Equipamentos Termodinmicos e Superfcies Termodinmicas

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICA DE MINAS GERAIS

TERMODINMICA

Equipamentos Termodinmicos e Superfcies TermodinmicasKEYLLER OLIVEIRA DOS SANTOS MOTA

BELO HORIZONTE MAIO - 2010

KEYLLER OLIVEIRA DOS SANTOS MOTA

EQUIPAMENTOS TERMODINMICOS E SUPERFCIES TERMODINMICAS

Trabalho apresentado ao Professor Humberto Barros de Oliveira da disciplina de Mquinas Trmicas da turma 01, turno noturno do curso tcnico de Eletromecnica.

CEFET-MG Belo Horizonte - 19 de Abril de 2010 2

SUMRIO1-INTRODUO 1.1-Termodinmica 1.2-Sistemas Termodinmicos 1.2.1-Tipos de Sistemas 1.2.2-Pontos de vista Macroscpico e Microscpico 1.3-Propriedade, Estado, Processo e Equilbrio 1.3.1-Propriedades Extensivas e Intensivas 1.3.2-Fase e Substncia Pura 1.3.3-Equilbrio Termodinmico 1.4-Trabalho 1.5-Energia 2-OS EQUIPAMENTOS TERMODINMICOS 2.1-Definio 2.1.1-Rendimento 2.2-Motor a Vapor 2.2.1-Carcaa 2.2.2-Mancais 2.2.3-Rotor 2.2.4-Palhetas 2.2.5-Labirintos 2.3-Turbina a Gs 2.3.1-Ciclo Brayton 2.3.2-Turbinas Aeronuticas 2.3.3-Turbogeradores 2.3.4-Outras Aplicaes 2.4-Geladeira 2.4.1-Funcionamento 2.4.2-Eficincia Energtica 2.5-Ar Condicionado 2.6-Motor a Diesel 2.6.1-Tecnologia 2.6.2-Combustvel 2.6.3-Funcionamento Mecnico 2.6.4-Gama de Velocidade 3-AS SUPERFCIES TERMODINMICAS 3.1-Conceitos Bsicos 3.2-Representao Esquemtica versus Modelo Fsico 4-CONCLUSO 5-BIBLIOGRAFIA 5.1-Livros 5.2-Material da Internet p.04 p.04 p.04 p.05 p.05 p.05 p.06 p.06 p.07 p.07 p.08 p.11 p.11 p.11 p.12 p.13 p.13 p.14 p.14 p.14 p.15 p.16 p.16 p.17 p.18 p.18 p.20 p.21 p.21 p.23 p.23 p.24 p.24 p.26 p.26 p.27 p.31 p.32 p.32 p.33 3

1-INTRODUO

1.1-TERMODINMICA A Termodinmica o ramo da Fsica que estuda os efeitos da mudana em temperatura, presso e volume em sistemas fsicos na escala macroscpica. A grosso modo, calor significa "energia" em trnsito, e dinmica se relaciona com "movimento". Contudo, a Termodinmica estuda o movimento da energia e como a energia cria movimento. A partir de uma viso macroscpica para o estudo do sistema, desenvolveuse a chamada termodinmica clssica. Ela permite abordar de uma maneira fcil e direta a soluo de nossos problemas. O ponto inicial para a maioria das consideraes termodinmicas so as Leis da Termodinmica, que postulam que a energia pode ser transferida de um sistema fsico para outro como calor ou trabalho. Elas tambm postulam a existncia de uma quantidade chamada entropia, que pode ser definida para qualquer sistema. Em Termodinmica, interaes entre grandes conjuntos de objetos so estudadas e categorizadas. Para este estudo, os conceitos de sistema e vizinhanas so centrais. Um sistema composto de partculas cujo movimento mdio define suas propriedades, relacionadas atravs das equaes de estado. Propriedades podem ser combinadas para expressar energia interna e potenciais termodinmicos, que so teis para determinadas condies de processos de equilbrio e espontneos. Com estas ferramentas, a termodinmica descreve como os sistemas respondem a mudanas em suas vizinhanas. Isso pode ser aplicado para uma ampla variedade de tpicos em cincia e tecnologia. Os resultados da termodinmica so essenciais para outros campos da fsica e da qumica.

1.2-SISTEMAS TERMODINMICOS SISTEMA identifica o objeto da anlise. Pode ser um corpo livre ou algo complexo como uma Refinaria completa.

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Pode ser a quantidade de matria contida num tanque de paredes rgidas ou uma tubulao atravs da qual a matria flui. VIZINHANA - Tudo o que externo ao sistema. FRONTEIRA - superfcie real ou imaginria que separa o sistema de sua fronteira.

Pode estar em movimento ou repouso. Deve ser definida cuidadosamente ANTES de se proceder a qualquer anlise termodinmica. Sua definio arbitrria e dever ser feita pela convenincia da anlise a ser feita.

1.2.1-Tipos de Sistemas Sistema Fechado - quantidade fixa de matria. Massa no entra, nem sai. Volume de Controle - regio do espao atravs da qual ocorre fluxo de massa.

1.2.2-Pontos de vista Macroscpico e Microscpico Macroscpico - trata do comportamento global, inteiro do sistema. Nenhum modelo de estrutura molecular, atmica ou subatmica utilizado diretamente. Este tratamento o aplicado na termodinmica clssica. O sistema tratado como um continuum. Microscpico - tratamento que leva em conta a estrutura da matria. chamada de termodinmica estatstica. O objetivo caracterizar por meios estatsticos o comportamento mdio das partculas e relacion-lo com o comportamento macroscpico do sistema.

1.3-PROPRIEDADE, ESTADO, PROCESSO E EQUILBRIO Propriedade - caractersticas macroscpicas de um sistema, como massa, volume, energia, presso e temperatura. Estado - condio do sistema, como descrito por suas propriedades. como normalmente existem relaes 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

Processo - mudana de estado devido a mudana de uma ou mais propriedades. Estado Estacionrio - nenhuma propriedade muda com o tempo. Ciclo Termodinmico - sequncia de processos que comeam e terminam em um mesmo estado.

1.3.1-Propriedades Extensivas e Intensivas Extensivas Seu valor para o sistema inteiro a soma dos valores das partes em que o sistema for subdividido. Dependem do tamanho e extenso do sistema. Seus valores podem variar com o tempo. Exemplo: massa, energia, volume.

Intensivas No so aditivas, como no caso anterior. Seus valores no dependem do tamanho e extenso do sistema. Podem variar de um lugar para outro dentro do sistema em qualquer momento. Exemplo: temperatura e presso.

1.3.2-Fase e Substncia Pura Fase Quantidade de matria que homognea tanto em composio qumica quanto em estrutura fsica. Homogeneidade na estrutura fsica significa que a matria totalmente slida, totalmente lquida ou totalmente gasosa. Um sistema pode conter uma ou mais fases. Exemplo: gua e seu vapor. Notar que os gases e alguns lquidos podem ser misturados em qualquer proporo para formar uma simples fase. Substncia Pura invarivel em composio qumica e uniforme. Pode existir em mais de uma fase desde que seja garantida a condio acima. 6

1.3.3-Equilbrio Termodinmico: Uniformidade de Propriedades no Equilbrio: no variam de um ponto para outro. Exemplo: temperatura. Processo Quase-Esttico: processo idealizado composto de uma sucesso de estados de equilbrio, representando cada processo um desvio infinitesimal da condio de equilbrio anterior.Esses processos representam a base para comparao dos processos reais. Processos Reais: so compostos por sucesso de estados de no equilbrio (no uniformidade espacial e temporal das propriedades, e variaes locais com o tempo).

1.4-TRABALHO Trabalho de Compresso e Expanso de um fluido num cilindro mediante a movimentao de um pisto

Figura 1 Trabalho de compresso e expanso de um fluido num cilindro.

A fora exercida pelo pisto sobre o fluido dado po: produto da rea do pisto pela presso do fluido. O deslocamento do pisto igual a variao de volume dividido pela rea do pisto: 7

Portanto de (1) temos:dW = P. A. dV A

dW = PdV (2)

Integrando temos:

dW

=

V2

V1

PdV

(3) - Expresso do trabalho realizado como resultado de uma compresso finita ou de um processo de expanso. , o Este trabalho pode ser representado pela rea hachurada da figura 2, onde um gs com volume V1 presso P1 comprimido at a presso P2 com volume V2.

Figura 2 - Grfico Volume x Presso

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

1.5-ENERGIA O conceito de energia est fundamentado na 2 Lei de movimento de Newton e no trabalho: Ento da eq. (1) temos: dW = F.dl Mas: F=m.a 8

Logo:

dW = m.a.dl

(4)

Onde m = massa e a = acelerao: Podemos escrever a acelerao como:a= du dt

(5) variao da velocidade com o tempo:

Portanto reescrevendo a equao (4) temos:dW = m du dl (5) dtdl (6) dt

Mas: u =

Substituindo (6) em (5) temos:dW = mudu (7)

A equao 7 pode ser integrada quando houver uma variao finita de velocidade de u1 at u2. Ento:

dW = muduu1

u2

dW = m uduu1

u2

u2 u2 W = m 2 1 2 2

W=

2 mu 2 mu12 2 2

W =

mu 2 (8) 2

O termo

mu 2 foi chamado de energia cintica 2

Quando um corpo de massa m levantado de uma altura inicial z1 para uma altura final z2, necessrio aplicar sobre ele uma fora de pelo menos igual ao peso do corpo e esta fora deve deslocar-se ao longo de z2 z1. Uma vez que o peso do corpo resultado resultado da ao da gravidade sobre ele, a fora mnima necessria. F=mg Onde g acelerao local da gravidade. O trabalho mnimo para suspender o corpo igual ao produto desta fora pela variao de cota. 9

Ento temos: Da equao (1)W = mg ( z 2 z1 ) ou

dW = F.dl

dW

= F dlz1

z2

W = mg dlz1

z2

W = mgz 2 mgz 1 ou

W = mgz

(9)

O termo mgz foi chamado de energia potencial. Resumindo: O trabalho de acelerao de um corpo provoca uma modificao na sua energia cintica, ou:W = E K = mu 2 2

(10)

O trabalho feito sobre o corpo para elev-lo produz uma alterao na sua energia potencial (gravitacional), ou:W = E P = mgz (11)

2-OS EQUIPAMENTOS TERMODINMICOS2.1-DEFINIO Mquinas trmicas (ou equipamentos termodinmicos) so mquinas que realizam trabalho e lidam com a variao de temperatura. Normalmente, as mquinas trmicas retiram calor da fonte quente e transferem-no para a fonte fria, o que define sua eficincia. Uma mquina trmica tem maior eficincia se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor na fonte fria. As mquinas trmicas utilizam energia na forma de calor (gs ou vapor em expanso trmica) para provocar a realizao de um trabalho mecnico. Por 10

isso o cilindro com pisto mvel um dos principais componentes dessas mquinas: o gs preso dentro do cilindro sob presso, quando aquecido, expande-se, deslocando o pisto e realizando trabalho. Apesar dos diferentes tipos de mquinas trmicas, elas obedecem as seguintes caractersticas: Recebem calor de uma fonte quente. Rejeitam o calor que no foi usado para um reservatrio chamado fonte fria; Funcionam por ciclos. As mquinas trmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam normalmente um fluido para receber e ceder calor ao qual se d o nome de fluido de trabalho. O trabalho lquido do sistema simplesmente a diferena de trabalho da fonte quente e da fonte fria: (1) Onde: Wt trabalho lquido ou total da mquina trmica; W2 o trabalho da fonte quente; W1 o trabalho da fonte fria. O trabalho pode ser definido a partir das trocas de calor: (2) Onde Q2 e Q1 so respectivamente o calor cedido da fonte quente e o calor recebido pela fonte fria.

2.1.1-Rendimento: O rendimento das mquinas trmicas pode ser de uma maneira geral, a razo entre o trabalho total e o trabalho (ou calor) necessrio para que ela funcione, ou seja, o que se obtm pelo que se d de trabalho: (3) Mas pela equao (2) podemos melhorar a equao (3):

E por fim: (4) O rendimento a eficincia com que uma mquina trmica funciona. Em geral o rendimento das mquinas baixo: Motores de automveis da ordem de 30%; Motores a diesel da ordem de 50%; Grandes turbinas a gs da ordem de 80%. Assim o restante de energia que no aproveitado pela mquina expulso para o meio ambiente na forma de energia intil, "perdida".

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2.2-MOTOR A VAPOR

Figura 3 - Motor a Vapor

O motor a vapor, que chamado de mquina a vapor costumeiramente refere-se tambm a turbina a vapor outro tipo de mquina trmica que exploram a presso do vapor. Todas as mquinas trmicas funcionam baseadas no princpio de que o calor uma forma de energia, ou seja, pode ser utilizado para produzir trabalho, e seu funcionamento obedece s leis da termodinmica. Embora a inveno do motor de combusto interna no final do sculo XIX parecesse ter tornado obsoleta a mquina a vapor, ela ainda hoje muito utilizada, por exemplo, nos reatores nucleares que servem para produzir energia eltrica. No caso da mquina a vapor, o fluido de trabalho o vapor de gua sob alta presso e a alta temperatura. O funcionamento da turbina a vapor baseia-se no principio de expanso do vapor, gerando diminuio na temperatura e energia interna; essa energia interna perdida pela massa de gs reaparece na forma de energia mecnica, pela fora exercida contra um mbolo. H diversas classificaes possveis para as turbinas a vapor, mas a mais comum dividilas entre: De condensao - um sistema fechado de gerao de energia. Neste, o vapor tanto atravessa a turbina fazendo-a girar como tambm, ao ser condensado, gera uma zona de baixa presso no difusor de sada da turbina aumentando o giro e realimentando a caldeira com o agente para novo ciclo. o tipo mais comum em centrais termoeltricas e nucleares. De contrapresso - Assim chamado o mtodo mais arcaico que se pode usar numa mquina trmica. o mesmo projeto de Heron de Alexandria usado no segundo sculo antes de Cristo, o sistema Contra-Presso similar a uma mquina a vapor conhecida pelo nome de eolpila. O fato do vapor no passar por um condensador ao sair da turbina, ocasiona a perda de potencia da turbina. Ele deixa a turbina ainda com certa presso e temperatura e pode ser aproveitado em outras etapas de uma planta de processo qumico, seja em aquecedores, destiladores, estufas, ou simplesmente lanado na atmosfera. Este tipo muito usado para acionamento ou cogerao de energia, em usinas petroqumicas, navios, 12

plataformas de petrleo, etc. embora seja o sistema mais primitivo de captao de energia.

2.2.1-Carcaa: Feita de ao fundido e usinado internamente, montada na horizontal. A espessura da carcaa pode ultrapassar 150mm na regio de alta presso. A funo da carcaa conter todo o conjunto rotativo, composto pelo eixo e pelas palhetas, e aconficionar os bocais (nozzles) fixos. Embora a funo seja simples, o projeto mecnico da carcaa bastante complexo e crtico para o bom funcionamento da turbina a vapor. A principal razo disto 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 dilatao do material, que pode facilmente exceder 15 mm dependendo do tamanho da turbina. Quando ocorre esta dilatao, h o risco de as folgas entre as partes fixas e mveis serem reduzidas a ponto de haver roamento, e consequentemente, desgaste ou mesmo ruptura das palhetas. Tambm, devido grande espessura da parede, h grandes gradientes trmicos. A parte interna, em contato com o vapor, se ditada mais, devido alta temperatura. A parte externa da parede, em contato com o ambiente, se dilata menos. Essa diferena entre a dilatao do material na parte interna e externa da parede d origem a fortes tenses que podem causar distoro ou fadiga trmica. 2.2.2-Mancais:

Na carcaa so montados um conjunto de 2 a 4 mancais, dependendo do tamanho da turbina. Os mancais podem ser ainda: De guia: so os que suportam o peso do eixo e o carregamento radial. Permitem que ele tenha movimento giratrio livre de atrito. De escora: suportam a carga axial decorrente do "choque" do vapor com as palhetas. montado no sentido horizontal.

Os mancais de turbinas a vapor no usam rolamentos. Eles so do tipo hidrodinmico, em que o eixo flutua sobre um filme de leo em alta presso que causada pelo prprio movimento do eixo, relativo parede do mancal. O mancal tambm tem um sistema de selagem de leo e de vapor. Este sistema de selagem impede que vapores de leo, ou de gua, passem da turbina para o ambiente. Normalmente o sistema constitudo de uma srie de labirintos que provocam uma perda de carga no fluxo de vapor, reduzindo o vazamento. 13

2.2.3-Rotor: O rotor a parte girante da turbina e responsvel pela transmisso do torque ao acoplamento. No rotor so fixadas as palhetas, responsveis pela extrao de potncia mecnica do vapor. O rotor suportado pelos mancais, normalmente pelas extremidades. fabricado com aos ligados e forjados. Os materiais que so empregados atualmente so ligas com altos percentuais de nquel, cromo ou molibdnio. Nas mquinas mais modernas, so feitos a partir de um lingote fundido vcuo, e depois forjado. O eixo deve ser cuidadosamente balanceado e livre de imperfeies superficiais, que podem funcionar com concentradoras de tenses, o que reduz a resistncia fadiga do eixo. Em uma das extremidades do eixo feito o acoplamento, seja a um gerador eltrico, ou a uma mquina de fluxo, como um ventilador, um compressor ou uma bomba. Mas, devido a necessidade de se obter uma rotao diferente no acoplamento, muitas vezes o eixo ligado a uma caixa redutora de velocidade, onde a rotao da turbina aumentada ou reduzida, para ser transmitida ao acoplamento.

2.2.4-Palhetas: As palhetas so perfis aerodinmicos, projetados para que se obtenha em uma das faces uma presso positiva, e na outra face uma presso negativa. Da diferena de presso entre as duas faces obtida uma fora resultante, que transmitida ao eixo gerando o torque do eixo.

2.2.5-Labirintos: Os labirintos so peas aplicadas em turbinas a vapor com a finalidade de vedar a carcaa sem atritar. So fabricados na grande maioria em alumnio e so bi-partidos radialmente para facilitar a manuteno da mquina. Internamente, eles so aplicados para garantir o rendimento da turbina. Nos casos em que h mais de um rotor, o vapor no pode se dissipar dentro da carcaa para no perder energia e baixar o rendimento da mquina. Os labirintos tambm so utilizados na vedao da carcaa em relao ao ambiente externo, evitando tambm a dissipao do vapor para a atmosfera. Nas turbinas de grande porte, h a injeo de vapor nos labirintos, por meio de uma tomada vinda da prpria mquina, para equalizar as presses e garantir a vedao da carcaa.

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2.3-TURBINA A GS

Figura 4 Princpio de uma Turbina a Gs

O termo turbina a gs mais comumente empregado em referncia a um conjunto de trs equipamentos: compressor, cmara de combusto e turbina propriamente dita. Esta configurao forma um ciclo termodinmico a gs, 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) admitido na presso atmosfrica e os gases de escape, aps passarem pela turbina, so descarregados de volta na atmosfera sem que retornem admisso. A denominao turbina a gs pode ser erroneamente associada ao combustvel utilizado. A palavra gs no se refere queima de gases combustveis, mas, sim ao fluido de trabalho da turbina, que neste caso a mistura de gases resultante da combusto. O combustvel em si pode ser gasoso, como gs natural, gs liquefeito de petrleo (GLP), gs de sntese ou lquido como querosene, leo diesel e at mesmo leos mais pesados.

2.3.1-Ciclo Brayton: O ciclo Brayton um ciclo ideal, uma aproximao dos processos trmicos que ocorrem nas turbinas a gs, descrevendo variaes de estado (presso e temperatura) dos gases. O conceito utilizado como base didtica e para

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anlise dos ciclos reais, que se desviam do modelo ideal, devido a limitaes tecnolgicas e fenmenos de irreversibilidade, como o atrito. O ciclo se constitui de quatro etapas. Primeiramente, o ar em condio ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compresso adiabtica e isentrpica, com aumento de temperatura e conseqente aumento de entalpia. Comprimido, o ar direcionado s cmaras, onde se mistura com o combustvel possibilitando queima e aquecimento, presso constante. Ao sair da cmara de combusto, os gases, alta presso e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variao de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a presso e temperatura dos gases, gerando-se potncia mecnica. A potncia extrada atravs do eixo da turbina usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra mquina. A quarta etapa no ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferncia de calor do fluido para o ambiente. Desta forma, mesmo se tratando de um ciclo aberto, parte da energia proveniente da combusto rejeitada sob a forma de calor, contido nos gases quentes de escape. A rejeio de calor um limite fsico, intrnseco ao funcionamento de ciclos termodinmicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinmica. A perda de ciclo ideal pode ser quantificada pela potncia proveniente do combustvel, descontando-se a potncia de acionamento do compressor e a potncia lquida. Assim, diminui-se a perda medida que se reduz a temperatura de escape e se eleva a temperatura de entrada da turbina, o que faz da resistncia, a altas temperaturas, das partes da turbina um ponto extremamente crtico na tecnologia de construo destes equipamentos.

2.3.2-Turbinas Aeronuticas: Turbinas a gs so amplamente empregadas na propulso de avies e outros tipos de aeronaves. Isto se deve principalmente a caracterstica de alta densidade de potncia, em relao a outras mquinas como motores de combusto interna. Ou seja, as turbinas a gs geram maiores potncias comparadas a maquinas de mesmo peso, o que vantajoso, uma vez que a reduo do peso das aeronaves acarreta em maior eficincia e capacidade de carga. Existem diferentes configuraes de turbina aeronuticas. Por exemplo, em turbinas do tipo turbojato, o eixo, movimentado pela turbina propriamente dita, apenas aciona o compressor. Em ltima anlise, atravs do bocal, o restante da potncia til consumida na acelerao dos gases, responsvel pelo empuxo gerado.

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Outros tipos de propulsores (turbohlices ou turbofans) tambm baseados em ciclos a gs tm o eixo acoplado a hlices ou ventiladores que impelem parte do ar por by-pass, ou seja, sem que o mesmo passe atravs da turbina. Nestes casos, o empuxo se deve em parte aos gases de escape da turbina e em parte ao fluxo de ar externo.

Figura 5 - Compressor de 17 estgios

Figura 6 - Cmaras de combusto

Figura 7 - Turbina de 3 estgios

2.3.3-Turbogeradores: Turbinas a gs dedicadas gerao de energia eltrica so divididas em duas principais categorias, no que se refere concepo. So elas as pesadas (Heavy-duty), desenvolvidas especificamente para a gerao de energia eltrica ou propulso naval e as aeroderivativas, desenvolvidas a partir de projetos anteriores dedicados a aplicaes aeronuticas. Com a exceo das micro-turbinas (dedicadas gerao descentralizada de energia eltrica) o compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18 estgios de compresso. Cada estgio do compressor formado por uma fileira de palhetas rotativas que impem movimento ao fluxo de ar (energia cintica) e uma fileira de palhetas estticas, que utiliza a energia cintica para compresso. O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre 300C e 450C. Cerca de metade da potncia produzida pela turbina de potncia utilizada no acionamento do compressor e o restante a potncia lquida gerada que movimenta um gerador eltrico. Saindo da cmara de combusto, os gases tm temperatura de at 1250C. Aps passar pela turbina, os gases so liberados ainda com significante disponibilidade energtica, tipicamente a temperaturas entre 500 e 650 Celsius. Considerando isso, as termeltricas mais eficientes e de maior porte aproveitam este potencial atravs de um segundo ciclo termodinmico, a vapor (ou Ciclo Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo combinado, de eficincia trmica freqentemente superior a 60%, ciclos simples a gs tm tipicamente 35%. Turbinas projetadas para operar em ciclo simples, tendo em vista a eficincia trmica do ciclo, tm temperatura de sada de gases reduzida ao mximo e tm otimizada taxa de compresso. A taxa de compresso a relao entre a

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presso do ar entrada e sada do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor a 15 atm, a taxa de compresso de 1:15. Turbinas a gs especficas para operar em ciclo combinado, so desenvolvidas de modo a maximizar a eficincia trmica do ciclo como um todo. Desta forma, a reduo da temperatura dos gases de escape no necessariamente o ponto mais crtico, em termos de eficincia, uma vez que os gases de sada da turbina ainda so utilizados para gerar potncia.

Figura 8 - Turbina a gs GE srie H, para gerao eltrica, de potncia de 480 MW em ciclo combinado

2.3.4-Outras Aplicaes: Turbinas a gs tambm podem acionar diversos outros tipos de mquinas movidas por eixo, tais como navios, nibus, helicpteros, locomotivas, tanques de guerra, bombas e compressores (externos ao prprio ciclo da turbina).

2.4-GELADEIRA A geladeira (tambm conhecido por refrigerador no Brasil, e geleira em Moambique e Angola), um utenslio eletrodomstico utilizado na conservao de alimentos. O termo frigorfico usado no Brasil para designar geladeiras de grande porte. Consiste em um armrio metlico com prateleiras e gavetas e uma porta isolante, para manter o frio no interior do utenslio. O frio produzido por um compressor, normalmente movido por um motor eltrico. Na maior parte dos casos, o frigorfico domstico possui um compartimento para fabricar gelo e congelar produtos frescos, embora uma cozinha possa ter um destes eletrodomsticos e ainda um congelador separado (por exemplo, uma arca frigorfica). Este utenslio um descendente das antigas casas-de-gelo e caixas-de-gelo, que usavam gelo natural produzido no inverno nas regies frias. Ainda hoje as 18

caixas trmicas, com isolamento plstico, so usadas para levar coisas frescas para a praia, quando se vai acampar, para a pequena venda-a-retalho de cervejas e refrigerantes), alm de utilizao no transporte de materiais sensveis como alguns tipos de medicamentos. Para alm da verso domstica, so comuns os frigorficos industriais que podem ser do tamanho de um domstico, mas especializados para variados tipos de produtos (como bebidas ou sorvetes), at ao tamanho de um cmodo de uma casa, ou maiores, como os utilizados em entrepostos frigorficos para conservar pescado, carne ou vegetais para exportao, importao, ou para distribuio. Neste caso recebem o nome de "cmara frigorfica". A primeira mquina refrigeradora foi construda em 1856, usando o princpio da compresso de vapor, pelo australiano James Harrison, que tinha sido contratado por uma fbrica de cerveja para produzir uma mquina que refrescasse aquele produto durante o seu processo de fabricao, e para a indstria de carne processada para exportao... Na rea dos transportes de carga as primeiras experincias iniciaram em 1851, nos EUA, e em 1857, foi construdo o primeiro bem sucedido vago refrigerado para a indstria de carnes de Chicago e, em 1866 [1] o primeiro vago com refrigerao apropriada para frutas, tambm nos Estados Unidos da Amrica. O primeiro frigorfico domstico s apareceu em 1913 e foi batizado DOMELRE (DOMestic ELectric REfrigerator), mas este nome no teve sucesso e foi Kelvinator o nome que popularizou este utenslio nos EUA. Tal como a maioria dos seus descendentes modernos, este frigorfico 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 contrrio dos predecessores, neste frigorfico o compressor, que produzia bastante calor, estava colocado no topo do aparelho, protegido por um anel decorativo. Foram vendidos mais de um milho destes aparelhos, dos quais alguns ainda esto em funcionamento.

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Figura 9 - Geladeira Comum

2.4.1-Funcionamento: O funcionamento de um refrigerador baseia-se em trs princpios: O calor transfere-se das zonas quentes para as zonas frias (ou menos quentes). A presso proporcional temperatura. Ou seja, aumentando a presso, aumenta-se a temperatura. A evaporao de um lquido retira calor. Fenmeno anlogo sensao de frescura sentida pela evaporao de lcool sobre a pele, ou pela transpirao.

No interior de cada refrigerador existe uma serpentina oculta (evaporizador) onde circula um gs muito frio (-37 C). O calor dos alimentos transferido para este gs que vai aquecendo medida que percorre a serpentina. Para transferir esse calor para o exterior usa-se um compressor que ao aumentar a presso ao gs, aumenta-lhe a temperatura. Este gs aquecido segue para o condensador (a serpentina visvel na parte traseira do refrigerador), onde troca calor com o ar exterior, arrefecendo o gs e condensando-o. O lquido refrigerador passa ento por uma vlvula de expanso ou garganta, que provoca um abaixamento brusco na presso e consequente evaporao instantnea e auto-arrefecimento. Este gs frio entra no refrigerador e completa-se o ciclo termodinmico. Alguns refrigeradores no utilizam energia eltrica, mas energia trmica, queimando querosene, diesel ou qualquer forma de gerao de calor. Essas mquinas so extremamente silenciosas, pois no tem partes mveis alm dos lquidos e gases que passam em seu interior. Muito comumente so utilizados em reas onde energia eltrica no facilmente disponveis como trailers e 20

regies rurais ou em situaes onde o barulho do compressor pudesse incomodar como quartos de hospital ou hotis de luxo. O ciclo termodinmico nesses casos chamado de Refrigerao por absoro. Essas mquinas so relativamente sensveis inclinao.

2.4.2-Eficincia Energtica: A eficincia eltrica de um refrigerador residencial basicamente funo da sua capacidade, mas existem diferenas de nvel se o sistema possui freezer (18 graus Centgrados) combinado ou um sistema de 1 porta somente com compartimento gelado (-3 a -5 graus Centgrados). Do ponto de vista energtico no vale a pena ter um refrigerador 1 porta e um freezer como 2 equipamentos separados quando possvel ter ambos em um nico equipamento. Tambm importante notar que para uma dada capacidade existe uma grande variao de eficincias, deixando claro que muito importante realizar uma comparao antes da compra, pois o refrigerador um dos itens que mais consome energia numa residncia.

Figura 10 - Grfico Consumo mensal x Capacidade Volumtrica

2.5-AR CONDICIONADO

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Figura 11 - Sistema bsico de ar condicionado

Da mesma forma que os refrigeradores, os condicionadores de ar so mquinas trmicas que transferem calor de uma regio fria para um mais quente. Os aparelhos de ar condicionados so constitudos por um compressor, um condensador e um evaporador, porm no utilizam a mesma substncia refrigerante que o aparelho de refrigerador domstico. Alguns utilizam o freon 22, o que apresenta uma temperatura de ebulio igual a -40,8C presso atmosfrica o que permite sua condensao sob menores presses que as substncias utilizadas nos refrigeradores, quando seu objetivo refrigerar o ambiente. No ar condicionado, o ar do ambiente passa por um filtro que retm o p e a umidade nele contidos e, depois de filtrado, entra em contato com a serpentina onde resfriado, retornando ao ambiente atravs de um ventilador. O condensador deve ficar do lado de fora do ambiente que queremos refrigerar, pois ele aquece e o excesso de calor no deve aquecer o ar do ambiente que queremos resfriar. O ar condicionado tambm tem a funo de aquecer o ambiente e, neste caso, um aquecedor eltrico utilizado, fazendo com que circule gua quente ou vapor por um tubo semelhante serpentina. Da mesma forma que o refrigerador, a troca de calor se d por conveco.

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2.6-MOTOR A DIESEL O motor a diesel ou motor de ignio por compresso um motor de combusto interna inventado pelo engenheiro alemo Rudolf Diesel (18581913), em que a combusto do combustvel se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compresso da mistura inflamvel. As principais diferenas entre o motor a gasolina e o motor diesel so as seguintes: enquanto o motor a gasolina funciona com a taxa de compresso 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 + combustvel - para a cmara de combusto e queima a partir de uma fasca eltrica fornecida pela vela de ignio no momento de mxima compresso. No motor diesel no existe uma aspirao, mas sim uma injeo de leo (combustvel) no momento de mxima compresso, a alta taxa de oxignio faz com que o leo entre em combusto, produzindo a exploso sem a necessidade da ignio eltrica. O Engenheiro Rudolf Diesel chegou a esse mtodo quando aperfeioava mquinas a vapor.

Figura 12 Esquema de um motor a Diesel

2.6.1-Tecnologia:

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Quando o tempo est frio, o ar ao ser comprimido poder no atingir a temperatura suficiente para a primeira ignio, mas esses obstculos tm vindo a desaparecer em virtude das injees eletrnicas diretas e a maior rotao do motor de partida. Nos modelos antigos ou lugares muito frios costuma-se usar velas de incandescncia no tubo de admisso para minimizar esse efeito sendo que alguns motores estacionrios ainda usam buchas de fogo e a partida feita com manivelas.

2.6.2-Combustvel: O combustvel utilizado atualmente pelos motores diesel o gasleo (o invento original rodou com leo vegetal ), um hidrocarboneto obtido a partir da destilao do petrleo a temperaturas de 250C e 350C. Recentemente, o diesel de petrleo vem sendo substitudo pelo biodiesel e por leo vegetal a partir de tecnologias de converso, sendo algumas de fontes de energia renovvel. Onde se tem feito mais evoluo neste tipo de motorizao mais eficiente que o seu congnere a gasolina no campo da injeo direta, nomeadamente nas de alta presso como o injector-bomba e o "common-rail", que possibilitam a obteno de mais potncia, menor consumo e menos rudo de funcionamento.

2.6.3-Funcionamento Mecnico: Na maioria das aplicaes, os motores Diesel funcionam a quatro tempos O ciclo inicia-se com o mbolo no Ponto Morto Superior (PMS). A vlvula de admisso est aberta e o mbolo ao descer aspira o ar para dentro do cilindro. O mbolo atinge o Ponto Morto Inferior (PMI) e inicia-se ento a compresso. A temperatura do ar dentro do cilindro aumenta substancialmente devido diminuio do volume. Pouco antes do PMS o combustvel comea a ser pulverizado pelo ejetor em finas gotculas, misturando-se com o ar quente at que se d a combusto. A combusto controlada pela taxa de injeo de combustvel, ou seja, pela quantidade de combustvel que injetado. O combustvel comea a ser injetado um pouco antes do PMS devido ao fato de atingir a quantidade suficiente para uma perfeita mistura (ar + combustvel)e consequentemente uma boa combusto. A expanso comea aps o PMS do mbolo com a mistura (ar + combustvel) na proporo certa para a combusto espontnea, onde o combustvel continua a ser pulverizado at momentos antes do PMI.

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O ciclo termina com a fase de escape, onde o embolo retorna ao PMS, o que faz com que os gases de combusto sejam expulsos do cilindro, retomando assim o ciclo. No caso dos motores a dois tempos, o ciclo completado a cada volta, a admisso no feita por vlvulas mas sim por janelas.

2.6.4-Gama de Velocidade: Industrialmente, estes motores so divididos segundo a sua velocidade de rotao (rpm), existem trs tipos: altas, mdias e baixas velocidades. Altas velocidades - (acima de 1000rpm) - So mais utilizados em inmeras aplicaes (automveis, caminhes, barcos, compressores, bombas, entre outros...). Geralmente motores a quatro tempos com a combusto a dar-se rapidamente. Mdias velocidades - (variam entre as 500 e 1000rpm) - Na industria, estes motores so utilizados em aplicaes de "grande porte", tais como locomotivas, grandes compressores e bombas, grandes geradores eltricos e alguns navios. Baixas velocidades - (variam entre 60 e 200rpm) - Os maiores motores (em dimenso) quando comparados com os outros dois, estes motores diferenciam-se no s, pela potncia que so capazes de desenvolver (cerca de 85 MW), como pelas propriedades do combustvel e a velocidade de exploso.

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3-AS SUPERFCIES TERMODINMICAS

3.1-CONCEITOS BSICOS Uma breve reviso dos conceitos apresentada nessa seo. Todas as consideraes so para uma substncia pura, ou seja, mesmo que apresente mais de uma fase possuir composio qumica invarivel e homognea para todas as fases. tambm importante mencionar que apenas sero analisadas as fases lquidas e vapor das substncias (bem como a regio de saturao), no interessando para este trabalho o estado slido.

Figura 13 - Representao esquemtica da superfcie termodinmica e projees nos planos Temperatura - presso, volume especfico - presso e volume especfico - temperatura

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Considerando uma substncia pura no estado lquido que sofre uma diminuio de presso, em um processo isotrmico, possvel verificar que em uma dada presso, de valor bem estabelecido, inicia-se o processo de mudana de fase. A essa presso d-se a denominao de presso de saturao, que permanece constante at a completa mudana de fase. Associado a cada presso de saturao h um estado em que a substncia se encontra apenas na fase lquida (lquido saturado) ou apenas na fase de vapor (vapor saturado). O valor da presso de saturao funo exclusiva da temperatura (veja Fig. 13b). A curva resultante da unio de todos os estados de equilbrio, para diversas temperaturas, denominada curva de saturao ou binodal (veja Fig. 13a). Em alguns casos possvel que, sob determinadas condies, em um processo isotrmico a presso do lquido seja menor que a presso de saturao (correspondente temperatura da substncia) e, ainda assim, no tenha ocorrido mudana de fase, contudo, nesta abordagem o fenmeno descrito no ser discutido. O comportamento de interesse aquele previsto pela termodinmica do equilbrio estvel onde atingida a presso de saturao h obrigatoriamente mudana de fase. Deste modo, se para uma dada temperatura a presso maior que a presso de saturao, o fluido estar no estado lquido, da o nome lquido comprimido. O mesmo ocorre se para uma dada presso o fluido tiver temperatura menor que a temperatura de saturao e por esse motivo, em diversos livros texto esse estado conhecido como lquido subresfriado. Se as condies forem exatamente inversas s descritas anteriormente temos vapor superaquecido (temperatura maior que a temperatura de saturao ou presso menor que a presso de saturao). H um caso, no entanto, onde a isobrica (ou isotrmica) ocorre a uma determinada presso (ou temperatura) em que o volume especfico do lquido saturado exatamente o mesmo do vapor saturado, no diagrama (veja Fig. 13) a mudana de fase representada por um ponto, conhecido como ponto crtico e todas as propriedades so denominadas crticas (presso crtica, temperatura crtica, etc.). Acima da temperatura ou presso crtica no so mais usuais os termos lquido ou vapor, apenas fluido.

3.2-REPRESENTAO ESQUEMTICA VERSUS MODELO FSICO A representao esquemtica e o modelo fsico so para uma substncia qualquer, abrangendo o comportamento normal e esperado dos mesmos. Uma representao esquemtica da superfcie termodinmica pode ser observada na Fig. 1. Tradicionalmente so feitas projees nos planos presso volume especfico (p-V), temperatura volume especfico (T-v), e presso temperatura (p-T) da curva de saturao, tambm so reproduzidos nos planos p-V e T-V cortes, respectivamente com temperatura e presso constantes, gerando traos que reportam o comportamento da substncia em processos isotrmicos e isobricos. Imaginar a superfcie termodinmica a partir das projees e dos cortes, e correlacion-los entre si, um exerccio bastante complicado, principalmente devido as variaes de curvatura nas 27

diferentes regies da superfcie que traduzem seu formato particular. Essa abordagem acaba por no apresentar uma viso do todo, e induz a idia de que as propriedades no esto relacionadas. No raro por equvoco a inverso das isobricas e isotrmicas (ascendentes e descendentes com o aumento do volume especfico respectivamente) nesses diagramas. Fotos da superfcie em resina podem ser observadas na Fig. 2. As regies de lquido comprimido e vapor superaquecido esto destacados, bem como a curva binodal e o ponto crtico (Fig. 13a). Na seqncia so traadas algumas isobricas (Fig. 13b) e isotrmicas (Fig. 13d) na superfcie e apresentadas as respectivas projees (Fig. 13c e Fig. 13e). Uma grande contribuio do uso do modelo fsico ressaltar a interdependncia das propriedades. Para substncias puras sabido que qualquer propriedade termodinmica pode ser escrita como funo de duas outras propriedades independentes, assim sendo, para determinar o volume especfico de uma substncia suficiente conhecer, por exemplo, sua temperatura e presso, habilitando at mesmo o conhecimento do estado em que a substncia se encontra. No modelo fsico fica evidente que um par de coordenadas obrigatoriamente determina uma grandeza, seja ela temperatura, presso ou volume especfico. A representao esquemtica em 3D (desenho) no completamente elucidativa, pois, ainda trata com limitaes do modo de construo em duas dimenses (grficos), onde muitas caractersticas no so evidentes e encontram-se ocultas ou imperceptveis. Mesmo utilizando o recurso da perspectiva possvel que algumas regies gerem ambigidades nas interpretaes, como concavidades que no podem ser distinguidas um exemplo a regio prxima ao ponto crtico. O modelo em resina da superfcie elimina todos esses inconvenientes e provm uma viso imediata de todos os processos que se deseja representar (isobricos, isotrmicos, isocricos e quaisquer). No modelo em resina as regies de lquido 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 a conhecida baixa sensibilidade do volume especfico frente a variaes de presso na regio de lquido comprimido, na superfcie pode-se notar um acentuado aclive (ou declive dependendo do referencial) que comprova o fato (veja Fig. 14). Outro exemplo so as isotrmicas e isobricas que passam pelo ponto crtico. O ponto crtico um ponto de inflexo para essas curvas, porm, na Fig. 13 no evidente essa caracterstica, contudo, no modelo fsico tornase claro esse fato (Fig. 14c e Fig. 14f).

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Figura 14 Fotos da superfcie termodinmicas construda em resina

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oportuno lembrar a apresentao da superfcie, que na regio de mudana de fase conhecida como regio de saturao, onde constante a presso a uma dada temperatura e vice versa, o valor nominal do volume especfico tratase de uma representao, ou seja, em uma determinada mistura (bifsica) o volume especfico uma mdia ponderada do volume especfico de vapor e de lquido saturados. Desta forma, a mistura que possui um valor de volume especfico para o vapor e outro para o lquido passa a ter apenas um volume especfico para a mistura bifsica como se o fluido fosse homogneo composto de somente uma fase.

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4-CONCLUSOSobre os Equipamentos Termodinmicos, conclumos que: Qualquer equipamento termodinmico necessita de uma fonte quente de onde se retira o calor, o qual transforma esse calor em trabalho. E que parte desse calor no aproveitada, pois sempre parte desse calor tem de ser cedido fonte fria, em acordo com a segunda lei da termodinmica.

E sobre as Superfcies Termodinmicas conclumos que: O grfico em 3D (Figura 14) uma ferramenta didtica importante no ensino da termodinmica, destacando muitos aspectos do comportamento das substncias puras, expondo e enfatizando a interdependncia das propriedades. Ele introduz conceitos muito mais facilmente do que os grficos, no se detendo nas dificuldades caractersticas dos mesmos, eliminando dvidas muito freqentes quando da apresentao da teoria.

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5-BIBLIOGRAFIA

5.1-Livros 1. VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da Termodinmica Clssica. Editora Campus. So Paulo. SP. 4 Edio.

2. CHVETZ, I.; KONDAK, M.; KIRAKOVSKI, N. et ali. Trmica General Termodinmica Tcnica, Turbinas y Maquinas Alternativas. Editorial Hispano Europea. Barcelona. Espaa. 1975.

3. BOULANGER. P. e ADAM. B. Motores Diesel. Editora Hemus. SoPaulo. SP.

4. METAL LEVE S.A. Manual Tcnico. Metal Leve S.A. So Paulo.SP 5Edio.

5. FLRES, L.F.V. Sistemas Trmicos I. Apostila. Escola Federal deEngenharia de Itajub. MG.

6. SOUZA, Z. Elementos de Mquinas Trmicas. Editora CampusEFEI. Rio de Janeiro. RJ. 1980

7. E. ngelo, Estudo Numrico de Jatos Evaporativos. Dissertao demestrado apresentada Escola Politcnica da Universidade de So Paulo, 2000.

8. J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott, Introduo Termodinmica da Engenharia Qumica. Quinta Edio, LTC, 2000.

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

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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

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