Apostila Termodinâmica, Notas de estudo de Engenharia Naval

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MARINHA DO BRASIL

DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS

ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO

TERMODINÂMICA

(TER-I)

1ª edição Belém-PA

© 2010 direitos reservados à Diretoria de Portos e Costas

Autor : Paulo Vitor Zigmantas

Revisão Pedagógica: Erika Ferreira Pinheiro Guimarães Suzana Revisão Gramatical : Esmaelino Neves de Farias Digitação / Diagramação: Roberto Ramos Smith Designer Gráfico: Fernando David de Oliveira

Coordenação Geral : CF Maurício Cezar Josino de Castro e Souza

____________ exemplares

Diretoria de Portos e Costas Rua Teófilo Otoni, no^ 4 – Centro Rio de Janeiro, RJ 20090- http://www.dpc.mar.mil.br secom@dpc.mar.mil.br

Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no^ 1825, de 20 de dezembro de 1907 IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL

10.3 Análise termodinâmica do compressor alternativo de um estágio de compressão

• INTRODUÇÃO
• 1 DEFINIÇÕES FUNDAMENTAIS
• 1.1Sistema Termodinâmico
• 1.2 Fases, estado e propriedades de uma substância
• 1.3 Propriedade específica de uma substância
• 1.4 Pressão
• 1.5 Temperatura
• 1.6 O gás perfeito
• 1.7 Exercícios resolvidos
• 2 PRIMEIRO E SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
• 2.1 Primeiro e segundo princípio da termodinâmica
• 2.2 Principais formas de energia nos sistemas termodinâmicos
• 2.3 Entalpia. Uma propriedade termodinâmica combinada
• 2.4 Primeira lei da termodinâmica
• 2.5 Exercícios resolvidos
• 2.6 A Segunda lei da termodinâmica..............................................................................
• 3 PROCESSOS TERMODINÂMICOS
• 3.1 Processos termodinâmicos de sistemas fechados
• 3.2 Processos termodinâmicos em volume de controle
• 3.3 Exercícios resolvidos
• 4 CICLOS DAS MÁQUINAS DE COMBUSTÃO INTERNA
• 4.1Ciclos teóricos das máquinas térmicas
• 4.2 O ciclo de Carnot
• 4.3 O ciclo Otto.............................................................................................................
• 4.4 Motores diesel
• 4.5 O ciclo Diesel
• 4.6 O ciclo misto ou Sabathé........................................................................................
• 4.7 Comparação entre os ciclos Otto, Diesel e Sabathé
• 4.8 Comparação entre os ciclos teórico e real de um motor Diesel
• 4.9 Os ciclos das turbinas a gás...................................................................................
• 4.10 Moderno sistema de propulsão para navios
• 4.11 As Turbinas a gás na propulsão naval
• 5 PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS PURAS
• 5.1 Substância pura
• 5.2 Processos de mudança de fase para as substâncias puras...................................
• 5.3Tabelas de propriedades termodinâmicas...............................................................
• 5.4- Exercícios resolvidos.............................................................................................
• 6 PROCESSOS TERMODINÂMICOS COM VAPORES
• 6.1 Processos termodinâmicos com vapores em sistemas fechados
• 6.2 Processos com vapores aplicados a volume de controle
• 7 CICLO DE RANKINE
• 7.1 O ciclo de Rankine ideal
• 7.2 O ciclo Rankine com reaquecimento
• 7.3 Ciclo de Rankine Regenerativo
• 7.4 Afastamento dos ciclos reais de vapor em relação ao teórico de Rankine
• 8 ANÁLISE TERMODINÂMICA DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR
• 8.1 Tipos de propagação de calor
• 8.2 Transmissão do calor por condução através de paredes planas
• 8.3 Transmissão do calor por condução através de paredes simples cilíndricas
• 8.4 Transmissão do calor por condução através de esferas ocas................................
• 8.5 Convecção
• 8.6 Transmissão de calor por condução em paredes planas compostas em série
• 8.7 Transmissão de calor por condução em paredes cilíndricas compostas em série
• série 8.8 Transmissão de calor por condução e convecção em paredes planas compostas em
• 8.10 Exercícios resolvidos
• 9 TROCADORES DE CALOR
• 9.1 Definição de aparelhos trocadores de calor
• 9.2 Tipos de trocadores de calor
• 9.3 Diferença média logaritma de temperatura
• 9.4 Coeficiente global de transmissão do calor
• 9.5 Exercícios resolvidos
• 10 COMPRESSORES
• 10.1 Finalidade do compressor
• 10.2 Compressores de ar alternativos
• 10.4 Compressão por estágios.....................................................................................
• 10.5 Exercícios resolvidos
• 11 CICLOS DAS MÁQUINAS DE REFRIGERAÇÃO
• 11.1 Finalidade da refrigeração a bordo dos navios.....................................................
• 11.2 Principais sistemas de refrigeração utilizados
• 11.3 Sistema de compressão por vapor
• 11.4 Exercícios resolvidos
• 12 BALANÇO TÉRMICO
• 12.1 Finalidade do balanço térmico..............................................................................
• 12.2 Balanço térmico de motores diesel
• MCPS de 2T 12.3 Balanço térmico dos resfriadores de ar de dois estágios de arrefecimento dos
• 12.4 Balanço térmico de caldeiras navais auxiliares com óleo combustível
• 12.5 Balanço térmico de turbinas a vapor de um estágio
• 12.6 Balanço térmico de instalação de vapor
• 12.7 Balanço térmico de instalação de refrigeração.....................................................
• 12.8 Balanço térmico de purificadores de óleo combustível e lubrificante
• 12.9 Superfície de aquecimento dos aquecedores dos purificadores
• 12.10 Ventilação da praça de máquinas
• 12.11 Potência de bombas e ventiladores da praça de máquinas
• 12.12 Consumo de vapor para aquecimento de tanques
• 12.13 Exercícios resolvidos
• REFERÊNCIAS
• APÊNDICE

Na 9, são estudados os aparelhos trocadores de calor como aquecedores, resfriadores caldeiras e grupos destilatórios, aplicando a primeira lei a estes equipamentos. Na décima, é realizada a análise termodinâmica dos compressores de ar, incluindo-se a determinação do trabalho e da potência de compressão dos referidos equipamentos. Na de número 11, é realizado o estudo térmico do ciclo básico de refrigeração de Carnot e de compressão por vapor, enfatizando os novos refrigerantes 134a, 407C e 410 A que estão de acordo com o protocolo de Montreal. Na última, décima segunda, será estudado o balanço térmico aplicado ao volume de controle, enfatizando as máquinas de bordo como motores diesel, geradores de energia elétrica, caldeiras, instalação de turbinas a vapor, instalação de refrigeração com aplicação do diagrama pressão entalpia, ventilação da praça de máquinas e tanques de óleo combustível. Foi feito um esforço considerável para que este volume seja facilmente entendido tanto pelos alunos quanto pelos professores, ambos em busca de um desempenho científico cada vez melhor para operar profissionalmente em um mundo cada vez mais complexo.

Paulo Vitor de Matos Zigmantas Mestre em Ciências Térmicas e Fluidos Encarregado da Divisão de Ensino de Máquinas do CIABA.

1 DEFINIÇÕES FUNDAMENTAIS

1.1Sistema Termodinâmico

Um sistema termodinâmico pode ser definido como uma região para a qual se deseja estudar as interações de massa, calor, trabalho e energia que se processa nesta região, sendo delimitado por uma superfície denominada superfície de controle. O sistema Termodinâmico pode ser aberto ou fechado. No Sistema fechado, não há fluxo de massa através das fronteiras que definem o sistema, ao passo que no sistema aberto , existem fluxos de massa atravessando esta fronteira, e o sistema pode ser denominado de volume de controle. As figuras 1.1 e 1.2 ilustram um sistema termodinâmico fechado e aberto. Observe-se os fluxos de massa no sistema aberto, bem como o calor e o trabalho como fenômenos de fronteira na figura 1.

Figura 1.1 - O motor é o sistema termodinâmico fechado

Quando através da fronteira de um sistema não ocorrem transferências de massa, calor, trabalho e energia o sistema é dito isolado.

1.2 Fases, estado e propriedades de uma substância

As Fases de uma substância termodinâmica comumente utilizadas para a maioria das aplicações industriais são a fase sólida, líquida e gasosa (gás ou vapor). Desta forma, podemos definir fase como a quantidade de matéria totalmente homogênea como sólido, líquido ou vapor. Se uma substância estiver presente em mais de uma fase, elas estarão separadas por uma superfície de separação, denominada de contorno das fases.

. Em cada fase a substância pode existir a várias pressões e temperaturas ou, usando a terminologia da termodinâmica, em vários estados. O estado pode ser identificado ou descrito por certas propriedades macroscópicas observáveis ; entre as quais a temperatura, pressão, e o volume, etc. A propriedade de uma substância num dado estado tem somente um valor definido e essa propriedade tem sempre o mesmo valor para um dado estado , independente da forma pela qual a substância chegou a ele. Assim, uma propriedade termodinâmica pode ser definida como uma grandeza que depende do estado do sistema e não depende da forma pelo qual o sistema chegou ao estado considerado. Analogamente, o estado é especificado ou descrito pelas propriedades. As Propriedades Termodinâmicas podem ser classificadas em duas classes gerais, asa quais são respectivamente as intensivas e as extensivas. Uma propriedade termodinâmica é dita extensiva quando depende do tamanho (extensão) do sistema ou do volume de controle. Desta forma, se subdividirmos um sistema em várias partes (reais ou imaginárias) e se o valor de uma dada propriedade for igual à soma das propriedades das partes, esta extensiva. Assim, O Volume, e a Massa de um sistema termodinâmico são propriedades extensivas,

Uma propriedade termodinâmica é dita Intensiva, quando a mesma não depende do tamanho do sistema. Assim, a Temperatura e a pressão são propriedades intensivas.

1.3 Propriedade específica de uma substância

A propriedade específica de uma dada substância é determinada dividindo-se uma propriedade extensiva pela massa da respectiva substância contida no sistema. Uma propriedade específica é também uma propriedade intensiva do sistema. Como exemplo de propriedade específica, temos o volume específico υ , obtido pela equação (1.1)

m v =^ V (1.1)

Onde: V =Volume do sistema (Litros, m3,^ etc ). m =Massa (Kg, g, etc)

1.4 Pressão

A Pressão P é definida como sendo a relação entre uma força F e a área A onde está sendo aplicada, sendo F perpendicular à área, conforme a equação (1.2). A Fig. 1.4 ilustra o conceito de pressão.

A

P = F (1.2)

Figura 1.4-Pressão de uma superfície sólida

Do diagrama da figura 1.5, as equações (1.3) e (1.4) podem ser obtidas para as pressões absolutas positivas e negativas ( Pabs+ e Pabs- ), em função das pressões atmosférica (Pat), manométricas e vacuométricas ( Pm e Pv )

Pabs + = Pm + Pat (1.3)

Pabs − = Pat − Pv (1.4)

1.4.2 Teorema de Stevin

O teorema de Stevin relaciona as pressões estáticas exercidas por um fluido em repouso com a altura da coluna do mesmo em um determinado recipiente, conforme é ilustrado na figura 1.6. Seu enunciado diz: “A diferença de pressão entre dois pontos e de um fluido em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido pela diferença de altura entre os dois pontos”. A equação (1.5) ilustra o teorema de Stevin Pb − Pa =μ .g.(hb − ha ) (1.5) Onde: Pb = Pressão do líquido no ponto b, Pa Pa = Pressão do líquido no ponto a, Pa μ = Massa específica do fluido, Kg/m^3

g = aceleração da gravidade, m/s^2 ha = Altura do ponto a, m hb = Altura do ponto b, m

Figura 1.6 - Líquido em repouso para o enunciado do Teorema de Stevin O teorema de Stevin é bastante utilizado em leitura de pressões de tubos em U, conforme as figuras 1.7, 1.8, e 1.9.

Figura 1.7 - Manômetro em U de mesma secção reta

Para o manômetro de tubo em U, a diferença de pressão (^) ∆ P conforme o teorema de Stevin é expressa pela equação (1.6): ∆ P = μ .g.h , (Pa) (1.6)

Para o manômetro diferencial de coluna reta, a diferença de pressão (P1-P2) será determinada em função da relação de áreas das secções transversais dos tubos,

) SA ( SB pela equação (1.7);

P1 − P2 =μ .g.h 2 (1 + SA^ SB ) (1.7)

Para o manômetro de coluna inclinada, a diferença de pressão (P1 –P2) será determinada pela equação (1.8):

P1 − P2 = μ .g.L(sen α+ SA^ SB ) (1.8) A medida da pressão é bastante utilizada na medição do consumo de ar dos motores de combustão interna de navios, conforme é ilustrado na figura 1.10.

Figura 1.10 - Medição de consumo de ar dos motores de combustão principal dos navios

O consumo de ar ou fluxo de massa m que adentra o motor é determinado pela equação (1.9):

m = A.cd. 2. μ.∆ P , (Kg/s) (1.9) Onde: m = fluxo de massa do ar, Kg/s A = Área do orifício calibrado, m^2 μ (^) = massa especifica do ar, Kg/m 3 ∆ P = μ .g.h , diferença de Pressão através da placa de orifício, Pa cd = Coeficiente da placa de orifício.

1.5 Temperatura

Geralmente, a temperatura é um conceito intuitivo baseado nas sensações de "quente" e "frio" proveniente do tato. Em vista da segunda lei da termodinâmica, a temperatura está relacionada com o calor que na ausência de outros efeitos, flui espontaneamente do corpo de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa

1.5.1 Escalas de temperatura.

As escalas usuais de temperatura praticamente utilizadas internacionalmente são respectivamente a Escala KELVIN (K) e RANKINE (°R) e escala Celsius (°C) e Fahrenheit (°F). A Fig 1.11 mostra as quatro escalas de temperatura e a relação entre elas. Considerando uma relação linear de temperaturas, a relação entre elas é expressa pela equação (1.10):

9

R 492

K 273

F 32

C = − = − = − (1.10)

Um termopar é constituído por dois fios elétricos de diferentes materiais que são ligados um ao outro numa extremidade (ponto de medição). As duas extremidades abertas formam o ponto de compensação ou referência. O termopar pode ser prolongado com o auxílio de uma extensão ou de um cabo de compensação. As extensões ou os cabos de compensação podem ser ligados a um aparelho indicador, p. ex. a um galvanômetro ou um aparelho de medição eletrônica. A figura 1.13 ilustra um termopar típico de bordo.

Figura 1.13 - Termopares.

A medição da temperatura com termômetros de resistência se fundamenta na propriedade de todos os condutores e semicondutores alterarem a sua resistência elétrica em função da temperatura. Esta característica é mais ou menos pronunciada nos diferentes materiais. Esta alteração da resistência elétrica em função da temperatura (dr/dt) é designada por coeficiente de temperatura. O seu valor não permanece constante ao longo da amplitude de temperatura de interesse; ele próprio é uma função da temperatura. Da relação entre resistência e temperatura resulta um polinômio matemático de elevada ordem. A figura 1.14 ilustra um Pt 100 típico de bordo.

Figura 1.14- PT 100

Termistores são geralmente fabricados com óxidos cerâmicos em formato de disco com dois terminais de cobre estanhado, apresentando o coeficiente de temperatura negativa (NTC). A resistência ôhmica decresce com o aumento da temperatura em função da corrente elétrica que circula pelo mesmo. É especialmente dedicado á proteção de fontes de alimentação, protegendo os componentes contra picos de corrente no instante em que a fonte é alimentada. Também é aplicável em proteção de fontes chaveadas, fusíveis de proteção na partida dos motores e no aumento da vida útil de lâmpadas incandescentes. A figura 1.15 ilustra um termistor típico de bordo

Figura 1.15 - PT 100