabilidade passivacontrole ativo

alta velocidadeaquecimento importante

materiais carosAl, Ti, ligas de Ni

Modelo Foguete Foguete Real

• EMPUXO...

http://www.animatedengines.com/jets.html

CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS PROPULSIVOS

SISTEMAS PROPULSIVOS (cont)

• Neste curso: SOMENTE a categoria prática TERMOQUÍMICA

• Termoquímicos podem ser divididos em 3 sub-categorias:– Foguetes (Propelente sólido ou Líquido)– Aspirados (Ramjet, Turbojet, Tubofan…)– Híbridos (Ramrocket por exemplo)

OBJETIVO DA PROPULSÃO – CRIAR UMA FORÇA PARA MOVIMENTAR UM VEÍCULO

• TURBINAS, MOTORES CICLO DIESEL, MOTORES CICLO OTTO SÃO TODOS MÁQUINAS TÉRMICAS....O QUE SIGNIFICA???

• Motores ‘Perfeitos' a eficiência de conversão de energia é de 100% mas nem toda a energia é convertida em trabalho, o que significa que parte da energia é desperdiçada na exaustão.

• No motor elétrico o mínimo valor (na exaustão) é o zero (Terra), o que significa que teoricamente é possível obter 100% de eficiência na exaustão da carga elétrica, a qual não deixará nenhum resíduo.

• No motor hidráulico a mínima pressão de exaustão é a atmosférica, o que significa que parte da energia será desperdiçada na exaustão.

• No motor térmico, 'máquina térmica' a mínima temperatura é obtida nas condições ambientes, ou seja da ordem de 300K, significando que também existirá uma energia residual na saída. Se a saída fosse de Zero absoluto conseguiríamos extrair toda a energia contida.

• MÁQUINAS TÉRMICAS UTILIZAM FLUIDO DE TRABALHO

A Figura abaixo mostra a construção básica de um compressor e turbina axiais. A turbina recebe gás de trabalho (alta pressão e aquecido) da esquerda para direita fazendo o rotor rodar. O compressor recebe o ar e o comprime em estágios.

COMPRESSOR AXIAL TURBINA AXIAL

Rover 1S60 Rotor

PONTOS BÁSICOS – MÁQUINAS TÉRMICAS• Todas as aeronaves com combustível hidrocarbonetos são MÁQUINAS TÉRMICAS

• Aplica-se no estudo– Mecânica de Fluídos

• Relata as variações na pressão, temperatura e velocidade do ar

– Termodinâmica (Análise de Ciclo)• Energia térmica →mecânica é estudada através da termodinâmica• Estudo das variações de estado termodinâmico do ar ao atravessar a

turbina• Geometria da turbina NÃO importante, processos são importantes

Termodinâmica Química

• Cálculo do estado final baseado em alguma informação do estado inicial – assumindo equilíbrio termodinâmico

• Propriedades do estado final– temperatura (temperatura de chama adiabática)

• conservação de energia – 1a lei da TD– composição de equilíbrio

• conservação da massa• entropia - 2a lei da TD

Por que estudar equilíbrio termodinâmico?

• Equilíbrio considera que a reação teve tempo suficiente para ocorrer.

• Cinética considera taxas de reações químicas.

Por definição, a região cinética é o período no qual as concentrações dos componentes da reação estão constantemente variando. A região de equilíbrio é o período após nenhuma variação na concentração é observada.

Região cinética versus região de equilíbrio

Nem aí para o TEMPO!!

Termodinâmica versus TEMPO

TEMPO

Termodinâmica - responde

• Primeira Lei – qual a máxima energia (conversão) que consigo?

• Segunda Lei – quanto posso aproveitar desta energia e em qual direção o processo caminhará? O processo ocorrerá espontaneamente?

• TERMODINÂMICA

BASEADA NA FRUSTAÇÃO

Você NUNCAAAAA GANHA no máximo EMPATA

dE = Q - W **

QW No máximo Q = W

Princípio da conservação de energia – 1 Princípio da Termodinâmica

**considere massa fixa

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: 2nd LAW

A segunda lei define entropia, s, por:

TQdS reversivel

Onde dqreversíevl é o incremento de calor recebido em um processo reversível entre dois estados.

A segunda lei também diz que para qualquer processo a soma das variações de entropia para o sistema mais as vizinhanças é igual ou maior que zero

0svizinhançasistema ss

Igualdade somente existe em processo reversível (ideal)

TQdS

2 PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA

0svizinhançasistema ssEMPATA quando chega no ZERO

3 PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA: 3st LAW

Impossível reduzir qualquer sistema à temperatura do zero absoluto mediante um número finito de operações. De acordo com esse princípio, também conhecido como teorema de Nernst, a entropia de todos os corpos tende a zero quando a temperatura tende ao zero absoluto.

VC NUNCA chega no ZERO

• The 1st law: ´´you cannot win´´"You can't win." Yes, this means your profit can't be greater than zero. You go to

your friend's house to play poker, and when you go home that night, you can't end up with more money (energy) than you started with.

• The 2nd law: ´´you cannot break even´´To "break even" means to go home after gambling with the same amount of money

you had originally. Saying you can't break even means that you can't have zero profit. Entropy will increase, so the amount of energy available to do mechanical work must decrease.

• The 3rd law: you cannot get out of the game (what game?)

ENERGIA LIVRE DE GIBBS

- função de estado- propriedade extensiva

Suniv = Ssis + Svizi

Para T e P constantes:

- TSuniv = - TSsis + Hsis

(para T & P ctes)

Suniv = Ssis -Hsis

T

G = H – TS

PROCESSO DE MOTOR AERONÁUTICO REPRESENTADO EM COORDENADAS TERMODINÂMICAS

Primeira lei: E = Q - W, onde E é a energia total da parcela do ar:

Para um processo ciclico E é zero (volta ao mesmo estado)Consequentemente: Q (calor líquido que entra) = W (trabalho líquido realizado)

Quero um diagrama o qual represente a entrada ou saída de calor.

Uma forma é fornecida pela Segunda Lei

Tdsreversíveldq

onde ds é a variação de entropia de uma unidade de massa da parcela edq é a entrada de calor por unidade de massa

Assim, uma variável deveria ser a entropia , s

THERMODINAMICA: CICLO BRAYTON

Conclusão

• A termodinâmica fornece dois importantes subsídios necessários a um projeto: – calor liberado ou absorvido durante a reação– rendimento máximo que se poderá obter da mesma.

Conclusão (cont)

• a intensidade dos efeitos térmicos pode ser estimada através de dados termodinâmicos,

• o cálculo da constante de equilíbrio K pode ser realizado a partir da energia livre padrão G0 dos materiais reagentes, Assim: G0 = - RTlnK, com a cte de equilíbrio conhecida pode se estimar o

rendimento máximo da reação.

Escoamentos Reativos – Turbina a gás

Câmara de Combustão – Turbina a gás

Escoamentos Reativos -

MOTOR A PISTÃO -

Premistura vs. não-premisturado

Flame front Fuel spray flame

Premixed charge (gasoline)

Non-premixed charge (Diesel)

Spark plug Fuel injector

Fuel + air mixture Air only

Conclusão

• A termodinâmica fornece dois importantes subsídios necessários a um projeto: – calor liberado ou absorvido durante a reação– rendimento máximo que se poderá obter da mesma.

• Máquinas térmicas – turbinas a gás e motores a pistão

• De acordo com o RAB (Registro Aeronáutico Brasileiro)- banco de dados onde estão registradas todas as aeronaves brasileiras), o Brasil possui um total de 12.505 aeronaves ativas, em números de 2009.

• Deste total, – 873 são aeronaves propulsionadas a jato, – 1.783 turboélices e – 9.513 aeronaves a pistão, das aeronaves a pistão:

• 1.386 aeronaves privadas de instrução e • 1.044 aviões agrícolas

•12505 aeronaves + 1325 HELICOPTEROS = 13.830

Propulsão a Jato

Principio de operação baseado nas leis de movimento de Newton– 2 lei – taxa de variação de momentum é proporcional ao empuxo

aplicado (i.e. F = m x a)– 3 lei – cada ação produz uma reação igual e oposta.

• Existem diferentes sistemas propulsivos

PROPULSÃO

EMPUXO = massa x variação de velocidade

massa VERSUS v

ou

massa VERSUS v

EQUAÇÃO GERAL DO EMPUXO - DEDUÇÃO

Turbinas a Gás

TURBOJATO

• Turbojato

A turbina é projetada para produzir a potência exata para comandar o compressor. O gás que deixa o bocal de saída em alta pressão e temperatura é expandido para pressão atmosférica em um tubeira propulsora que produz jato em alta velocidade. A tubeira é o componente no qual o fluido de trabalho é expelido para fornecer jato de alta velocidade.

Fluxo em um Turbojato

Distribuição de temperatura e pressão

Empuxo

Turbofan

• Turbofan

Parte do ar liberado pelo compressor de baixa LP compressor ou fan ‘bypasses’ o núcleo do motor (HP compressor, combustion and turbines) para formar um jato propulsivo anular ou ar frio rodeando o jato quente. Resulta em jato de menor velocidade média mas melhor eficiência propulsiva e ruído reduzido.

Turbofan

Fluxo em um turbofan

Empuxo em Turbofan

Turboprop

• Turboprop

Para menores velocidades, a combinação de hélice e jato de exaustão fornece a melhor eficiência propulsiva. Tem dois estágios de compressor e câmera de combustão tipo Can. Turboprop podem também ser projetadas com uma turbina livre para comandar uma hélice ou um compressor LP adicional. (called free-turbine turboprop).

Turboprop

Fluxo em um turboprop

Empuxo em Turboprop

1 ft/s = 0,3048 m/s1 ft/s = 1,09728 km/h

Comparação

EMPUXO EM MOTOR FOGUETE

Características do Jato

• Quantidades que definem um jato são:

– área da secção transversal;– composição e– velocidade.

• Destes, somente a velocidade é característica majoritária e de considerável significância quantitativa.

Caracteristicas do Jato em Sistemas Propulsivos Práticos

Practical Propulsion Systems Jet Velocity(m/s)

Helicopter lifting rotor up to 30Propellor 30 - 60Remote Ducted Fan, Propellor or Propfan 30 - 200Turbofan 200 - 600Turbojet (sea-level, static) 350 - 600Turbojet (M = 2.0 at 36000 ft, approx 600 m/s) 900 - 1200Ramjet (M = 2.0 at 36000 ft, approx 600 m/s) 900 - 1200Ramjet (M = 4.0 at 36000 ft, approx 1200m/s) 1800 - 2400Solid-propellant rocket 1500 - 2600Liquid-propellant rocket 2000 – 3500