Admitindo que em um turbocompressor, as vazões mássicas no compressor e na turbina são iguais e que tanto o compressor como a turbina são adiabáticos e reversíveis (sem atrito). O ar ambiente entra no compressor a
e 100 kPa , com uma vazão mássica de
. Os gases de escape saem do motor e entram na turbina a
e 170 kPa , deixando a turbina a 100 kPa . O intercooler deve diminuir a temperatura do ar para abaixo de
para evitar a batida do motor. O ar ambiente entra no intercooler a
e sai a
. Tratando os gases de exaustão como ar e considerando os calores específicos do ar como constantes com a temperatura, determine:
a. Esboce os processos nos diagramas
e
, com indicação do sentido e dos estados.
b. A potência de eixo produzida na turbina, em kW .
c. A temperatura do ar na saída do compressor, em
.
d. A vazão volumétrica mínima de ar ambiente necessária para evitar a batida do motor, em
.
e. Explique por que é possível melhorar a eficiência do motor com este sistema sobrealimentado.
a. Esboce os processos nos diagramas
b. A potência de eixo produzida na turbina, em kW .
c. A temperatura do ar na saída do compressor, em
d. A vazão volumétrica mínima de ar ambiente necessária para evitar a batida do motor, em
e. Explique por que é possível melhorar a eficiência do motor com este sistema sobrealimentado.
Passo 1
O enunciado trata de um turbocompressor onde o ar entra no compressor em
e sai com vazão mássica
. Os gases de escape alimentam a turbina em
e saem a
. O compressor e a turbina são ideais (adiabáticos e reversíveis). No intercooler, o ar comprimido é resfriado antes de entrar no motor e o fluido de resfriamento é o ar ambiente que entra a
e sai a
. Vamos usar propriedades do ar constantes:
,
e
.
Passo 2
Esboço qualitativo dos processos:
No diagrama
-
:
( ) compressão isentrópica do ar ambiente de
a
;
( ’) resfriamento no intercooler à pressão constante
;
( ’
) admissão e queima no motor (pressão aproximadamente constante em torno de
);
( ) expansão isentrópica na turbina de
a
.
(
(
(
(
No diagrama
-
:
( ) subida vertical de
a
em isentropia;
( ’) queda de temperatura a pressão constante;
( ’
) aquecimento a pressão aproximadamente constante;
( ) descida vertical de
a
em isentropia.
(
(
(
(
Em ambos os diagramas as setas seguem o sentido
'
.
Passo 3
Cálculo da temperatura de saída do compressor
via relação isentrópica
com
,
,
.
Passo 4
Potência de eixo produzida na turbina
:
Passo 5
Vazão volumétrica mínima no intercooler: o calor rejeitado pelo ar comprimido é
Esse calor é absorvido pelo ar de resfriamento (
), logo
Dessa massa, a vazão volumétrica a
e
é
Passo 6
A sobrealimentação com intercooler melhora a eficiência porque eleva a pressão média de combustão (mais trabalho na turbina e no motor) e reduz a temperatura de entrada no motor (diminuindo o risco de detonação e diminuindo trabalho de compressão efetivo), aumentando a eficiência termodinâmica do ciclo.
Resposta
a. Nos diagramas
-
e
-
o ciclo segue
(compressão isentrópica),
(resfriamento isobárico no intercooler),
(queima/admissão aproximadamente isobárica) e
(expansão isentrópica na turbina).
b.
c.
d.
e. A combinação de sobralimentação e intercooling eleva a pressão média e reduz a temperatura de admissão, aumentando o trabalho útil e evitando detonação, o que melhora a eficiência termodinâmica do motor.