UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA MÁQUINAS HIDRÁULICAS E TÉRMICAS Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos Prof. Dr. João Batista Campos Silva Ilha Solteira - agosto de 009
Sumário Parte I Máquinas Hidráulicas Capítulo 1. Introdução 1.1 Breve Histórico 1. Definição de Máquina de Fluido 1.3 Tipos de Máquinas de Fluidos 1.3.1 Máquinas de Deslocamento Positivo 1.3. Máquinas de Fluxo 1.4 Aplicações de Máquinas de Fluido 1.5 Energia, Vazão e Potência Capítulo. Classificação, Descrição e Elementos Construtivos.1. Definição e Classificação de Máquinas de Fluido.. Elementos construtivos.3 Classificação de Máquinas de Fluxo Capítulo 3. Revisão de Mecânica dos Fluidos 3.1. Propriedade dos Fluidos 3.. Tipos de Escoamento 3.3. Trajetórias, Filetes, Linhas e Tubo de Corrente 3.4. Teoria sobre o Escoamento dos Fluidos 3.5. Sistema e Volume de Controle 3.6 Leis Básicas e Equações 3.6.1 Conservação da massa (Continuidade) 3.6. Conservação da quantidade de movimento ( a Lei de Newton) 3.6.3 Conservação da energia (1 a Lei da Termodinâmica) 3.6.4 Relação entre as formulações de sistema e volume de controle 3.7 Equação de Euler 3.8. Equação de Bernoulli Capítulo 4. Equações para Máquinas Hidráulicas 4.1. Elementos Cinemáticos Básicos 4.. Equação da Circulação 4.3. Equação da Impulsão 4.4. Equação Fundamental das Máquinas de Fluxo Capítulo 5. Perdas, Potências e Rendimentos 5.1. Perdas 5.. Potências 5..1. Potência Interna 5... Potência Hidráulica 5..3. Potência Eficaz - Potência no eixo 5.3. Rendimentos 5.3.1. Rendimento interno 5.3.. Rendimento de atrito 5.3.3. Rendimento volumétrico 5.3.4. Rendimento mecânico 5.3.5. Rendimento Total
Capítulo 6. Características de Funcionamento Análise Dimensional e Semelhança 6.1. Grandezas Características do Funcionamento 6.. Tipos de Semelhança 6.3 - Curvas Características 6.4. Alteração das Grandezas Características de Funcionamento 6.5 Grandezas Relativas e Unitárias 6.6 Velocidade Específica Capítulo 7. Cavitação, Tubo de Sucção e Altura de Sucção 7.1 Cavitação 7.1.1 Altura de sucção de bombas hidráulicas 7.1. Velocidade específica de sucção 7. Tubo de sucção em turbinas hidráulicas 7.3 Altura de sucção em turbinas hidráulicas Capítulo 8. Turbinas Hidráulicas 8.1 Introdução 8. Classificação 8.3 Tipos de Turbinas Hidráulicas 8.3.1. Turbinas Francis 8.3.. Turbinas Pelton 8.3.3. Turbinas Hélice 8.3.4. Turbinas Kaplan 8.3.5. Turbinas Dériaz 8.3.6. Turbinas Tubulares 8.3.7. Turbinas Bulbo 8.3.8. Turbinas Straflo 8.4. Velocidades das Turbinas Hidráulicas 8.4.1. Número real de rotações. 8.4.. Aumento de velocidade 8.5. Rendimento das Turbinas Hidráulicas 8.6. Campo de Aplicação das Turbinas Hidráulicas 8.7. Características de algumas Turbinas Hidráulicas instaladas no Brasil 8.8. Pré-Dimensionamento das Turbinas Hidráulicas 8.8.1. Dados para o Dimensionamento das Turbinas Hidráulicas 8.8.. Pré-Dimensionamento de Turbinas Francis 8.8.3. Pré-Dimensionamento de Turbinas Pelton 8.8.4. Pré-Dimensionamento de Turbinas Kaplan Capítulo 9. Bombas Hidráulicas 9.1. Introdução 9.. Classificação 9.3. Tipos de Bombas 9.3.1. Turbo bombas ou Bombas Dinâmicas 9.3.1.1 Classificação das Turbo bombas 9.3.1.1.1 Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor. 9.3.1.1. Classificação segundo o número de rotores 9.3.1.1.3 Classificação segundo o número entradas para aspiração 9.3.1.1.4 Classificação segundo o modo pelo qual é obtida
a transformação da energia cinética em energia de pressão 9.3.1.1.5 Outra Classificações 9.3.1. Características Gerais das Turbo bombas 9.3.1.3 Aplicações e Limitações das Turbo bombas 9.3.1.4 Especificação do tipo uma Turbo bomba 9.3.1.5 Equações Fundamentais das Turbo bombas 9.3.1.6 Rendimentos das Turbo bombas 9.3.1.7 Funcionamento 9.3.1.8 Pré-dimensionamento das turbo bombas 9.3.. Bombas Volumétricas ou de Deslocamento Positivo 9.3..1 Classificação e Características 9.3..1.1 Bombas Alternativas 9.3..1. Bombas Rotativas 9.3..1.3 Bombas Especiais 9.4. Comparações entre as Turbo bombas e as Bombas Volumétricas Parte II Máquinas Térmicas Capítulo 10. Generalidades e Revisão de Termodinâmica 10.1. Introdução 10.. Classificação 10.3. Revisão da Termodinâmica 10.3.1. Definição de Termodinâmica 10.3.. Estados de Equilíbrio, Ciclos e Processos Termodinâmicos 10.3.3. Propriedades Termodinâmicas 10.3.3.1. Equação de estado do gás perfeito e do gás real 10.3.4. Energias 10.3.4.1. Energias Armazenadas 10.3.4.. Energias de Trânsito 10.3.4.3. Entalpia 10.3.4.4. Calor Específico 10.3.4.5. Outras Formas de Energia 10.3.5. Sistemas Termodinâmicos 10.3.5.1. Sistemas Fechados e Abertos 10.3.5.. Sistemas Estáticos e Dinâmicos 10.3.5.3. Sistemas Dinâmicos Abertos em Regime Permanente 10.3.6. Processos Termodinâmicos 10.3.6.1. Processos Abertos e Fechados (Ciclos) 10.3.6.. Processos Reversíveis e Irreversíveis 10.3.7. Algumas Características e Processos dos Gases Perfeitos 10.3.7.1. Calor Específico 10.3.7.. Equação de Mayer 10.3.7.3. Processos Adiabáticos Reversíveis dos Gases Perfeitos. 10.3.7.4. Calor e Trabalho nas Transformações Isotérmicas Reversíveis dos Gases Perfeitos 10.3.8. A Lei Zero da Termodinâmica
10.3.9. A 1 a Lei da Termodinâmica 10.3.10. Relações entre as integrais de p e v. 10.3.10.1. A integral p ν 10.3.10.. A integral v dp 1 1 10.3.10.3. Relação entre vdp. pdv. 10.3.10.4. Integrais cíclicas 10.3.11. Segunda lei da termodinâmica 10.3.11.1. Introdução 10.3.11.. Enunciados da Segunda Lei 10.3.11.3. Ciclo de Carnot 10.3.11.4. Desigualdade de Clausius 10.3.11.5. Entropia 10.3.11.6. Terceira lei da termodinâmica (Einstein - Planck) 10.3.1. Tabelas e Diagramas Capítulo 11. Turbinas a Vapor 11.1. Introdução 11.. Elementos Construtivos 11.3. Classificação das turbinas a vapor 11.4. Tipos e Características das turbinas a vapor. 11.5. Ciclos de funcionamento das turbinas a vapor 11.6. Regulagem das Turbinas a vapor 11.7. Equações fundamentais 11.8. Perdas, Potências e Rendimentos Capítulo 1. Turbinas a Gás 1.1. Introdução 1.. Elementos Construtivos 1.3. Características Gerais 1.4. Classificação 1.5. Ciclos de Funcionamento 1.5.1. Ciclos Abertos 1.5.. Ciclos Fechados 1.5.3. Ciclos Combinados Turbina a Gás e Turbina a Vapor 1.6. Regulagem das Turbinas a Gás 1.7. Equações Fundamentais 1.8. Perdas, Potência e Rendimentos 1.9. Aplicações das Turbinas a Gás 1.10. Comparações entre as Turbinas a Gás e as Turbinas a Vapor 1 e 1 Capítulo 13. Motores de Combustão Interna 13.1. Motores ICE 13.1.1. Definições e Classificações 13.1.. Motores de Quatro Tempos 13.1.3. Processo de Combustão no Motor ICE 13.1.4. Curvas Características
13.1.5. Sistema de Ignição 13.1.6. Auto-Ignição - Detonação 13.1.7. Ciclo Padrão a ar OTTO 13.1.8. Carburador 13.. Motores de ICO 13..1. Curvas Características 13... Ciclo Padrão a ar Diesel 13..3. Funcionamento 13..3.1. Processo de combustão do motor ICO 13..3.. Detonação no motor ICO 13..3.3. Câmara de Combustão 13..3.4. Turboalimentação 13.3. Comparação entre os Ciclos Otto e Diesel Capítulo 14. Geradores de Vapor 14.1. Introdução 14.. Componentes de um Gerador de Vapor. 14..1. Fornalha 14... Caldeiras 14..3. Superaquecedores 14..4. Economizador 14..5. Pré-Aquecedores de Ar de Combustão 14..6. Sistema de Tiragem 14.3. Tratamento de Água de Alimentação 14.4. Perdas num Gerador de Vapor 14.5. Rendimento de um Gerador de Vapor 14.6. Consumo de Combustível
Parte I: Máquinas Hidráulicas 1. Introdução Uma máquina pode ser definida como um transformador de energia. A conversão pode ser de um tipo de energia em outro, ou simplesmente, de um mesmo tipo, porém transformada. Os principais tipos de máquinas são Máquinas Ferramentas, Máquinas Elétricas e Máquinas de Fluido. Exemplos de Máquinas Ferramentas são tornos mecânicos, plainas, fresadoras, etc. Máquinas Elétricas são os motores e geradores elétricos. As Máquinas de Fluido são aquelas em que a troca de energia ocorre entre um sistema mecânico e um fluido. Dentro da categoria máquina de fluido existem as Máquinas de Deslocamento Positivo e as Máquinas de Fluxo. No primeiro tipo, uma porção de fluido é confinada dentro da máquina e submetida a variações de pressão pela variação do volume que contém o fluido. Neste tipo de máquina, também chamada de máquina estática, há conversão direta de energia de pressão em trabalho mecânico ou vice-versa. Nas Máquinas de Fluxo ou dinâmicas, um fluido escoa continuamente através da máquina, havendo a transformação de trabalho mecânico em energia cinética e desta em energia de pressão ou vice-versa, na troca de energia. Há outra maneira de classificar as máquinas de fluido levando em consideração a compressibilidade do escoamento. As máquinas em que a compressibilidade do escoamento tem de ser considerada são denominadas de máquinas de escoamento compressível ou, genericamente, de máquinas térmicas, embora do ponto de vista termodinâmico, o conceito de máquina térmica possa ter outro significado. As máquinas hidráulicas são aquelas máquinas em que se despreza a compressibilidade do escoamento. Nesta primeira parte do texto dar-se-á ênfase às máquinas hidráulicas, principalmente, do tipo máquinas de fluxo ou também denominadas de turbo máquinas hidráulicas. 1.1 Breve histórico Desde os tempos mais antigos, o uso econômico da energia contida nos fluidos foi um fator primordial para o desenvolvimento da humanidade. Na Mesopotâmia, cerca de 3000 a.c., grandes sistemas de irrigação eram usados, enquanto, os egípcios e os gregos usavam rodas d água para moer cereais. Ao cientista egípcio Heron de Alexandria é atribuído o desenvolvimento de equipamentos precursores das máquinas de fluido modernas. É, entretanto, a partir do século XIX, com os conhecimentos de termodinâmica e mecânica dos fluidos que as máquinas de fluido passaram a ter um maior desenvolvimento. 1. Tipos Principais de Máquinas de Fluido Como já foi mencionado, as máquinas de fluido são dos tipos: Máquinas de Deslocamento Positivo (MDP) ou Máquinas de Fluxo (MF). As máquinas de deslocamento positivo podem ser alternativas; quando um órgão com movimento de vai-e-vem é o responsável pela troca de energia; ou rotativas quando o órgão principal responsável troca de energia é dotado de movimento rotativo. Exemplos de MDP s com movimentos alternativos são as bombas de pistão e os motores de automóveis. Entre as MDP s rotativas estão as bombas de engrenagens, os compressores de lóbulos, etc. Como exemplos de MF s pode-se citar as turbo bombas e as turbinas. Quando a energia é cedida pelo fluido, ou trabalho é realizado pelo fluido, a máquina é denominada de máquina motora ou motriz. Em caso contrário, em que trabalho é feito sobre o fluido, a máquina é denominada de máquina geradora ou operadora. As máquinas motoras
principais são as turbinas à vapor, as turbinas à gás e as turbinas hidráulicas, todas dentro da categoria máquinas de fluxo. As turbo bombas hidráulicas, os ventiladores e os turbo compressores são máquinas de fluxo do tipo geradoras. 1.4 Campo de aplicação O campo de aplicação das máquinas de fluido é amplo e pode haver superposição de diferentes tipos de máquinas em determinadas aplicações. Daí torna-se difícil definir qual a melhor máquina para determinado uso. No caso de máquinas geradoras tais como bombas e compressores deve-se definir se o melhor emprego é uma máquina de deslocamento positivo ou de fluxo. Ou no caso de máquinas motoras, tais como as turbinas hidráulicas deve-se definir qual dos tipos se encaixa melhor em determinadas condições de vazão e de altura de queda. Um caso típico é o caso de turbo compressores e ventiladores. Ambas são máquinas destinadas ao movimento de gases. Enquanto um ventilador é classificado como máquina hidráulica, o compressor é classificado como uma máquina térmica. O fluido ao passar por um ventilador sofre uma diferença de pressão pequena e desta forma pode-se desprezar o efeito de variação da massa específica do mesmo. Já num compressor a variação de massa específica do fluido não pode ser desconsiderada, pois a diferença de pressão sofrida pelo fluido é em geral alta. No caso de bombas hidráulicas predominam-se as turbo bombas em regiões de médias e grandes vazões, enquanto que as bombas de deslocamento positivo predominam na faixa de grandes alturas de elevação e pequenas vazões. No caso de turbinas hidráulicas normalmente se instalam máquinas radiais tais como as Francis, em locais de grande altura de queda e vazões médias e máquinas semi e axiais, tais como as Francis extra-rápidas e Kaplan em condições de grandes vazões e baixa altura de queda. 1.5 Grandezas fundamentais no estudo das máquinas de fluido As grandezas fundamentais no estudo de máquinas de fluxo são a vazão, trabalho e potência. Considerando o caso de um volume de controle em torno de uma máquina com uma entrada e uma saída de fluxo, Figura 1.1, pode-se demonstrar pelo uso da primeira da termodinâmica que o trabalho específico ou conteúdo de energia específica cedido ou recebido pelo fluido, em regime permanente é: 1 Y = q+ ( ua ud) + ( pava pdvd) + ( ca cd) + g( za zd) (1.1) na qual as variáveis têm o seguinte significado: q = quantidade de calor trocada por unidade de massa escoando pela máquina em J/kg; Y = trabalho específico realizado pelo fluido em J/kg; u = energia interna do fluido em J/kg; p = pressão estática do fluido em N/m ; v = 1/ ρ é o volume específico do fluido em m 3 /kg; c = velocidade absoluta do fluido em m/s.
Figura 1.1 Volume de controle simbolizando uma máquina de fluxo Em termodinâmica define-se a propriedade térmica entalpia como h= u+ pv. Desta forma a equação (1.1) pode ser reescrita na forma 1 Y = q+ ( ha hd) + ( ca cd) + g( za zd) (1.) A segunda lei a termodinâmica estabelece que num processo de fluxo a variação da propriedade entropia pode ser obtida da equação ds Q = + ms ms S a a d d+ ger (1.3) dt T na qual S ger 0 é a taxa de geração de entropia devido às irreversibilidades do processo. Em regime permanente, um processo adiabático e reversível é isentrópico. E designando a entropia de saída neste caso como s ds, tem-se s ds = s (1.4) a Neste caso se tem o trabalho isentrópico, que consiste no máximo trabalho se a máquina é motora ou mínimo se ela é geradora, calculado como Daí 1 Ys = ( ha hds) + ( ca cd) + g( za zd) (1.5) Em regime permanente a vazão mássica através da máquina é constante e igual a m = ρca (1.6)
m d = m a ρdca d d = ρaca a a A potência pode, então, ser calculada pela expressão: (1.6) P = my (1.7) que, geralmente, é denominada de potência hidráulica ou potência útil em máquinas geradoras ou potência disponível em máquinas motoras. Todos estes conceitos serão revistos nos próximos capítulos.