Termodinâmica de Processos slides II 2018

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Termodinâmica de Processos
Parte II
Prof. Gilson G. Medeiros
UFRN - 2018
1
Máquinas Térmicas
Um exemplo de máquina térmica é o ciclo de potência de uma central termoelétrica, representada simplificadamente no esquema abaixo.
Q2
Turbina 
Caldeira
Resfriador 
Bomba
Q1
2
Análise dos Ciclos de Potência
Nas máquinas térmicas, o objetivo é converter calor em trabalho
O calor tem sido, durante muito tempo, o principal gerador de energia mecânica
No estudo do ciclo das máquinas térmicas, é importante calcular a eficiência da conversão de calor em trabalho
Para analisar os ciclos de potência e avaliar a sua eficiência térmica, é necessário conhecer a aplicação dos princípios termodinâmicos aos componentes do ciclo
O rendimento de equipamentos como turbinas, compressores e bombas é geralmente estimado pela comparação entre a energia envolvida no processo real (sujeito a perdas e dissipação) e a energia do processo isentrópico (reversível, sem atrito)
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Caldeiras
(Geradores de Vapor)
4
Caldeiras
O propósito de uma caldeira é converter
água em seu vapor, a partir do calor produzido pela queima de um combustível (fóssil), pelo uso da eletricidade ou por uma reação nuclear
é um recipiente de pressão e por isso deve seguir as orientações da norma NR-13, que define as caldeiras como “equipamentos destinados a gerar e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica...”
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Caldeiras
O vapor de água é o agente de energia (fluido operante)
sua matéria-prima é a água
é de fácil geração, distribuição e manipulação
deve sair da caldeira com alto conteúdo de calor (vapor superaquecido)
A água, para uso em caldeiras, deve possuir as seguintes características:
limpa, inodora e insípida
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Caldeiras
Tipos de vapor
Saturado: vapor em equilíbrio com a água líquida
A temperatura do vapor saturado depende da pressão: à pressão ambiente, a temperatura de saturação é de 100 ºC 
Superaquecido: vapor que está acima da temperatura de saturação; pode ser obtido a partir do aquecimento do vapor saturado
Úmido: vapor bifásico (contendo gotículas de água), está na temperatura de saturação mas tem menos energia que o vapor saturado
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Caldeiras
Tipos de caldeiras (classificação de
acordo com o tipo de trocador de calor entre os gases da combustão e a água)
Flamotubulares: os gases quentes da combustão circulam dentro dos tubos, dispostos como uma serpentina, aquecendo a água circundante 
Aquatubulares: a água de alimentação, que vai virar vapor, circula dentro dos tubos, que são aquecidos pelos gases de combustão externos
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Caldeira Flamotubular (esquema)
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Caldeira Flamotubular
10
Caldeira Flamotubular
11
Caldeira Flamotubular
12
Caldeira Aquatubular - esquema
13
Caldeira Aquatubular - esquema
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Caldeira Aquatubular
15
Caldeira Aquatubular
16
Caldeira Aquatubular
17
Caldeira Aquatubular
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Caldeiras
Rendimento
Na produção de vapor, o rendimento da
caldeira é um dos fatores que devem ser constantemente monitorados, mantidos ou ainda melhorados
o rendimento pode sinalizar as reais condições de operação do equipamento  verificação e correção imediata de alterações em qualquer um dos fatores que interferem no funcionamento da caldeira
O rendimento é determinado pela razão entre a quantidade de energia térmica aproveitada pela caldeira (útil) e a quantidade de energia térmica libera pela queima do combustível (fornecida)
 = Q útil / Q fornecido
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Caldeiras
Rendimento ()
É específico para cada caldeira
como o rendimento nunca é 100%, teremos perdas, ou seja, energia desperdiçada que deixa a caldeira por
convecção (com os gases de combustão que saem pela chaminé)
condução e radiação (que causam o aquecimento da carcaça da caldeira e do ambiente próximo)
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Caldeiras
Aplicando-se, para as caldeiras, a equação da energia, tem-se:
H + u2/2 + g z = Q + We
	uma vez que o valor de z é muito pequeno, que não há transferência de energia na forma de trabalho entre a caldeira e a vizinhança e que a variação de energia cinética é desprezível. Ou seja,
H = Q
O calor aqui considerado é aquele efetivamente absorvido pelo fluido (Qútil)
Da equação acima, tem-se a relação entre a variação de entalpia e o fluxo de calor: 
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Turbinas a Vapor
O propósito de uma turbina a vapor é
converter em energia mecânica a energia térmica contida em um vapor a alta pressão e a alta temperatura (geralmente, proveniente de uma caldeira) 
A turbina a vapor, constituída de um conjunto alternado de bocais e de
lâminas de rotação, é
bastante usada em
usinas de geração de
energia elétrica
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Turbinas a Vapor
Detalhes construtivos
grupo de lâminas rotatórias (coroa)
a seção transversal de uma lâmina é semelhante à de um aerofólio, para aumentar a velocidade do fluido 
turbinas pequenas podem ter uma única fileira das lâminas; turbinas de grandes estações de geração de energia empregam fileiras múltiplas de lâminas rotatórias e de aletas estacionárias
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Princípio de funcionamento
Desenho esquemático de uma coroa de lâminas
Bocal
Palheta
Eixo
Coroa
Princípio de funcionamento
A conversão da energia potencial do vapor em energia cinética é devida a sua expansão através dos bocais. 
Esta energia então é transformada em energia mecânica de rotação devido à força do vapor agindo nas pás rotativas (móveis).
Turbinas a Vapor
O fluxo de vapor através da turbina pode ser visto esquematicamente na figura abaixo
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Turbinas a Vapor
Em uma turbina, ocorre a 
conversão da entalpia do vapor
em energia cinética, provocando
um aumento na velocidade do
fluido, que colide com as lâminas e
provoca a rotação do eixo, produzindo
trabalho: H  Ec  We 
Equação da energia: H + u2/2 + g z = Q + We
Considerando que o valor de z é muito pequeno, que a troca de calor com a vizinhança é desprezível e que os valores de u1 e u2 são relativamente próximos,
H = We
2
We
1
TURBINA
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Turbinas a Vapor
H = We
Da equação anterior, deriva-se a equação que calcula a potência da turbina:
 
28
Turbinas a Vapor
 
A eficiência (  ) de uma turbina é
determinada pela comparação entre a energia que ela produz na realidade e a energia que produziria se trabalhasse isentropicamente
 = We (real) / W’e (isentrópico) = H / (H)s
Uma turbina isentrópica tem uma produção máxima de energia; assim, a eficiência de uma turbina deve variar entre 0 e 1 (ou entre 0% e 100%)
Uma turbina é considerada de boa eficiência quando tem rendimento na faixa de 70 a 80% 
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Condensador
(trocador de calor)
Um condensador (que tem o mesmo princípio de um resfriador ou trocador de calor) é um dispositivo que permite a transferência de calor entre dois fluidos com o objetivo de converter um vapor em líquido
Essa transferência de calor se dá, geralmente, através de um parede, quase sempre metálica, que separa os fluidos quente e frio
Principais tipos de trocadores de calor: (a) Casco e Tubo; (b) Duplo Tubo; (c) Placas
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Condensador
(Tipo Casco e Tubo)
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Nesta situação, temos um volume externo, da carcaça, que
 abriga inúmeros tubos que podem fazer vários passes.
 Na situação mostrada, temos que o fluido que escoa
 pelos tubos passa por dois passes enquanto que o fluido na 
carcaça escoa em um único passe. Observe os defletores internos, 
que tornam mais envolvente o escoamento do fluido na carcaça. 
Condensador
(Tipo Casco e Tubo)
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Nesta situação, temos um volume externo, da carcaça, que
 abriga inúmeros tubos que podem fazer vários passes.
 Na situação mostrada, temos que o fluido que escoa
 pelos tubos passa por dois passes enquanto que o fluido na 
carcaça escoa em um único passe. Observe os defletores internos, 
que tornam mais envolvente o escoamento do fluido na carcaça. 
Condensador
(Tipo Casco e Tubo)
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Nesta situação, temos um volume externo, da carcaça, que
 abriga inúmeros tubos que podem fazer vários passes.
 Na situação mostrada, temos que o fluido que escoa
 pelostubos passa por dois passes enquanto que o fluido na 
carcaça escoa em um único passe. Observe os defletores internos, 
que tornam mais envolvente o escoamento do fluido na carcaça. 
Condensador
(Tipo Casco e Tubo)
Um dos fluidos passa por dentro dos tubos, e o outro pelo espaço entre o casco e os tubos 
Muito versáteis
Feitos de uma grande variedade
de materiais e tamanhos
Extensivamente usados em
processos industriais, para
quaisquer capacidades e
condições operacionais
pressões e temperaturas altas
atmosferas altamente corrosivas
fluidos muito viscosos
misturas de multicomponentes etc.
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Nesta situação, temos um volume externo, da carcaça, que
 abriga inúmeros tubos que podem fazer vários passes.
 Na situação mostrada, temos que o fluido que escoa
 pelos tubos passa por dois passes enquanto que o fluido na 
carcaça escoa em um único passe. Observe os defletores internos, 
que tornam mais envolvente o escoamento do fluido na carcaça. 
Condensador (Tipo Casco e Tubo)
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Condensadores
A equação da energia se aplica aos condensadores do mesmo modo que para as caldeiras. Então:
H + u2/2 + g z = Q + We
	Daí,
H = Q
Da equação acima, pode-se calcular o fluxo de calor, dado por: 
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Bombas
Flange de descarga (a jusante)
Esquema de uma bomba centrífuga
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Bombas: Classificação
BOMBAS CENTRÍFUGAS
(turbobombas )
BOMBAS VOLUMÉTRICAS OU 
DESLOCAMENTO POSITIVO
Bombas rotativas
Bombas de êmbolo ou alternativas
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Bombas
Características
Movimentam líquidos
Geralmente são rotatórias
As variações de temperatura (e da entalpia) no líquido bombeado são muito pequenas
As propriedades do líquido (principalmente o volume específico) são praticamente insensíveis à pressão
Nas bombas, o processo é praticamente adiabático (Q  O), e, como os valores de EC e EP tendem a zero, tem-se
H = We
B
39
Bombas
Para operação isentrópica,
W’e (isentrópico) = (H)s= cte
Outra equação útil, válida para líquidos incompressíveis (V independente de P), é:
W’e = V (P2 – P1)
O valor do trabalho será positivo.
40
Bombas
A potência das bombas, como a das turbinas, é dada por:
A eficiência (  ) de uma bomba é determinada pela relação:
 = W’e / We = (H)s /H
Bombas reais consomem mais energia que bombas isentrópicas e, portanto, 0 <  < 1
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Compressores
Ciclo de compressão simplificado
42
Compressores
“Bomba” de ar
Compressor de cilindro-pistão de motor a combustão interna
43
Compressores
Compressor de geladeira
44
Compressores
Compressor centrífugo
45
Compressores
Compressor de parafuso, ou tipo Lysholm
É um dos mais eficientes tipos de compressores: chega a 95% de eficiência térmica. 
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Compressores
Comparação entre compressor alternativo e parafuso
ITEM
PISTÃO (ALTERNATIVO)
PARAFUSO
Consumo de energia
Maior
Menor
Rendimento
Emtorno de 70%
Emtorno de 98%
Área Ocupada
Maior
Menor,por serem muito compactos.
Troca de peças
Filtro de ar: a cada 200 horas
Óleo: a cada 200 horas
Filtro de ar: a cada 2.000 horas.
Óleo mineral: 2.000 horas ou
Óleo sintético: 6.000 horas
Peças móveis
Muitas peças como biela, pistão, anéis, válvulas,mancaisetc.
Poucas peças móveis: manutenção em intervalos muito mais longos.
Teor Residual de Óleo na descarga
Emitem150ppm
Emitemmenosque 2ppm
Recomendação de operação diária (máxima)
12 horas
24 horas
Pulsação de ar
Devido ao ciclo alternativo possuem pulsação.
Livre de pulsações devido a sua compressão contínua.
Nível de ruído
Não possuem isolamento acústico
Com cabine acústica. Níveisde ruído entre12 e 15% abaixo dorecomendado.
Fonte: Geralmaq (http://www.geralmaq.com.br/)
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Compressores
O fluido, ao atravessar um compressor,
sofre um aumento de pressão (P1< P2) a partir do consumo de energia externa
Equação da energia:
	H + u2/2 + g z = Q + We
Considerando que o processo é
praticamente adiabático
(Q  O) e que os valores
de Ec e Ep tendem a
zero, tem-se
			H = We
We
2
1
COMPRESSOR
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Compressores
Para operação isentrópica,
W’e (isentrópico) = (H)s= cte
Como nas bombas, o valor do trabalho será positivo.
A potência dos compressores, como a das bombas e das turbinas, é dada por:
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Compressores
Não sendo disponíveis os valores de entalpia, pode-se calcular o trabalho de um compressor isentrópico pela equação abaixo, se o gás for ideal:
50
Compressores
A eficiência (  ) de um compressor é
determinada pela comparação entre a energia que ele consumiria se trabalhasse isentropicamente e a energia que ele consome na realidade
 = W’e (isentrópico) / We (real) = (H)s /H
Compressores reais consomem mais energia que os compressores isentrópicos e, portanto, a sua eficiência varia entre 0 e 1
Boa eficiência: rendimento na faixa de 70 a 80 % 
51
Compressores
Ciclo de compressão em um só estágio
Duas etapas isobáricas
Duas etapas que mais se aproximam de adiabáticas que de isotérmicas
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Compressores
Compressão em Múltiplos Estágios
 Compressão isotérmica (linha 	tracejada): maior eficiência
 Quanto mais estágios, mais 	o processo se aproxima de 	uma compressão isotérmica 	 menor custo operacional 	do sistema
 Mais estágios  	necessidade de serem 	introduzidos mais 	resfriadores intermediários 	 aumento no investimento 	inicial de uma estação de 	compressão
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Compressores
Compressão em dois estágios com refrigeração intermediária
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