LIVRO TERMODINAMICA AVANÇADA

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TERMODINÂMICA 
AVANÇADA
Cláudia Luisa
Mendes
 
U N I D A D E 3
Diagnóstico dos sistemas 
térmicos e termodinâmicos
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Reconhecer a importância do diagnóstico para o bom funcionamento 
de sistemas térmicos e termodinâmicos.
 � Identificar as ferramentas existentes para diagnosticar os sistemas 
térmicos e termodinâmicos.
 � Aplicar a modelagem computacional no diagnóstico de sistemas 
térmicos e termodinâmicos.
Introdução
Os sistemas térmicos podem ser encontrados, por exemplo, em usinas 
de energia elétrica, indústrias de processamentos químicos e processos 
de fabricação. Nas residências, os sistemas térmicos são encontrados em 
aparelhos elétricos e a gás. 
Devido à larga aplicação desses sistemas, o diagnóstico para o bom 
funcionamento dos sistemas térmicos se torna imprescindível. 
Neste capítulo, você vai compreender a importância do diagnóstico 
para o bom funcionamento de sistemas térmicos e termodinâmicos, co-
nhecer as ferramentas existentes para o diagnóstico de sistemas térmicos 
e termodinâmicos e entender a aplicação da modelagem computacional 
no diagnóstico desses sistemas.
dpolycarpy
Rectangle
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Importância do diagnóstico nos sistemas 
térmicos e termodinâmicos 
Segundo Moran et al. (2013), sistema, na termodinâmica, é o termo usado 
para identificar o objeto de análise. Ele pode ser simples ou complexo de tal 
forma a englobar uma refinaria petrolífera inteira. 
Há dois tipos básicos de sistema: os sistemas fechados, no qual permanece 
uma quantidade fixa de matéria, e os sistemas abertos, em que o volume de 
controle (VC) é uma região do espaço e, por intermédio deste, pode ocorrer 
o fluxo de massa (Figura 1).
Figura 1. Exemplos de sistemas: a, sistema fechado — gás em um conjunto cilindro-pistão; 
b, sistema aberto — motor de automóvel. 
Fonte: Adaptada de Moran et al. (2013).
Gás Fronteira
a b
Entrada de ar
Fronteira
Eixo de transmissão
Entrada de
combustível
Saída dos gases
de exaustão
Um caso para fornecer base para o estudo da engenharia dos sistemas 
térmicos é o entendimento do funcionamento de uma instalação doméstica 
de água quente. Segundo Moran et al. (2011), a instalação que fornece água 
quente que provém de um aquecedor é um exemplo de um sistema térmico.
Conforme o desenho esquemático apresentado na Figura 2, um sistema 
de aquecimento típico inclui:
 � um fornecedor de água;
 � um aquecedor de água;
Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos2
 � tubulações de distribuição de água quente e fria;
 � uma torneira e um chuveiro.
Figura 2. Desenho esquemático da instalação residencial de água quente com aquecedor: 
a) visão geral; b) torneira e chuveiro.
Fonte: Moran et al. (2011).
A função desse tipo de sistema é fornecer uma corrente de água com vazão 
e temperatura desejadas.
Esse tipo de sistema funciona, basicamente, da seguinte forma: a água 
fria entra pela tubulação com uma pressão maior que a atmosférica, com 
baixa velocidade e elevação abaixo do nível do solo. Depois disso, a água sai 
do chuveiro com pressão atmosférica, velocidade e elevações maiores e com 
temperatura confortável para os usuários. 
O aumento da temperatura da entrada para saída depende dos elementos de 
aquecimento (elétricos ou a gás) e o quanto de energia eles dispõem para a água. 
Essa energia pode ser determinada utilizando os princípios da termodinâmica 
e da transferência de calor. Já as relações evolvendo pressão, velocidade e 
elevações são afetadas pelas dimensões das tubulações. Essas relações podem 
ser determinadas utilizando os princípios da mecânica dos fluidos. 
Os aquecedores de água, por exemplo, são projetados para garantir a trans-
ferência de calor para a água, sem troca com o ambiente. Devido à necessidade 
de manter a água em uma temperatura desejável, são necessários isolantes 
apropriados, tanto no aquecedor, quanto nas tubulações.
3Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos
Segundo Moran et al. (2011), o projeto de engenharia é o processo de 
tomada de decisão que estabelece objetivos, análises, sínteses, construções, 
testes, diagnósticos e avaliações.
No caso dos sistemas térmicos, o primeiro passo na análise e identifica-
ção do sistema é verificar como ele interage com o ambiente circunvizinho. 
Portanto, é necessário aplicar leis físicas que descrevam o comportamento 
do sistema, tais como:
 � conservação de massa;
 � conservação de energia;
 � conservação de quantidade de movimento;
 � Segunda Lei da Termodinâmica.
Porém, todo sistema térmico pode apresentar falhas, ou seja, condições 
de funcionamento diferentes das previstas em seu projeto original, sendo que 
essas condições geram ineficiência no sistema. Para solucionar esses problemas, 
são utilizados os diagnósticos dos sistemas térmicos.
Segundo Verda (2004), um diagnóstico termodinâmico completo se inicia 
com a localização de falhas, estende-se para a avaliação das consequências que 
a possível falha gera no consumo de energia e termina com a determinação do 
aumento de desempenho do sistema quando ocorre a remoção dessa falha. Esta 
é uma importante contribuição em instalações térmicas, podendo classificar 
as falhas de acordo com a sua contribuição na redução da eficiência global 
do sistema, dessa forma, a manutenção pode ser mais eficiente e direcionada.
Ferramentas existentes para o diagnóstico 
Segundo Silva (2009), o diagnóstico termodinâmico se baseia na análise 
de parâmetros obtidos pela medição do sistema que se pretende avaliar. 
As relações termodinâmicas entre essas medidas são extremamente importantes 
para analisar o sistema.
As técnicas que são utilizadas no diagnóstico termodinâmico são:
 � diagramas de funcionamento ou curvas de desempenho;
 � redes neurais;
 � métodos lineares e não lineares;
 � entradas perdas;
Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos4
 � termoeconômico;
 � seis sigma;
 � método da reconciliação;
 � método da análise quantitativa da causalidade;
 � método da dissipação da temperatura;
 � métodos com base na inteligência artificial (Lógica Fuzzy, Filtro de 
Kalman, rede bayesiana, algoritmos genéticos);
 � termo caracterização e outros.
Essas técnicas podem ser simples tabelas com as possíveis causas para cada 
uma das anomalias, ser técnicas que tentam descrever o sistema analiticamente, 
ou até mesmo, técnicas que utilizam inteligência artificial para tentar modelar 
heuristicamente as relações entre os componentes do sistema.
Segundo Silva (2009), as formas de diagnóstico termodinâmico mais 
estudadas e difundidas na literatura e que já estão sendo empregadas com 
relativo sucesso serão apresentadas a seguir.
Método termoeconômico
Segundo Verda, Serra e Valero (2004), este é o método mais aplicado em 
centrais térmicas. Nesse método, a modelagem de cada elemento do ciclo 
térmico é feita de acordo com a sua função, sendo que os fluxos de energia são 
expressos de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica devido à exergia 
informar a disponibilidade real de um fluxo em realizar trabalho. 
O principal objetivo do diagnóstico termoeconômico é encontrar as causas 
e avaliar o impacto sobre o consumo energético de uma determinada irrever-
sibilidade adicional.
Segundo Moran e Shapiro (2007), exergia é o trabalho máximo que pode ser obtido 
pelo processo mais adequado de um sistema, que se encontra em um estado inicial, até 
que atinja o estado final, caracterizado pelo equilíbrio termodinâmico com o ambiente.
5Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos
Um exemplo da aplicação desse método é quando a eficiência de um com-
ponente de uma termoelétrica começa a diminuir, o que gera impacto em 
todos os parâmetros da planta. Esse impacto será influenciado pelo sistema 
de controle da planta, que tentará manter os parâmetros controlados dentro 
de uma faixa aceitável. 
Método da reconciliação 
É uma técnica, segundo Zaleta-Aguilar et al. (2004),que normalmente é 
embutida como parte dos métodos termoeconômicos, mesmo não tendo ca-
racterísticas, tais como fluxos exergéticos, consumo específico de exergia e 
indicadores de deteriorações no ciclo térmico. 
No método de reconciliação, os resultados são obtidos por meio de equações 
analíticas, com base em linearização. O modelo implementado determina quais 
são as causas que impactam no heat rate e/ou no produto total produzido pela 
instalação. É como se a planta estivesse sendo reparada da condição atual, 
chamada de TOP (condição de operação em teste), para a condição de referência, 
chamada de ROP (condição referência de operação), passando pelas anomalias, 
de forma individual, avaliando, assim, o impacto de cada um desses reparos 
no heat rate e/ou na produção total de energia.
Segundo Zaleta-Aguilar et al. (2004), para o desenvolvimento de um sistema 
de reconciliação, é necessário:
 � estabelecer um modelo analítico para os componentes;
 � estabelecer uma condição de teste ou real (TOP);
 � estabelecer a condição de referência (ROP);
 � determinar as variáveis livres (rendimento dos equipamentos, parame-
trização, condições ambientais e qualidade do combustível);
 � desenvolver o módulo de reconciliação.
Método de análise quantitativa de causalidade 
Segundo Mendes (2012), esse método descreve o comportamento de um sistema 
térmico, de uma maneira matemática, com variáveis presentes nesse sistema. 
Essa análise tem como objetivo determinar rendimentos e consumos específicos 
em função de variáveis termodinâmicas independentes e dependentes, como 
pressão, temperatura, vazão, etc.
Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos6
A análise quantitativa de causalidade é um método que se baseia na li-
nearização do modelo termodinâmico do sistema. Para o método apresentar 
uma boa precisão, é necessário que o sistema térmico seja descrito por um 
conjunto de n variáveis termodinâmicas, de forma que essas variáveis sejam 
suficientes para caracterizar a eficiência isentrópica.
Método da termo caracterização 
Segundo Mendes (2012), para aplicar esse método, inicialmente foi definido 
um VC que envolve o componente do sistema térmico que se deseja analisar, 
ou seja, a variação da entalpia e da entropia em um sistema (Figura 3). 
Figura 3. Representação de um VC de um componente genérico.
Fonte: Adaptada de Mendes (2012).
Assim, torna possível elaborar uma curva de desempenho para o compo-
nente analisado para a dada condição de referência previamente estabelecida. 
Cada componente do sistema pode ser representado graficamente conforme 
a Figura 4. 
A presença de um ponto fora da curva de um dado componente representa 
uma anomalia, podendo esta ser intrínseca ou induzida.
7Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos
 � Anomalias intrínsecas: são anomalias causadas pela deterioração do rendimento 
de um componente do sistema devido à presença de uma avaria. 
 � Anomalias induzidas: são as anomalias causadas pela variação de insumo em um 
componente, ou seja, pela sua operação fora do ponto de projeto.
Figura 4. Representação do estado de referência em função 
da variação de entropia, variação de entalpia e fração mássica 
para um componente genérico em três dimensões.
Fonte: Adaptada de Mendes (2012).
∆h
MFR
σ
Carga
Parcial
Método com base na inteligência artificial
Segundo Mendes (2012), os sistemas de diagnóstico com base na inteligência 
artificial têm sido desenvolvidos na tentativa de evitar a resolução de expres-
sões analíticas complexas. Esses métodos precisam de grande quantidade 
de dados para que se possa treinar o sistema de diagnóstico, contendo os 
seguintes passos: aquisição dos dados reais de operação por meio do sistema 
de aquisição de dados da planta (PI), comparação dos dados obtidos com os 
dados de referência, cálculo das diferenças entre os dados de referência e os 
obtidos na planta e armazenamento das diferenças entre os estados na base 
de conhecimento do sistema inteligente.
Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos8
A grande desvantagem desses tipos de métodos é o fato de se basearem em 
ocorrências passadas, o que impede de gerar bons resultados em situações 
que ainda não foram experimentadas pela planta e de conseguir diferenciar 
as anomalias induzidas das intrínsecas
Aplicação da modelagem computacional 
no diagnóstico
Segundo Silva (2009), o diagnóstico se baseia na comparação entre dois estados 
de operação: o estado real e o estado de referência. 
O estado real é definido a partir de dados coletados por instrumentos co-
locados em pontos estratégicos da planta, porém, nem todos os dados podem 
ser medidos. 
O estado de referência precisa ser calculado. Para atingir a exatidão reque-
rida pelo problema de diagnóstico, é necessário usar modelos termodinâmicos 
que reproduzam o comportamento do sistema, de forma fiel com a realidade, 
para garantir a confiabilidade. Com isso, é útil a simulação de ciclos térmicos, 
ou seja, o uso de modelos.
Dentro desse contexto, alguns autores fazem afirmações sobre os modelos 
de diagnósticos de sistemas térmicos:
 � Os modelos são desenvolvidos para imitar o comportamento da planta 
em design e off-design. 
 � Os modelos são indispensáveis para simular a planta operando em 
design e off-design (ZALETA-AGUILAR et al., 2004).
 � Para a obtenção do estado ótimo de operação, é preciso desenvolver mo-
delos numéricos analíticos para reproduzir o comportamento da planta.
 � Os modelos servem para analisar anomalias, ou seja, para determinar 
as condições de operação correspondentes à presença de diferentes 
anomalias (VERDA, 2004).
Segundo Silva (2009), a condição de referência para o diagnóstico não é 
uma unanimidade, visto que ela ainda depende do autor que trata do assunto, 
podendo ser: a operação na condição Isso (International Organization for 
Standardization) ou in site, o teste de aceitação, ou ainda a simulação em 
design e off-design.
9Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos
Softwares comerciais de modelagem de 
sistemas térmicos
Segundo Silva (2009), esses softwares são comerciais que podem ser usados 
na modelagem de ciclos térmicos, tanto para a simulação de vários softwares, 
como para outras aplicações (projeto, ensino, pesquisa, etc).
O Thermoflex é um software desenvolvido pela Thermoflow, com uma 
interface gráfica que permite configurar e simular ciclos térmicos que são 
representativos de plantas de potência, de ciclos de cogeração, de chillers de 
refrigeração e até mesmo de plantas de dessalinização. 
Há ainda outros softwares (pacotes), mais específicos, que podem ser 
adquiridos pela Thermoflow, como, por exemplo, o GT PRO e o STEAM PRO. 
O GT PRO é específico para turbinas a gás em ciclo aberto ou combinado, 
com cogeração, ou integrada aos sistemas de gaseificação. O STEAM PRO 
é específico para ciclos de potência e de cogeração complexos com turbinas 
a vapor, caldeiras queimando, desde gás natural até óleos pesados e carvão, 
reaquecimento e preaquecimento, podendo simular ciclos com parâmetros 
supercríticos de vapor. A principal vantagem desses pacotes específicos é 
a automatização de projetos que busquem a configuração ótima de forma 
analítica.
Como o Thermoflex, existem outros softwares comerciais com base em 
interface gráfica, nos quais se pode construir e configurar o sistema térmico 
usando ícones que representam os componentes do ciclo, como: Ebsilon, IPSE 
Pro, Cycle Tempo, Gate Cycle, etc. 
Destes, o software Ebsilon dispõe de uma biblioteca com vários equipa-
mentos, comunicando-se com o Excel. Uma vantagem desse software, com 
relação ao Thermoflex, é a possibilidade de ler os dados a partir do Excel, 
não apenas exportá-los
Outros softwares que também permitem comunicação bilateral com o Excel 
são o Gate Cycle e o IPSE Pro. A vantagem do Ebsilon é a possibilidade de criar 
o próprio ícone (modelo matemático), para representar um dado equipamento, 
usando equações que descrevem o seu comportamentofora do ponto de projeto.
Segundo Silva (2009), a maioria dos softwares considera a combustão 
completa, ou seja, apenas balanço de massa e energia das espécies, sem for-
mação de CO e NOx. Sob esse aspecto, o Aspen Plus é o mais completo, pois 
considera a velocidade, a cinética e o equilíbrio das reações químicas.
Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos10
A Figura 5 mostra a interface de um exemplo de modelagem de turbinas 
a gás no software Gate Cycle®. 
Figura 5. Modelagem de turbinas a gás no software Gate Cycle®.
Fonte: Silva (2009).
Na Figura 5 são apresentadas todas as possíveis conexões de fluxo de massa 
e energia com a turbina a gás permitidas pelo Gate Cycle®: (a) entrada de 
combustível na câmara de combustão; (b) purga ou sangria de ar comprimido; 
(c) entrada de ar no compressor; (d) injeção de água e/ou vapor na câmara de 
combustão; (e) potência de eixo para o gerador/compressor; (f) saída dos gases 
de exaustão. Dessa forma, basta o usuário definir, na turbina, as conexões que 
representam a realidade a ser diagnosticada.
11Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos
MENDES, T. Diagnóstico termodinâmico aplicado a um sistema de refrigeração por 
compressão de vapor. 204 fls. 2012. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica)- 
Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2012.
MORAN, M. J. et al. Introdução à engenharia de sistemas térmicos: termodinâmica, me-
cânica dos fluidos, e transferência de calor e massa. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
1. Segundo Silva (2009), em 
que se baseia o diagnóstico 
termodinâmico?
a) Na análise de parâmetros obtidos 
pela medição no sistema.
b) Na solução de problemas.
c) Na manutenção dos sistemas.
d) Na eficiência energética.
e) Na avaliação dos problemas.
2. Qual das alternativas a seguir 
indica o método de realização de 
diagnósticos termodinâmicos mais 
aplicado em centrais térmicas?
a) Métodos lineares e não lineares.
b) Métodos de entradas perdas.
c) Método da reconciliação.
d) Método termoeconômico.
e) Métodos com base na 
inteligência artificial.
3. Qual alternativa indica o diagnóstico 
termodinâmico que tem como 
objetivo determinar rendimentos e 
consumos específicos em função 
de variáveis termodinâmicas 
independentes e dependentes?
a) Método de reconciliação.
b) Método de análise quantitativa 
de causalidade.
c) Métodos de entradas perdas.
d) Métodos com base na 
inteligência artificial.
e) Método da termo caracterização.
4. Qual alternativa indica o diagnóstico 
termodinâmico que apresenta 
desvantagem por se basear 
em ocorrências passadas?
a) Método de análise quantitativa 
de causalidade.
b) Método de entradas perdas.
c) Método da reconciliação.
d) Método termoeconômico.
e) Métodos com base na 
inteligência artificial.
5. Com relação à condição de 
referência para o diagnóstico, 
é correto afirmar que:
a) é uma característica 
bastante aplicada e 
consolidada na literatura.
b) depende do autor que 
trata do assunto.
c) depende do tipo de diagnóstico 
que será realizado.
d) é unificada por todos os autores.
e) depende do tipo de resultado 
que se deseja obter.
Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos12
MORAN, M. J. et al. Princípios da termodinâmica para engenharia. 7. ed. Rio de Janeiro: 
LTC, 2013.
MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Fundamental of engineering thermodynamics. 6. ed. New 
York: Wiley, 2007.
SILVA, J. A. M. Sistema de Informação para a Monitoração e Diagnóstico de Desempenho 
de Unidades Termelétricas de Ciclo Combinado. 186 fls. 2009. Dissertação (Mestrado em 
Conversão de Energia)- Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de 
Itajubá, Itajubá, 2009.
VERDA, V. Thermoeconomic analysis and diagnosis of energy utility systems from 
diagnosis to prognosis. International Journal Thermodynamics, v. 7, n. 2, p. 73-83, 2004.
VERDA, V.; SERRA, L.; VALERO, A. The effects of the control system on the thermoeco-
nomic diagnosis of a power plant. Energy, v. 29, n. 3, p. 331-359, 2004.
ZALETA-AGUILAR, A. et al. A reconciliation method based on a module simulator: an 
approach to the diagnosis of energy system malfunctions. International Journal of 
Thermodynamics, v. 7, n. 2, p. 51-60, jun. 2004.
13Diagnóstico dos sistemas térmicos e termodinâmicos
 
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da Instituição, você encontra a obra na íntegra.
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