Máquinas Hidráulicas e Térmicas

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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 2009 
 
 
 
 
Sumário 
 
Parte I Máquinas Hidráulicas 
 
Capítulo 1. Introdução 
1.1 Breve Histórico 
1.2 Definição de Máquina de Fluido 
1.3 Tipos de Máquinas de Fluidos 
1.3.1 Máquinas de Deslocamento Positivo 
1.3.2 Máquinas de Fluxo 
1.4 Aplicações de Máquinas de Fluido 
1.5 Energia, Vazão e Potência 
Capítulo 2. Classificação, Descrição e Elementos Construtivos 
 2.1. Definição e Classificação de Máquinas de Fluido 
 2.2. Elementos construtivos 
 2.3 Classificação de Máquinas de Fluxo 
 
Capítulo 3. Revisão de Mecânica dos Fluidos 
 3.1. Propriedade dos Fluidos 
 3.2. 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) 
 3.6.2 Conservação da quantidade de movimento (2a Lei de Newton) 
 3.6.3 Conservação da energia (1a 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 
 4.2. 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 
 5.2. Potências 
 5.2.1. Potência Interna 
 5.2.2. Potência Hidráulica 
 5.2.3. Potência Eficaz - Potência no eixo 
 5.3. Rendimentos 
 5.3.1. Rendimento interno 
 5.3.2. 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 
 6.2. 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 
 7.1.2 Velocidade específica de sucção 
 7.2 Tubo de sucção em turbinas hidráulicas 
 7.3 Altura de sucção em turbinas hidráulicas 
 
Capítulo 8. Turbinas Hidráulicas 
8.1 Introdução 
8.2 Classificação 
8.3 Tipos de Turbinas Hidráulicas 
 8.3.1. Turbinas Francis 
 8.3.2. 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. 
 8.4.2. 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 
 8.8.2. 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 
 9.2. 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. 
 9.3.1.1.2 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 
 9.3.1.2 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 
 9.3.2. Bombas Volumétricas ou de Deslocamento Positivo 
 9.3.2.1 Classificação e Características 
 9.3.2.1.1 Bombas Alternativas 
 9.3.2.1.2 Bombas Rotativas 
 9.3.2.1.3 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 
10.2. Classificação 
10.3. Revisão da Termodinâmica 
 10.3.1. Definição de Termodinâmica 
 10.3.2. 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 
10.3.4.2. 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 
 10.3.5.2. 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) 
 10.3.6.2. Processos Reversíveis e Irreversíveis 
10.3.7. Algumas Características e Processos dos Gases Perfeitos 
10.3.7.1. Calor Específico 
10.3.7.2. 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 1a Lei da Termodinâmica 
10.3.10. Relações entre as integrais de p e v. 
10.3.10.1. A integral p ⋅∫ ∂ν1
2
 
10.3.10.2. A integral ∫ ⋅−
2
1 dpv 
10.3.10.3. Relação entre − ∫∫ v dp p dv. . e 
1
2
1
2
 
 
10.3.10.4. Integrais cíclicas 
10.3.11. Segunda lei da termodinâmica 
10.3.11.1. Introdução 
10.3.11.2. 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) 
10.3.12. Tabelas e Diagramas 
 
Capítulo 11. Turbinas a Vapor 
11.1. Introdução 
11.2. 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 12. Turbinas a Gás 
 12.1. Introdução 
 12.2. Elementos Construtivos 
12.3. Características Gerais 
 12.4. Classificação 
12.5. Ciclos de Funcionamento 
12.5.1. Ciclos Abertos 
12.5.2. Ciclos Fechados 
12.5.3. Ciclos Combinados Turbina a Gás e Turbina a Vapor 
12.6. Regulagem das Turbinas a Gás 
12.7. Equações Fundamentais 
12.8. Perdas, Potência e Rendimentos 
12.9. Aplicações das Turbinas a Gás 
12.10. Comparações entre as Turbinas a Gás e as Turbinas a Vapor 
 
Capítulo 13. Motores de Combustão Interna 
13.1. Motores ICE 
13.1.1. Definições e Classificações 
13.1.2. 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 
13.2. Motores de ICO 
13.2.1. Curvas Características 
13.2.2. Ciclo Padrão a ar Diesel 
13.2.3. Funcionamento 
13.2.3.1. Processo de combustão do motor ICO 
13.2.3.2. Detonação no motor ICO 
13.2.3.3. Câmara de Combustão 
13.2.3.4. Turboalimentação 
13.3. Comparação entre os Ciclos Otto e Diesel 
 
Capítulo 14. Geradores de Vapor 
14.1. Introdução 
14.2. Componentes de um Gerador de Vapor. 
14.2.1. Fornalha 
14.2.2. Caldeiras 
14.2.3. Superaquecedores 
14.2.4. Economizador 
14.2.5. Pré-Aquecedores de Ar de Combustão 
14.2.6. 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. 
 
1.2 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: 
 
( ) ( ) ( ) ( )2 212a d a a d d a d a dY q u u p v p v c c g z z= + − + − + − + − (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/m2; 
1v / ρ= é o volume específico do fluido em m3/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 
 
( ) ( ) ( )2 212a d a d a dY q h h c c g z z= + − + − + − (1.2) 
 
A segunda lei a termodinâmica estabelece que num processo de fluxo a variação da 
propriedade entropia pode ser obtida da equação 
 
a a d d ger
dS Q m s m s S
dt T
= + − + (1.3) 
 
na qual 0gerS ≥ 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 dss , tem-se 
 
ds as s= (1.4) 
 
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 
 
( ) ( ) ( )2 212s a ds a d a dY h h c c g z z= − + − + − (1.5) 
 
Em regime permanente a vazão mássica através da máquina é constante e igual a 
 
m cAρ= (1.6) 
 
Daí 
 
d a
d d d a a a
m m
c A c Aρ ρ
=
=
 (1.6) 
A potência pode, então, ser calculada pela expressão: 
 
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.