slide aula máquinas térmicas

Prévia do material em texto

TEM00046 – MÁQUINAS
TÉRMICAS E DE FLUXO
Paulo H S Moreira
Programa do curso
• I – Termodinâmica:
• Propriedades termodinâmicas
• Primeira lei da termodinâmica
• Segunda lei da termodinâmica
• Análise de sistemas fechados e volume de controle
• II – Introdução à mecânica dos fluidos:
• Conservação de massa, quantidade de movimento e energia
• Equações integrais
• Equações de Euler
• Cálculo de perda de pressão
Programa do curso
III • – Máquinas de fluxo:
Classificação•
Compressores•
Bombas•
Turbinas•
IV • – Ciclos de potência:
Vapor•
Gás•
Motor•
Critério de aprovação
• Média final (antes de VS):
• MF = MP
• MP = (P1 + P2)/2
• Aplicabilidade de VS:
• 4,0 ≤ MF < 6,0
• Nota final (NF):
• Se MF ≥ 6,0 → NF = MF
• Se 4,0 ≤ MF < 6,0 → NF = VS
• Critério de frequência: Frequência mínima de 75%
• O curso é presencial
Bibliografia sugerida
• Pritchard, P. J., & Leylegian, J. C. (2011). Fox and McDonald’s 
Introduction to fluid mechanics. Eighth edition. New York: John Wiley 
& Sons.
• Moran, M.J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2014). 
Fundamentals of engineering thermodynamics. 8th Edition. John 
Wiley & Sons. 
• Lienhard, J. H. (2013). A heat transfer textbook. Courier Corporation. 
(Capítulos 1 e 2.3) http://web.mit.edu/lienhard/www/ahtt.html
• Cengel, Y. A., Cimbala, J. M., & Kanoğlu, M. Fluid mechanics, 
fundamentals and applications, 2006.
Calendário
• Primeira aula: 17/08/2017
• Última aula (conteúdo): 07/12/2017
• Avaliações:
P1: 19/10/2017
P2: 07/12/2017
VR: 14/12/2017
VS: 21/12/2017
I - Termodinâmica
Exemplos de aplicações que •
requerem / são dependentes de 
análise termodinâmica:
Propulsão•
Sistemas de energia alternativos•
Motores de combustão interna•
Combustão•
Compressores, bombas•
Resfriamento de equipamentos •
elétricos e eletrônicos 
Sistemas criogênicos•
Etc.•
2.2. Ampliando nosso conhecimento 
de trabalho
• Trabalho termodinâmico: 
trabalho é realizado por um 
sistema sobre sua periferia se o 
único efeito sobre a vizinhança 
puder ser representado pelo 
levantamento de um peso.
• Não precisa ser necessariamente 
o levantamento de peso.
2.2. Ampliando nosso conhecimento 
de trabalho
2.2. Ampliando nosso conhecimento 
de trabalho
O trabalho depende do 
processo, portanto não é 
propriedade.
2.4. Primeira lei da termodinâmica
Efeito da seleção da superfície •
de controle do sistema.
a • – Somente transferência de 
calor.
b • – Somente realização de 
trabalho.
c • – Sem transferência de calor 
ou realização de trabalho.
Exemplo 2.3
Durante operação em regime •
permanente, uma caixa de 
engrenagens recebe 60 kW de 
potência através do eixo de 
entrada, e a principal saída de 
energia é o eixo de saída;
O sistema transfere calo para o •
ambiente através da superfície por 
convecção, onde:
Q̇• = - h A (Tb – Tf)
• h = 0,171 kW/m²K
• Tb = 300 K (27 °C)
• Tf = 293 K (20 °C)
• A = 1,0 m²
Determinar • Q̇ e a potência no 
eixo de saída.
Exemplo 2.4:
• Determinação da temperatura 
de um chip de silicone em 
regime permanente:
• Um chip com 5 mm de aresta e 1 
mm de espessura é fixado em um 
substrato cerâmico.
• O chip tem uma alimentação 
elétrica de 0,225 W.
• A superfície superior do chip é 
exposta a um fluido a 20 °C.
• O coeficiente de transferência de 
calor de 150 W/m²K.
• A transferência de calor com o 
substrato é desprezível.
• Determinar a temperatura do chip 
em °C.
3.3. Diagrama p-v-T
Diagramas para substância que expande durante congelamento (água).
Diagrama de fases
3.3. Diagrama p-v-T
Substância que contrai durante solidificação.
3.3. Diagrama p-v-T
As propriedades são tabeladas.
Ao lado, propriedades da água 
saturada.
3.3. Diagrama p-v-T
3.3. Diagrama p-v-T
Curiosidades•
Fases sólidas:•
A fase sólida de uma mesma •
substância pode apresentar 
distintas estruturas.
Exemplo: carbono em grafite, •
diamante, fulereno, etc.
O mesmo ocorre para o gelo (• 17 
fases).
Aço• -carbono (ferrita, austenita, 
perlita, martensita, etc).
3.4. Mudança de fase
Substância pura
1 – f f – g
T = constante
g – s
Aquecimento a pressão constante.
3.5. Estimando propriedades
3.5. Estimando propriedades
Exemplo: vapor superaquecido
Tabela A• 4 – Água – Vapor 
superaquecido
• v1(215 °C, 10 bar)=?
• v1 = (0,2275-0,2060)/40*15+0,2060
• v1 = 0,2141 m³/kg
• u1 = 2648,5 kJ/kg
3.5. Estimando propriedades
Mistura líquido-vapor de água
3.5. Estimando propriedades
Exemplo: aquecimento a pressão constante
3.5. Estimando propriedades
Exemplo: aquecimento a pressão constante
3.5. Estimando propriedades
Exemplo: aquecimento a pressão constante
• Vapor superaquecido.
• Tabela A4
3.6. Entalpia
Exemplo R22
Exemplo: Dois processos
Exemplo: Dois processos
3.11. Fator de compressibilidade
3.11. Fator de compressibilidade
3.11. Fator de compressibilidade
4.2 Exemplo bocal (nozzle)
4.2 Exemplo bocal (nozzle)
4.2. Exemplo Turbina Vapor
4.2. Exemplo de condensador
4.2. Exemplo de condensador
5.1.3. Enunciado da entropia
Exemplo: idealização de processo reversível.
5.1.3. Enunciado da entropia
Processos irreversíveis: •
Expansão irrestritaAtrito
Mistura
Atrito
• Transferência de calor com 
diferença finita de temperatura.
• Efeito Joule.
• Reação química espontânea.
• Deformação inelástica.
• Magnetização ou polarização com 
histerese.
5.1.3. Exemplo de processos 
isoentrópicos
5.1.3. Exemplos de processos 
isoentrópicos
5.1.3. Exemplo de processos 
isoentrópicos
6. Noções de transferência de calor
• Modos de transferência de calor:
• Condução de calor: transferência de energia térmica através da matéria sem 
deslocamento líquido de massa.
• Convecção de calor: transferência de energia térmica por matéria com 
movimentação líquida de massa (escoamento):
• Pode ser convecção forçada ou natural.
• Monofásico ou com mudança de fase.
• Gás, líquido, dispersão, etc.
• Radiação de calor: transferência de energia térmica através de ondas 
eletromagnéticas, sem matéria necessária.
6. Noções de transferência de calor
• Água: calor
• Pessoas: matéria
6. Noções de transferência de calor
Condução de calor:•
Lei de Fourier:•
q̇• ” – Fluxo de calor [W/m²]
• k – Condutividade térmica 
[W/m.K]
• T – Campo de temperatura [K]
 
Tkq 
Jean-Baptiste Joseph Fourier 
(França, 1768-1830)
6. Noções de transferência de calor
Convecção de calor:•
Lei de resfriamento de Newton:•
q̇• ” – Fluxo de calor [W/m²]
• h – Coeficiente de transferência de calor [W/m²K]
• Ts – Temperatura da superfície [K]
• T∞ – Temperatura do fluido [K]
)(  TThq s
Isaac Newton (Inglaterra, 1642-1726)
6. Noções de transferência de calor
Valores típicos de coeficiente de 
transferência de calor:
Lienhard (2013) – Tabela 1.1
6. Noções de transferência de calor
Radiação de calor:•
Lei de Stefan• -Boltzmann:
q̇• e” – Fluxo de calor emitido pela 
superfície [W/m²]
• ε – Emissividade térmica [-]
• σ – Constante de Stefan-
Boltzmann = 5,6704⋅10-8 W/m²K4
• T – Temperatura da superfície [K]
4Tqe Josef Stefan(Áustria, 1835-1893)
Experimento: 1879
Ludwig Edward Boltzmann 
(Áustria, 1844-1906)
Teoria: 1884
6. Noções de transferência de calor
Incropera (2014)
6. Noções de transferência de calor
• As características espectrais da emissão depende do tipo de 
superfície e da temperatura.
• Para corpo negro - Lei de Wein:
KmT máx .2898)(  
Tabela 10.1 
de Lienhard
6. Noções detransferência de calor –
Resistência térmica
Definição:•
Condução em coordenadas •
cartesianas:
Condução em coordenadas •
cilíndricas:
Convecção:•
Radiação (corpo cinza↔ corpo •
negro):
q
T
Rt 


kA
L
Rt 
kl
rr
R iet 2
)/ln(
hA
Rt
1

11
3
21
1
4
1
AhATF
R
radm
t 

II – Mecânica dos fluidos
• Equações de conservação de massa, quantidade de movimento e 
energia.
• Equações integrais.
• Equações de Euler.
• Cálculo de perda de pressão.
• Análise dimensional e semelhança (talvez).
7. Fundamentos de mecânica dos 
fluidos
Diagrama de Moody
Δp = f ρ v² L / 2 d
v = 4 V̇ / π d²
7. Fundamentos de mecânica dos 
fluidos
Coeficiente de arrasto •
sobre esfera
• Fd = CD Ap ρ v² / 2
• Ap = π d²/4
7. Fundamentos de mecânica dos 
fluidos
Coeficiente de arrasto •
sobre esfera
• Fd = CD Ap ρ v² / 2
• Ap = d L
9. Análise de volume de controle 
diferencial
Equação de Bernoulli:
(ρ = constante; µ = 0 kg/m.s; RP; ẇ = q̇ = 0 W; Sobre uma linha de corrente)
9.2. Perda de pressão
Perda de carga, Pressure drop
Fox e McDonald (Capítulo 8)
Diagrama de Moody
 
d
Lu
fp f
2
2

9.2. Perda de pressão
Valores típicos de rugosidade
9.2. Perda de pressão
Perda de carga localizada (• Minor Loss):
9.2. Perda de pressão
Perda de pressão localizada: Contração suave•
9.2. Perda de pressão
Perda de pressão localizada: Curvas e componentes•
III – Máquinas de fluxo
10. Introdução à máquinas de fluxo
Definição dos tipos de máquinas de fluxo:•
Máquinas que realizam trabalho sobre o fluido: •
Líquido: bombas;•
Gases: compressores, ventiladores, sopradores;•
Máquinas que recebem trabalho do fluido:•
Hidráulicas:•
Impulso: redução de pressão externamente ao componente (em geral), e baseado na •
conversão da energia cinética do escoamento em energia cinética do rotor. Exemplos: rodas 
d’água, Pelton;
Reação: parte da redução de pressão ocorre externamente ao componente rotor •
(defletores), e parte ao longo do componente. Maior razão entre capacidade de geração de 
potência e volume. Exemplos: Francis, Kaplan, bulbo, etc.
Gás e vapor:•
Variação de entalpia e de energia cinética.•
10. Introdução à máquinas de fluxo
As máquinas de fluxo podem ser de deslocamento positivo ou •
dinâmicas:
Deslocamento positivo: o fluido é aprisionado em um volume fechado e é •
comprimido / expandido.
10. Introdução à máquinas de fluxo
As máquinas de fluxo podem ser de deslocamento positivo ou •
dinâmicas:
Dinâmica: o fluido não fica confinado em porções separadas dentro do •
dispositivo.
10.1. Bombas
Bombas são utilizadas para impor vazão a líquidos•
Bomba peristáltica
Bomba de engrenagens
Bomba centrífuga
10.1. Bombas
Voluta: funciona como difusor, para reduzir velocidade e aumentar pressão.
10.1. Bombas centrífugas
Cengel, Y. A., Cimbala, J. M., & Kanoğlu, M. Fluid mechanics, fundamentals and applications, 2006.
10.1. Bombas
Rotores
10.1. Bombas
10.1. Curvas de bombas
Thebe B12P
10.1. Curvas de bombas
Thebe B12P
10.1. Exemplo
Thebe B12P
10.1. Exemplo
Thebe B12P
10.1. Bombas
Possíveis problemas de cavitação: avaliar NPSH (Net pressure suction head)
10.2. Associação de bombas
As bombas podem ser associadas em:•
Série: “aumento” de pressão•
Paralelo: “aumento” de vazão• Série
Paralelo
10.2. Associação de bombas
Águas do Imperador – Petrópolis, RJ (Paralelo)
Bombas de poços artesianos
(Série)
10.3. Outros tipos de bombas
Bombas tubulares:•
Transposição São Francisco: KSB •
SEZ 15-110/2; 5500 kW, 22 m³/s, 
60/120 m; Algumas estações usam 
duas em paralelo;
Bombas axiais:•
Similar ao sistema de propulsão de •
navios;
Elevada vazão e eficiência;•
Reduzida diferença de pressão;•
Deslocamento positivo:•
Peristáltica, engrenagens, etc.•
10.4. Ventiladores
Imposição de vazão de gases (elevada vazão)
• Dimensionamento é similar ao das bombas:
• “Cruzamento” de curva de desempenho de ventilador com a curva de perda 
de pressão do sistema (curvas, filtros, grelhas, trocadores de calor, etc.).
• Diferença de altura tem influência reduzida/desprezível.
http://www.solucoesindustriais.com.br http://www.solucoesindustriais.com.br http://www.manutencaoesuprimentos.com.br
Grelha
10.5. Compressores
Imposição de vazão de gases (elevado Δp)
Alternativo (http://encyclopedia.che.engin.umich.edu)
(http://www.air-compressor-guide.com)
Scroll Parafuso (http://encyclopedia.che.engin.umich.edu;
http://www.aircompressorworks.com)
10.5. Compressores
Imposição de vazão de gases (elevado Δp)
Compressor mecânico automotivo (http://autos.culturamix.com)
Turbo compressor automotivo (http://autos.culturamix.com)
10.5. Compressores
Compressor para turbina a gás
Axial, múltiplos estágios, 
estatores, acionado pela 
turbina.
Çengel, Cimbala (2006)
11. Turbinas
Tipos de turbinas:•
Hidráulicas:•
Impulso: redução de pressão externamente ao componente (em geral), e baseado na •
conversão da energia cinética do escoamento em energia cinética do rotor. Exemplos: 
rodas d’água, Pelton;
Reação: parte da redução de pressão ocorre externamente ao componente rotor •
(defletores), e parte ao longo do componente. Maior razão entre capacidade de geração 
de potência e volume. Exemplos: Francis, Kaplan, bulbo, etc.
Gás e vapor:•
Variação de entalpia e de energia cinética.•
11.1. Turbinas hidráulicas
Pelton Francis Kaplan Bulbo / poço
Coluna de água [m] 100 - 1770 20 - 900 6 – 70 < 20 (62 Jirau)
Potência máxima [MW] 500 800 300 75
Eficiência máxima [%] 90 95 94 ?
Método de regulação Válvula de agulha e 
defletor
Ângulo de ataque de 
guias
Ângulo de pás Ângulo de pás
Dixon, S. L., & Hall, C. (2013). Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery. Butterworth-Heinemann.
11.1. Turbinas hidráulicas
Dixon, S. L., & Hall, C. 
(2013). Fluid mechanics and 
thermodynamics of 
turbomachinery. Butterworth-
Heinemann.
11.1. Turbina Pelton
Turbina de impulso:•
Transferência de energia cinética •
do escoamento para o rotor;
Tipo • Pelton: geralmente para 
elevado Δz, e são expostas (Usina 
de Henry Borden, Cubatão, 720 m)
Çengel, Cimbala (2006)
11.1. Turbina Francis
• Turbina de reação:
• Transferência de energia potencial 
(pressão) para o rotor.
• Tipo Francis: rotor com pás fixas, 
ajuste de operação pelas palhetas.
• Itaipu: Δz = 196 m, 700 MW cada, 
rotor com φ 8,6 m x 4,5 m e 1760 ton.
Voith Hidro
11.1. Turbina Kaplan
Turbina de reação:•
Transferência de energia potencial •
(pressão) para o rotor.
Tipo Kaplan: rotor com pás ajustáveis.•
Usina de Três Marias (Rio São Francisco): •
Δz = 75 m, 66 MW cada.
Voith Hidro
http://www.cemig.com.br
Voith Hidro
11.1. Turbina de bulbo
• Turbina de reação:
• Transferência de energia potencial 
(pressão) para o rotor.
• Tipo bulbo: ajuste de ponto de operação 
através das pás e de palhetas.
• Gerador e rotor no mesmo conjunto 
(afogado).
• UHE de Jirau - RO: Δzmáx = 62 m; Δzmédia = 
15,7 m; 75 MW cada.
Voith Hidro
11.2. Turbina a gás
Geralmente acoplada com •
compressor no mesmo eixo.
Câmara de combustão entre o •
compressor e a turbina.
Geração de potência de eixo •
(torque x rotação) e/ou empuxo 
(aviação).
Reação.•
Necessidade de combustível sem •
resíduos sólidos (gás, líquidos)
https://worldindustrialreporter.com/mitsubishi-hitachis-
new-gas-turbine-generators-get-nod-nreca/
11.2. Turbina a gás
Schobeiri, M. (2005). Turbomachinery flow physics and dynamic 
performance (p. 153). Heidelberg: Springer.
Çengel, Cimbala (2006)11.3. Turbina a vapor
• Similar às turbinas a gás (reação), entretanto 
sem a compressão e combustão.
• Também contam com múltiplos estágios, 
podendo ter reaquecimento e regeneração.
Çengel, Cimbala (2006)
Turbina a vapor (sem os 
estatores/bocais)TGM Turbinas (Turbinas a vapor com a parte inferior dos bocais)
11.4. Turbinas eólicas
Conversão de energia cinética •
do ar (vento) em energia 
cinética do rotor.
Podem ser com eixos horizontal •
ou vertical.
Horizontal
Vertical
Çengel e Cimbala (2006)
11.4. Turbinas eólicas
Çengel e Cimbala (2006)
http://grendz.com
VAWT
Vertical Axis Wind 
Turbine
IV – Ciclos de potência
Vapor (ideal • → Rankine)
Gás (ideal • → Brayton)
Combustão centelha (ideal • → Otto)
Combustão autoignição (ideal • → Diesel)
*Refrigeração • – Compressão vapor
*Não é de geração de potência, mas é igualmente importante.
12.1. Ciclo de potência vapor
Shapiro
Cap. 8
Combustível
12.1. Ciclo de potência vapor
Shapiro
Nuclear (PWR – Pressurized Water Reactor)
12.1. Ciclo de potência vapor
Shapiro – Solar 
12.1. Ciclo de potência vapor
CSP – Concentrated Solar Power
Receptor central (Central receiver) – Fluxo de calor utilizado para aquecimento de água, e sal fundido → água.
http://www.ucsusa.org/clean-energy/renewable-energy/concentrating-solar-power-plants#.WUfMV-vyvIU
Ivanpah CSP facility, 390 MW, California - Nevada
12.1. Ciclo de potência vapor
Shapiro
Geotérmico
12.1. Exemplo 1 – Rankine
12.1. Exemplo 1 – Rankine
p [kPa] 2500 2500
T [°C] 540 600
s [kJ/kg.K] 7,4454 7,6055
h [kJ/kg] 3551,4 3686,2
12.1. Exemplo 1 – Rankine
12.2. Ciclo de potência a gás
Ciclo de geração de energia – Turbina a gás
a- aproximadamente real
b- ideal
Shapiro, Cap. 9
11.2. Turbina a gás
Schobeiri, M. (2005). Turbomachinery flow physics and dynamic 
performance (p. 153). Heidelberg: Springer.
Çengel, Cimbala (2006)
12.2. Ciclo de potência a gás
Ciclo Brayton a gás ideal.
Ciclo Brayton ideal (gás ideal, ciclo fechado)
12.3. Ciclo motor de combustão 
interna a centelha: 4 tempos
Operação entre pontos mortos 
inferior e superior (4T):
i-Admissão de ar + combustível a 
partir do ponto morto superior com 
válvula de admissão aberta até o 
ponto morto inferior. Válvula de 
escape fechada.
ii-Fechamento da válvula de 
admissão, e compressão do ar + 
combustível até ponto morto 
superior.
iii-Ignição por centelha, e expansão 
com válvulas de admissão e escape 
fechadas até ponto morto inferior.
iv-Exaustão a partir do ponto morto 
inferior até o superior com válvula 
de escape aberta e de admissão 
fechada.
12.3. Ciclo motor de combustão 
interna a centelha: 4 tempos
http://www.edsolique.com/motor-
a-explosao-de-4-tempo/
http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/we
b/motores4t_etapas.htm
12.3. Ciclo motor de combustão 
interna a centelha (ideal Otto)
Próximo ao real
Ciclo Otto ideal (gás ideal – ar)
Aumento de eficiência com taxa de compressão (r = vb / va)
η = 1-1/r(k-1)
12.3. Ciclo de motor de combustão 
interna a centelha: 2 tempos
Motor • 4 tempos: geração de 
trabalho durante expansão a 
cada 2 ciclos.
Motor • 2 tempos: geração de 
trabalho durante expansão em 
todos os ciclos.
Problema com poluentes, •
arrasto de óleo, ruído, etc.
Uso basicamente para motores •
pequenos (roçadeira, 
aeromodelismo, etc.).
12.4. Motor de combustão interna a 
autoignição (Diesel)
12.4. Motor de combustão interna a 
autoignição (Diesel ideal)
Ciclo Diesel padrão (gás ideal – ar)
Incremento da eficiência com a taxa de 
compressão (r = v1 / v2)
rc = v3 / v2
 









 )1(
11
1
1
c
k
c
k rk
r
r

12.5. Refrigeração – compressão 
vapor
Ciclo de refrigeração ideal:
1-2: compressão isoentrópica a partir de 
vapor saturado na saída do evaporador.
2-3: resfriamento e condensação no 
condensador (Tcond > Tamb) a pressão 
constante até saída como líquido 
saturado, com rejeição de calor para o 
“ambiente quente”.
3-4: expansão (normalmente 
isoentalpica) até pevap.
4-1: evaporação a pressão constante até 
vapor saturado, com recebimento de 
calor do “ambiente frio”.