apostila maquinas termicas, Notas de estudo de Engenharia de Manutenção

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MÁQUINAS TÉRMICAS

Prof. Gil Magno P. Chagas

3 ª edição Jaraguá do Sul, 2009

ÍNDICE

• 1. Introdução/ Princípios Físicos
  • 1.1. Dilatação térmica
  • 1.2. Calor
  • 1.3. Lei das transformações gasosas
  • 1.4. A primeira lei da termodinâmica........................................................................
  • 1.5. A segunda lei da termodinâmica .......................................................................
  • 1.6. Teorema de Carnot ............................................................................................
• 2. Motores de Combustão interna .................................................................................
  • 2.1. Classificação dos motores de combustão interna ..............................................
  • 2.2. Ciclo Otto do motor ...........................................................................................
  • 2.3. Sistemas do motor .............................................................................................
  • 2.4. Características do motor
  • 2.5. Ciclo Diesel
  • 3.1. Geração de vapor................................................................................................ 3. Geração de calor
  • 3.2. Exemplos de aplicações do vapor......................................................................
  • 3.3. Combustíveis utilizados nas caldeiras ...............................................................
  • 3.4. Aproveitamento da Energia Disponível no Combustível ................................
  • 3.5. Classificação das caldeiras ................................................................................
  • 3.6. Dispositivos de segurança em caldeiras ............................................................
• 4. Trocadores de Calor...................................................................................................
  • 4.1. Trocadores de contato indireto...........................................................................
  • 4.2. Capacidade de troca térmica dos trocadores de calor .......................................

1.1 – Dilatação térmica

O aquecimento de um corpo provoca o aumento da sua energia interna, as moléculas que o compõem passam para posições de equilíbrio mais afastadas que as originais, o que produz sua dilatação em todas as direções.

Dilatação linear

É a variação no comprimento, ou de uma medida linear do corpo devido à mudança de temperatura.

Em que:

∆l = dilatação linear [m] ; [mm]

α = coeficiente de dilatação linear [ ˚C¯¹]

lo = comprimento inicial do corpo [m] ; [mm]

∆t = variação da temperatura [˚C]

O coeficiente de dilatação linear α depende da natureza do material.

MATERIAL α

Alumínio (^) 2,4x10ˉ⁵

Aço (^) 1,2x10ˉ⁵

Aço Inox (^) 1,8x10ˉ⁵

Ferro Fundido (^) 1,2x10ˉ⁵

Cobre 1,7x10ˉ⁵

Latão (^) 2,0x10ˉ⁵

Vidro (^) 0,9x10ˉ⁵

O efeito da dilatação deve ser previsto durante o projeto do produto.

As dilatações dos componentes de um produto devem estar livres, o que normalmente é obtido através de folgas na montagem.

Exemplo:

Um trilho de aço possui um comprimento de 20m em uma temperatura de 5° C. Calcule a variação no comprimento do trilho quando, ao sol, atingir uma temperatura de 45°C.

αaço = 1,2x10ˉ⁵

Δt = 45°C - 5°C = 40°C

= 9,6 mm

Deve-se observar que dois materiais diferentes, com as mesmas medidas, poderão sofrer dilatações diferentes com o mesmo aquecimento, porque o coeficiente de dilatação α é varia para cada material.

Uma aplicação deste princípio é a lâmina bimetálica de aço e latão, utilizada em dispositivos como o ferro elétrico de passar roupa.

Quando o ferro se aquece o latão da lâmina se dilata mais que o aço, ela se curva, interrompendo a passagem da corrente e controlando a temperatura do ferro, conforme figura a seguir.

Este tipo de dispositivo também está presente no termopar, utilizado em diversas aplicações, podendo ter a forma de espiral.

Figura: Lâmina bimetálica

MATERIAL

C C

Água 4,18 1

Álcool 2,4 0,

Ferro 0,46 0,

Alumínio 0,9 0,

Cobre 0,386 0,

Gelo 2 ,05 0,

Ouro 0,126 0,

Vidro 0,84 0,

Zinco 0,387 0,

Obs: Como a água possui um calor específico C elevado, ela é excelente para armazenar energia térmica, pois absorve maior quantidade de calor Q.

Ex) Que quantidade de calor é necessário para elevar de 15 para 35 a temperatura

de:

a) 3 kg de cobre b) 3 litros de água

∆t = 35 -15 = 20

∆t = 20 K

a) Cobre:

Q = 23,16 KJ

b) Água:

Para 3litros: m =3 Kg

Q = 250,8 KJ

Conclusão: A água absorve maior quantidade de calor.

Princípio da igualdade da troca de calor

Dois corpos com temperaturas diferentes colocados em contato trocam calor entre si até atingir o equilíbrio térmico.

A quantidade de calor ∆Q trocada entre os corpos é tal que a soma da quantidade de calor recebida com a quantidade de calor cedida é nula.

Ex) Uma panela de ferro com massa de 2,5 Kg está a uma temperatura de.

Derrama-se nela 1 litro de água a 80. Qual a temperatura final de equilíbrio? Não

considerar a perda de calor para o ambiente.

Ti água = 80˚C

Ti panela= 20˚C

Calor sensível e calor latente

Um corpo, ao receber ou ceder calor pode sofrer dois efeitos diferentes: Variação de temperatura ou mudança de fase.

Calor sensível é a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de um corpo em um valor ∆t. É calculada por:

Ex) Qual a quantidade de calor necessária para derreter 2 kg de gelo a 0˚C até água a 0˚C? E o calor necessário para aquecer até 40˚C?

• Calor para derreter o gelo (latente de fusão):

Q = 667 KJ

• Calor para aquecer a água de 0˚C até 40˚C.
• Calor total:

Q = 667 + 334,

Q = 1001,4 KJ

1.3 – Lei das transformações gasosas

Um gás sofre uma transformação gasosa quando se modificam pelo menos duas entre as três variáveis: Pressão(P), volume (V), e temperatura (T).

Gas perfeito

De acordo com a lei de Boyle e Gay-Lussac, a relação entre P,V,T de um gás é dada por:

Em que:

P1,P2 = Pressão do gás no estado 1 e 2.[Atm] [Pa]

V1, V2 = Volume do gás no estado 1 e 2.[dm3]; [m3]

T1, T2 = Temperatura absoluta do gás no estado 1 e 2. [ Kelvin ]

a) Transformação Isotérmica

É quando ocorre a transformação com a temperatura constante, variando o volume e a pressão para a mesma massa de gás.

Nesse caso tem-se:

Representando graficamente;

b) Transformação Isobárica

Ocorre quando a variação d e volume e temperatura se dá com a pressão constante.

Nesse caso tem-se:

Representando graficamente,

Trabalho e variação de volume em um processo isobárico

O trabalho realizado pela variação de volume em um processo isobárico ( pressão constante) é:

1.4 – A primeira lei da termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica está fundamentada no princípio da conservação da energia, que afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, somente transformada ou transferida.

A primeira lei da termodinâmica afirma que:

“ O calor recebido por um sistema é igual à soma entre a variação da energia interna do sistema, e o trabalho efetuado no processo.”

Q = ∆ U + W

Convenção de sinais:

Sistema

ΔU

Calor entrando

Q positivo.

Trabalho saindo

W positivo.

1.5 – A segunda lei da termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica estabelece as condições em que é possível a transformação de calor em trabalho.

Enunciado de Kelvin e Plank:

“Uma transformação cujo único resultado final seja transformar em trabalho o calor extraído de uma fonte que esteja em todos os pontos à mesma temperatura é impossível.” ( Kelvin e Plank)

Enunciado de Clausius:

“Não há nenhum processo cujo único efeito seja o da transferência de energia de um corpo frio para outro quente.” (Clausius)

As figuras a seguir mostram que, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, para haver trabalho, deve existir um corpo frio e um quente, sendo que a energia existente no corpo quente é transferida uma parte para a realização do trabalho, e outra é perdida para o corpo frio (meio ambiente).

Máquina térmica real Máquina térmica ideal

Todo o calor transformado

em trabalho. ( Impossível)

Ex) 1- Uma máquina térmica absorve 200J de calor de um reservatório quente, efetua trabalho, e rejeita 160J de calor para um reservatório frio.

a) Qual o trabalho realizado. b) Qual o rendimento máximo desta máquina.

a) = 200J - 160J

W = 40J

b)

2 – Uma máquina a vapor absorve calor de uma caldeira a 200˚C (p=15atm), e descarrega no ar (p=1tam) a 100˚C.

Qual o rendimento máximo possível?

T1 = 200˚C = 473,15K

T2= 100˚C = 373,15K

1.6 - Teorema de Carnot

“Nenhuma máquina térmica, operando entre dois reservatórios térmicos, pode ser mais eficiente do que uma máquina reversível que opere entre os mesmos dois reservatórios.”

A máquina reversível é a ideal, cujo rendimento não pode ser superado.

Processo:

1 -2 Absorção de calor da fonte quente e expansão isoterma.

2-3 Expansão adiabática (sem troca de calor com o meio)

3-4 Gás cede calor a um reservatório frio Tf, em uma compressão isotérmica, quase estática.

4-1 Compressão adiabática, quase estática, até a temperatura atingir Tquente.

Exercícios

1. Um material é armazenado em nitrogênio líquido a uma temperatura de 70K. Calcular a temperatura em Celsius e Fahrenheit.
2. Uma tubulação de vapor é feita em tubos de aço com comprimento de 150m, e trabalha com vapor a uma temperatura de 180˚C. Calcular a dilatação da tubulação considerando a temperatura inicial de 25˚C.
3. Uma chapa de aço possui um furo com diâmetro de 50 mm, a uma temperatura de 20˚C. A que temperatura deve ser aquecida a chapa para encaixar um cilindro de 50,2mm de diâmetro.

2.0 Motores de combustão interna

Motores de combustão interna são máquinas térmicas que transformam a energia química dos combustíveis em trabalho mecânico.

2.1 Classificação dos motores de combustão

Os motores de combustão podem ser classificados de diversas formas, entre as quais:

a) Quanto às propriedades dos gases de admissão: ar (diesel), mistura ar combustível (motores ciclo Otto).

b) Quanto à disposição dos cilindros: Em linha, em V, radial, cilindros opostos.

c) Quanto ao ciclo: Dois tempos, quatro tempos.

d) Quanto ao movimento do pistão: Rotativo, alternativo.

e) Quanto à utilização:

Motores estacionários: Trabalham em aplicações com rotação constante, por exemplo, máquinas de solda, geradores, bombas.

Motores industriais: Utilizados em máquinas de construção, tratores, guindastes, compressores de ar.

Motores veiculares: Destinados a veículos, automóveis, ônibus, caminhão.

Motores marítimos: Utilizados em barcos, e uso naval (existem vários tipos, conforme aplicação).

Os motores podem ser classificados de acordo com a quantidade e disposição dos cilindros, da seguinte forma:

2.2 Ciclo Otto do motor

O ciclo OTTO mostra o funcionamento do motor quatro tempos à gasolina.

Cada tempo do motor é representado no diagrama P V ( pressão x volume)