Máquinas a Vapor e Ciclo Termodinâmico

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MAQUINAS A VAPOR 
A utilidade das propriedades do vapor de água são mais conhecidas na impulsão de máquinas como motores a vapor, inventados no final do século XVII e aprimorados meio século mais tarde. Elas foram de grande importância na história da humanidade, sendo o estopim da primeira revolução industrial e posteriormente em turbinas a vapor.
Nas máquinas a vapor, o fluido de trabalho é o vapor de água sob alta pressão e a alta temperatura. O funcionamento da turbina a vapor baseia-se no princípio de expansão do vapor, gerando diminuição na temperatura e energia interna; essa energia interna perdida pela massa de gás reaparece na forma de energia mecânica, pela força exercida contra um êmbolo.
A turbina a vapor é uma máquina térmica que explora a pressão do vapor para gerar trabalho. Todas as máquinas térmicas funcionam baseadas no princípio de que o calor é uma forma de energia, ou seja, pode ser utilizado para produzir trabalho. 
A máquina a vapor dispõe de uma caldeira, assim, o calor proveniente da queima de combustível leva a água a transformar-se em vapor no interior dessa caldeira. Com o processo, o vapor expande-se e ocupa um espaço muitas vezes maior que o ocupado pela água. A energia da expansão produzida pode ser aproveitada de duas formas: Deslocando um êmbolo num movimento de vaivém ou acionando uma turbina.
Funcionamento de uma máquina a vapor.
Ilustração de uma máquina a vapor e seu funcionamento.
Na caldeira o calor faz com que a água entre em ebulição. Assim, quando a válvula A está aberta e a válvula B permanece fechada, o vapor acaba entrando sob pressão e empurrando o êmbolo para cima, deste modo, a roda R e a biela B acabam sendo deslocadas. O êmbolo ao atingir o topo do cilindro, a válvula A acaba fechando para cortar o fornecimento de vapor e a válvula B abre-se, fazendo com que o vapor saia do cilindro e entre no condensador.
Através da água corrente o condensador é mantido arrefecido. Assim que o vapor deixa o cilindro a pressão diminuiu no seu interior e a pressão atmosférica empurra o êmbolo para baixo. O êmbolo, ao atingir o fundo do cilindro, a válvula B se fecha a válvula A abre. A partir de então, o vapor entra no cilindro e o processo começa novamente.
FLUIDOS REFRIGERANTES
Para que se possa entender melhor o comportamento de um fluido refrigerante no sistema, é necessário que se compreenda primeiro quais são as etapas do ciclo de refrigeração. Neste ciclo, o fluido refrigerante passa por uma série de processos termodinâmicos em diferentes componentes do sistema de refrigeração: evaporador, compressor, condensador e válvula de expansão. 
O evaporador é um trocador de calor que permite a troca térmica entre o fluido refrigerante e o ambiente refrigerado. Nele, ocorre a evaporação do fluido refrigerante, sendo que o fluido na fase gasosa é superaquecido e conduzido ao compressor - este superaquecimento acontece para garantir que não haja fluido refrigerante na fase líquida no compressor. Após passar pelo compressor, o fluido segue para o condensador, que troca calor com o meio externo do sistema, resultando na condensação do fluido refrigerante. Importante lembrar que a condensação é possível devido ao aumento da pressão. Já na saída do condensador há o sub-resfriamento, etapa na qual 100% do fluido que vai para a válvula de expansão se encontra na fase líquida. Esse fluido, após esse processo, dirige-se ao dispositivo de expansão, onde ocorre a redução de sua pressão. Desta maneira, o fluido retorna ao evaporador, completando o ciclo de refrigeração. 
Ciclo de Refrigeração
Há dois conceitos importantes no ciclo da refrigeração, o superaquecimento e o sub-resfriamento. O superaquecimento é o aquecimento adicional do gás saturado para garantir que não exista líquido indo para o compressor, uma vez que o líquido não é compressível. Já o sub-resfriamento é o resfriamento adicional do líquido saturado para garantir que não exista vapor indo para a válvula de expansão. 
Em relação ao fluido refrigerante, para o funcionamento ideal do sistema, ele deve possuir as seguintes características:
Ter elevado calor latente de vaporização;
Ser quimicamente estável;
Não ser tóxico e corrosivo;
Não reagir quimicamente com o óleo lubrificante. 
O CICLO TERMODINÂMICO IDEAL
Ciclo termodinâmico ideal (ciclo de Carnot), 
A máquina de Carnot é um motor teórico, de grande importância, descrito por Nicolas Léonard Sadi Carnot em 1824.
Carnot demonstrou que uma máquina térmica operando em um ciclo ideal, reversível (ciclo de Carnot), entre dois reservatórios térmicos é a mais eficiente possível e, ainda, que quanto maior a temperatura do reservatório quente, maior seria a eficiência da máquina térmica para uma substancia que se comporta como um gás ideal. Tal máquina estabelece um limite de eficiência máxima para todas as outras máquinas térmicas, como dito no teorema de Carnot: Nenhuma máquina térmica real operando entre dois reservatórios de energia pode ser mais eficiente que uma máquina de Carnot operando entre os mesmos dois reservatórios.
Ilustração de um ciclo ideal de bomba de calor (flechas no sentido horário).
Todas as máquinas térmicas são menos eficientes que a máquina de Carnot, pois não operam em ciclo reversível, sua eficiência é ainda menor devido às dificuldades práticas, como as perdas de energia e o atrito.
O ciclo de Carnot é constituído de quatro processos, todos reversíveis, sendo dois deles isotérmicos e dois adiabáticos.
O processo A → B é uma expansão isotérmica à temperatura Tq, na qual o gás absorve energia |Qq| do reservatório quente e realiza trabalho WAB.
O processo B → C é uma expansão adiabática, ou seja, não entra nem sai energia por calor, na qual a temperatura do gás diminui de Tq para Tf e o gás realiza trabalho WBC.
O processo C → D é uma compressão isotérmica à temperatura Tf, na qual o gás libera energia |Qf| para o reservatório e é realizado trabalho WCD sobre o gás.
O processo D → A é uma compressão adiabática, na qual o gás aumenta sua temperatura de Tf para Tq e é realizado um trabalho WDA sobre o gás. 
Até hoje não foi possível desenvolver uma máquina de Carnot, ou seja, uma máquina que opere sob o ciclo de Carnot, uma vez que, seu rendimento corresponde ao máximo que uma máquina térmica pode atingir, operando entre determinadas temperaturas de fonte quente e fonte fria. Assim, para chegar próximo ao sistema isotérmico, um processo real desse ciclo teria que ser muito lento e isso inviabilizaria seu uso.
Por representar o ciclo mais básico da Termodinâmica, a máquina de Carnot é utilizada apenas como um comparativo, que mostra se uma máquina térmica tem ou não um bom rendimento.
CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR
Embora o ciclo de Refrigeração de Carnot ofereça a maior eficiência, existem dois motivos que acarretam dificuldades para a construção de sistemas que operam segundo este ciclo na prática.
A primeira dificuldade se encontra no processo de compressão, onde uma mistura bifásica (líquido e vapor) é comprimida isentropicamente no compressor. Esta compressão, denominada compressão úmida, é uma grande barreira para compressores alternativos, que são danificados devido à presença de gotículas de líquido. Logo, uma compressão seca é mais adequada para a construção de um ciclo teórico mais fiel à realidade. 
Outra dificuldade observada no ciclo de Carnot é a utilização de uma turbina, visto que o trabalho extraído do sistema na expansão isentrópica é tão baixo que torna a utilização de uma turbina no sistema inviável economicamente na maioria dos casos. A turbina então é substituída por um dispositivo de expansão, onde ocorre um processo irreversível isentálpico. 
A partir dessas considerações, é construído o ciclo teórico por compressão de vapor, que pode ser observado na figura a seguir:
O ciclo acima é constituído por quatro processos termodinâmicos:
 a) 1-2: Compressão isentrópica de vapor saturado no compressor; 
b) 2-3: Rejeição isotérmicade calor no condensador;
 c) 3-4: Expansão isentálpica de líquido saturado no dispositivo de expansão; 
d) 4-1: Recebimento isotérmico de calor no evaporador.
CICLO REAL DE REFRIGERAÇÃO
O ciclo real de refrigeração tem algumas diferenças significativas para o ciclo teórico de refrigeração. As principais diferenças destes dois ciclos podem ser observadas na Figura que representa o diagrama Pressão x Entalpia do ciclo padrão e do ciclo real.
Diagrama P-h do ciclo teórico e do ciclo real
Podemos observar o diagrama P-h do ciclo teórico representado pelo ciclo 1-2-3-4. Já o ciclo real é representado pelo ciclo 1’-2’-3’-4’. 
As perdas de cargas que ocorrem nas tubulações são representadas por ∆Pd (perda de carga na linha de descarga do compressor) e ∆Ps (perda de carga na linha de sucção do compressor). 
O superaquecimento do fluido refrigerante, representado por ∆Tsup, é outro fenômeno muito importante que ocorre no ciclo real. Isso se deve ao fato do superaquecimento prevenir a entrada de gotículas de líquido no compressor, já que o compressor vai receber vapor superaquecido e não vapor saturado, como nos ciclos teóricos.
 Outro aspecto que é considerado no ciclo real é o sub-resfriamento do fluido refrigerante, representado por ∆Tsub na saída do condensador, que aumenta o efeito refrigerante sem a adição de trabalho e garante que somente fluido refrigerante na forma de líquido entre no dispositivo de expansão