Equipamentos Termodinâmicos e Superfícies Termodinâmicas

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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...

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