Transcript
Page 1: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS

TERMODINÂMICA

Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

KEYLLER OLIVEIRA DOS SANTOS MOTA

BELO HORIZONTEMAIO - 2010

Page 2: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

KEYLLER OLIVEIRA DOS SANTOS MOTA

EQUIPAMENTOS TERMODINÂMICOS E SUPERFÍCIES TERMODINÂMICAS

Trabalho apresentado ao Professor

Humberto Barros de Oliveira da disciplina

de Máquinas Térmicas da turma 01, turno

noturno do curso técnico de

Eletromecânica.

CEFET-MGBelo Horizonte - 19 de Abril de 2010

2

Page 3: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

SUMÁRIO

1-INTRODUÇÃO p.041.1-Termodinâmica p.041.2-Sistemas Termodinâmicos p.041.2.1-Tipos de Sistemas p.051.2.2-Pontos de vista Macroscópico e Microscópico p.051.3-Propriedade, Estado, Processo e Equilíbrio p.051.3.1-Propriedades Extensivas e Intensivas p.061.3.2-Fase e Substância Pura p.061.3.3-Equilíbrio Termodinâmico p.071.4-Trabalho p.071.5-Energia p.08

2-OS EQUIPAMENTOS TERMODINÂMICOS p.112.1-Definição p.112.1.1-Rendimento p.112.2-Motor a Vapor p.122.2.1-Carcaça p.132.2.2-Mancais p.132.2.3-Rotor p.142.2.4-Palhetas p.142.2.5-Labirintos p.142.3-Turbina a Gás p.152.3.1-Ciclo Brayton p.162.3.2-Turbinas Aeronáuticas p.162.3.3-Turbogeradores p.172.3.4-Outras Aplicações p.182.4-Geladeira p.182.4.1-Funcionamento p.202.4.2-Eficiência Energética p.212.5-Ar Condicionado p.212.6-Motor a Diesel p.232.6.1-Tecnologia p.232.6.2-Combustível p.242.6.3-Funcionamento Mecânico p.242.6.4-Gama de Velocidade

3-AS SUPERFÍCIES TERMODINÂMICAS p.263.1-Conceitos Básicos p.263.2-Representação Esquemática versus Modelo Físico p.27

4-CONCLUSÃO p.31

5-BIBLIOGRAFIA p.325.1-Livros p.325.2-Material da Internet p.33

3

Page 4: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

1-INTRODUÇÃO

1.1-TERMODINÂMICA

A Termodinâmica é o ramo da Física que estuda os efeitos da mudança em temperatura, pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica. A grosso modo, calor significa "energia" em trânsito, e dinâmica se relaciona com "movimento". Contudo, a Termodinâmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento.

A partir de uma visão macroscópica para o estudo do sistema, desenvolveu-se a chamada termodinâmica clássica. Ela permite abordar de uma maneira fácil e direta a solução de nossos problemas.

O ponto inicial para a maioria das considerações termodinâmicas são as Leis da Termodinâmica, que postulam que a energia pode ser transferida de um sistema físico para outro como calor ou trabalho. Elas também postulam a existência de uma quantidade chamada entropia, que pode ser definida para qualquer sistema.

Em Termodinâmica, interações entre grandes conjuntos de objetos são estudadas e categorizadas. Para este estudo, os conceitos de sistema e vizinhanças são centrais. Um sistema é composto de partículas cujo movimento médio define suas propriedades, relacionadas através das equações de estado. Propriedades podem ser combinadas para expressar energia interna e potenciais termodinâmicos, que são úteis para determinadas condições de processos de equilíbrio e espontâneos.

Com estas ferramentas, a termodinâmica descreve como os sistemas respondem a mudanças em suas vizinhanças. Isso pode ser aplicado para uma ampla variedade de tópicos em ciência e tecnologia. Os resultados da termodinâmica são essenciais para outros campos da física e da química.

1.2-SISTEMAS TERMODINÂMICOS

SISTEMA identifica o objeto da análise.

Pode ser um corpo livre ou algo complexo como uma Refinaria completa. Pode ser a quantidade de matéria contida num tanque de paredes rígidas ou

uma tubulação através da qual a matéria flui.

4

Page 5: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

VIZINHANÇA - Tudo o que é externo ao sistema.

FRONTEIRA - superfície real ou imaginária que separa o sistema de sua fronteira.

Pode estar em movimento ou repouso. Deve ser definida cuidadosamente ANTES de se proceder a qualquer análise

termodinâmica. Sua definição é arbitrária e dever ser feita pela conveniência da análise a ser

feita.

1.2.1-Tipos de Sistemas

Sistema Fechado - quantidade fixa de matéria. Massa não entra, nem sai.

Volume de Controle - região do espaço através da qual ocorre fluxo de massa.

1.2.2-Pontos de vista Macroscópico e Microscópico

Macroscópico - trata do comportamento global, inteiro do sistema. Nenhum modelo de estrutura molecular, atômica ou subatômica é utilizado diretamente. Este tratamento é o aplicado na termodinâmica clássica. O sistema é tratado como um continuum.

Microscópico - tratamento que leva em conta a estrutura da matéria. É chamada de termodinâmica estatística. O objetivo é caracterizar por meios estatísticos o comportamento médio das partículas e relacioná-lo com o comportamento macroscópico do sistema.

1.3-PROPRIEDADE, ESTADO, PROCESSO E EQUILÍBRIO

Propriedade - características macroscópicas de um sistema, como massa, volume, energia, pressão e temperatura.

Estado - condição do sistema, como descrito por suas propriedades. como normalmente existem relações entre as propriedades, o estado pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos desse subconjunto.

5

Page 6: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

Processo - mudança de estado devido a mudança de uma ou mais propriedades.

Estado Estacionário - nenhuma propriedade muda com o tempo.

Ciclo Termodinâmico - sequência de processos que começam e terminam em um mesmo estado.

1.3.1-Propriedades Extensivas e Intensivas

Extensivas

– Seu valor para o sistema inteiro é a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido.

– Dependem do tamanho e extensão do sistema.– Seus valores podem variar com o tempo.– Exemplo: massa, energia, volume.

Intensivas

– Não são aditivas, como no caso anterior.– Seus valores não dependem do tamanho e extensão do sistema.– Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer

momento.– Exemplo: temperatura e pressão.

1.3.2-Fase e Substância Pura

Fase – Quantidade de matéria que é homogênea tanto em composição

química quanto em estrutura física.– Homogeneidade na estrutura física significa que a matéria é totalmente

sólida, totalmente líquida ou totalmente gasosa.– Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo: água e seu

vapor.– Notar que os gases e alguns líquidos podem ser misturados em

qualquer proporção para formar uma simples fase.

Substância Pura

– É invariável em composição química e é uniforme.– Pode existir em mais de uma fase desde que seja garantida a condição

acima.

1.3.3-Equilíbrio Termodinâmico:

6

Page 7: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

Uniformidade de Propriedades no Equilíbrio: não variam de um ponto para outro. Exemplo: temperatura.

Processo Quase-Estático: processo idealizado composto de uma sucessão de estados de equilíbrio, representando cada processo um desvio infinitesimal da condição de equilíbrio anterior.Esses processos representam a base para comparação dos processos reais.

Processos Reais: são compostos por sucessão de estados de não equilíbrio (não uniformidade espacial e temporal das propriedades, e variações locais com o tempo).

1.4-TRABALHO

Trabalho de Compressão e Expansão de um fluido num cilindro mediante a movimentação de um pistão

Figura 1 – Trabalho de compressão e expansão de um fluido num cilindro.

A força exercida pelo pistão sobre o fluido é dado po: produto da área do pistão pela pressão do fluido. O deslocamento do pistão é igual a variação de volume dividido pela área do pistão:

Portanto de (1) temos:

7

Page 8: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

→ (2)

Integrando temos:

(3) - Expressão do trabalho realizado como resultado de uma compressão finita ou de um processo de expansão. , o

Este trabalho pode ser representado pela área hachurada da figura 2, onde um gás com volume V1 à pressão P1 é comprimido até a pressão P2 com volume V2.

Figura 2 - Gráfico Volume x Pressão

A unidade SI de trabalho é newton-metro denominado joule (J).

1.5-ENERGIA

O conceito de energia está fundamentado na 2ª Lei de movimento de Newton e no trabalho:

Então da eq. (1) temos:

dW = F.dl

Mas: F=m.a Logo: dW = m.a.dl (4)

8

Page 9: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

Onde m = massa e a = aceleração:

Podemos escrever a aceleração como:

(5) variação da velocidade com o tempo:

Portanto reescrevendo a equação (4) temos:

(5)

Mas: (6)

Substituindo (6) em (5) temos:

(7)

A equação 7 pode ser integrada quando houver uma variação finita de velocidade de u1 até u2.

Então:

→ →

→ (8)

O termo foi chamado de energia cinética

Quando um corpo de massa m é levantado de uma altura inicial z1 para uma altura final z2, é necessário aplicar sobre ele uma força de pelo menos igual ao peso do corpo e esta força deve deslocar-se ao longo de z2 – z1. Uma vez que o peso do corpo é resultado é resultado da ação da gravidade sobre ele, a força mínima necessária.

F=mg

Onde g é aceleração local da gravidade.

O trabalho mínimo para suspender o corpo é igual ao produto desta força pela variação de cota.

9

Page 10: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

Então temos:

Da equação (1) dW = F.dl → →

ou ou (9)

O termo foi chamado de energia potencial.

Resumindo:

O trabalho de aceleração de um corpo provoca uma modificação na sua energia cinética, ou:

(10)

O trabalho feito sobre o corpo para elevá-lo produz uma alteração na sua energia potencial (gravitacional), ou:

(11)

2-OS EQUIPAMENTOS TERMODINÂMICOS

2.1-DEFINIÇÃO

Máquinas térmicas (ou equipamentos termodinâmicos) são máquinas que realizam trabalho e lidam com a variação de temperatura. Normalmente, as máquinas térmicas retiram calor da fonte quente e transferem-no para a fonte fria, o que define sua eficiência. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor na fonte fria.

As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor (gás ou vapor em expansão térmica) para provocar a realização de um trabalho mecânico. Por isso o cilindro com pistão móvel é um dos principais componentes dessas

10

Page 11: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

máquinas: o gás preso dentro do cilindro sob pressão, quando aquecido, expande-se, deslocando o pistão e realizando trabalho.

Apesar dos diferentes tipos de máquinas térmicas, elas obedecem as seguintes características:

Recebem calor de uma fonte quente. Rejeitam o calor que não foi usado para um reservatório chamado

fonte fria; Funcionam por ciclos.

As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam normalmente um fluido para receber e ceder calor ao qual se dá o nome de fluido de trabalho. O trabalho líquido do sistema é simplesmente a diferença de trabalho da fonte quente e da fonte fria:

(1)Onde: Wt é trabalho líquido ou total da máquina térmica; W2 é o trabalho da

fonte quente; W1 é o trabalho da fonte fria.O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor:

(2)Onde Q2 e Q1 são respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor

recebido pela fonte fria.

2.1.1-Rendimento:

O rendimento das máquinas térmicas pode ser de uma maneira geral, a razão entre o trabalho total e o trabalho (ou calor) necessário para que ela funcione, ou seja, é o que se obtém pelo que se dá de trabalho:

(3)Mas pela equação (2) podemos melhorar a equação (3):

E por fim:

(4)

O rendimento é a eficiência com que uma máquina térmica funciona. Em geral o rendimento das máquinas é baixo:

Motores de automóveis da ordem de 30%; Motores a diesel da ordem de 50%; Grandes turbinas a gás da ordem de 80%.

Assim o restante de energia que não é aproveitado pela máquina é expulso para o meio ambiente na forma de energia inútil, "perdida".

11

Page 12: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

2.2-MOTOR A VAPOR

O motor a vapor, que é chamado de máquina a vapor costumeiramente refere-se também a turbina a vapor outro tipo de máquina térmica que exploram a pressão do vapor. Todas as máquinas térmicas funcionam baseadas no princípio de que o calor é uma forma de energia, ou seja, pode ser utilizado para produzir trabalho, e seu funcionamento obedece às leis da termodinâmica. Embora a invenção do motor de combustão interna no final do século XIX parecesse ter tornado obsoleta a máquina a vapor, ela ainda hoje é muito utilizada, por exemplo, nos reatores nucleares que servem para produzir energia elétrica.

No caso da máquina a vapor, o fluido de trabalho é o vapor de água sob alta pressão e a alta temperatura. O funcionamento da turbina a vapor baseia-se no principio de expansão do vapor, gerando diminuição na temperatura e energia interna; essa energia interna perdida pela massa de gás reaparece na forma de energia mecânica, pela força exercida contra um êmbolo. Há diversas classificações possíveis para as turbinas a vapor, mas a mais comum é dividi-las entre:

De condensação - É um sistema fechado de geração de energia. Neste, o vapor tanto atravessa a turbina fazendo-a girar como também, ao ser condensado, gera uma zona de baixa pressão no difusor de saída da turbina aumentando o giro e realimentando a caldeira com o agente para novo ciclo. É o tipo mais comum em centrais termoelétricas e nucleares.

De contrapressão - Assim chamado é o método mais arcaico que se pode usar numa máquina térmica. É o mesmo projeto de Heron de Alexandria usado no segundo século antes de Cristo, o sistema Contra-Pressão é similar a uma máquina a vapor conhecida pelo nome de eolípila.

O fato do vapor não passar por um condensador ao sair da turbina, ocasiona a perda de potencia da turbina. Ele deixa a turbina ainda com certa pressão e temperatura e pode ser aproveitado em outras etapas de uma planta de processo químico, seja em aquecedores, destiladores, estufas, ou simplesmente é lançado na atmosfera. Este tipo é muito usado para acionamento ou cogeração de energia, em usinas petroquímicas, navios,

12

Figura 3 - Motor a Vapor

Page 13: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

plataformas de petróleo, etc. embora seja o sistema mais primitivo de captação de energia.

2.2.1-Carcaça:

Feita de aço fundido e usinado internamente, montada na horizontal. A espessura da carcaça pode ultrapassar 150mm na região de alta pressão. A função da carcaça é conter todo o conjunto rotativo, composto pelo eixo e pelas palhetas, e aconficionar os bocais (nozzles) fixos.

Embora a função seja simples, o projeto mecânico da carcaça é bastante complexo e crítico para o bom funcionamento da turbina a vapor. A principal razão disto é a alta temperatura que a turbina funciona, e as pequenas folgas entre as partes fixas e as partes rotativas.

Quando o vapor entra na turbina, a alta temperatura ocorre uma grande dilatação do material, que pode facilmente exceder 15 mm dependendo do tamanho da turbina. Quando ocorre esta dilatação, há o risco de as folgas entre as partes fixas e móveis serem reduzidas a ponto de haver roçamento, e consequentemente, desgaste ou mesmo ruptura das palhetas.

Também, devido à grande espessura da parede, há grandes gradientes térmicos. A parte interna, em contato com o vapor, se ditada mais, devido à alta temperatura. A parte externa da parede, em contato com o ambiente, se dilata menos. Essa diferença entre a dilatação do material na parte interna e externa da parede dá origem a fortes tensões que podem causar distorção ou fadiga térmica.

2.2.2-Mancais:

Na carcaça são montados um conjunto de 2 a 4 mancais, dependendo do tamanho da turbina. Os mancais podem ser ainda:

De guia: são os que suportam o peso do eixo e o carregamento radial. Permitem que ele tenha movimento giratório livre de atrito.

De escora: suportam a carga axial decorrente do "choque" do vapor com as palhetas. É montado no sentido horizontal.

Os mancais de turbinas a vapor não usam rolamentos. Eles são do tipo hidrodinâmico, em que o eixo flutua sobre um filme de óleo em alta pressão que é causada pelo próprio movimento do eixo, relativo à parede do mancal.

O mancal também tem um sistema de selagem de óleo e de vapor. Este sistema de selagem impede que vapores de óleo, ou de água, passem da turbina para o ambiente. Normalmente o sistema é constituído de uma série de labirintos que provocam uma perda de carga no fluxo de vapor, reduzindo o vazamento.

13

Page 14: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

2.2.3-Rotor:

O rotor é a parte girante da turbina e responsável pela transmissão do torque ao acoplamento. No rotor são fixadas as palhetas, responsáveis pela extração de potência mecânica do vapor. O rotor é suportado pelos mancais, normalmente pelas extremidades. É fabricado com aços ligados e forjados. Os materiais que são empregados atualmente são ligas com altos percentuais de níquel, cromo ou molibdênio. Nas máquinas mais modernas, são feitos a partir de um lingote fundido à vácuo, e depois forjado.

O eixo deve ser cuidadosamente balanceado e livre de imperfeições superficiais, que podem funcionar com concentradoras de tensões, o que reduz a resistência à fadiga do eixo.

Em uma das extremidades do eixo é feito o acoplamento, seja a um gerador elétrico, ou a uma máquina de fluxo, como um ventilador, um compressor ou uma bomba. Mas, devido a necessidade de se obter uma rotação diferente no acoplamento, muitas vezes o eixo é ligado a uma caixa redutora de velocidade, onde a rotação da turbina é aumentada ou reduzida, para ser transmitida ao acoplamento.

2.2.4-Palhetas:

As palhetas são perfis aerodinâmicos, projetados para que se obtenha em uma das faces uma pressão positiva, e na outra face uma pressão negativa. Da diferença de pressão entre as duas faces é obtida uma força resultante, que é transmitida ao eixo gerando o torque do eixo.

2.2.5-Labirintos:

Os labirintos são peças aplicadas em turbinas a vapor com a finalidade de vedar a carcaça sem atritar. São fabricados na grande maioria em alumínio e são bi-partidos radialmente para facilitar a manutenção da máquina. Internamente, eles são aplicados para garantir o rendimento da turbina. Nos casos em que há mais de um rotor, o vapor não pode se dissipar dentro da carcaça para não perder energia e baixar o rendimento da máquina. Os labirintos também são utilizados na vedação da carcaça em relação ao ambiente externo, evitando também a dissipação do vapor para a atmosfera.

Nas turbinas de grande porte, há a injeção de vapor nos labirintos, por meio de uma tomada vinda da própria máquina, para equalizar as pressões e garantir a vedação da carcaça.

14

Page 15: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

2.3-TURBINA A GÁS

O termo turbina a gás é mais comumente empregado em referência a um conjunto de três equipamentos: compressor, câmara de combustão e turbina propriamente dita. Esta configuração forma um ciclo termodinâmico a gás, cujo modelo ideal denomina-se Ciclo Brayton, concebido por George Brayton em 1870.

Este conjunto opera em um ciclo aberto, ou seja, o fluido de trabalho (ar) é admitido na pressão atmosférica e os gases de escape, após passarem pela turbina, são descarregados de volta na atmosfera sem que retornem à admissão.

A denominação turbina a gás pode ser erroneamente associada ao combustível utilizado. A palavra gás não se refere à queima de gases combustíveis, mas, sim ao fluido de trabalho da turbina, que é neste caso a mistura de gases resultante da combustão. O combustível em si pode ser gasoso, como gás natural, gás liquefeito de petróleo (GLP), gás de síntese ou líquido como querosene, óleo diesel e até mesmo óleos mais pesados.

2.3.1-Ciclo Brayton:

O ciclo Brayton é um ciclo ideal, uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás, descrevendo variações de estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é utilizado como base didática e para

15

Figura 4 – Princípio de uma Turbina a Gás

Page 16: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

análise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, devido a limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito.

O ciclo se constitui de quatro etapas. Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e conseqüente aumento de entalpia. Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde se mistura com o combustível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente.

Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combustão é rejeitada sob a forma de calor, contido nos gases quentes de escape. A rejeição de calor é um limite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinâmicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinâmica.

A perda de ciclo ideal pode ser quantificada pela potência proveniente do combustível, descontando-se a potência de acionamento do compressor e a potência líquida. Assim, diminui-se a perda à medida que se reduz a temperatura de escape e se eleva a temperatura de entrada da turbina, o que faz da resistência, a altas temperaturas, das partes da turbina um ponto extremamente crítico na tecnologia de construção destes equipamentos.

2.3.2-Turbinas Aeronáuticas:

Turbinas a gás são amplamente empregadas na propulsão de aviões e outros tipos de aeronaves. Isto se deve principalmente a característica de alta densidade de potência, em relação a outras máquinas como motores de combustão interna. Ou seja, as turbinas a gás geram maiores potências comparadas a maquinas de mesmo peso, o que é vantajoso, uma vez que a redução do peso das aeronaves acarreta em maior eficiência e capacidade de carga.

Existem diferentes configurações de turbina aeronáuticas. Por exemplo, em turbinas do tipo turbojato, o eixo, movimentado pela turbina propriamente dita, apenas aciona o compressor. Em última análise, através do bocal, o restante da potência útil é consumida na aceleração dos gases, responsável pelo empuxo gerado.

16

Page 17: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

Outros tipos de propulsores (turbohélices ou turbofans) também baseados em ciclos a gás têm o eixo acoplado a hélices ou ventiladores que impelem parte do ar por by-pass, ou seja, sem que o mesmo passe através da turbina. Nestes casos, o empuxo se deve em parte aos gases de escape da turbina e em parte ao fluxo de ar externo.

2.3.3-Turbogeradores:

Turbinas a gás dedicadas à geração de energia elétrica são divididas em duas principais categorias, no que se refere à concepção. São elas as pesadas (Heavy-duty), desenvolvidas especificamente para a geração de energia elétrica ou propulsão naval e as aeroderivativas, desenvolvidas a partir de projetos anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas.

Com a exceção das micro-turbinas (dedicadas à geração descentralizada de energia elétrica) o compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18 estágios de compressão. Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energia cinética para compressão. O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre 300°C e 450°C. Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada que movimenta um gerador elétrico.

Saindo da câmara de combustão, os gases têm temperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina, os gases são liberados ainda com significante disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas entre 500 e 650 Celsius. Considerando isso, as termelétricas mais eficientes e de maior porte aproveitam este potencial através de um segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou Ciclo Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo combinado, de eficiência térmica freqüentemente superior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente 35%.

Turbinas projetadas para operar em ciclo simples, tendo em vista a eficiência térmica do ciclo, têm temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e têm otimizada taxa de compressão. A taxa de compressão é a relação entre a

17

Figura 5 - Compressor de 17 estágios Figura 6 - Câmaras de combustão

Figura 7 - Turbina de 3 estágios

Page 18: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

pressão do ar à entrada e saída do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.

Turbinas a gás específicas para operar em ciclo combinado, são desenvolvidas de modo a maximizar a eficiência térmica do ciclo como um todo. Desta forma, a redução da temperatura dos gases de escape não é necessariamente o ponto mais crítico, em termos de eficiência, uma vez que os gases de saída da turbina ainda são utilizados para gerar potência.

Figura 8 - Turbina a gás GE série H, para geração elétrica, de potência de 480 MW em ciclo combinado

2.3.4-Outras Aplicações:

Turbinas a gás também podem acionar diversos outros tipos de máquinas movidas por eixo, tais como navios, ônibus, helicópteros, locomotivas, tanques de guerra, bombas e compressores (externos ao próprio ciclo da turbina).

2.4-GELADEIRA

A geladeira (também conhecido por refrigerador no Brasil, e geleira em Moçambique e Angola), é um utensílio eletrodoméstico utilizado na conservação de alimentos. O termo frigorífico é usado no Brasil para designar geladeiras de grande porte.

Consiste em um armário metálico com prateleiras e gavetas e uma porta isolante, para manter o frio no interior do utensílio. O frio é produzido por um compressor, normalmente movido por um motor elétrico. Na maior parte dos casos, o frigorífico doméstico possui um compartimento para fabricar gelo e congelar produtos frescos, embora uma cozinha possa ter um destes eletrodomésticos e ainda um congelador separado (por exemplo, uma arca frigorífica).

Este utensílio é um descendente das antigas casas-de-gelo e caixas-de-gelo, que usavam gelo natural produzido no inverno nas regiões frias. Ainda hoje as

18

Page 19: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

caixas térmicas, com isolamento plástico, são usadas para levar coisas frescas para a praia, quando se vai acampar, para a pequena venda-a-retalho de cervejas e refrigerantes), além de utilização no transporte de materiais sensíveis como alguns tipos de medicamentos.

Para além da versão doméstica, são comuns os frigoríficos industriais que podem ser do tamanho de um doméstico, mas especializados para variados tipos de produtos (como bebidas ou sorvetes), até ao tamanho de um cômodo de uma casa, ou maiores, como os utilizados em entrepostos frigoríficos para conservar pescado, carne ou vegetais para exportação, importação, ou para distribuição. Neste caso recebem o nome de "câmara frigorífica".

A primeira máquina refrigeradora foi construída em 1856, usando o princípio da compressão de vapor, pelo australiano James Harrison, que tinha sido contratado por uma fábrica de cerveja para produzir uma máquina que refrescasse aquele produto durante o seu processo de fabricação, e para a indústria de carne processada para exportação...

Na área dos transportes de carga as primeiras experiências iniciaram em 1851, nos EUA, e em 1857, foi construído o primeiro bem sucedido vagão refrigerado para a indústria de carnes de Chicago e, em 1866 [1] o primeiro vagão com refrigeração apropriada para frutas, também nos Estados Unidos da América.

O primeiro frigorífico doméstico só apareceu em 1913 e foi batizado DOMELRE (DOMestic ELectric REfrigerator), mas este nome não teve sucesso e foi Kelvinator o nome que popularizou este utensílio nos EUA. Tal como a maioria dos seus descendentes modernos, este frigorífico era arrefecido por meio de uma bomba de calor de duas fases. Outro que se tornou muito popular foi o General Electric "Monitor-Top", que apareceu em 1927. Ao contrário dos predecessores, neste frigorífico o compressor, que produzia bastante calor, estava colocado no topo do aparelho, protegido por um anel decorativo. Foram vendidos mais de um milhão destes aparelhos, dos quais alguns ainda estão em funcionamento.

19

Page 20: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

Figura 9 - Geladeira Comum

2.4.1-Funcionamento:

O funcionamento de um refrigerador baseia-se em três princípios:

O calor transfere-se das zonas quentes para as zonas frias (ou menos quentes).

A pressão é proporcional à temperatura. Ou seja, aumentando a pressão, aumenta-se a temperatura.

A evaporação de um líquido retira calor. Fenômeno análogo à sensação de frescura sentida pela evaporação de álcool sobre a pele, ou pela transpiração.

No interior de cada refrigerador existe uma serpentina oculta (evaporizador) onde circula um gás muito frio (-37 °C). O calor dos alimentos é transferido para este gás que vai aquecendo à medida que percorre a serpentina. Para transferir esse calor para o exterior usa-se um compressor que ao aumentar a pressão ao gás, aumenta-lhe a temperatura. Este gás aquecido segue para o condensador (a serpentina visível na parte traseira do refrigerador), onde troca calor com o ar exterior, arrefecendo o gás e condensando-o. O líquido refrigerador passa então por uma válvula de expansão ou garganta, que provoca um abaixamento brusco na pressão e consequente evaporação instantânea e auto-arrefecimento. Este gás frio entra no refrigerador e completa-se o ciclo termodinâmico.

Alguns refrigeradores não utilizam energia elétrica, mas energia térmica, queimando querosene, diesel ou qualquer forma de geração de calor. Essas máquinas são extremamente silenciosas, pois não tem partes móveis além dos líquidos e gases que passam em seu interior. Muito comumente são utilizados em áreas onde energia elétrica não é facilmente disponíveis como trailers e

20

Page 21: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

regiões rurais ou em situações onde o barulho do compressor pudesse incomodar como quartos de hospital ou hotéis de luxo. O ciclo termodinâmico nesses casos é chamado de Refrigeração por absorção. Essas máquinas são relativamente sensíveis à inclinação.

2.4.2-Eficiência Energética:

A eficiência elétrica de um refrigerador residencial é basicamente função da sua capacidade, mas existem diferenças de nível se o sistema possui freezer (-18 graus Centígrados) combinado ou é um sistema de 1 porta somente com compartimento gelado (-3 a -5 graus Centígrados). Do ponto de vista energético não vale a pena ter um refrigerador 1 porta e um freezer como 2 equipamentos separados quando é possível ter ambos em um único equipamento. Também é importante notar que para uma dada capacidade existe uma grande variação de eficiências, deixando claro que é muito importante realizar uma comparação antes da compra, pois o refrigerador é um dos itens que mais consome energia numa residência.

Figura 10 - Gráfico Consumo mensal x Capacidade Volumétrica

2.5-AR CONDICIONADO

21

Page 22: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

Figura 11 - Sistema básico de ar condicionado

Da mesma forma que os refrigeradores, os condicionadores de ar são máquinas térmicas que transferem calor de uma região fria para um mais quente.

Os aparelhos de ar condicionados são constituídos por um compressor, um condensador e um evaporador, porém não utilizam a mesma substância refrigerante que o aparelho de refrigerador doméstico. Alguns utilizam o freon 22, o que apresenta uma temperatura de ebulição igual a -40,8ºC à pressão atmosférica o que permite sua condensação sob menores pressões que as substâncias utilizadas nos refrigeradores, quando seu objetivo é refrigerar o ambiente.

No ar condicionado, o ar do ambiente passa por um filtro que retém o pó e a umidade nele contidos e, depois de filtrado, entra em contato com a serpentina onde é resfriado, retornando ao ambiente através de um ventilador.

O condensador deve ficar do lado de fora do ambiente que queremos refrigerar, pois ele aquece e o excesso de calor não deve aquecer o ar do ambiente que queremos resfriar.

O ar condicionado também tem a função de aquecer o ambiente e, neste caso, um aquecedor elétrico é utilizado, fazendo com que circule água quente ou vapor por um tubo semelhante à serpentina.

Da mesma forma que o refrigerador, a troca de calor se dá por convecção.

22

Page 23: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

2.6-MOTOR A DIESEL

O motor a diesel ou motor de ignição por compressão é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913), em que a combustão do combustível se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compressão da mistura inflamável. As principais diferenças entre o motor a gasolina e o motor diesel são as seguintes: enquanto o motor a gasolina funciona com a taxa de compressão que varia de 8:1 a 12:1, no motor diesel esta varia de 14:1 a 25:1. Dai a robustez de um relativamente a outro.

Enquanto o motor a gasolina aspira a mistura - ar + combustível - para a câmara de combustão e queima a partir de uma faísca elétrica fornecida pela vela de ignição no momento de máxima compressão. No motor diesel não existe uma aspiração, mas sim uma injeção de óleo (combustível) no momento de máxima compressão, a alta taxa de oxigênio faz com que o óleo entre em combustão, produzindo a explosão sem a necessidade da ignição elétrica. O Engenheiro Rudolf Diesel chegou a esse método quando aperfeiçoava máquinas a vapor.

Figura 12 – Esquema de um motor a Diesel

2.6.1-Tecnologia:

23

Page 24: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

Quando o tempo está frio, o ar ao ser comprimido poderá não atingir a temperatura suficiente para a primeira ignição, mas esses obstáculos têm vindo a desaparecer em virtude das injeções eletrônicas diretas e a maior rotação do motor de partida. Nos modelos antigos ou lugares muito frios costuma-se usar velas de incandescência no tubo de admissão para minimizar esse efeito sendo que alguns motores estacionários ainda usam buchas de fogo e a partida é feita com manivelas.

2.6.2-Combustível:

O combustível utilizado atualmente pelos motores diesel é o gasóleo (o invento original rodou com óleo vegetal ), um hidrocarboneto obtido a partir da destilação do petróleo a temperaturas de 250°C e 350°C. Recentemente, o diesel de petróleo vem sendo substituído pelo biodiesel e por óleo vegetal a partir de tecnologias de conversão, sendo algumas de fontes de energia renovável.

Onde se tem feito mais evolução neste tipo de motorização mais eficiente que o seu congênere a gasolina é no campo da injeção direta, nomeadamente nas de alta pressão como o injector-bomba e o "common-rail", que possibilitam a obtenção de mais potência, menor consumo e menos ruído de funcionamento.

2.6.3-Funcionamento Mecânico:

Na maioria das aplicações, os motores Diesel funcionam a quatro tempos O ciclo inicia-se com o êmbolo no Ponto Morto Superior (PMS). A válvula de admissão está aberta e o êmbolo ao descer aspira o ar para dentro do cilindro.

O êmbolo atinge o Ponto Morto Inferior (PMI) e inicia-se então a compressão. A temperatura do ar dentro do cilindro aumenta substancialmente devido à diminuição do volume.

Pouco antes do PMS o combustível começa a ser pulverizado pelo ejetor em finas gotículas, misturando-se com o ar quente até que se dá a combustão. A combustão é controlada pela taxa de injeção de combustível, ou seja, pela quantidade de combustível que é injetado. O combustível começa a ser injetado um pouco antes do PMS devido ao fato de atingir a quantidade suficiente para uma perfeita mistura (ar + combustível)e consequentemente uma boa combustão.

A expansão começa após o PMS do êmbolo com a mistura (ar + combustível) na proporção certa para a combustão espontânea, onde o combustível continua a ser pulverizado até momentos antes do PMI.

24

Page 25: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

O ciclo termina com a fase de escape, onde o embolo retorna ao PMS, o que faz com que os gases de combustão sejam expulsos do cilindro, retomando assim o ciclo.

No caso dos motores a dois tempos, o ciclo é completado a cada volta, a admissão não é feita por válvulas mas sim por janelas.

2.6.4-Gama de Velocidade:

Industrialmente, estes motores são divididos segundo a sua velocidade de rotação (rpm), existem três tipos: altas, médias e baixas velocidades.

Altas velocidades - (acima de 1000rpm) - São mais utilizados em inúmeras aplicações (automóveis, caminhões, barcos, compressores, bombas, entre outros...). Geralmente motores a quatro tempos com a combustão a dar-se rapidamente.

Médias velocidades - (variam entre as 500 e 1000rpm) - Na industria, estes motores são utilizados em aplicações de "grande porte", tais como locomotivas, grandes compressores e bombas, grandes geradores elétricos e alguns navios.

Baixas velocidades - (variam entre 60 e 200rpm) - Os maiores motores (em dimensão) quando comparados com os outros dois, estes motores diferenciam-se não só, pela potência que são capazes de desenvolver (cerca de 85 MW), como pelas propriedades do combustível e a velocidade de explosão.

25

Page 26: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

3-AS SUPERFÍCIES TERMODINÂMICAS

3.1-CONCEITOS BÁSICOS

Uma breve revisão dos conceitos é apresentada nessa seção. Todas as considerações são para uma substância pura, ou seja, mesmo que apresente mais de uma fase possuirá composição química invariável e homogênea para todas as fases. É também importante mencionar que apenas serão analisadas as fases líquidas e vapor das substâncias (bem como a região de saturação), não interessando para este trabalho o estado sólido.

Figura 13 - Representação esquemática da superfície termodinâmica e projeções nos planos Temperatura - pressão, volume específico - pressão e volume específico - temperatura

26

Page 27: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

Considerando uma substância pura no estado líquido que sofre uma diminuição de pressão, em um processo isotérmico, é possível verificar que em uma dada pressão, de valor bem estabelecido, inicia-se o processo de mudança de fase. A essa pressão dá-se a denominação de pressão de saturação, que permanece constante até a completa mudança de fase. Associado a cada pressão de saturação há um estado em que a substância se encontra apenas na fase líquida (líquido saturado) ou apenas na fase de vapor (vapor saturado). O valor da pressão de saturação é função exclusiva da temperatura (veja Fig. 13b). A curva resultante da união de todos os estados de equilíbrio, para diversas temperaturas, é denominada curva de saturação ou binodal (veja Fig. 13a). Em alguns casos é possível que, sob determinadas condições, em um processo isotérmico a pressão do líquido seja menor que a pressão de saturação (correspondente à temperatura da substância) e, ainda assim, não tenha ocorrido mudança de fase, contudo, nesta abordagem o fenômeno descrito não será discutido. O comportamento de interesse é aquele previsto pela termodinâmica do equilíbrio estável onde atingida a pressão de saturação há obrigatoriamente mudança de fase. Deste modo, se para uma dada temperatura a pressão é maior que a pressão de saturação, o fluido estará no estado líquido, daí o nome líquido comprimido. O mesmo ocorre se para uma dada pressão o fluido tiver temperatura menor que a temperatura de saturação e por esse motivo, em diversos livros texto esse estado é conhecido como líquido subresfriado. Se as condições forem exatamente inversas às descritas anteriormente temos vapor superaquecido (temperatura maior que a temperatura de saturação ou pressão menor que a pressão de saturação). Há um caso, no entanto, onde a isobárica (ou isotérmica) ocorre a uma determinada pressão (ou temperatura) em que o volume específico do líquido saturado é exatamente o mesmo do vapor saturado, no diagrama (veja Fig. 13) a mudança de fase é representada por um ponto, conhecido como ponto crítico e todas as propriedades são denominadas críticas (pressão crítica, temperatura crítica, etc.). Acima da temperatura ou pressão crítica não são mais usuais os termos líquido ou vapor, apenas fluido.

3.2-REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA VERSUS MODELO FÍSICO

A representação esquemática e o modelo físico são para uma substância qualquer, abrangendo o comportamento normal e esperado dos mesmos.

Uma representação esquemática da superfície termodinâmica pode ser observada na Fig. 1. Tradicionalmente são feitas projeções nos planos pressão volume específico (p-V), temperatura volume específico (T-v), e pressão temperatura (p-T) da curva de saturação, também são reproduzidos nos planos p-V e T-V cortes, respectivamente com temperatura e pressão constantes, gerando traços que reportam o comportamento da substância em processos isotérmicos e isobáricos. Imaginar a superfície termodinâmica a partir das projeções e dos cortes, e correlacioná-los entre si, é um exercício bastante complicado, principalmente devido as variações de curvatura nas

27

Page 28: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

diferentes regiões da superfície que traduzem seu formato particular. Essa abordagem acaba por não apresentar uma visão do todo, e induz a idéia de que as propriedades não estão relacionadas. Não é raro por equívoco a inversão das isobáricas e isotérmicas (ascendentes e descendentes com o aumento do volume específico respectivamente) nesses diagramas.

Fotos da superfície em resina podem ser observadas na Fig. 2. As regiões de líquido comprimido e vapor superaquecido estão destacados, bem como a curva binodal e o ponto crítico (Fig. 13a). Na seqüência são traçadas algumas isobáricas (Fig. 13b) e isotérmicas (Fig. 13d) na superfície e apresentadas as respectivas projeções (Fig. 13c e Fig. 13e).

Uma grande contribuição do uso do modelo físico é ressaltar a interdependência das propriedades. Para substâncias puras é sabido que qualquer propriedade termodinâmica pode ser escrita como função de duas outras propriedades independentes, assim sendo, para determinar o volume específico de uma substância é suficiente conhecer, por exemplo, sua temperatura e pressão, habilitando até mesmo o conhecimento do estado em que a substância se encontra. No modelo físico fica evidente que um par de coordenadas obrigatoriamente determina uma grandeza, seja ela temperatura, pressão ou volume específico.

A representação esquemática em 3D (desenho) não é completamente elucidativa, pois, ainda trata com limitações do modo de construção em duas dimensões (gráficos), onde muitas características não são evidentes e encontram-se ocultas ou imperceptíveis. Mesmo utilizando o recurso da perspectiva é possível que algumas regiões gerem ambigüidades nas interpretações, como concavidades que não podem ser distinguidas – um exemplo é a região próxima ao ponto crítico. O modelo em resina da superfície elimina todos esses inconvenientes e provém uma visão imediata de todos os processos que se deseja representar (isobáricos, isotérmicos, isocóricos e quaisquer).

No modelo em resina as regiões de líquido comprimido ou subresfriado e vapor superaquecido ficam claramente definidas o que ressalta o comportamento das fases em estudo. Um exemplo interessante pode ser dado, que é a conhecida baixa sensibilidade do volume específico frente a variações de pressão na região de líquido comprimido, na superfície pode-se notar um acentuado aclive (ou declive – dependendo do referencial) que comprova o fato (veja Fig. 14). Outro exemplo são as isotérmicas e isobáricas que passam pelo ponto crítico. O ponto crítico é um ponto de inflexão para essas curvas, porém, na Fig. 13 não é evidente essa característica, contudo, no modelo físico torna-se claro esse fato (Fig. 14c e Fig. 14f).

28

Page 29: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

29

Figura 14 – Fotos da superfície termodinâmicas construída em resina

Page 30: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

É oportuno lembrar a apresentação da superfície, que na região de mudança de fase – conhecida como região de saturação, onde é constante a pressão a uma dada temperatura e vice versa, o valor nominal do volume específico trata-se de uma representação, ou seja, em uma determinada mistura (bifásica) o volume específico é uma média ponderada do volume específico de vapor e de líquido saturados. Desta forma, a mistura que possui um valor de volume específico para o vapor e outro para o líquido passa a ter apenas um volume específico para a mistura bifásica como se o fluido fosse homogêneo composto de somente uma fase.

30

Page 31: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

4-CONCLUSÃO

Sobre os Equipamentos Termodinâmicos, concluímos que:

Qualquer equipamento termodinâmico necessita de uma fonte quente de onde se retira o calor, o qual transforma esse calor em trabalho. E que parte desse calor não é aproveitada, pois sempre parte desse calor tem de ser cedido à fonte fria, em acordo com a segunda lei da termodinâmica.

E sobre as Superfícies Termodinâmicas concluímos que:

O gráfico em 3D (Figura 14) é uma ferramenta didática importante no ensino da termodinâmica, destacando muitos aspectos do comportamento das substâncias puras, expondo e enfatizando a interdependência das propriedades. Ele introduz conceitos muito mais facilmente do que os gráficos, não se detendo nas dificuldades características dos mesmos, eliminando dúvidas muito freqüentes quando da apresentação da teoria.

31

Page 32: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

5-BIBLIOGRAFIA

5.1-Livros

1. VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. Editora Campus. São Paulo. SP. 4ª Edição.

2. CHVETZ, I.; KONDAK, M.; KIRAKOVSKI, N. et ali. Térmica General -

Termodinâmica Técnica, Turbinas y Maquinas Alternativas.

Editorial Hispano Europea. Barcelona. España. 1975.

3. BOULANGER. P. e ADAM. B. Motores Diesel. Editora Hemus. São

Paulo. SP.

4. METAL LEVE S.A. Manual Técnico. Metal Leve S.A. São Paulo.SP 5ª

Edição.

5. FLÔRES, L.F.V. Sistemas Térmicos I. Apostila. Escola Federal de

Engenharia de Itajubá. MG.

6. SOUZA, Z. Elementos de Máquinas Térmicas. Editora Campus-

EFEI. Rio de Janeiro. RJ. 1980

7. E. Ângelo, Estudo Numérico de Jatos Evaporativos. Dissertação de

mestrado apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São

Paulo, 2000.

8. J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott, Introdução à

Termodinâmica da Engenharia Química. Quinta Edição, LTC, 2000.

9. M. M. Abbott, H. C. Van Ness, Termodinâmica. McGrawHill

32

Page 33: Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

5.2-Material da Internet

1. http://pt.wikipedia.org/wiki/Pagina_principal

2. http://www.mecanicaonline.com.br

3. http://www.infoescola.com

4. http://www.mundoeducacao.com.br

5. http://www.ecientificocultural.com

33


Top Related