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ENGENHARIA MECATRÔNICA E ELÉTRICA – SISTEMAS MECÂNICOS
ALEXSANDRO CARLOS DE OLIVEIRA - 23402020
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SISTEMAS MECÂNICOS
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ariquemes
2023
ALEXSANDRO CARLOS DE OLIVEIRA
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SISTEMAS MECÂNICOS
 
 
 
Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica do Centro Universitário ENIAC para a disciplina de Sistemas Mecânicos.
Professores: Maria Cristina Tagliari Diniz e Márcio Dias Felix.
 
 
 
 
 
 
 
 
Ariquemes
2023
 
INTRODUÇÃO
A geração de vapor por meio de caldeiras é um processo fundamental em diversas aplicações industriais e de geração de energia. Esse sistema complexo envolve a transformação de água líquida em vapor superaquecido, por meio da aplicação de energia térmica. Nesse contexto, é essencial compreender os princípios envolvidos na transferência de calor e na transformação de fase da água. Esta atividade proposta tem como objetivo aprofundar nosso conhecimento nessa área, abordando cálculos relacionados ao calor utilizado em caldeiras e a expressão que relaciona o fluxo de calor com a transformação de líquido para vapor. Vamos explorar como calcular o calor envolvido nesse processo e sua relação com os parâmetros termodinâmicos da água.
1.Sistemas Mecânicos
1.1 Estudo de caso
Uma caldeira ou gerador de vapor é um dispositivo usado para criar vapor, aplicando energia térmica à água. Embora as definições sejam um pouco flexíveis, pode-se dizer que os geradores de vapor mais antigos eram comumente denominados de caldeiras e trabalhavam em baixa a média pressão (7–2.000 kPa ou 1–290 psi), mas, em pressões acima disso, é mais comum falar de um gerador de vapor. Uma caldeira ou gerador de vapor é usado sempre que uma fonte de vapor é necessária. A forma e o tamanho dependem da aplicação: motores a vapor móveis, como locomotivas a vapor, motores portáteis e veículos rodoviários movidos a vapor, normalmente usam uma caldeira menor que faz parte integrante do veículo; Motores a vapor estacionários, instalações industriais e usinas de energia normalmente terão uma instalação de geração de vapor separada maior conectada ao ponto de uso por tubulação.
 A figura abaixo ilustra uma caldeira a vapor e a seguir temos o diagrama esquemático simplificado.
Figura 01: Caldeira a vapor
Fonte: https://www.jefferson.ind.br/conteudos/caldeira-a-vapor.html
Figura 02: Diagrama esquemático simplificado
Fonte: Portal ENIAC, Portfólio Sistemas Mecânicos
Para monitorar o funcionamento correto são instalados sensores de nível de água (N), temperatura do vapor (T), vazão do vapor (V) e monóxido de carbono. Inclusive estes sensores podem ser utilizados para gerar um sistema de alarme com identificação de falhas. 
2. Atividade Proposta
1) Calcular a expressão do calor utilizado em uma caldeira em regime permanente (fechado) para transformar água do estado líquido para o estado de vapor superaquecido. Suponhamos que a quantidade de vapor seja 𝑚v =15.000 (kg/h), que ˙ o líquido entre na caldeira saturado à 5 MPa e que o vapor saia na mesma pressão à 500°C. 
Q = m * (h₂ - h₁) 
Q = 15.000 kg/h * (1/3600 h/s) * (3533,8 kJ/kg - 2866,6 kJ/kg)
Calculo:
Q = (15.000 kg/h) * (1/3600 h/s) * (3533,8 kJ/kg - 2866,6 kJ/kg) Q = (15.000 * 1/3600) * (3533,8 - 2866,6) kJ/s
Q ≈ 207,29 kJ/s (ou kW)
Portanto, a quantidade de calor utilizada na caldeira para transformar a água do estado líquido para o estado de vapor superaquecido é aproximadamente 207,29 kW.
2) Representar a expressão calculada no item 1 em função do fluxo de calor pela caldeira (𝑄 v ˙ 𝑒) 𝑒 𝑚˙ 
Q = m * (h₂ - h₁)
𝑄 v̇ = Q / Δt
Onde Δt é o intervalo de tempo. Substituindo o valor de Q na equação, temos:
𝑄 v̇ = (m * (h₂ - h₁)) / Δt
Agora, a expressão está em função do fluxo de calor pela caldeira (𝑄 v̇). 
3) Essa expressão pode ser utilizada sempre que se desejar o calor transferido dentro da caldeira necessário para a transformação do líquido com entalpia de entrada he (energia de entrada) em vapor com entalpia de saída hs energia de saída) 
- Nesse caso suponha que: 
- A entalpia de entrada (he)da água para a pressão de 50 bar e que se trata de líquido saturado (100% líquido) vale he= 1154,21kJ/kg e hs=3433,8 kJ/kg para temperatura de 500°C e 5 MPa e calcule o fluxo de calor 𝑄 ˙ 
Figura 03: Diagrama entrada e saída
 Fonte: IENO, 2014
he = 1154,21 kJ/kg
hs = 3433,8 kJ/kg
m = 15.000 kg/h
Q = m * (hs - he)
Substituindo os valores fornecidos:
Q = 15.000 kg/h * (3433,8 kJ/kg - 1154,21 kJ/kg)
Q = 15.000 kg/h * (2279,59 kJ/kg)
Q = 34.193.850 kJ/h
Converter de kJ/h para kW, dividindo por 3,6 (porque 1 kW = 3,6 kJ/h):
Q = 34.193.850 kJ/h ÷ 3,6
Q ≈ 9.498.847,22 kW
O fluxo de calor necessário na caldeira é de aproximadamente 9.498.847,22 kW.
CONCLUSÃO 
A atividade proposta nos proporcionou uma compreensão mais profunda do funcionamento das caldeiras e da geração de vapor, processos essenciais em muitas indústrias e usinas de energia. Através dos cálculos realizados, pudemos calcular o calor necessário para transformar água líquida em vapor superaquecido, considerando parâmetros como entalpia e temperatura. Além disso, aprendemos a representar essa expressão em função do fluxo de calor pela caldeira, o que é fundamental para o monitoramento e otimização desses sistemas.
É importante destacar que o conhecimento adquirido nesta atividade não apenas contribui para a compreensão teórica, mas também tem aplicações práticas na indústria, onde a eficiência energética e a segurança operacional das caldeiras são de extrema importância. A capacidade de calcular e entender o calor envolvido nesse processo é valiosa para profissionais que atuam nesse campo, contribuindo para a operação eficiente e segura desses equipamentos. Portanto, esta atividade representa mais um passo em direção ao domínio dos princípios da termodinâmica aplicados à geração de vapor em caldeiras.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
JEFFERSON ENGENHARIA DE PROCESSOS INDUSTRIAIS. Cadeira a Vapor. Disponível em: https://www.jefferson.ind.br/conteudos/caldeira-a-vapor.html. Acesso em: 02 de outubro de 2023
WOMACK, James P. e JONES Daniel T. A Mentalidade Enxuta nas Empresas: Elimine o Desperdício e Crie Prosperidade, Editora Campus, 2005;
TOLEDO, José Carlos. A Sua Influência na Eficiência dos Processos Produtivos, Editora Atlas, 2004