UNIVASF Introdução à máquinas térmicas

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UNIVASF
Universidade Federal do Vale do São Francisco
GUILHERME FERNANDES
GUSTAVO DOURADO
EMANUELLA BARROS
IANA CAROLINE
LEONARDO LIMA
RODOLFO DANIEL
MÁQUINAS TÉRMICAS
Juazeiro,
Julho de 2016
GUILHERME FERNANDES
GUSTAVO DOURADO
EMANUELLA BARROS
IANA CAROLINE
LEONARDO LIMA
RODOLFO DANIEL
MÁQUINAS TÉRMICAS
Atividade para atribuição notas, referente à matéria introdução à engenharia mecânica, ministrada pelo professor Castro Silva
Juazeiro julho de 2016
INTRODUÇÃO
Uma máquina térmica é um sistema físico que recebe energia por algum processo envolvendo troca de calor e utiliza parte dessa energia como trabalho útil.
No início do século 19, quando se desenvolveu a teoria a respeito das máquinas térmicas, a máquina a vapor já havia sido construída, entretanto, visava-se um aprofundamento no estudo desse tema a fim de estabelecer limites de eficiência de sistemas físicos como este. Nomes como o do engenheiro militar francês, Carnot, ficaram conhecidos mundialmente quando citados aspectos relacionados a esse estudo. Ele estudou processos que envolviam transferência de calor, escrevendo livro intitulado - por sua tradução - como “Sobre a potência motriz do fogo”, que faz toda uma análise a respeito de como o fogo é utilizado como mecanismo que aquece um sistema físico, como na máquina a vapor. Esta funciona graças ao aquecimento, pelo fogo, de um reservatório de água que, transformada em vapor, aumenta seu volume empurrando um pistão, que faz com que se realize um trabalho útil e atinja seu objeto final. 
Após a Revolução Industrial, as máquinas construídas sob o princípio termodinâmico deram origem a técnicas e ferramentas antes feitas por operários. Também impulsionaram a economia visto que foi proporcionado a construção de estradas de ferro, locomotivas, vagões, navios e máquinas industriais. Máquinas a vapor são utilizadas ainda atualmente, como turbinas a vapor na geração de energia termonuclear e em hidrelétricas, de modo um tanto diferente ao antigo.
Convive-se com todos os tipos de máquinas térmicas, como as já citadas máquinas a vapor, motores de combustão interna e sistemas de refrigeração. A pesquisa em questão procura falar um pouco a respeito dessas máquinas, sua importância histórica no desenvolvimento atual e uma de suas principais aplicações, que são os refrigeradores.
IMPORTÂNCIA HISTÓRICA
As máquinas térmicas tiveram um papel muito importante no desenvolvimento tecnológico e industrial. Foram inventadas, com o propósito de poupar o tempo do trabalho humano e otimizar sua capacidade produtiva.
Os primeiros equipamentos movidos a vapor foram construídos na Grécia antiga. Uma delas ficou conhecida como Eolípila, ou simplesmente máquina de Heron. Porém, não havia nenhuma aplicação prática para essa máquina, servia apenas para impressionar pessoas nos templos
A partir da renascença, os conhecimentos científicos emergiam e modificavam cada vez mais o cenário antigo, juntamente com a primeira verdadeira máquina térmica, legada ao físico francês Denis Papin em 1690, que utilizou vapor para impulsionar um mecanismo com êmbolo e cilindro;
Em 1698, Thomas Savery inventou a primeira máquina a vapor, inaugurando a exploração de uma nova fonte motriz, que visava retirar água dos poços de minas de carvão, porém tinha problemas como inundação em caso de falha ou mesmo sua explosão devido ao uso de vapor a alta pressão;
Por volta de 1712, o inglês Thomas Newcomen, aperfeiçoando as máquinas de Savery e Papin, idealizou uma nova máquina térmica, que poderia ser utilizada em minas profundas com menor risco de explosões e que, além de elevar a água, poderia elevar cargas;
Em 1764 James Hargreaves inventa a máquina de fiar, uma máquina que permitia a um único artesão realizar o trabalho de oito pessoas;
Em 1768 Richard Arkwright associa o funcionamento de uma máquina de fiar ao fluxo constante de um rio, inventando assim o tear hidráulico e criando a primeira fábrica na Inglaterra.
De acordo com as premissas anteriores, vale notar a necessidade de aplicar o conhecimento na produtividade da indústria têxtil inglesa, provocando mudanças profundas na sociedade europeias. A partir da simples passagem da manufatura artesanal para a maquino fatura industrial até as revoluções sociais que eclodiriam na Europa no século XIX. Visto que, o ser humano modifica todo e qualquer meio em que está inserido, moldando o ambiente em que vivemos de acordo com nossos desejos e necessidades, as máquinas a vapor se tornaram uma ótima oportunidade de otimizar os trabalhos industriais da época, como também hodiernamente.
A máquina a vapor de Thomas Savery
No decorrer do século dezoito, a Inglaterra passou por diversas reformas que permitiram um grande acumulo de capitais para a sua burguesia mercantil, lhes dando a oportunidade de investir na aquisição de maquinas para o aumento da produtividade. Dessa forma, a crescente demanda por esse tipo de máquina levou à exploração predatória de carvão vegetal, combustível utilizado na época para separar o ferro dos outros minérios. 
Contudo, conforme se esgotavam as fontes de carvão vegetal, os ingleses iniciaram a exploração da espécie mineral do combustível. Para tanto, construíram centenas de minas ao longo do pais, alcançando índices de coleta de 100 milhões de toneladas por ano.
Apesar do grande avanço tecnológico observado no pais, as novas maquinas não haviam chegado à indústria mineira. Pôneis e mulas puxavam vagões cheios de carvão, moviam elevadores e erguiam toneis d’água que frequentemente inundavam as minas. Este problema, em particular motivou o surgimento das maquinas a vapor. Em 1698, Thomas Savery patenteou uma máquina a vapor que funcionava como uma bomba para retirar a agua das minas, ele argumentou que sua máquina era capaz de realizar o mesmo trabalho que um conjunto de cavalos. Uma de suas maquinas, montada em Londres para demonstração, teria produzido um vapor com pressão entre 8 e 10 atm. 
Mesmo com o pioneirismo, sua máquina apresentava uma série de problemas que dificultaram sua disseminação. Um deles era o baixo rendimento por causa da troca de calor entre o vapor e agua que deveria ser movida, sendo calculado em aproximadamente 1%. O outro problema era o fato de que a máquina necessitava de uma grande pressão de vapor para fazer a agua subir, entretanto as tubulações da época só suportavam forças de até 4 atm., suficiente apenas para elevar a agua algumas dezenas de metros. Mesmo com tais defeitos, sua invenção foi um grande marco para a história das maquinas térmicas.
A Máquina a vapor de Thomas Newcomen
Ao elaborar um sistema composto por um cilindro e um pistão móvel, Thomas Newcomen solucionou um outro inconveniente da máquina de Savery, ela não possuía partes moveis, com exceção de válvulas, a tornando incapaz de transportar o trabalho realizado para qualquer mecanismo externo à máquina, limitando suas aplicações.
As inovações apresentadas por Newcomen fizeram com que sua máquina a vapor pudesse ser efetivamente utilizada para o escoamento da água das minas, realizando esta tarefa de forma mais rápida e barata que a tração animal usada até então.
A máquina a vapor de James Watt
Ao longo do século 18, o número de maquinas de extração de água nas minas cresceu gradativamente e estima-se que em 1800 a sua potência estivesse em torno de 100 mil hp, alcançando o valor de 210 mil no ano de 1815. Esse abrupto aumento se deve a uma série de alterações feitas na máquina de Newcomen, que aumentaram sua eficiência e podem ser creditadas a James Watt.
Em 1765, estudando um modelo da máquina de Newcomen, Watt procurava uma maneira de aumentar sua eficiência e reduzir o consumo de combustível. Elaborou, então, uma máquina com um condensador que minimizava as perdas de calor dentro do próprio sistema e reduziu o consumo de carvão em três vezes. Tal aparelho também servia para fundição e propulsão de moinhos e tornos,substituindo rodas d’água e moinhos movidos a cavalos. James classificava a potência das maquinas com uma unidade chamada horse-power, o cavalo-vapor. Cada cavalo-vapor corresponde à potência necessária para elevar em 1 metro uma massa de 75 kg.
Influência nos transportes
Foi em 1804 que as máquinas a vapor foram utilizadas pela primeira vez para a locomoção. Richard Trevithick, um engenheiro de minas fez uma locomotiva de um só cilindro com êmbolo e caldeira que carregava barras de ferro das minas de carvão. O motor a vapor também foi utilizado nos automóveis durante o fim do século XIX até o início do século XX, por aproximadamente 30 anos. O veículo de maior sucesso foi fabricado pela Stanley Motor Carriage Company e esteve em uso até 1945.
Carro a vapor
Os primeiros carros a vapor vão impulsionar a busca e o aprimoramento do seu uso nos transportes, tornando a navegação mais rápida e o popularizando o ferroviário. Embora os carros a vapor não tenham tido o sucesso esperado, não conseguindo substituir o uso de animais no transporte individual, as buscas pelo seu aprimoramento levariam ao surgimento dos primeiros motores de combustão interna.
Locomotiva a vapor
Por volta de 1800, com a locomotiva, foi que o vapor utilizado como fonte de energia nos transportes alcançou efetivamente algum sucesso. Coube a Richard Trevithick a façanha de conseguir construir um veículo movido a vapor para o transporte de cargas e passageiros que usasse uma ferrovia, construindo assim as primeiras locomotivas a vapor.
Barco a vapor
O sucesso comercial do barco a vapor viria finalmente com o projeto do americano Robert Fulton, que projetou o Clermont, com rodas de água laterais propelidas por um motor de Boulton e Watt. O desenvolvimento da navegação a vapor caracterizou-se depois disso pela construção de navios cada vez maiores e mais potentes. Em 1819, um barco a vela equipado com um motor a vapor atravessou o Atlântico.
Após diversos aprimoramentos, principalmente após a Revolução Industrial, as máquinas substituíram várias ferramentas e eliminaram algumas funções antes exercidas pelos operários. Também resultaram na construção de estradas de ferro, locomotivas, vagões, navios e máquinas industriais, sendo rapidamente explorada em vários setores da economia, da indústria e transporte. A Revolução Industrial tornou as organizações maiores e mais complexas, trazendo consigo avanço tecnológico e uma visão focada para a lucratividade e produtividade, onde homens já não se identificam com o produto de seu trabalho, através de uma produção industrial em larga escala voltada para o mercado mundial, ocasionando no uso intensivo dessas máquinas.
REFRIGERADORES
Refrigeração pode ser definida como todo processo de redução e conservação da temperatura de uma substância ou espaço, abaixo da temperatura do ambiente que o rodeia. A refrigeração está ligada à transferência de calor entre corpos. Nesse processo, o calor sempre flui da substancia ou objeto com temperatura mais alta para aquele com temperatura mais baixa. Esse processo foi sendo aprimorado ao longo do tempo, com o objetivo de ser utilizado em diversas aplicações, entre as quais podemos citar a conservação de alimentos e o condicionamento do ar.
Os processos básicos para que ocorra a transferência de calor são três: irradiação, condução e convecção. 
Convecção: é a forma de transmissão de calor que ocorre pela variação de densidade, principalmente nos fluidos (líquidos e gases). E é resultante de um diferencial de temperatura em partes do fluido ou forçada, por meio de um ventilador.
Condução: ocorre entre dois corpos com diferentes temperaturas, ou em um mesmo corpo, mas sempre fluindo da parte mais quente para a mais fria. 
Irradiação: ocorre através de ondas eletromagnéticas, sendo que neste tipo de transmissão não é necessário haver contato direto entre os corpos. 
Os sistemas de refrigeração utilizam a vaporização de uma substância, os fluidos refrigerantes (comumente conhecidos como gás refrigerante), para retirar calor dos seus compartimentos. Ou seja, para diminuir sua temperatura interna. Esses fluidos refrigerantes são basicamente um produto químico responsável por essas trocas térmicas nos sistemas de refrigeração e climatização (ou condicionamento do ar). Esse composto, pela propriedade que possui de passar de líquido a gás, e vice-versa, é capaz de absorver calor, resfriando um ambiente de maneira controlada. Podemos citar como exemplos de sistemas de refrigeração os ar condicionados, refrigeradores e freezers.
Refrigerador
O primeiro refrigerador utilizável foi construído pelo engenheiro americano Jacob Perkins, em 1834, mas para utilização doméstica, foi apenas em 1913, que não teve muito sucesso comercial, pelo de fato de a caixa de resfriamento e o motor, compressor e condensador virem separados, ao lado ou em baixo da geladeira. Coisa que só a partir de 1925 começaram a vir os três em uma mesma unidade. E a partir daí que começaram a ser adquiridos pelas famílias, para uso doméstico.
 O refrigerador foi uma invenção de extrema importância para a sociedade, pois, antigamente, o armazenamento, o transporte e a conservação de alimentos perecíveis eram de muita dificuldade, pois este tipo de alimento necessita de temperaturas baixas para permanência de estado bom para consumo, e para isso seria necessário este tipo de máquina, coisa que não existia. Atualmente, com a invenção deste tipo de máquina térmica, facilmente podemos conservar qualquer tipo de alimento que necessite de baixas temperaturas, por um bom tempo, obtendo uma maior durabilidade dos produtos.
Os refrigeradores comuns funcionam com base no ciclo de compressão mecânica de vapor, isto é, ciclos termodinâmicos de fluidos refrigerantes em equipamentos por compressão de vapor. O ciclo de refrigeração se vale do processo de mudança do estado físico do fluido refrigerante, ou seja, líquido e gasoso. Similar aos refrigeradores, os condicionadores de ar são máquinas térmicas que transferem calor de uma região fria para uma mais quente, através dos fluidos refrigerantes.
Os fluidos refrigerantes são caracterizados por se liquefazerem (condensarem) a altas pressões e por evaporarem a baixas pressões. A geração do frio nos sistemas de refrigeração se dá pela mudança de estado desse fluido refrigerante de líquido para gasoso, que ao evaporar, retira calor dos alimentos que estão dentro do gabinete. Hoje a escolha da substância refrigerante depende da finalidade do refrigerador e do impacto ambiental.
Os tipos existentes de fluidos refrigerantes 
Várias substâncias já foram utilizadas como fluidos refrigerantes, como por exemplo a amônia, o dióxido de enxofre e o cloreto de metil, até que por volta de 1930, começaram a ser usados os CFCs (clorofluorcarbonos), que são “gases” formados por essas três substancias, cloro, flúor e o carbono. Durante muitos anos eles foram considerados a solução ideal para a refrigeração, por suas características técnicas, flamabilidade e toxicidade zero. Mas, décadas depois, pesquisadores mostraram que essa substância tinha impacto direto na redução da camada de ozônio da atmosfera, que protege o planeta terra da radiação solar. Essa descoberta levou a ter um processo de acordo internacional para controlar o seu uso e estabelecer metas para a sua eliminação gradual. Foi o Protocolo de Montreal, que resultou no fim da produção de CFCs em todo o mundo. Com isso, começou a busca por alternativas, que no caso, foram os fluidos refrigerantes sintéticos. Entre os fluidos refrigerantes sintéticos, destacaram-se:
HCFCs (hidroclorofluorcarbonos), como o R22, que foram muito utilizados e hoje ainda é comum ver sistemas de refrigeração com ele. Porém, os HCFCs agridem a camada de ozônio, devido ao seu Poder de destruição da Camada de Ozônio (ODP).
HFCs (hidrofluorcarbonos), como o R134a, mesmo que não gerem impacto sobre a camada de ozônio, passaram a enfrentar restrições por causa de outra característica negativa: o seu alto potencialde aquecimento global (GWP).
Blends, que são misturas de vários fluidos refrigerantes, como :
- Blends de HCFCs e HFCs: R401a, R401b, R409a, Ocorrem os mesmos dos citados anteriores, já que em sua maioria são compostos por frações de HCFCs e HFCs.
A partir dessas problemáticas em função dos fluidos refrigerantes, buscaram-se alternativas com ODP zero e com baixo GWP para o futuro. As melhores opções encontradas foram os chamados fluidos refrigerantes naturais, que incluem:
HCs (hidrocarbonetos), como R600a, R290 e R170;
CO2  (dióxido de carbono), ou R744;
Amônia (NH3) ou R717;
Ar, ou R729.
 PRINCIPAIS APLICAÇÕES DA REFRIGERAÇÃO
Existem basicamente duas áreas de atuação para maquinas de refrigeração, são elas: ar condicionado e refrigeração industrial. A primeira comporta o uso de ar condicionado para conforto, objetivando manter a pureza, temperatura agradável umidade e distribuição no ambiente para proporcionar o maior bem-estar aos seus ocupantes, utilizando processos como aquecimento, radiação térmica, remoção de partículas e regulagem da velocidade e qualidade do ar e a segunda abrange a área de conservação e processamento de alimentos, remoção de calor de substancias químicas, de petróleo e petroquímicas além de muitas outras.
 Refrigeração industrial
É caracterizada pela faixa de temperatura de operação, que possui limite inferior variando entre -60 e -70°C e limite superior de 15°C. Qualquer aplicação que seja necessária uma temperatura inferior a -70°C pertence à indústria criogênica. A refrigeração industrial também pode ser descrita como o processo utilizado nas indústrias químicas, indústrias de alimentos e de processos.
Refrigeração de alimentos 
a) Não congelados
Através de estudos, foi constatado que com a redução da temperatura, se eleva o tempo de exposição do alimento ao ambiente, retardando o seu processo de decomposição. Na determinação da temperatura ideal são considerados a preservação e aspectos econômicos do armazenamento. Embora alguns produtos exijam temperaturas inferiores a 0°C, a maioria deve ser preservada na em temperaturas consideradas ótimas na vizinhança de 0.
Logo após a colheita, as frutas e verduras frequentemente se encontram levemente aquecidas. A fim de evitar sua deterioração precoce, elas devem ser rapidamente resfriadas. O método mais utilizado é a câmara pré-resfriada a vácuo, que causa a evaporação da agua do vegetal e, consequentemente, o seu rápido resfriamento.
b) Congelados
A indústria de alimentos congelados remonta aos anos 1912-15, quando uma expedição cientifica americana se dirigiu a península de Labrador. Clarence Birdseye, um membro dessa expedição, observou que os peixes congelados mantinham suas características por longos períodos de tempo. Posteriormente, o mesmo desenvolveu uma espécie de congelador de placas que utilizou no congelamento de carne, frango, peixe e vegetais. Entretanto, a experiência americana não teve a primazia, uma vez que nos anos 1880, durante um transporte de carne da Austrália para a Inglaterra, observou-se que a carne havia se congelado. Ao se verificar que o congelamento não causou qualquer degradação, a sua pratica se generalizou, dando início, dessa forma, à indústria do alimento congelado.
A sua era moderna, entretanto, teve início com o desenvolvimento de técnicas de congelamento rápido, reduzindo o tempo de dias para poucas horas, evitando a formação de micro cristais de gelo no interior do produto. Atualmente essa indústria é responsável por um significativo movimento econômico que envolve diversos produtos.
Os métodos mais populares de congelamento incluem os tuneis de ar a alta velocidade, o congelamento por contato, que consiste no alimento, embalado ou não, disposto entre placas refrigeradas, congelamento por imersão em salmoura a baixa temperatura e congelamento criogênico, com uso de fluido especifico. 
Na cadeia de distribuição, de maneira geral, o alimento congelado é inicialmente armazenado em grandes câmaras de onde é removido aos poucos para os centros consumidores. 
Processamento de alimentos
Além de preservar e armazenar os alimentos, a refrigeração pode ser utilizada em processos de mudança das suas características e até estrutura química, o que se denomina processamento de alimentos. Alguns exemplos de alimentos que sofrem processamento durante sua preparação são: queijos, bebidas como cervejas, vinhos e sucos cítricos e café instantâneo. O processo de produção do queijo, por exemplo, depende do tipo considerado, mas todos têm em comum o fato de se originarem do leite coalhado resultante da ação de alguma bactéria, que, durante o processo de cura necessita de uma temperatura entre 10 e 20°C.
Condicionamento de ar
Tem por objetivo satisfazer condições de processos, se diferencia do condicionamento para conforto em diversos aspectos, entre os quais o nível de temperatura, as exigências de um controle da umidade e um elevado índice de filtragem e remoção de contaminantes. Pode ser encontrado em aplicações como indústria editorial, têxtil, indústria de material fotográfico e laboratórios.
 Refrigeração na indústria de manufatura
É frequentemente exigido na usinagem e conformação de metais e fabricação de produtos metálicos ou de outros materiais, como os plásticos. Seu emprego pode ser através de fluidos de corte em maquinas de usinagem ou ar comprimido, o qual é empregado em inúmeras aplicações, como acionamento de maquinas.
Refrigeração na indústria de construção
Os dois exemplos mais importantes desta aplicação estão relacionados com obras de grande porte. O primeiro trata do resfriamento de grandes volumes de concreto, enquanto o outro envolve o congelamento do solo, forma de preparação para escavação. O resfriamento do concreto é necessário pois o seu processo de endurecimento libera energia, logo, o calor liberado deve ser removido para evitar aumente de temperatura, o que pode causar formação de fissuras. Pode ser feito de duas formas, como resfriamento prévio dos componentes da massa ou com o resfriamento do agregado através de dutos embutidos no seu seio. O congelamento do solo, por outro lado, é necessário para evitar a formação de cavernas nos arredores do local escavado e com isso, consequentes desmoronamentos.
Indústria química e de processos
A indústria química, petroquímica, refinaria de petróleo e farmacêutica são usuárias de sistemas de refrigeração de grande porte. Dentre as operações que normalmente exigem refrigeração, podemos citar: separação de gases, condensação de gases, solidificação de uma espécie química para separá-la de uma mistura, manutenção de um liquido a baixa temperatura e remoção do calor de reação.
O projeto de circuitos frigoríficos em certas industrias é frequentemente realizado na própria empresa por razoes que envolvem questões de patente. Este tipo de indústria requer um nível elevado de projeto e engenharia em virtude do grande porte das instalações e do elevado custo de operação.
CONCLUSÃO
É visto, portanto, uma imensidão de áreas relacionadas às máquinas térmicas, bem como aos processos de refrigeração, sendo essenciais para a manutenção da vida atual
BIBLIOGRAFIA
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http://geladeirasantigas.com.br/conteudo.asp?idpag=183
http://www.clubedarefrigeracao.com.br/downloads/entendendo-o-conceito-de-refrigeracao
Stoecker, W.F; Jabardo, J.M., refrigeração industrial