MÁQUINAS TÉRMICAS 31/10/2011. Prof. Sabrina Neves da Silva 2011/2. Componente Máquinas Térmicas

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1 MÁQUINAS ÉRMICAS Prof. Sabrina Neves da Silva 0/ Componente Máuinas érmicas Curricular Período 8º. Semestre Carga horária total 60 h Créditos 4 Ementa ransporte de energia. rocadores de calor. Caracterização de máuinas térmicas. Máuinas motoras e geradoras. Máuinas de fluxo: turbinas a gás e a vapor. Ciclo de Rankine, eficiência térmica, consumo de vapor e água, perdas de vapor, desempenho de turbinas, instalação-operação-manutenção de turbinas. Ciclos de turbinas a gás, características gerais, componentes da turbina a gás, aplicações (aviação, geradores, transmissão de gás em dutos, outros). Refrigeração, ar condicionado e bombas de calor. Ciclos de cogeração.

2 BIBLIOGRAFIA Básica: INCROPERA F.; DEWI D.; BERGMAN. ;LAINE A. Fundamentos de ransferência de Calor e Massa, 6ª edição, LC, 008. BORGNAKKE, C.; SONNAG, R. E. Fundamentos da ermodinâmica, SP: Edgard Blücher, 009. MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Princípios de ermodinâmica para Engenharia, LC, 6ªEd., 009. CALOR E ENERGIA O calor é uma forma de energia e a temperatura de uma substância é uma medida de sua energia interna. O estudo do calor e da temperatura chama-se termodinâmica. Um princípio fundamental no estudo da termodinâmica é a lei da conservação de energia, segundo a ual, em ualuer tipo de interação, a energia não é criada nem destruída.

3 RABALHO E ENERGIA Quando uma força age sobre um corpo, provocando aceleração na direção da força, é realizado um trabalho. O trabalho realizado sobre um corpo por uma força constante é definido como o produto da grandeza da força pelo conseüente deslocamento do corpo na direção da força Energia capacidade de realizar trabalho. F d h w F d O trabalho realizado sobre um corpo por uma força constante é o produto da grandeza da força pelo deslocamento do corpo, decorrente da ação da força. A unidade de trabalho é joule(às vezes designado como Newton metro) m w F d N kg m Joule J s A B B w F d cosθ A exerce uma força F sobre B e, como resultado, B se move para posição B com deslocamento daumânguloθemrelação alinhadef. 3

4 Energia é a capacidade ue um corpo tem de realizar trabalho. A energia total armazenada num sistema permanece constante, mas pode ser transformada. rata-se do princípio da conservação de energia, ue pode assumir a forma de energia mecânica (cinética ou potencial), elétrica, uímica ou térmica. Existem ainda outras formas de energia, como a gravitacional, a magnética, a energia da radiação eletromagnética e a energia da matéria. Energia Cinética: associada ao movimento. mv EC Energia Potencial: associada a posição. E p m g h Esta energia potencial gravitacional é igual ao trabalho ue o campo gravitacional da erra exerce sobre o corpo uandoelesemoveatéoníveldosolo. A energia potencial pode ser convertida em energia cinética ou pode ser usada para realizar trabalho. Ela funciona como um estoue de energia. Se um corpo se move verticalmente contra a força gravitacional, é realizado trabalho sobre ele e ocorre um aumento na sua energia potencial gravitacional. A água represada possui energia potencial gravitacional ue se converte em energia cinética. Essa energia cinética é transferida às turbinas, ue movimentam o gerador; e o gerador, por sua vez, converte essa energia cinética em energia elétrica a ual será enviada através de condutores ao seu destino 4

5 EMPERAURA A temperatura é uma medida da energia do corpo. A escala de temperaturas empregada pêlos físicos é baseada numa unidade chamada kelvin (K), devido ao físico escocês William homson, mais tarde lorde Kelvin (84-907). Na escala kelvin, o ponto de congelamento da água é de 73,5K (0 C ou 3 F) e seu ponto de ebulição corresponde a 373,5K (00 C ou F): um kelvin corresponde em grandeza a um grau na escala Celsius. A temperatura de O (zero) K(-73,5 C) é conhecida como zero absoluto. p, p, p<p > < Unidades de energia A unidade SI para energia é o joule, J. Algumas vezes utilizamos a caloria em vez do joule: cal 4,84 J (exatos) 5

6 RANSFERÊNCIA DE CALOR A energia é transferida a partir de interações do sistema com as vizinhanças. Calor e rabalho. Oueéecomoseprocessa É energia em trânsito devido a diferença de temperatura. Sempre ue existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios ocorrerá transferência de calor. Por exemplo, se dois corpos a diferentes temperaturas são colocados em contato direto, como mostra a Figura abaixo, ocorrerá uma transferência de calor do corpo de temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura até ue haja igualdade de temperatura entre eles. Dizemos ue o sistema tende a atingir o euilíbrio térmico. Se > >> EXEMPLO Uma roda de pás realiza trabalho em um recipiente rígido fechado por rotações de uma polia provocadas pela ueda de um peso de 50kg por uma distância de m. Quanto calor causaria um efeito euivalente? Solução W ( m g) d 50 9,8 980J O calor Q euivalente ao trabalho seria exatamente: Q W 980J 6

7 Os diferentes processos de transferência de calor são referidos como mecanismos de transferência de calor. Existem três mecanismos, ue podem ser reconhecidos assim:.condução;.convecção; 3.Radiação. CONDUÇÃO Quando a transferência de energia ocorrer em um meio estacionário, ue pode ser um sólido ou um fluido, em virtude de um gradiente de temperatura, usamos o termo transferência de calor por condução. A figura abaixo ilustra a transferência de calor por condução através de uma parede sólida submetida a uma diferença de temperatura entre suas faces. 7

8 CONECÇÃO Quando a transferência de energia ocorrer entre uma superfície e um fluido em movimento em virtude da diferença de temperatura entre eles, usamos o termo transferência de calor por convecção. A figura abaixo ilustra a transferência de calor de calor por convecção uando um fluido escoa sobre uma placa auecida. RADIAÇÃO Quando, na ausência de um meio interveniente, existe uma troca líuida de energia (emitida na forma de ondas eletromagnéticas) entre duas superfícies a diferentes temperaturas, usamos o termo radiação. A figura abaixo ilustra a transferência de calor por radiação entre duas superfícies a diferentes temperaturas. 8

9 RELAÇÃO ENRE A RANSFERÊNCIA DE CALOR E A ERMODINÂMICA A ermodinâmica trata da relação entre o calor e as outras formas de energia. A energia pode ser transferida através de interações entre o sistema e suas vizinhanças. Estas interações são denominadas calor e trabalho. A ª Lei da ermodinâmica governa uantitativamente estas interações E E E + w A ª Lei da ermodinâmica pode ser enunciada assim: "A variação líuida de energia de um sistema é sempre igual à transferência líuida de energia na forma de calor e trabalho". 9

10 A ª Lei da ermodinâmica aponta a direção destas interações. "É impossível o processo cujo único resultado seja a transferência líuidadecalordeumregiãofriaparaumaregiãouente". Porém existe uma diferença fundamental entre a transferência de calor e a termodinâmica. Embora a termodinâmica trate das interações do calor e o papel ue ele desempenha na primeira e na segunda leis, ela não leva em contanemomecanismo detransferência nem osmétodosde cálculo da taxa de transferência de calor. 0

11 A termodinâmica trata de estados de euilíbrio da matéria onde inexiste gradientes de temperatura. Embora a termodinâmica possa ser usada para determinar a uantidade de energia reuerida na forma de calor para um sistemapassardeumestadodeeuilíbrioparaoutro,elanãopode uantificar a taxa (velocidade) na ual a transferência de calor ocorre. RELEÂNCIA DA RANSFERÊNCIA DE CALOR A transferência de calor é fundamental para todos os ramos da engenharia. Engenheiro Mecânico: refrigeração de motores, de ventilação, ar condicionado, etc., Engenheiro Metalúrgico não pode dispensar a transferência de calor nos problemas relacionados aos processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos, ou no projeto de fornos, regeneradores, conversores, etc. Engenheiro Químico necessita da mesma ciência em estudos sobre evaporação, condensação ou em trabalhos em refinarias e reatores. Engenheiro de Energia aplica em profundidade a transferência de calor em caldeiras, máuinas térmicas, etc.

12 MECANISMOS DE RANSFERÊNCIA DE CALOR A transferência de calor pode ser definida como a transferência de energia de uma região para outra como resultado de uma diferença de temperatura entre elas. É necessário o entendimento dos mecanismos físicos ue permitem a transferência de calor de modo a poder uantificar a uantidade de energia transferida na unidade de tempo(taxa). Os mecanismos de transferência de calor são: Condução: depende somente de um. Convecção: depende de um e transporte de massa. Radiação: depende somente de um.

13 RANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONDUÇÃO Condução de calor: É a troca de energia entre as partes de um meio contínuo ue, estando em diferentes temperaturas, transferem energia térmica pela transferência de energia cinética entre as partículas individuais ou grupo de partículas, no nível atômico. Gases: choue entre as partículas. Metais: movimento de elétrons livres. Líuidos e outros sólidos: vibrações de estrutura reticular. 3

14 Modelo de Condução érmica O mecanismo de transferência de calor por condução consiste de um Processo de Difusão(condução difusão térmica). Uma espécie (massa, concentração, temperatura, etc.) é transportada da região de maior concentração para a de baixa. Fourier modelou a difusão em funçãodo gradienteda espécie e de uma constante de proporcionalidade. A constante de proporcionalidade é uma propriedade física do material (meio onde ocorre a condução) denominada condutividade térmica,k[w/(m. o C)],uedependedanaturezadomaterial. A tabela abaixo mostra alguns valores típicos de condutividade(w/m.k). 4

15 Intervalos genéricos de em condições atmosféricas condutividades térmicas para diferentes materiais Gases Materiais não metálicos Líuidos Metais Puros 0,0 0, Condutividade érmica k (W/m.K) ácuo k 0 (não há difusão térmica no vácuo; para haver difusão é necessário haver um meio para a energia difundir) Para a maior parte das substâncias, k varia também com a temperatura, isto é, k k(). Na maioria das vezes essa dependência é dada pela euação: k k [ +α ( )] o o Onde α é um coeficiente linear e o é uma temperatura de referência. Uma boa aproximação é considerar k k m, onde k m é determinado à temperatura média do problema. Esta aproximação é, geralmente, suficiente. 5

16 ransmissão de calor por condução rata-se da transmissão de calor molécula a molécula, conseüentemente havendo necessidade de um meio material, ocorrendo sempre de um ponto de maior potencial energético (maior temperatura) para um de menor potencial (menor temperatura). erifica-se experimentalmente ue a uantidade de calor ue flui através de um elemento opaco é função do material ue o constitui, da espessura do elemento e do gradiente de temperatura. A condutividade, k, é uma física ue caracteriza se um material é melhor ou pior condutor de calor. A Figura ilustra o processo de transmissão de calor por condução. " x k L xintensidadedefluxodecaloremw/m k: condutividade em W/mºC : diferença de temperatura L:espessura daparedeemm. 6

17 " x k L () A euação pode ser re-escrita da seguinte forma " x R t R t xintensidadedefluxodecalor,emw/m ; R t resistênciatérmicadomaterial,sendo: emm. 0 C/W; Δdiferençadetemperaturaentreexterioreinterior,em 0 C. L k EXEMPLO Um lado de uma parede plana grande de 0cm de espessura é exposto a um fluxo de calor de 00 W/m. A medida da diferença de temperatura entre os lados da parede é de 0ºC. Qual a condutividade da parede? Solução Euação da condutividade térmica: " " x L x k k L W m 00 cm m 0 cm W k 00 0K m K W k m K 7

18 RANSFERÊNCIA DE CALOR POR CONECÇÃO rata-se da transmissão de calor ue ocorre entre um corpo sólidoeumfluidoemmovimento,podendoocorpofluídoser líuido ou gasoso. A convecção pode ser natural ou forçada. Diz-se ue a convecção é natural uando o movimento do fluído ocorre unicamente devido a variações de seu peso específico (densidade). Na convecção forçada o movimento do fluído é provocado por uma bomba, no caso de um líuido,ouporumventilador,nocasodeumfluidogasoso. 8

19 erifica-se experimentalmente ue a uantidade de calor ue flui no processo de convecção é diretamente proporcional ao gradiente de temperatura entre o material sólido e a região do fluído não perturbado pelo deslocamento do fluído. A grandeza física ue caracteriza se o processo convectivo é mais ou menos intenso chama-se coeficiente de trocas térmicas por convecção (h C ). A figura ilustra o processo de transmissão de calor por convecção. " h ( ) sup 9

20 A determinação do coeficiente de transmissão de calor por convecção depende de inúmeros fatores, dentre os uais podem ser citados: natureza do fluido; velocidade do fluido; geometria e rugosidade da superfície sólida; características da camada limite; seaconvecçãoénaturalouforçada; da direção de deslocamento do fluido. No caso específico de uma construção pode-se considerar o seguinte: em paredes verticais a convecção é intensamente ativada pela velocidade do ar, considerando-se ue, mesmo ue a velocidade do ar se origine de causas naturais (vento), a convecção é considerada como forçada; no caso de superfícies horizontais a uantidade de calor transmitido por convecção depende do sentido do fluxo, sendo mais intenso uando o fluxo é ascendente do ue uando descendente. 0

21 Coeficientes de convecção para convecção natural. EXEMPLO Calor é transmitido por convecção de uma parede para uma corrente de ar a 5ºC. Se o fluxo de calor permanecer constante em 00 W/m, ache a temperatura da superfície da parede se (a) h0w/m.k(b)h00w/m.k(c)000w/m.k Solução Euação da convecção térmica: 5 C " " ( a) ( b) ( c) h ( ) 00W / m. K s s s s 35º C 6º C 5,º C s " + h Conforme h aumenta, a temperatura da superfície aproxima-se da temperatura ambiente.

22 RANSMISSÃO DE CALOR POR RADIAÇÃO Radiação emitida por um corpo odos os corpos estando à determinada temperatura acima de 0 K (-73 0 C), conseüentemente, possuindo movimento molecular e atômico, emitem radiação eletromagnética. Esta radiação deve ser analisada sob o ponto de vista de ualidade e de uantidade, por ue suas características, comportamento e interação com os elementos construtivos, dependem intensamente dessas propriedades da radiação eletromagnética. Quantidade da radiação eletromagnética A uantidade de energia radiante emitida por m por um corpo, depende da uarta potência da sua temperatura absoluta (Lei de Stephan Boltzmann) e das características de emissividade da sua superfície, sendo apresentada na euação: ε irradiaçãodeumcorpoemw/m σ Constante de Boltzmann (5.67x0-8 W/m K 4 ) ε Emissividade da superfície : emperatura da superície 4 " sup σ

23 EXEMPLO Radiação é transmitida de uma superfície a 300K com emissividade de 0,6. ual serás a radiação emitida da superfície e a mudança na radiação emitida, se a temperatura na superfície for aumentada para 000K? Solução Euação da convecção térmica: " " " εσ 4 300K 0,6 5, K 0,6 5, W / m 4 Em razão da natureza não linear da radiação, um aumento de 333% da temperatura conduz um aumento de.00% na potência emissiva W / m CONDUÇÃO UNIDIMENSIONAL EM REGIME ESACIONÁRIO RESISÊNCIA ÉRMICA Da mesma forma ue uma resistência elétrica está associada a condução de eletricidade, uma resistência térmica pode ser associada a condução de calor. A resistência térmica na condução é: R t, cond s, x s, L k A Uma resistência térmica também pode ser associada a transferência de calor por convecção em uma superfície. R t, conv s h A 3

24 O circuito térmico euivalente para a parede plana com condições de convecção nas duas superfícies, a taxa de transferência de calor pode ser determinada pela consideração em separado de cada elemento do circuito. Umavezueéconstanteaolongodoprocesso: x, s, h A s, s, Lk A s, h A, Em termos de diferença de temperatura global ou total:,, x Rtotal Uma vez ue as resistências condutiva e convectiva estão em série, podem ser somadas: R t L + + h A k A h A PAREDE COMPOSA x,,4 Rtotal R t L L L h A k A k A k A h A A B C 4 4

25 Em sistemas compostos é conveniente a utilização de um coeficiente global detransferênciadecaloru,ueédefinidopor: x UA O coeficiente global de transferência de calor U, está relacionado a resistência térmica total: UA U R t t R A R t R UA [( h) + ( L k ) + ( L k ) + ( L k ) + ( h )] A A B B C C RESUMO rabalho: Será realizado por um sistema sobre sua vizinhança se o efeito sobre ela puder ser a elevação de um peso. Seu euivalente é uma força multiplicada pela distância. Calor: A energia transferida entre um sistema e sua vizinhança em razão de uma diferença de temperatura. Processo Adiabático: Não há transmissão entre o sistema e seu meio. Condução: ransmissão de calor causada pela diferença de temperatura de um material. Convecção: Energia transferida de uma superfície sólida para um fluido, em razão do movimento do fluido. Radiação: Energia transferida por fótons. Condutividade térmica: Prop. Do material conduzir calor. 5

26 RESUMO Corpo negro: Emite a máxima uantidade de radiação ue pode ser emitida em uma temperatura. Emissividade: propriedade admensional ue indica o uão eficazmente uma superfície emite energia radiante. Irradiação: otal do fluxo de radiação incidente sobre uma superfície. Material Opaco: Material ue não transmite radiação. MÁQUINAS ÉRMICAS 0/ 6

27 REISÃO Os mecanismos de transferência de calor são: Condução: depende somente de um. Convecção: depende de um e transporte de massa. Radiação: depende somente de um. A Figura ilustra o processo de transmissão de calor por condução. " x k L xintensidadedefluxodecaloremw/m k: condutividade em W/mºC : diferença de temperatura L:espessura daparedeemm. 7

28 " h ( ) sup Radiação emitida por um corpo odos os corpos estando à determinada temperatura acima de 0 K (-73 0 C), conseüentemente, possuindo movimento molecular e atômico, emitem radiação eletromagnética. Esta radiação deve ser analisada sob o ponto de vista de ualidade e de uantidade, por ue suas características, comportamento e interação com os elementos construtivos, dependem intensamente dessas propriedades da radiação eletromagnética. Quantidade da radiação eletromagnética A uantidade de energia radiante emitida por m por um corpo, depende da uarta potência da sua temperatura absoluta (Lei de Stephan Boltzmann) e das características de emissividade da sua superfície, sendo apresentada na euação: 4 " σ sup ε irradiaçãodeumcorpoemw/m σ Constante de Boltzmann (5.67x0-8 W/m K 4 ) ε Emissividade da superfície : emperatura da superfície 8

29 CONDUÇÃO UNIDIMENSIONAL EM REGIME ESACIONÁRIO RESISÊNCIA ÉRMICA Da mesma forma ue uma resistência elétrica está associada a condução de eletricidade, uma resistência térmica pode ser associada a condução de calor. A resistência térmica na condução é: R t, cond s, x s, L k A Uma resistência térmica também pode ser associada a transferência de calor por convecção em uma superfície. R t, conv s h A O circuito térmico euivalente para a parede plana com condições de convecção nas duas superfícies, a taxa de transferência de calor pode ser determinada pela consideração em separado de cada elemento do circuito. Umavezueéconstanteaolongodoprocesso: x, s, h A s, s, Lk A s, h A, Em termos de diferença de temperatura global ou total:,, x Rtotal Uma vez ue as resistências condutiva e convectiva estão em série, podem ser somadas: R t L + + h A k A h A 9

30 PAREDE COMPOSA x,,4 Rtotal R t L L L h A k A k A k A h A A B C 4 Em sistemas compostos é conveniente a utilização de um coeficiente global detransferênciadecaloru,ueédefinidopor: x UA O coeficiente global de transferência de calor U, está relacionado a resistência térmica total: UA U R t t R A R t R UA [( h) + ( L k ) + ( L k ) + ( L k ) + ( h )] A A B B C C 30

31 Um grande fabricante de eletrodomésticos está propondo o projeto de um forno autolimpante ue utiliza uma janela composta para separar o interior de um forno do ar ambiente. A janela possui dois plásticos resistentes a alta temperatura (AeB),comespessuraL A L B econdutividadestérmicask A 0,5W/m.Kek B 0,08 W/m.K. Durante o processo de autolimpeza, a temperatura das paredes internas do forno e do ar no seu interior, p e a, é de 400 C, enuanto a temperatura do ar ambiente 5 C. os coeficientes de transferência de calor por convecção e radiação, h c e h r, no interior do forno, bem como o coeficiente de transferência de calor por convecção do lado externo do forno, h e, são iguais e valem 5W/m.K. Qual a espessura mínima da janela LL A +L B, necessária para assegurar ue a temperatura na superfície externa da janela não ultrapasse os 50ºC? sup<50ºc Ar Ar A, ka B, kb L A L B 5 C h e 5W/m.K ROCADORES DE CALOR Freüentemente estamos interessados em transferir energia térmica de um sistema para a vizinhança ou entre partes de um sistema. Isto é feito através de um euipamento, chamado de rocador de Calor, muito comum de ser encontrada em indústrias. Podemos classificar os trocadores de diversas maneiras: uanto ao modo de troca de calor, uanto ao número de fluidos, tipo de construção, etc. 3

32 >> Classificação Quanto a Utilização Resfriador resfriaumfluidopormeiodeáguaouar. Refrigerador resfria um fluido a temperaturas abaixo dauelas obtidas uando se usa água. Como fluidos refrigerantes emprega-se comumente amônia e freon. Condensador resfria o vapor até a sua condensação parcial ou total. Auecedor auece um fluido de processo, geralmente por meio de vapor d água. Refervedor termo particularmente empregado para o vaporizador ue trabalha acoplado ao fundo de torres de fracionamento, re-evaporando o resíduo ali acumulado. Evaporador são usados para concentrar uma solução pela vaporização da água. Se além da água ocorrer a vaporização de ualuer outro fluido a unidade denomina-se vaporizador. Permutador embora este termo seja utilizado para uase todos os euipamentos de troca é melhor aplicado para os casos em ue os dois efeitos, resfriamento de um fluido e auecimento de outro, são desejados no processo. Como aplicações mais comuns deste tipo de euipamento temos: O projeto completo de trocadores de calor pode ser subdividido em três fases principais: A análise térmica; O projeto mecânico preliminar; O projeto de fabricação; 3

33 A ANÁLISE ÉRMICA consiste na determinação da área de troca de calor reuerida, dadas as condições de escoamento e temperaturas dos fluidos. O PROJEO MECÂNICO envolve considerações sobre pressões e temperaturas de operação, características de corrosão, etc. O PROJEO DE FABRICAÇÃO reuer a tradução das características e dimensões físicas em uma unidade ue possa ser construída a um baixo custo. CLASSIFICAÇÕES De uma forma mais básica, duas classificações vão nos interessar: auela ue divide os trocadores entre aueles ue utilizam o contato direto e os de contato indireto e uma outra ue os classifica em função das suas características de construção. CLASSIFICAÇÃO DOS ROCADORES DE CALOR Processos de transferência Construção 33

34 CLASSIFICAÇÃO - PROCESSOS DE RANSFERÊNCIA De uma forma mais básica, duas classificações vão nos interessar: auela ue divide ostrocadoresentreauelesueutilizamocontato direto eosdecontato indireto e uma outra ue os classifica em função das suas características de construção. PROCESSOS DE RANSFERÊNCIA CONAO DIREO CONAO INDIREO RANSFERÊCIA DIREA RANSFERÊCIA INDIREA ROCADORES DE CONAO DIREO Neste trocador, os dois fluidos não se misturam (gás e um líuido por exemplo). Aplicações comuns de um trocador de contato direto envolvem transferência de massa além de transferência de calor; aplicações ue envolvem só transferência de calor são raras. São alcançadas taxas de transferência de calor muito altas. Sua construção é relativamente barata. As aplicações são limitadas aos casos onde um contato direto de dois fluxos fluidos é permissível. Ex: torres de resfriamento. 34

35 ROCADORES DE CONAO INDIREO CONAO INDIREO RANSFERÊCIA DIREA RANSFERÊCIA INDIREA (ARMAZENAMENO) Em um trocador de calor de contato indireto, os fluidos permanecem separados e o calor é transferido continuamente através de uma parede, pela ual se realiza a transferência de calor. Os trocadores de contato indireto classificam-se em: trocadores de transferência direta e de armazenamento. CONAO INDIREO RANSFERÊNCIA DIREA Não há mistura dos dois fluidos. Os fluidos uente e frio estão separados por uma superfície de troca térmica. Nestetipo, há umfluxo contínuo decalor do fluidouenteao frio atravésde uma parede ue os separa. Não há mistura entre eles, pois cada corrente permanece em passagens separados. 35

36 CONAO INDIREO RANSFERÊNCIA INDIREA ARMAZENAMENO Sua operação se caracteriza pelas superfícies internas (elemento térmico), as uais são alternativamente expostas aos dois fluidos, ou seja, o fluido uente transfere calor ao elemento térmico ao fluir através dele, esfriando-se; o calor armazenado no elemento térmico é então transferido ao fluido frio uando este escoa pelo euipamento. Ex: Ljungstron (roda térmica rotativa). Este trocador também é chamado regenerador. CARACERÍSICAS DE CONSRUÇÃO ipo de construção ubular ipo placa ubo duplo Casco e tubo Serpentina 36

37 ubular ubo duplo Casco e tubo Serpentina São geralmente construídos com tubos circulares, existindo uma variação de acordo com o fabricante. São usados para aplicações de transferência de calor líuido/líuido (uma ou duas fases). Eles trabalham de maneira ótima em aplicações de transferência de calor gás/gás, principalmente uando pressões e/ou temperaturas operacionais são muito altas onde nenhum outro tipo de trocador pode operar. Configuração do escoamento; ipo de construção. ubos concêntricos: UBO DUPLO O trocador de tubo duplo consiste de dois tubos concêntricos. Um dos fluidos escoa pelo tubo interno e o outro pela parte anular entre tubos, emumadireçãodecontrafluxo.esteétalvezomaissimplesdetodosostipos de trocador de calor pela fácil manutenção envolvida. É geralmente usado em aplicações de peuenas capacidades. 37

38 PARALELO CONRA-CORRENE Fluidos uente e frio se movimentam no mesmo sentido. Fluidos uente e frio se movimentam em sentidos opostos. d mc d C d mc d C f f d d Por outro lado os fluidos podem se mover em escoamento cruzado(um fluido escoa perpendicularmente ao outro). 38

39 C paralelo.mp4 C CC.mp4 ROCADORES DE CASCO E UBOS Este trocador é construído com tubos e uma carcaça (casco). Umdosfluidospassapordentrodostubos,eooutropeloespaçoentreacarcaçae os tubos, casco. Existe uma variedade de construções diferentes destes trocadores dependendo da transferência de calor desejada, do desempenho, da ueda de pressão e dos métodos usados para reduzir tensões térmicas, prevenir vazamentos, facilidade de limpeza, para conter pressões operacionais e temperaturas altas, controlar corrosão, etc. rocadores de casco e tubo são os mais usados para uaisuer capacidades e condições operacionais, tais como pressões e temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos, misturas de multicomponentes, etc. Estes são trocadores muito versáteis, feitos de uma variedade de materiais e tamanhos e são extensivamente usados em processos industriais. 39

40 Formas específicas desse tipo de trocador de calor diferem de acordo com o númerodepasses noscascos enostubos. A forma mais simples mostrada na figura envolve uma única passagem nos tubosenocasco. Chicanas: aumentam o coeficiente de transferência de calor no fluido no lado do casco, induzindo turbulência e um componente de velocidade na direção do escoamento cruzado. rocadores de calor com dotados de chicanas com (a) um passe no casco e dois passes nos tubos e (b) com dois passes nos cascos e uatro passes nos tubos. 40

41 Ccascoetubo rocadores de calor compactos: atingir altas áreas de transferência por unidade de volume (>700m/m3). Possuem grande uantidade de tubos ou placas e são tipicamente usados uando um dos fluidos é um gás, sendo portanto caracterizados por peuenos coeficientes de transferência de calor. ubospodemserplanosoucirculares. 4

42 C compacto, radiador ROCADORES DE SERPENINAS Recuperativos Os fluidos estão separados por uma parede intermediária, a ual corresponde a verdadeira superfície de transferência de calor. Ex: rocadores tubulares. 4

43 ROCADORES DE PLACAS Este tipo de trocador normalmente é construído com placas planas lisas ou com alguma forma de ondulações. Geralmente, este trocador não pode suportar pressões muito altas, comparado ao trocador tubular euivalente. 43

44 MÁQUINAS ÉRMICAS 0/ Um grande fabricante de eletrodomésticos está propondo o projeto de um forno autolimpante ue utiliza uma janela composta para separar o interior de um forno do ar ambiente. A janela possui dois plásticos resistentes a alta temperatura (AeB),comespessuraL A L B econdutividadestérmicask A 0,5W/m.Kek B 0,08 W/m.K. Durante o processo de autolimpeza, a temperatura das paredes internas do forno e do ar no seu interior, p e a, é de 400 C, enuanto a temperatura do ar ambiente 5 C. os coeficientes de transferência de calor por convecção e radiação, h c e h r, no interior do forno, bem como o coeficiente de transferência de calor por convecção do lado externo do forno, h e, são iguais e valem 5W/m.K. Qual a espessura mínima da janela LL A +L B, necessária para assegurar ue a temperatura na superfície externa da janela não ultrapasse os 50ºC? p 400 C h r 5W/m.K Janela composta L A L B sup<50ºc a 400 C h i 5W/m.K Ar Ar A, ka B, kb L A L B Cavidade do forno 5 C h e 5W/m.K 44

45 Considerações:. Condição em regime estácionário.. Condução de calor na janela unidimensional. 3. Resistência de contato desprezível. 4. Absorção de radiação no interior da janela desprezível; logo, não existe geração interna de calor. 5. roca de calor por radiação entre a superfície externa da janela e a vizinhança desprezível. 6. Plásticos homogêneos com propriedades constantes. Análise: O circuito térmico pode ser construído com o reconhecimento de ue a resistência ao fluxo de calor está associada a convecção de calor na superfície externa, a condução através dos materiais plásticos e a convecção e radiação na superfície interna da janela. Assim, o circuito térmico e suas resistências possuem a seguinte forma: a a p p h r A sup, i k A A k B A sup, i h e A sup,i A, ka B, kb sup,e<50ºc h i A L A L B a a p p h r A sup, i k A A k B A sup, i h e A sup,i A, ka B, kb sup<50ºc h i A L A L B a sup, e Rt h e ( ) sup, e 45

46 ANÁLISE DE ROCADORES DE CALOR USO DA MÉDIA LOGARIMICA DAS DIFERENÇAS DE EMPERAURA(MLD) Para projetar e prever o desempenho de um C é essencial relacionar a taxa total de transferência de calor a grandezas tais como: a. emperaturas de entrada e saída dos fluidos; b. Coeficiente global de transferência de calor; c. Área total disponível para transferência de calor. Duas dessas relações podem ser deduzidas de imediato pelo utilização de um BE nos fluidos uente e frio, como por exemplo:, e f, e Para o fluido frio: m f c p ( ) e s, s f, s () BE para um C com fluidos: Se os fluidos não mudam de fase e sendo admitidos calores específicos constantes: Para o fluido uente: mc p ( ) s e () As euações independem da configuração do escoamento do C. 46

47 Uma expressão útil pode ser feita relacionando-se a taxa total de transferência de calor com a diferença de temperatura entre os fluidos uente e frio. f (3) Como varia com a posição no C torna-se necessário trabalhar com uma euação para a taxa de transferência de calor na forma: UA x m (4) m média aproximada da diferença de temperatura., e, s f, e Área de troca f, s Inicialmente é grande; diminui com a variação de x. A temperatura de saída do fluido frio não ultrapassa a temperatura de saída do fluido uente; Para determinar m, BE considerando: - C isolado termicamente; - roca ocorre somente entre os fluidos uente e frio. - Condução na direção axial é desprezível. - Desprezar Ec e Ep. - cp constante. - U constante. 47

48 , e, s f, e Área de troca f, s Aplicando um BE a cada um dos elementos diferenciais: d mc d C d d mc d C d (6) f f C e Cf: taxas de capacidade calorífica dos fluidos uente e frio. Integrando a expressão ao longo C, a transferência de calor através da área da pode ser expressa por: d U da f (7) (5) Para determinar a forma integrada da euação (7) substituímos as euações (5) e (6) na euação (3): d( ) d d f Obtendo d( ) d + C Cf Substituindo d a partir da euação (7) e integrando ao longo do C: d C U + da C f (8) Substituindo C e Cf a partir das euações () e ():, e ln UA ln UA [( ) + ( )], e, s f, e f, s +, s f, s f, e 48

49 C com EP:, e, s f, e Área de troca f, s, e f, e, s f, s Então, e, s UA ln Comparando com a euação (4) x UA (4) m f, e f, s Conclui-se ue a diferença média das temperaturas apropriadas é uma média logarítmica das diferenças de temperatura ml. Onde: UA (9) x ml Lembrando ue: ml ln ln (0),, f, f,, e, s f, e f, s 49

50 C com o escoamento em CC, e f, s, s f, e Nessa configuração a transferência de calor ocorre entre as parcelas mais uentes dos dois fluidos em uma extremidade enuanto na outra a troca ocorre entre parcelas mais frias. Utiliza as mesmas euações porém:,, f, f,, e, s f, s f, e C com o escoamento em CC, e, s f, s Área de troca f, e, e f, s, s, e f, s f, e, s f, e 50

51 Condições especiais: 3 condições. C >>> C f C m c p 0, e, s A temperatura do fluido uente permanece praticamente constante; Atemperatura dofluidofrioaumentaaolongodoc; Ocorre uando o fluido uente é vapor em condensação. a condensação ocorreaumatemperatura constanteeparafinalidades práticac. Condições especiais: 3 condições. C <<< C f 0 f, e f, s Fluido frio muda de fase e permanece a temperatura constante, Cf Evaporador ou caldeira. 5

52 Condições especiais: 3 condições C C f axas de capacidades caloríficas iguais C em CC A diferença de temperatura é constante ao longo do C, assim 5

53 53

54 Limitação de LMD F-LMD 54

55 C com múltiplos passes Existem situações em ue, devido a restrições de espaço, econômicas ou condições técnicas específicas opta-se por construir trocadores com multipasse nos tubos e ou no casco. C de Correntes Cruzadas Nos trocadores de calor de correntes cruzadas, os fluidos se deslocam com correntes perpendiculares uma à outra. Neste caso os trocadores podem ser aletados ou sem aletas, diferindo-se pelo fato dos fluidos ue se movem sobre os tubos estarem não misturados ou misturados respectivamente. No primeiro caso o fluido é não misturado, pois as aletas impedem o movimento na direção transversal à direção principal da corrente, o ue já é possível nos tubos sem aletas, e as variações de temperatura, neste caso ocorrem principalmente na direção principal da corrente. Nos dois casos anteriores é possível aplicar as euações já apresentadas para trocadores em corrente e contracorrente simples. ml F ml, CC É aplicado um fator de correção a ml ue é calculado com a hipótese de escoamento em CC, usar os para escomento em CC. Foram adotadas várias expressões algébricas para determinação de F para diversas configurações de C de cascos e tubos e C com escoamento cruzado, suas apresentações podem ser representadas graficamente. Nas Figuras: t: corresponde a temperatura do fluido ue escoa no interior dos tubos. : corresponde a temperatura do fluido ue escoa nos cascos. Com essa convenção, não importa ual o fluido, se o uente ou o frio, escoa através dos cascos ou dos tubos. 55

56 C casco e tubo com UM passe no CASCO e ualuer número depassesmúltiplosdenostubos. C casco e tubo com DOIS passe no CASCO e ualuer número depassesmúltiplosdenostubos. 56

57 C com correntes cruzadas com DOIS escoamentos não misturados e com passes únicos. C com correntes cruzadas com UM escoamento não misturado e com passes únicos. 57

58 ANÁLISE DO C: O método da efetividade NU Utilizado uando se conhece somente a temperatura de entrada dos fluidos.. Determinação da máxima taxa de transferência de calor possível em um C, máx.. max será: max, e f, e d C& f Construindo um BE para os fluidos uente e frio: d mc & d Cd & p d f kg m & s ( f s f, e) C& (, e,, s ) Seja um C em CC, um dos fluidos iria apresentar a máxima diferença de temperaturas possível, e-fe. Considerando: C & f < C& d f > d, e f, s, s f, e O fluido frio iria experimentar a maior diferença de temperatura, ele seria auecido até a temperatura do fluido uente (fse): C & f < C& max C & f (, e f, e ) 58

59 De maneira análoga: C & < C& f max C & O fluido uente iria experimentar a maior diferença de temperatura, ele seria resfriado até a temperatura de alimentação do fluido frio (sfe): (, e f, e ), e f, s, s f, e Assim: max C & min (, e f, e ) Onde Cmin é igual a taxa ue apresentar menor valor entre Cf ou C. A euação fornece a taxa máxima de transferência de calor ue seria obtida em um trocador de calor para temperaturas de alimentação dos fluidos uente e frio são conhecidas. Logo a efetividade, ε, é definida como a razão entre a taxa real de transferência de calor em um trocador de calor e a taxa máxima de transferência de calor possível: ε max ε C ( C min, e (, e, s ) f, e ) ou ε C ( C f min f, s (, e f, e ) f, e ) 59

60 ε & & t max max A efetividade, ε, ue é um parâmetro admensional, deve estar entre 0 e. ela é útil uma vez ue os valores de e,,e e f,e forem conhecidos, a taxa real de transferência de calor pode ser determinada pela expressão: ε C min (, e f, e ) ε f C& NU, min C & max Onde Cmin/Cmax é igual a Cf/C ou C/Cf, dependendo das magnitudes relativas das taxas de capacidades caloríficas dos fluidos uente e frio. 60

61 NU UA C min Relação entre efetividade e NU Em cálculos envolvendo o projeto de trocadores de calor é mais conveniente trabalhar com relaçõesε-nu na forma: C NU f ε, min C max UA C&. NU min 6

62 C com EP C com CC C de casco e tubo com um passe no casco e múltiplos de passes nos tubos. 6

63 C de casco e tubo com dois passes nos cascos e múltiplos de passes nos tubos. C com escoamento cruzado e um único passe, com os dois fluidos não misturados. 63

64 C com escoamento cruzado e um único passe, com um fluido misturado e o outro não. 64

65 Exemplo: Um trocador de calor casco e tubo de um passe no casco e dois passes nos tubos é utilizado para resfriar determinado óleo. O refrigerante é água com vazão mássica de 4,08 kg/s e ue adentra o trocador de calor pelos tubos a uma temperatura de 0ºC. O óleo entra do lado do casco com vazão mássica de 0kg/s e as temperaturas de entrada e saída são 90 e 60 C. determine a área do trocador de calor pelos métodos F-LMD e ε-nu, sendo o coeficiente global de transferência de calor U, igual a 6 W/(m.K). Os calores específicos da água e do óleo são 479 e 8 J/(kg.K), respectivamente. Dados: C de casco e tubo; Passes no casco: Passe nos tubos: Água : m& c f e, f s, f água 4,08kg 0 C? 479J s kg K Óleo : m& c e, f s, f óleo 0kg s 90 C 60 C 8J kg K (a) F-LMD Determinar a área de trocar de calor por F-LMD e ε-nu, sendo U6 W/(m.K). Cálculo da temperatura de saída da água: BE : m& H O s, f c H O ( s, f 57,5 C e, f ) m& óleo c óleo ( e, s, ). Cálculo do calor total: m& óleo c óleo W (,, eóleo sóleo kg J 0 8 (90 C 60 C) s kg K ) 65

66 3. Cálculo de ml CC : ml ml ml ln, e, s f, s f, e 40 3,75 40 ln 3,75 36,5 C 90 57,5 3,75º C º C 4. Fator de correção F, água nos tubos : temperatura no casco t: temperatura nos tubos ts P e R t e s t t e e t e s 57,5 0 0, ,8 57,5 0 66

67 P0,53 R0,8 F0,85 Fator de correção para um C casco e tubo com um passe no casco e nos tubos. 5. Cálculo da área de troca térmica: UA t t A U ml ml F F W A W 6 36,5K 0,85 m K A 78,6m 67

68 68 (b) ε-nu:. Cálculo da efetividade: ) ( ) ( ) ( ) ( 0, ,7 7058, , ,08,, min,,,, min,, max max min min s f e e f s f f s f e s e óleo água C C C C C C K W C K W K kg J s kg c m C K W K kg J s kg c m C & & & & & & & & & & & ε (0,53;0,805), 0,53 0) 7058,7(90 57,5) 80(60 0,53 0) 7058,7(90 0) 7058,7(57,5 max min f NU C C f NU ou & & ε ε ε Usando Cf Usando C

69 C& min NU f ε, NU C & max f (0,53;0,805) C de casco e tubo com um passe no casco e múltiplos de passes nos tubos. UA C& min NU C& min A NU U 0,805 A,6 6 A 79,8m 69

70 CARACERIZAÇÃO DE MÁQUINAS ÉRMICAS 0/ INRODUÇÃO Energia existe sob várias formas (mecânica, elétrica, nuclear, solar,...); Pode ser convertida de uma forma para outra; A energia total tem de ser conservada. Seções seguintes: Ampliar a discussão sob conversão de energia; Considerando máuinas máuinas térmicas. Inclui todos os dispositivos em ue o calor é convertido em trabalho útil. Exemplos:. Um motor de automóvel converte a energia uímica da gasolina(combustão) em energia mecânica.. A turbina em uma usina geradora de eletricidade, converte calor em trabalho do eixo para operar um gerador

71 Uma vez ue o calor é a energia transferida de uma substância para outra uando existe uma diferença de temperatura entre elas, então é necessária uma fonte de calor. Calor: provém de um combustível ue é ueimado, embora também possa vir do sol e de reações nucleares. O fluxo de calor ocorre por um meio fluido, tal como líuido ou gás fluido de trabalho. 4 Dispositivo operando segundo um ciclo termodinâmico: MÁQUINA ÉRMICA Ex: motor, bomba de calor ou refrigerador. REALIZAR RABALHO: Motor térmico ADICIONAR CALOR PARA UM CORPO: Bomba de calor REIRAR CALOR DE UM CORPO: Refrigerador 7

72 Uma máuina térmica transforma calor em trabalho. Reservatórios de energia térmica FONE QUENE FONE QUENE Q MOOR W BOMBA W Q FONE FRIA FONE FRIA Q Q FONE QUENE MOOR FONE FRIA Rejeitado desperdiçado W Fluxo de energia em uma M, o calor flui de uma fonte uente a para uma fonte fria a, parte dessa energia é transformada em trabalho. Como a energia é conservada, o calor ue deixa o sistema é igual ao calor ue entra na fonte fria somado ao trabalho realizado pela máuina (não há armazenamento de energia). Realiza rabalho aproveitado Q Q + W W Q Q Quanto ou, mais trabalho a máuina é capaz de realizar. A energia disponível para realizar trabalho origina-se de uma redução de temperatura do fluido de trabalho. Quanto maior for a variação de temperatura, maior será o decréscimo de energia do fluido de trabalho e portanto maior será a uantidade de energia disponível para realizar trabalho. 7

73 Q Q FONE QUENE BOMBA W Ciclo revertido: fornecimento de trabalho para acionar a máuina. Bomba térmica fornece calor (Q) para um corpo mais uente e um refrigerador extrairia energia como calor (Q), de um corpo mais frio. Fornece rabalho Quanto ou, mais trabalho a máuina é necessário fornecer realizar. Ex.: Casa no inverno. Câmara de um freezer FONE FRIA Q Q + W W Q Q Quanto maior for a variação de temperatura, maior será o decréscimo de energia do fluido de trabalho e portanto maior será a uantidade de energia disponível para realizar trabalho. Uma máuina térmica retira energia térmica (Q) de uma fonte uente (por exemplo: caldeira em alta temperatura), utilizando parte desta energia na realização de trabalho (W), rejeitando o restante de energia térmica (Q) para a fonte fria (recipiente em baixa temperatura). Podemos observar ue sempre ocorre rejeição de energia para a fonte fria, logo, é impossível construir uma máuina térmica ue, operando em ciclo, transforme integralmente a energia térmica fornecida em trabalho. Após realizar trabalho o fluido pode ser descartado no ambiente ou ser mandado novamente a fonte de calor para reiniciar o ciclo. Caso: Ciclo aberto. Caso: Ciclo fechado

74 Eficiência térmica de um motor térmico (η) e os Coeficientes de performance(cop) de um refrigerador e de uma bomba de calor são definidos como: W η Q Q COP ref W Q COP bc W ª Lei da ermodinâmica: eficiência máxima seja 00% e COP seja infinito. ª Lei da ermodinâmica: Limita as medidas de desempenho. ª Lei da ermodinâmica: Q Q Muda o volume realiza trabalho Muda a temperatura varia energia interna Q W + U 48 74

75 ª LEI DA ERMODINÂMICA ransformação isotérmica Q 0 U0 Q W 49 ª LEI DA ERMODINÂMICA ransformação isovolumétrica 0 Q W0 Q U 50 75

76 ª LEI DA ERMODINÂMICA ransformação adiabática Q0 W U Q

77 53 Após realizar trabalho o fluido pode ser descartado no ambiente ou ser mandado novamente a fonte de calor para reiniciar o ciclo. Caso: Ciclo aberto. Caso: Ciclo fechado. Caso o fluido seja retornado ao retornado ao seu estado inicial, não haverá mudança em sua energia total, portanto E0, conseuentemente pela ª Lei da ermodinâmica, o trabalho total realizado pelo sistema é igual a adição líuida de calor (calor ue entra menos o calor ue sai): W Q Q Um exemplo comum de M é a turbina a vapor, como as utilizadas para geração de eletricidade

78 A geração de energia elétrica a partir do vapor baseia-se, conforme mostra a abaixo, nos seguintes euipamentos: Caldeira; urbina; Condensador; Bomba. O fluido de trabalho é a água no seu estado líuido e vapor. O calor é transferido do combustível sendo ueimado para a água da caldeira, elevando sua energia e transformando em vapor. O vapor movimenta as pás da turbina, fornecendo parte de sua energia para movimentar o eixo. No condensador o vapor é condensado para a fase líuida, enuanto sua energia é transferida para a água ue se resfria e parte é liberada para o ambiente. A água é bombeada com alta pressão e retorna a caldeira (o calor necessário para a operação da bomba vem do gerador elétrico acionado pela turbina). Para o sistema completo dessa forma de geração, o balanço de energia é conseuência da ª Lei da termodinâmica. Q Q + W Calor ue entra na usina (ueima do combustível) rabalho líuido realizado (para gerar eletricidade) Calor líuido de saída (do condensador) 55 ª LEI DA ERMODINÂMICA Entropia Baixa energia Baixa Alta energia Alta A ª lei versa sobre a direção dos processos físicos: por ue um processo ocorre em uma direção e não em outra. P.ex: dizemos ue o calor flui de um corpo uente para um corpo frio mas nunca o contrário,maseageladeira?ocalorpassadeumafontefriaparaumafonteuente, entretanto somente com a ajuda externa da eletricidade fornecida ao compressor da geladeira. 78

79 A Entropia é uma propriedade do sistema. Lembrando ue podemos alterar a energia de um sistema pela realização de trabalho sobre ele, ou pela adição ou subtração de calor. Quando calor é adicionado, a desordem do sistema aumenta, assim como sua entropia. Se o calor flui para fora do sistema, a desordem diminui assim como sua entropia. A segunda lei afirma ue: Para ualuer processo espontâneo, a entropia do sistema pode apenas aumentar ou permanecer igual, mas nunca diminuir. 57 Afirmações da ª Lei:. O calor somente pode fluir espontaneamente de uma fonte uente para uma fonte fria.. Nenhuma máuina térmica, na ual a fonte de calor seja transformada inteiramente em trabalho, pode ser construída. Parte do calor deve ser descartada para uma fonte de temperatura mais baixa. A segunda afirmação nos diz ue precisamos de uma fonte uente e um sorvedouro frio para ue aconteça o fluxo de calor e a extração de trabalho útil. Para uma máuina térmica funcionar, parte do calor deve ser descartado para um sorvedouro frio, ue pode ser o ambiente. É necessário ue tenha um. A eficiência percentual de um dispositivo foi definida como a razão: rabalho _ útil _ saída Eficiência 00% energia _ entrada 58 79

80 O princípio da conservação da energia nos diz ue o trabalho realizado é igual a entrada de energia menos o calor transferido para fora do sistema, portanto: calor _ entra calor _ sai Eficiência 00% calor _ entra calor _ sai Eficiência 00% calor _ entra Se uma parte do calor é transferida para o sorvedouro frio, então jamais teremos um sistema com 00% de eficiência. Portanto jamais existirão máuinas de movimento perpétuo. Mesmocomausênciadeatritonamáuinaumapartedocalorvaisertransferida paraosorvedourofrioeaeficiênciaserámenordoue00%fazendocomue ela eventualmente pare. 59 rabalho _ útil _ saída Eficiência 00% energia _ entrada Q Q FONE QUENE MÁQUINA FONE FRIA W AUMENANDO A EFICIÊNCIA Extrair grande uantidade de calor e passar muito pouco para o sorvedouro. A única forma de ter 00% de eficiência é jogar zero de calor para o sorvedouro. Q Q FONE QUENE MÁQUINA FONE FRIA W 60 80

81 Não é tão simples: A ª lei impõe um obstáculo: a entropia total não pode diminuir. A entropia da fonte uente diminui (calor é extraído), e a entropia da lixeira aumenta (calor é fornecido), lembrando ue: S total S uente Q S O ganho de entropia da lixeira deve, ao menos balancear a perda de entropia da fonte uente: S frio Q + Q 0 Q Q Estabelece um valor mínimo para Q. 6 W Q Q W Q max Q Q,min Q Q W ( ) Q( ) ( ) ( ) max Q 6 8

82 Existem diversos tipos de máuinas térmicas elas se caracterizam pelo tipo de ciclo a ue o fluido de trabalho é submetido. Ciclo a vapor ou Rankine Máuinas a vapor (usina elétrica, locomotivas) Ciclo a gás Combustão Interna: Otto, ciclos a diesel (automóveis, caminhões) Combustão Externa: turbina a gás (aviões). Liberam o fluido processado e recebem uma nova carga de fluido. Um ciclo em ue o fluido de trabalho sofre mudança de estado, turbina a vapor, é chamado de ciclo de vapor, ou Ciclo Rankine. Um ciclo onde o fluido de trabalho permanece no estado gasoso é chamado ciclo a gás (geralmente o fluido é um gás uente, ue não deve ser confundido com o combustível gás natural). 8

83 ( Q )?

84 67 Máuina de Carnot Opera mais eficientemente entre reservatórios; Máuina Ideal ue utiliza processos reversíveis em seus ciclos de operação. Estabelece a máxima eficiência possível de uma máuina real. Nicolas Léonard Sadi Carnot (796-83) 84

85 3 Expansão Isotérmica: Calor fornecido ao fluido de forma reversível por um reservatório de alta temperatura a. O pistão no cilindro é movido e o volume aumenta Expansão Adiabática: O cilindro é completamente isolado, sem transmissão de calor no proc. Reversível. O pistão continua a ser movido com volume aumentando. 3 4 Compressão Isotérmica: calor rejeitado pelo fluido, reversível, para um reservatório de baixa temperatura a f. O pistão comprime o fluido em uestão com diminuição do volume. 4 Compressão Adiabática: O cilindro isolado, sem transmissão de calor no processo reversível. O pistão continua comprimindo o fluido até ue este atinja o volume a temperatura r pressão originais. 3 Expansão Isotérmica 3 Expansão Adiabática Compressão Isotérmica 4 Compressão adiabática 4 3 f 85

86 Aplicando a ª Lei ao Ciclo: A Eficiência será: η Q Q + W Q Q Q Q Q W Q Q FONE QUENE MOOR FONE FRIA f Q Q W É impossível construir uma máuina operando entre dois reservatórios de dadas ue seja mais eficiente ue a Máuina de Carnot. a eficiência de uma Máuina de Carnot não depende da substância usada no processo ou ualuer característica de projeto da máuina. odas as máuinas reversíveis operando entre reservatórios de temperaturas dadas, tem a mesma eficiência da máuina de Carnot operando entre as mesmas duas temperaturas dadas dos reservatórios. 86

87 A eficiência de Carnot dependente de dois reservatórios de temperatura determinar a relação. Expansão Isotérmica 3 Expansão Adiabática 3 4 Compressão Isotérmica 4 Compressão adiabática Q W pd nr ln Q 3 Q Q W3 4 pd nr ln Q η Q + f ln ln 4 3 Para os processos adiabáticos: 3 Expansão Adiabática 4 Compressão adiabática f 3 k f Reconhecendo ue: ln Q 3 Q4 4 k 0 0 ln Logo vemos ue: Q η Q + f ln ln 4 3 η f A eficiência térmica da Máuina de Carnot depende somente das temperaturas absolutas dos reservatórios. 87

88 Quando operada ao inverso COP da bomba de calor de Carnot se torna: COP bc Q W Q Q Q f f COP ref Q f W Q Q f Q f f As medidas de desempenho anteriores estabelecem limites dos uais os dispositivos reais podem apenas se aproximar. Ciclos reversíveis são irreais.. Um motor de Carnot opera entre duas fontes de temperaturas a 00ºC e 0ºC, respectivamente. Se o trabalho desejado for de 5kW, determine a transmissão de calor do reservatório de temperatura alta e a transmissão de calor para o reservatório de temperatura baixa. 00ºC Motor f0ºc Q Q W5kW A Eficiência da Máuina de Carnot é dada por: W& f η Q& W& 5 Q 39, kw f Convertendo em emperaturas absolutas temos: Usando a ª Lei: & f Q & W 39,4 5 4, 4kW Q 88

89 . Um refrigerador está resfriando um espaço a -5ºC transferindo calor para atmosfera ue estás a 0ºC. O objetivo é reduzir a temperatura no espaço para 5ºC. Calcule a percentagem mínima de aumento no trabalho necessário, assumindo um refrigerador de Carnot, para mesma uantidade de calor removido. Para o refrigerador de Carnot sabemos ue: Q& f COP W f Para primeira situação temos: Para segunda situação: O aumento de trabalho % é: f 93 W Q f Qf 0, 0933Q f W Q f 0, 0933Q f 48 W W 0,8Q 0,0933 f Qf % W 0,0933Q f Note o grande aumento no trabalho necessário para reduzir a temperatura no espaço refrigerado. Esse é o aumento mínimo necessário, uma vez ue assumimos um refrigerador ideal. 3. Uma máuina de Carnot opera com ar, conforme o ciclo. Determinar a eficiência térmica e o trabalho produzido para cada ciclo. 80kPa 500 K 300 K 0 m 3 /kg A Eficiência da Máuina de Carnot é dada por: W& f 300 η 0,40 40% Q& 500 Para achar o trabalho produzido, devemos determinar o calor adicionado durante a expansão a temperatura constante e estabelecer W de η W Q w encontrando a partir da ª Lei da ermodinâmica usando u0 89

90 dv v3 3 w 3 pdv R R ln v v v v Para achar v primeiro achamos v: R v, 076 p Sendo: ( k ) 300 v v m,076 0, Da mesma maneira: ( k ) v v m 3 4 0, Finalmente:,789 wη kj 0,4 0,87 500ln 8 0,300 kg m 3,5,5 3 3 kg kg MÁQUINAS ÉRMICAS 0/ 90

91 MÁQUINAS MOORAS Os motores podem ser definidos como todo tipo de conjunto mecânico capaz de transformar uma determinada energia em energia mecânica. Os motores são classificados segundo a energia ue transformam.. Eólicos: Utilizam-se do movimento do ar. Nestes motores hélices são impulsionadas por fluxo de ar. São destinados normalmente ao bombeamento de água, moinhos e, atualmente também para geração de energia elétrica.. Hidráulicos: direcionamento do fluxo hidráulico através de uma turbina hidráulica, impulsionando um eixo produzindo movimento de rotação. Destinado tradicionalmente ao acionamento de máuinas estacionárias. 3. Elétricos: utiliza as propriedades magnéticas da corrente elétrica para acionamento de um eixo. Aplicações inúmeras. Possibilidade de atingir uma grande gama de potências, desde motores elétricos minúsculos a motores de porte elevado. 4. érmicos: baseado nas propriedades térmicas das substâncias. Aumento do volume e pressão para produzir movimento linear transformado em movimento de rotação através do conjunto biela-manivela. 4.. érmicos de combustão externa: A combustão é realizada externamente ao motor, isto é, o calor éproduzido fora do motor emlocaldenominado decaldeira (Figura ). Em geral utiliza-se vapor d água proveniente da elevação de pressão no processo de ebulição. Nesta categoria se enuadram os motores das locomotivas a vapor. Atualmente o princípio é utilizado nas Usinas ermoelétricas, podendo utilizar combustível fóssil ou nuclear. 4.. érmicos de combustão interna: A combustão é realizada dentro do próprio motor. 9

92 MCI início com a invenção das armas de fogo energia térmica da explosão transformava-se em trabalho. ª metade do século XII uso da pólvora para movimentar um êmbolo ou pistão dentro de um cilindro fechado Na evolução do motor, Denis Papin e Christian Huygens (idealizado o motor à pólvora) propôs o funcionamento da máuina a vapor evoluída por homas Savery, homas Newcomen e James Watt propiciou a Revolução Industrial da segunda metade do Século XIII. 759 Henry Hood de ar uente ao invés de vapor, ideia essa executada por George Caley em 807. Outros motores a ar, ue operavam por combustão externa Robert Stirling 86 John Ericson 86. Esses motores apresentavam um melhor rendimento por operarem com pressões superiores aos motores a vapor Em860 JeanJosephLenoir primeiromotorcompistão(fig.) A combustão acontecia dos dois lados do pistão. Ocontroledeentradaesaídadosgasesaconteciapormeiodeválvulasdeadmissão eexaustão. 9

93 MOOR DE COMBUSÃO INERNA Definição São máuinas térmicas alternativas, de combustão interna, destinadas ao suprimento de energia mecânica ou força motriz de acionamento. ransformam energia uímica dos combustíveis em energia mecânica(trabalho). Geralmente os motores trabalham consumindo um combustível líuido, tal como gasolina, álcool, óleo diesel,...além disto, existem motores, os uais consomem gases como butano, gás natural e etc. Flash\Mauinas ermicas.exe Classificação ESACIONÁRIOS destinados ao acionamento de máuinas estacionárias, tais como: geradores elétricos, motobombas ou outras máuinas ue operam em rotação constante; INDUSRIAIS destinados ao acionamento de máuinas agrícolas ou destinadas à construção civil: tratores,carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máuinas de mineração, veículos de operação fora-de-estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações; EICULARES destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, caminhões e ônibus, incluindo-se aui aeronaves; MARÍIMOS destinados à propulsão de barcos e máuinas de uso naval. Conforme o tipo de serviço e o regime de trabalho da embarcação, existe uma vasta gama de modelos com características apropriadas, conforme o uso. 93

94 Classificação: Deacordocomomododeueimadecombustível. Ignição por centelha. Ignição por compressão. O motor por compressão é comumente chamado de Motor Diesel. O nome deriva do engenheiro francês Rudolf Diesel, ue desenvolveu o primeiromotornoperíodode893a898. Motores movidos a gasolina, álcool ou gás natural são exemplos de motores por ignição por centelha. Neste caso a ueima do combustível é iniciada com uma centelha fornecida pela vela de ignição. Motores Diesel geralmente utilizam diesel como combustível. Nestes motores a ignição é iniciada pela injeção do combustível no cilindro através de bico dos injetores. A combustão é de maneira espontânea, estimulada por elevadas e P da mistura ar/combustível no cilindro. Classificação De explosão (ignição ou faísca), ciclo de OO, ue usam normalmente como combustível o gás natural, embora possam recorrer ao propano e a gasolina, e Deigniçãoporcompressãoueoperamcomdiesel,CiclodeDIESEL.Estesnão possuem velas de ignição. Movimento do pistão Alternativos (Ciclo Otto e Ciclo Diesel) Rotativo (Wankel). Ciclos de trabalho (motores de pistão): tempos. 4 tempos. 94

95 Número: Monocilíndrico Policíndrico. Disposição dos cilindros Linha.. Opostos. Radiais. Fases ou tempos de funcionamento dos motores alternativos As fases ue caracterizam o ciclo dos motores são as mesmas em ualuer motor alternativo de êmbolos e seguem os seguintes passos:. introduz-se o ar ou a mistura ar+combustível no cilindro;. comprime-se o ar ou a mistura ar+combustível, consumindo trabalho (deve ser fornecido pelo sistema); 3. ueima ou combustão da mistura; 4. ocorre a expansão dos gases resultantes da combustão, gerando trabalho pelo sistema; 5. ocorre a expulsão dos gases. Uma fase do ciclo mecânico de trabalho estende-se por duas rotações ou giros da árvore de manivelas, o ue corresponde a uatro cursos do pistão, ou seja, o pistão sobe e desce duas vezes, caracterizando-se os motores de uatro tempos. 95

96 Processo de Combustão nos Motores Para ue haja uma combustão perfeita é necessário dosar três elementos fundamentais, é o chamado triângulo do fogo, o Ar, Calor e Combustível. O tempo ue leva para ue a mescla ar+combustível entre em combustão é chamado de atraso de combustão e dura aproximadamente milisegundos(ms). Condiçõesueoatrasopodeduraratéms: Baixa temperatura de funcionamento do motor Bicos injetores não atomizando perfeitamente Ponto de inicio de injeção ajustado muito avançado Má ualidade do combustível Problemas mecânicos, específicos para o tipo de motor. Outro fator ue influencia o atraso de combustão é a pressão de compressão no interior da câmara de combustão. Quanto maior a pressão menor o atraso de combustão, conforme mostra a figura 8, a seguir, o efeito da temperatura (ºC) versus níveis de pressão(bar). 96

97 3 CICLOS DE OPERAÇÃO DO MOOR DE COMBUSÃO INERNA(MCI) Expansão Isotérmica 3 Expansão Adiabática Compressão Isotérmica 4 Compressão adiabática 4 3 f Flash\Calor produzindo trabalho.exe Flash\Processo Reversivel.exe Flash\Carnot.exe Eficiência: Expansão Isotérmica 3 Expansão Adiabática η f Compressão Isotérmica 4 Compressão adiabática 3 f axa de pressão isoentrópica: r ps p p p p 3 f k k axa de compressão isoentrópica: r vs p k k 4 f cv 3 c 97

98 CICLOS ALERNAIOS DIESEL(MCI) São M de combustão interna possuem válvulas ue abrem ou fecham (ciclos); Cilindros dentro dos uais se movimentam pistões. álvula de Entrada Injetor de combustível Ar Cilindro Pistão Exaustão Combustão: ocorre na câmera formada pelo conjunto cilindro-pistão. irabreuim O pistão desloca-se dentro do cilindro variando o volume interno da câmara, desde o ponto morto inferior (PMI) volume da câmera é máximo até o ponto morto superior (PMS), volume da câmara é mínimo. Cada cilindro é dotado de uma válvula de admissão (ar); uma válvula de exaustão (escape), por onde saem os gases resultantes da ueima e um bico injetor por onde entra o combustível. Injetado sob pressão e pulverizado. PMS PMI Injeção ciclo Diesel.flv 98

99 OCICLODEDIESELCONSISE DE4EAPASOUPROCESSOS: Admissão: abre a válvula de admissão aspirando o ar (ISOBÁRICA); ao chegar no PMI, fecha a válvula de admissão. Compressão: o pistão sobe até o PMS pressurizando a câmara. Expansão: o combustível é injetado sob pressão e pulverizado pelo bico injetor. A alta P e provocam combustão. A P na câmara permanece constante. Impulsionado pela pressão, o pistão desce até o PMI, expandindo os gases ueimados. Exaustão: abre a válvula de escape, e a P na câmera cai bruscamente; o pistão sobe expulsando os gases ueimados, ao chegar no PMS, a válvula de escape fecha, e inicia-se um novo ciclo. O motor Diesel e sua combustao.flv De acordo com o esuema de operação pode-se traçar um diagrama pressãovolume para o ciclo: P P Diagrama Px Ciclo de Diesel Diagrama PxS Ciclo de Diesel U Q W ª Lei da ermodinâmica aplicada a um ciclo genérico: Estados inicial e final do ciclo são os mesmos. A adição de calor ocorre a P constante, as euações de entrada e saída de calor são: 0 S 99

100 P P 3 Isobárico P constante Q cp( ) 3 3 S 4 Isovolumétrico constante Q cv ) 4 ( 4 O rabalho ue acontece de 3 W P v ) 3 ( 3 v O rabalho líuido O rendimento será W ciclo Q Q Q η Q P Em, o pistão, em movimento descendente, aspira somente ar num processo isobárico. Em há um processo de compressão do ar, ue ocorre de forma adiabática. Em 3 o pistão está no PMS e o combustível é injetado de forma atomizada na massa de ar auecido e comprimido. Nessas condições ocorre a ueima do combustível sem necessidade de centelha, mas o processo se dá durante um peueno intervalo de tempo e pode-se dizer ue ocorre de modo aproximadamente isobárico. Em 34 ocorre expansão adiabática dos gases auecidos. Em 4 há redução de pressão e troca de calor com volume constante. Em 0 ocorre a exaustão dos gases sob pressão constante. 00

101 0 Descrever o desempenho de motores alternativos a pistão: Razão de corte (rc): relação entre os volumes ocupados pela mistura ar/combustível no PMS. axadecompressão (r):relação entreosvolumes ocupadosnopmiepms. Pressão média efetiva (pme): pressão constante teórica ue se atuasse no pistão durante o curso de potência, produziria o mesmo trabalho líuido ue o realmente produzido em um ciclo. A eficiência térmica do ciclo Diesel aumenta com a taxa de compressão, comosevênaseuações: 3 r c P 3 4 r P r c r Sendo 4 a razão volumétrica para o processo isentrópico 3-4 pode ser expresso pela euação: Em uma análise do ar padrão frio, valem as seguintes expressões, onde k,4: k c k k k r r r Dessa forma a eficiência do ciclo de Diesel será: Eparaociclo: ) ( c k c k r k r r η ( ) ) ( ) (.. o c k o c k c k c c k c térmica r k r r r r r r r k η k k f ps p p p p r 3 k f vs r 3 4

102 0 Assim, no ciclo ideal de Diesel, a eficiência é uma função da razão de compressão e da razão de expansão. Dessa forma a eficiência do ciclo de Diesel será: Eparaociclo: ) ( c k c k r k r r η ( ) ) ( ) (.. o c k o c k c k c c k c térmica r k r r r r r r r k η axa de Compressão É uma relação matemática ue indica uantas vezes a mistura ar/combustível ou simplesmente o ar é aspirado, no caso dos motores de ciclo diesel, para dentro dos cilindros pelo pistão e comprimido, dentro da câmara de combustão, antes ue se inicie o processo de ueima. Assim, um motor a gasolina ue tenha especificada uma taxa de compressão de 8:, por exemplo, indica ue o volume aspirado para dentro do cilindro foi comprimido oito vezes antes ue a centelha da vela de ignição iniciasse a combustão.

103 Do ponto de vista termodinâmico, a taxa de compressão é diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor. Assim, uanto maior a taxa de compressão, melhor será o aproveitamento energético ue o motor estará fazendo do combustível consumido. Por esse motivo é ue os motores diesel consomem menos ue um similar a gasolina: funcionando com taxas de compressão altíssimas (7: nos turbodiesel e até : nos diesel aspirados), geram a mesma potência, consumindo menos combustível Há algumas limitações físicas e técnicas para a simples ampliação dessa taxa. Dificuldade de obtenção de câmaras de combustão minúsculas. écnicas: as restrições são uanto às propriedades do combustível, alguns tipos toleram mais as taxas de compressão antes de se auto inflamar (número de cetanos ou octanagem). CICLOS ALERNAIOS OO(MCI) Este ciclo termodinâmico foi idealizado pelo engenheiro francês Alphonse Beau de Rochas em 86. De forma independente, o engenheiro alemão Nikolaus Otto concebeu coisa similar em 876, além de construir um motor ue operava com o mesmo, embora não exatamente igual aos atuais motores. Motores de ciclo Otto usam combustíveis leves como gasolina, álcool, gás natural. É desnecessário dizer ue a principal aplicação está nos automóveis. Esse motores são M de combustão interna, possuem válvulas ue abrem ou fecham, alterando as condições ao longo do ciclo. Dentre suas características específicas a principal ue diferencia este dos outros é a aspiração de uma mistura ar combustível. Para iniciar a ueima dentro da câmara, produzse uma centelha elétrica (faísca), vela, dispositivo ignitor. Ciclo Otto.avi.flv 03

104 A Figura 0 dá uma idéia da operação de um cilindro básico de um motor de ciclo Otto: dispões de válvulas (admissão no lado esuerdo e escape no lado direito) e de um dispositivo de centelha elétrica para ignição (vela). A mistura de ar e combustível é fornecida por um sistema de alimentação (carburador ou sistemas de injeção). ASPIRAÇÃO: 0, a válvula de admissão está aberta e o movimento do pistão aspira a mistura de ar e combustível. Isobárico. Ao atingir o PMI, a válvula de admissão é fechada e o movimento ascendente comprime a mistura (). Adiabático porue a velocidade do pistão é alta, havendo pouco tempo para a troca de calor. COMPRESSÃO: Em 3 o pistão atinge o PMS, uando uma centelha na vela provoca a ignição da mistura. Ocorre, portanto, um fornecimento de calor pela reação de combustão, bastante rápida. EXPANSÃO: O fornecimento de calor eleva a pressão da mistura, ue se expande, forçando o pistão para baixo como em 34 da figura. Pela mesma razão de, a transformação pode ser suposta adiabática. EXAUSÃO: Em 4 o pistão atinge o ponto morto inferior, uando a válvula de escape é aberta, reduzindo rapidamente a pressão do gás. O ciclo cede calor ao ambiente. Esse ciclo pode ser representado por diagramas pressão x volume e de pressão entropia: 04

105 Esse ciclo pode ser representado por diagramas pressão x volume e de pressão entropia: P S Uma vez ue o Ciclo de Otto é composto por processo totalmente reversíveis, as áreas nos diagramas Px e xs podem ser interpretadas como trabalho e calor. Na análise termodinâmica geralmente não se considera as etapas de admissão e exaustão de gases (0 e0 respectivamente) assim o ciclo fica limitado as regiões 34 do diagrama. P S e 34 são adiabáticosatroca decalor se dá em 3 (calor fornecido) e 4 (calorcedido ao ambiente) são transformações a constante. Q c ( ) v 3 3 Q c ( ) v

106 P S Quanto ao trabalho executado, ele é nulo em 3 e 4, constante. O trabalho das transformações adiabáticas e 34 é: W W 3 4 W lí P( v P( v 4 v ) v ) O trabalho líuido será: 3 Q Q W W W li η Q 3 Q4 sinal negativo: calor cedido pelo ciclo. Quando o ciclo de Otto é analisado em base de ar-padrão frio onde os calores específicos são considerados constantes nos seus valores para temperatura ambiente expressa-se as relações entre a taxa de compressão, rc e as temperaturas e volumes. k r k c A eficiência térmica pode ser expressa como: η k térmica ( rc ) k rc Ondekérelação entrecvecp. 06

107 Características écnicas de Desempenho As características de desempenho dos motores, estão relacionadas ao processo de transformação de energia dos combustíveis em energia mecânica e das especificações técnicas de projeto inerentes a cada modelo de motor, os uais caracterizam parâmetros específicos como potência, torue, consumo de combustível e rendimento. Outros aspectos correspondentes a uma análise técnica conjunta dizem respeito as características dimensionais ue os motores apresentam: Cilindrada Éovolumetotaldeslocadopelopistãoemseucursoentreopontomortoinferior(PMI)e o ponto morto superior (PMS), multiplicado pelo número de cilindros do motor. É indicada em centímetros cúbicos(cm³) ou litros: D C π Curso nº 4 cilindros Exemplo: omamos as características técnicas para um motor de combustão, ciclo Otto. A partir da analise do catálogo do fabricante, têm-se os seguintes dados: Motor Dianteiro Longitudinal M.P.F.I.(Multi Point Fuel Injection) Número de Cilindros: 04 Diâmetro cilindro: 86,0 mm Cursodopistão:86,0mm axa de Compressão à 9,: Assim: D C π Curso nº 4 cilindros 8,6 C π 4 8,6 4 3 C 998,9cm L Motor.0 07

108 P Otto P Diesel Razão de Compressão r 4 3 C+ volume _ da _ camara _ de _ combustão r volume _ da _ camara _ de _ combustão Como exemplo, tomamos as características técnicas para um motor ciclo Otto, obtidas pela analise dos dados do catálogo, observa-se as seguintes informações: Motor ransversal Gasolina M.P.F.I.(Multi Point FuelInjection) Cilindrada: cm³ Número de Cilindros: 04 Diâmetro do Cilindro: 79,0 mm Curso do Pistão: 8,5 mm axa de Compressão 9,4: Como a axa de Compressão já é dada, pode-se calcular então o volume da câmara de combustão v. Como a axa de Compressão já é dada, pode-se calcular então o volume da câmara de combustão v. Motor 4 cilindros: 600 cm³ Umcilindro:600/4400cm³ 08

109 π D C 4 C 399,486cm π 7,9 C 4 Curso nº 8,5 3 cilindros r 9,4 C+ v r v v 47,56cm Pode-se, então, calcular a altura deixada no cilindro para a abertura das válvulas π D v h 4 4v h πd h 0,97cm 9,7mm Podemos concluir ue a axa de Compressão é uma propriedade inerente ao motor (bloco, cabeçote, pistões) e não ao combustível utilizado. Não se altera a axa de Compressão de um motor apenas modificando o tipo de combustível consumido. Assim, para uma altura (h) do cilindro ue compõe o volume da câmara de combustão, tenhasidorebaixadade0,6mm.qualseráanovaaxadecompressãodestemotor? π D v h 4 π 7,9 v (0,97 0,06) 44,605cm 4 C+ v 399, ,605 r 9,956 v 44,605 3 Assim, com a diminuição de 0,6 mm a axa de Compressão aumentará de 9,4: para aproximadamente 0,0:. 09

110 Atualmente, a indústria mecânica está em constante aprimoramento e melhora da ualidade e eficiência dos motores ue produz, buscando mudanças importantes nos projetos e operação dos motores de combustão, principalmente na necessidade de controle das emissões e otimização do consumo de combustível. Neste sentido muitas pesuisas estão voltadas para desenvolvimento de novas formas de energia, retomado e aperfeiçoado os estudos com novos combustíveis principalmente os biocombustíveis provenientes da biomassa como o etanol, o biodiesel, entre outros. 0

111 CICLOS REAIS DE MCI Comparação entre os ciclos Para ciclos com a mesma taxa de compressão o ciclo mais eficiente é o de Otto (uantidade de calor menor, maior expansão) axa de compressão (r): relação entre os volumes ocupados no PMI e PMS. P Otto Diesel r 9 r c k,3 k η ( rc ) k r c η 0,5 η k r η 0,38 k r c k( rc )

112 Comparação entre os ciclos Para ciclos com a mesma pressão máxima o ciclo mais eficiente é o de Diesel (uantidade de calor menor, maior expansão). P Otto Diesel 3 Ciclos reais de MCI s Aparelho: Indicador diagrama indicado. Mostra as condições efetivas de funcionamento do motor. Registra as P em função do num diagrama em função das diversas posições do êmbolo durante seu curso. O diagrama registra condições reais do ciclo: ariação do cp; As perda de calor; A duração da combustão; A perda de atrito; O bombeamento do fluido; A duração da abertura das válvulas; O tempo de ignição ou injeção; As perdas por escape. 4

113 Diferenças entre os ciclo Otto real e ciclo Otto teórico As curvas de expansão e compressão não coincidem bem como os traços retos de introdução e rejeição de calor são substituídos por curvas e ângulos arredondados. P ignição Ciclo teórico Ciclo indicado Abertura da válvula de escape A perda de trabalho por transmissão de calor. B perda de trabalho por combustão não instantânea C perda de trabalho por abertura da válvula D perda de trabalho por por bombeamento E diminuição da temperatura e pressões máximas. PMS PMI 5 Estas diferenças são causadas por: PERDAS POR RANSMISSÃO DE CALOR: compressão e expansão não são adiabáticas; COMBUSÃO NÃO INSANÂNEA: no ciclo teórico é suposto ue a combustão a volume constante, i.e. instantânea. EMPO DE ABERURA DA ÁLULA DE ESCAPE: supões-se ue a rejeição de calor ocorre no PMI, na realidade a abertura da válvula de escape ocorre antes do PMI gases escapam Wdiminui. DIMINUIÇÃO DAS E P MÁXIMAS: o fluido de trabalho não é ar ideal e com isso há aumento de calores específicos com a reduzindo o valor de kcp/cv diminuição do rendimento térmico. PERDAS POR BOMBEAMENO: durante a admissão da mistura a P no cilindro é inferior a atmosférica e durante o escape superior. 6 3

114 Diferenças entre os ciclo Diesel real e ciclo Diesel teórico Na forma e nos valores das e P máximas. As diferenças correspondentes a variação dos calores específicos, as perdas de calor e a abertura antecipada da válvula de escape correspondem às do ciclo de Otto. Diferença na combustão pois essa Ciclo teórico P não se verifica a pressão constante no ciclo real. Na prática a P varia Ciclo indicado durante a combustão. ignição Abertura da válvula de escape O ciclo real se desenvolve de forma relativamente próxima ao processo teórico. PMS PMI 7 Cálculo de Potências a) Potência no Eixo: ou potência efetiva é a potência obtida no eixo, motor, já descontadas as perdas, ou seja, é a potência líuida de saída. Pode ser medida por meio de um freio. πn P ( C ) 4500 πn 0,7354 P ( kw ) 4500 n: rotação rpm : torue b) Potência Indicada: é a potência realmente desenvolvida no interior dos cilindros.é calculada através do diagrama indicado. n z n L pmi c 60 i 60 Ni i z ( kw ) i z: n cilindros i:,, 4 tempos c) Potência de combustível: calor liberado pelo combustível. Nc m& c H i(kw ) m: massa de combustível ks/s Hi: PCI em kj/kg 8 4

115 d) Pressão média efetiva: Para calcular o trabalho efetivo disponível no virabreuim, adota-se uma pressão média mais fraca ue a pressão média indicada. É a pressão média efetiva, ue varia conforme os motores, o número de rotações e a relação volumétrica. A pressão média efetiva (Pm) permite, então, calcular o trabalho efetivo fornecido pelo motor.estetrabalhoétantomaioruantomaioréasuperfície S dopistão,uantomais longoéocurso s euantomaiselevadoéonúmerodecilindros. Exemplo: Quetrabalhofornece,acadacursomotriz,umpistão de56,5mm (5,65cm)dediâmetro, efetuando um curso de 70 mm (0,07 m) sob uma pressão média de 8 bar (80 kg/cm²), onde: πd Spistao 4 πd Pm Impulso 4 πd Pm π (5,65) W J 5

116 Curvas de rendimento em função dos valores médios da pressão efetiva. Curvasdedesempenho domotor,ueemfunçãodoregimederotações(rpm) 6

117 A curva de potência é o resultado do torue motor em mn ou mkg e do regime de rotação em rpm. Constata-se ue ela atinge o seu máximo a um regime relativamente elevado. Nos regimes baixos, a potência desenvolvida é relativamente fraca; o torue é importante, masavelocidadeemrpméfraca. Nos regimes médios, o torue diminui ligeiramente, mas a rotação aumentou fortemente; a potência é nitidamente mais elevada. Nos regimes de potência máxima, a curva torna-se horizontal. O torue diminui fortemente, e esta diminuição é completamente compensada pelo aumento do regime. A potência estabiliza-se. Rendimento dos Motores de Combustão Interna Rendimento Mecânico O rendimento mecânico é a relação entre a potência produzida no eixo e a potência produzida no interior do cilindro, provocada pela combustão. Este rendimento é função da força de atrito ue ocorre entre os seus diversos órgãos e das forças necessárias para acionarem os órgãos auxiliares. Rendimento érmico O rendimento térmico é a relação entre o calor ue efetivamente se transforma em trabalho útil e o calor euivalente ao trabalho ue poderia ser obtido pela ueima do combustível. O aumento do rendimento térmico do motor pode ser conseguido das seguintes maneiras: Aumentando a taxa de compressão Otimizando a combustão Diminuindo a diferença de temperatura entre a saída e entrada d água de refrigeração do motor 7

118

119 37 Prova 07/ dúvidas 09/ seg. 9