Como ganhar dinheiro com outsourcing de impressoras termicas
Maquinas Termicas - FEUP
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2
PROGRAMA
> NOÇÕES BÁSICAS
• Noção de Máquina Térmica
• Descrição sumária e nomenclatura de Motores de Combustão Interna
• Ciclo indicado
• Classificação de Motores de Combustão Interna
• Parâmetros diretores do funcionamento dos motores
• Aplicação dos motores de combustão interna
3
PROGRAMA
> REVISÃO DOS CONCEITOS DA TERMODINÂMICA
• Primeira Lei da Termodinâmica aplicada a sistemas e volumes de controlo
• Principais evoluções dos gases perfeitos
• Calorimetria do vapor de água
> COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO
• Classificação dos combustíveis
• A equação química
• A Primeira Lei da Termodinâmica aplicada à combustão
• Combustíveis para motores de combustão interna
4
PROGRAMA
> CICLOS
• Ciclos motores padrão a ar
• Ciclo indicado
• Caracteristicas dos motores e parâmetros que condicionam os ciclos reais
> CALDEIRAS
• Introdução
• Tipos de caldeiras
• Instalações a vapor
• Equipamentos auxiliares
• Aplicações das caldeiras
5
PROGRAMA
> TURBINAS A VAPOR
• Classificação das turbinas a vapor
• Aplicações
> TURBINAS A GÁS
• Classificação das turbinas a gás
• Aplicações
> COMPRESSORES VOLUMÉTRICOS
• Ciclo e características termodinâmicas
• Redes de ar comprimido
6
Máquinas Térmicas
> Avaliação
Exame –
• Parte teórica sem consulta ( 30%). Duração, 30 min.
• Parte prática com consulta (70 %). Duração, 2h 30 min.
7
Máquinas Térmicas
> Máquinas térmicas
• Motoras
• Auxiliares
As máquinas térmicas motoras convertem energia
térmica em mecânica.
Energia química de um combustível Libertação de
calor em reação exotérmica Conversão de calor em
trabalho.
As máquinas térmicas auxiliares convertem energia
mecânica em energia cinética, potencial ou interna de
um fluido.
Máquina térmica volumétrica – O fluido evolui de forma
pulsatória.
Máquina térmica dinâmica – O fluido evolui de forma
contínua.
8
Máquinas Térmicas
Máquina térmica volumétrica
Alternativas – Cilindro com êmbolo provido de
movimento alternativo
Rotativas – Rotor e carcaça
(Motor Wankel)
9
Máquinas Térmicas
Máquina térmica dinâmica – turbomáquinas –
máquinas de fluxo
10
Máquinas Térmicas > Classificação das Máquinas Térmicas
Volumétricas Alternativas Motoras
Motor Otto
Combustão Interna Motor Diesel
Motor Misto
Combustão Externa Motor a Vapor
Motor Stirling
Auxiliares Compressor de
êmbolo
Bomba de
êmbolo
Rotativas Motoras Wankel, Espiral
Auxiliares Compressores e bombas
Palhetas
Roots
Parafuso
Engrenagens
11
Máquinas Térmicas
Motor Diesel
Motor Otto
12
Máquinas Térmicas
Motor a vapor
Motor Stirling
13
Máquinas Térmicas
Bomba Roots Bomba de lóbulos
Bomba alternativa Bomba de engrenagens
14
Máquinas Térmicas
> Classificação das Máquinas Térmicas
Dinâmicas Rotativas Motoras
Combustão Interna Turbinas a Gás
(Joule-Brayton)
Turbo - Reatores
Combustão externa Turbinas a Vapor
(Rankine)
Auxiliares Turbo – bombas
Turbo – compressores
Turbo - ventiladores
15
Máquinas Térmicas
16
Máquinas Térmicas
Parafuso de Arquimedes
Bomba de parafuso
17
Máquinas Térmicas
Motor Wankel
18
Máquinas Térmicas
Tipos de
compressores
de
êmbolo
19
Máquinas Térmicas
20
Máquinas Térmicas
21
Máquinas Térmicas
22
Máquinas Térmicas
23
Máquinas Térmicas
24
Máquinas Térmicas
25
Máquinas Térmicas
26
Máquinas Térmicas
27
Máquinas Térmicas
> Descrição Sumária e Nomenclatura dos Motores de Combustão Interna
28
Máquinas Térmicas
29
Máquinas Térmicas > Classificação dos Motores de Combustão
Interna
Tempos motores Quatro tempos
Dois tempos
Efeito Simples efeito
Duplo efeito
Disposição e número de cilindros
Tipo de distribuição
Válvulas à cabeça, laterais e mista
Camisas deslizantes e válvulas rotativas
Válvulas lamelares (2 tempos, compósitos)
Sistema de inflamação
Bateria ou magneto
Compressão
Cabeça quente (semi-diesel)
Arrefecimento Água
Ar
Óleo
30
Máquinas Térmicas
> Classificação dos Motores de Combustão Interna
Alimentação do ar
Naturalmente aspirado
Sobrealimentação mecânica
Turbo-compressão
Tipo de lavagem (2 tempos)
Unidirecional, cruzada, invertida (loop), carter-bomba,
bomba externa de êmbolo ou rotativa
Alimentação de combustível
Carburador
Injeção direta
Injeção indireta
Sistema de lubrificação
Chapinagem
Pressão
Mista
Incluída no combustível
31
Máquinas Térmicas
Arranjo e
número de
cilindros
32
Máquinas Térmicas
33
Máquinas Térmicas
34
Máquinas Térmicas
> O Ciclo Operativo a Quatro Tempos
Quatro tempos, duas rotações da cambota e um só tempo motor
35
Máquinas Térmicas
> O Ciclo Operativo a Dois Tempos
Explosão e escape (ou expansão) – Êmbolo no PMS quando se dá a explosão. Segue-se a expansão.
Quando o êmbolo se aproxima do PMI abre-se em primeiro lugar a janela de escape e depois
a de transferência.
Lavagem e compressão (admissão) - Movimento ascendente do êmbolo. Fecho da janela de
transferência e depois da de escape. Compressão da mistura reagente existente no interior do
cilindro e admissão de mistura fresca ao carter. Quando o êmbolo se aproxima do PMS dá-
-se a explosão.
36
Máquinas Térmicas
37
Máquinas Térmicas
38
Máquinas Térmicas
O Ciclo Indicado
39
Máquinas Térmicas
40
Máquinas Térmicas
> Motor Otto Motor de inflamação por faísca. Tradicionalmente a mistura
reagente era preparada no exterior do cilindro através de
carburadores ou de injeção indireta. Atualmente muitos motores
Otto trabalham com injeção direta.
Combustível: gasolina, GPL, gás natural, álcoois.
São combustíveis que devem ter grandes atrasos de ignição
espontânea (vários ms!) para se limitar a auto-ignição.
A modulação da potência debitada obtém-se através da
regulação da mistura reagente (ar-combustível).
Poluentes mais comuns: CO, HC não queimados, NOx.
Para se aumentar o atraso da ignição espontânea empregaram-
se aditivos à base de Pb. Atualmente são à base de benzeno.
Empregam-se catalisadores nos escapes para se eliminarem o
CO e o NOx.
41
Máquinas Térmicas
> Motor Diesel Motor de inflamação por compressão. Admite-se ar e o
combustível é injetado diretamente n na câmara de combustão
(injeção direta) ou numa pequena câmara anexa à câmara de
combustão (injeção indireta).
As pressões de injeção podem ir até às 2000 atm.
Regulação da carga por variação do caudal de combustível.
Queima com grandes excessos de ar.
Devido às maiores taxas de compressão,
tD tO
42
Máquinas Térmicas
> Motor Diesel Não existindo estrangulamento na admissão, melhor enchimento
do cilindro
Maior excesso de ar melhor combustão
menor formação de poluentes
Menor teor de CO
Menor teor de HC não queimados
Menor teor de NOx
A frio aumentam as partículas sólidas não queimadas, fumos
negros.
Maior excesso de ar menor potência específica do motor
43
Máquinas Térmicas
44
Máquinas Térmicas
> Parâmetros diretores do funcionamento do motor
Carga – quantidade de combustível introduzido
relativamente a um máximo de referência.
Relação carga – velocidade de rotação do motor
Funcionamento em vazio, carga 0
Funcionamento a plena carga, carga = 100 %
Funcionamento a carga parcial, ajuste do
funcionamento do binário do motor ao binário resistente
que está a ser aplicado externamente. Este ajuste é
realizado pelo operador do motor.
45
Máquinas Térmicas
46
Máquinas Térmicas
47
Máquinas Térmicas
Formação de CO, NOx e HC não queimados
48
Máquinas Térmicas
Gases de escape para um motor Otto
49
Máquinas Térmicas
Gases de escape para um motor Diesel
50
Máquinas Térmicas
Aspectos a considerar no controlo das emissões
de hidrocarbonetos (HC) não queimados nos
motores de inflamação por faísca (Otto)
51
Máquinas Térmicas
Sobrealimentação dos motores alternativos de combustão interna
52
Máquinas Térmicas
53
Máquinas Térmicas
1 hp = 745,7 W = 1,01387 CV
54
Máquinas Térmicas
55
Máquinas Térmicas
56
Máquinas Térmicas
57
Máquinas Térmicas
58
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de princípios básicos
A Termodinâmica é a ciência que estuda as transformações
recíprocas de energia sob qualquer forma e as propriedades da
matéria relacionadas com essas transformações.
Sistema termodinâmico – Quando se analisa uma região do espaço
englobando uma quantidade bem definida de matéria.
Volume de controlo – Quando se analisa uma região do espaço que
não engloba a mesma matéria.
Adota-se o ponto de vista macroscópio, a matéria é considerada
contínua.
As propriedades, variáveis de estado ou funções termodinâmicas
são grandezas que permitem a descrição do estado do sistema sem
se conhecer os seus antecedentes.
59
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Lei Zero da Termodinâmica – Se dois corpos têm igualdade de
temperatura com um terceiro, então terão igualdade de
temperatura entre si – Princípio do equilíbrio térmico.
Conceitos mais elaborados
Trabalho
Energia - E– Entidade física que pode considerar-se resultante do
trabalho ou nele converter-se.
Calor – Q - Forma de energia em transferência devido a uma
diferença de temperaturas.
2
211
pW dV
60
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Equilíbrio termodinâmico = Equilíbrio mecânico + Equilíbrio
químico + Equilíbrio térmico
Equação de estado – Relação empírica que “liga” as variáveis de
estado de um sistema termodinâmico
Gás perfeito Constante universal dos gases
perfeitos
Se esta relação não puder ser expressa numa formulação
matemática simples pode recorrer-se a gráficos ou a tabelas –
Tabelas termodinâmicas.
p V n TR 8314 J kmol KR
61
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
e
Sendo a constante particular do gás.
p V n TR n m M
p V m R T
RR
M
p v R Tp V m R T
p V n TR p v TR
62
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
A descrição do estado termodinâmico de um sistema requer
apenas duas variáveis independentes possível
representação em diagrama adequado
p-V ou p-T ou T- V
Se p = constante – evoluções isobáricas
Se V = constante – evoluções isométricas ou isocóricas
Se T = constante – evoluçõess isotérmicas
63
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Para qualquer tipo de fluido
Para gás perfeito p V m R T
Constantep V
64
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Evoluções politrópicas
constantekp v
65
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Sustância pura – Componente químico presente na fase sólida,
líquida ou gasosa ou como mistura de duas quaisquer das três
fases.
Havendo mistura das três fases – ponto triplo
equação de estado, tabela ou
gráfico termodinâmico
Propriedades termodinâmicas elaboradas
Energia interna, U
Entalpia, H
, , 0f p v T
Uu
m
Hh
m
pU VH ph u v
66
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Calor específico
a volume
constante
Calor específico
a pressão
constante
Capacidade calorífica
a volume constante Capacidade calorífica
a pressão constante
v T
u udu dT dv
T v
v
V
uc
T
p T
h hdpdh dT
pT
p
p
hc
T
,u u vT
, ph h T
v vC m c
p pC m c
67
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Trabalho para um sistema simples compressível. Processo
elementar.
Para um processo finito e quase-estático.
Trabalho é algo que aparece na fronteira de um sistema quando
este muda o seu estado devido ao movimento dessa fronteira sob a
ação de uma força
Calor é a forma de energia transferida através da fronteira de um
sistema a uma dadatemperatura, para outro sistema a uma
temperatura inferior, em virtude da diferença de temperatura entre
os dois sistemas.
pW dV
2
211
pW W dV
68
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Convenção de sinais
São ambos fenómenos em trânsito. Aparecem na fronteira. Um
sistema não contém nem trabalho nem calor. São funções de linha,
diferenciais inexactas.
2
1 2
1
69
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Primeira Lei da Termodinâmica
Empiricamente constata-se que para um ciclo,
E para um processo termodinâmico qualquer,
Caso mais frequente,
0 Q W
2 11 12 2Q W E E
p c UE E E
2 22 1 2 1 2 11 12 2
1
2Q W gm m c c U Uz z
2 11 12 2Q W U U
70
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Se
Se
2
211
constante 0pV W dV
2 11 2Q U U
2 2 11constantep pW V V
2 121Q H H 2 2 1 12 2 11
Q p pU V U V
v
V V
q uc
dT T
p
p p
q hc
dT T
71
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Experiência de Joule. Gás perfeito.
V T
U UdU dT dV
T V
;0 0 0T
UdU dT
V
p T
U UdpdU dT
pT
;0 0 0T
UdU dT
p
U U T
p V n TR
72
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Válidas em
qualquer
processo,
para o gás
perfeito.
v
duc
dT
p
dhc
dT
p v
d u R Tdh duc cR R
dT dT dT
2
2 1
1
d d dv vu c T u u c T
2
2 1
1
d d dp ph c T h h c T
73
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
A Primeira lei aplicada a volumes de controlo.
Equação da continuidade, balanços mássicos
ˆ 0V A
ddV c n dA
dt
ˆ jj jj
A
m c n A
74
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
A Primeira lei aplicada a volumes de controlo.
Balanço energético.
21ˆ
2u
V A
dgQ e dV h c n dAzW c
dt
75
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Regime permanente ou estacionário
j j
ent sai
m m
Para n entradas e saídas
2 21 1
2 2j jj j j j j j
sai ent
g gQ h c m h c mz zW
j j j j
sai ent
Q m h m hW
76
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Regime uniforme.
Para n entradas e saídas
' j j
ent sai
m t m t m m
' ' ' ' j j j jt tt tsai ent
Q W t u t t u tm m m h m h
77
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Segunda Lei da Termodinâmica.
Fonte térmica – Sistema que dentro de determinados limites
suficientemente amplos troca calor sem alteração da sua
temperatura (fonte ou sorvedouro).
Motor térmico – Dispositivo que operando segundo um ciclo
termodinâmico recebe calor de uma fonte quente e cede calor a
uma fonte fria, realizando trabalho.
0A BQ Q W WQQBA
78
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Máquina Frigorífica ou Bomba de Calor.
Extrair calor à fonte fria, fornecendo calor à fonte quente,
consumindo para isso trabalho.
0A BQ Q W WQQ
BA
79
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Rendimento térmico do motor
Eficiência da máquina frigorífica
Eficiência da bomba de calor
1B
t
A A A
QWW
Q Q Q
B BBF
A B
Q QQ
Q QW W
A AAB
A B
Q QQ
Q QW W
Para um mesmo ciclo, 1B F
80
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Ciclo de Carnot - ciclo motor ou ciclo frigorífico (bomba de calor)
Escala termodinâmica de temperaturas
T
TT
A
BA
C
BFC
A B
T
T T
TT
T
BA
ABC
81
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Entropia – Propriedade termodinâmica matematicamente
derivada. Conceito desenvolvido por Rudolf Clausius (1822-1888).
Para um sistema termodinâmico isolado,
Para um sistema termodinâmico não isolado,
Para um sistema a evoluir ciclicamente,
0dS
T
QdS
0T
Q
Universo:
Sistema isolado
0S Desigualdade de Clausius
82
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Processo reversível
Para um processo adiabático reversível
Processo isentrópico
Q dST
2
1 2
1
QQ dS dST T
0 0 constanteQ TdS S
83
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Relações termodinâmicas da entropia
Gás perfeito
p
dpdTds c R
pT
v
dT dvds c R
vT
v p
dp dvds c c
p v
2 22 1
1 1
ln lnp
pTs s c R
pT
2 22 1
1 1
ln lnv
vTs s c R
vT
222 1
11
ln lnv p
p vs s c c
p v
84
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Processo isentrópico
é a constante adiabática,
constantep v
p
v
c
c
22
11
p v
p v
1
2 2
1 1
pT
pT
1
2 2
1 1
vT
vT
85
Máquinas Térmicas > Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Algumas situações particulares
Sistema termodinâmico Volume de controlo – Regime permanente
Processo politrópico Processo politrópico
δ dpw v dδ pw v2
21
1
dpw v 2
21
1
dpw v
constantekp v constante
kp v
1k 1k
2 2 11 2 1
1
1p pw v v
k
2 2 11 2 1
1
kp pw v v
k
1k 1k
12 11 1
2
lnv
pw vv
22 11 1
1
lnp
pw vp
No caso do gás perfeito,
se k = 1 é porque
T = constante.
Para qualquer outro
fluido, k = 1 não tem
qualquer significado
particular.
86
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Rendimentos de transformações reais
Turbina, evolução teórica correspondente, adiabática reversível
isentrópica.
Caso real, s2 > s1
Rendimento isentrópico da turbina,
2 2 11
2 2 11
st
s s
w h h
w h h
87
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Rendimentos de transformações reais
Compressores e bombas, evolução teórica correspondente, adiabática
reversível isentrópica.
Caso real, s2 > s1
Rendimento isentrópico do compressor ou bomba,
2 2 11
2 2 11
s s
sc
w h h
w h h
88
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Rendimentos de transformações reais
Compressor arrefecido, evolução teórica correspondente, isotérmica
reversível.
Rendimento isotérmico
do compressor,
Cálculo de
Processo reversível e em regime permanente,
Para gás perfeito
21
21
T
Tc
w
w
21 Tw
2
21
1
d dδ Tp pw v w v
2 22 11 2 12
1 1
ln lnT
p pw p pv v
p p
89
Máquinas Térmicas
> Termodinâmica – Revisão de principios básicos
Para fluido incompressível
Para outro fluido qualquer,
De um modo geral, para um processo em regime permanente e reversível,
Se o fluido for incompressível é sempre correto,
1 2 12Tw p pv
2 2
2 1 2 11 2
1 1
d dd d d d δ d d
d dT
p ph s v v h s w h sT T T
w h s h h s sT T
2
21
1
dpw v
1 2 12w p pv
90
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
> Atualmente, as necessidades energéticas do mundo são grosso modo cobertas em 85% por reações de combustão de combustíveis fósseis, ao passo que a energia hidráulica é responsável por 10%, e a energia nuclear por 5%, tendo as outras formas de energia (geotérmica, solar e eólica) percentagens desprezáveis.
> É então de importância primordial para o engenheiro mecânico conhecer as propriedades dos vários combustíveis e dos produtos resultantes da sua queima, a temperatura que se consegue numa câmara de combustão, e o trabalho máximo que pode se pode obter de uma dada quantidade de combustível.
91
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
92
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Combustão – Combinação química rápida do oxigénio
com um combustível.
Os combustíveis classificam-se normamlmente de acordo
com a fase em que são manuseados – sólidos, líquidos ou
gasosos.
Mais simples do ponto de vista químico – combustíveis
gasosos – gás natural, gases manufacturados, gases do
petróleo liquefeitos.
Comustíveis líquidos – Alcoóis, petróleo e seus
destilados. Apresentam moléculas mais complexas que
os gasosos.
Combustíveis sólidos – Carvões, coques, madeiras,
resíduos industriais.
93
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Os principais constituintes dos combustíveis são o C e o H.
Carvão – Transformação de matérias vegetais enterradas. São
misturas de C, H, O, S, H2O e cinzas.
Formou-se dos resíduos pantanosos quando a deposição de
árvores e plantas formaram leitos de grande espessura que
ficaram enterrados sob sedimentos. A matéria orgânica
concentrada que então se formou designa-se por turfa.
Turfa – Lenhite – Hulha – Antracite
O petróleo começou por se matéria orgânica dispersa nos
sedimentos marinhos em mares interiores ou bacias costeiras.
Só se formou o carvão e o petróleo quando a matéria orgânica
foi enterrada antes de ser completamente oxidada a CO2 por
micro-organismos.
À medida que os compostos de carbono se afundam no interior
dos sedimentos são submetidos a pressões e temperaturas
elevadas O2 e outros voláteis são eliminados
mistura resultante: hidrocarbonetos (petróleo) ou carbono
(carvão)
94
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Critérios de classificação de carvões – Cinzas, teor de
humidade, teor em C, teor em matéria volátil
Classificação ASTM – baseia-se no teor em C
Classificação mais simples: antracite, carvão betuminoso
e semi-betuminoso, lenhite e turfa.
Obs: Hulha = carvão betuminoso e semi-betuminoso.
Antracite – Duro, cor negro brilhante. Menos de 8 %
(m/m) de matéria volátil. Queima difícil devido à
ausência de voláteis e sem chama ou com chamas curtas.
Semi-antracite – Com 8 a 14 % (m/m) de matérias
voláteis.
95
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Carvão betuminoso – 15 a 22 % (m/m) de matérias
voláteis e de 5 a 10 % (m/m) de cinzas.
A existência de pequenos valores de teor em cinza é
benéfica para a combustão – existe um efeito catalisador
de alguns dos componentes da cinza.
Carvão semi-betuminoso – Lenhites negras – matérias
voláteis entre 35 e 45 % (m/m).
Lenhites – Teor em cinza e humidade elevado.
20 a 45 % (m/m) de H2O.
Pouco interesse comercial.
Tem tendência a inflamar-se espontâneamente. Grande
porosidade Fácil mistura com o O2 do ar.
Em empilhamentos oxidação lenta
aumento da temperatura auto-inflamação.
96
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
97
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Coal – Bridge to the Future
Report of the World Coal Study
1980
98
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Coal – Bridge to the Future
Report of the World Coal Study
1980
99
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
World Energy Outlook 2009
IEA
toe- tons of oil equivalent
tep- toneladas equivalentes
de petróleo
BP Energy Outlook 2030
100
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
101
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Análise do carvão- Análise imediata e análise elementar
Análise imediata – (base mássica)
• Humidade – secagem em estufa
• Matérias voláteis – Redução a 955 ºC do carvão
seco
• Cinzas – Resíduo da combustão completa a 1100
ºC
• Carbono – diferença a 100 %
Análise elementar – (base mássica)
• Humidade
• Carbono total (C das matérias voláteis + C fixo)
• Hidrogénio
• Oxigénio
• Azoto
• Enxofre
• Cinzas
Impurezas do carvão – humidade, cinzas, enxofre, oxigénio, e azoto
102
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Resultado da análise imediata e elementar de um carvão
Análise imediata
Análise elementar
103
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Coque – Resíduo da pirólise do carvão.
Pirólise- Decomposição térmica do carvão na ausência de
oxigénio resíduo sólido carbonoso
coque matérias voláteis.
Consoante a ótica do utilizador
carbonização coque
Pirólise
gasificação voláteis
104
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Tipos de carbonização
Baixa temperatura – 450 a 700 ºC
• Produz coque muito reativo com elevado teor em alcatrão.
Média temperatura – 750 a 900 ºC
• Coque medianamente reativo com grande produção de gás.
Alta temperatura – 900 a 1000 ºC
• Coque duro, pouco reativo. Aplica-se em processos
metalúrgicos.
105
Máquinas Térmicas > Combustão e Combustíveis
Madeira – Voltou a ter elevado interesse comercial como fonte
energética de origem renovável.
Apresenta 50 % de humidade (m/m) após corte e 10 a 20 % de
humidade após secagem às condições ambiente
Faia
Pinheiro
Charneca
Erica vulgaris
Urze
Elevado teor em oxigénio Metade da biomassa é Carbono
106
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Gás natural – Constituído essencialmente por metano (CH4) e
etano (C2H6).
Vantagens: Não contém cinzas nem deixa resíduos na queima.
Queima com menor excesso de ar. Fácil controlo automático da
queima. Fácil variação da carga.
Uso
• Doméstico
• Instalações industriais – geradores de vapor,
turbinas a gás, secadores, máquinas industriais.
• Transportes urbanos
107
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
GPL - Gases de petróleo liquefeitos - Constituídos à base de
propano (C3H8) e butano (C4H10), são subprodutos ou derivados
do petróleo.
Liquefazem-se à temperatura ambiente e a pressões
relativamente baixas.
Gases manufacturados
Gás de alto forno – obtém-se fazendo passar ar através de
camadas sucessivas de coque e minério de ferro num alto forno.
Gás de coque – resultado da gasificação do carvão.
Gás de gasogénio – obtém-se da oxidação parcial do coque. Este
arde com defeito de ar produzindo-se uma mistura de CO e
CO2.
Gás de água – Resultante da injeção de vapor de água num leito
de carvão ao rubro. O vapor de água decompõe-se libertando
H2. O O2 combina-se com o C para dar CO.
2 2+ +C O COH H
2 22+ +CO CO OH H
Reação de formação do gás de água
Reação de equilíbrio do gás de água
108
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Ar propanado – Mistura de ar com propano comercial
de modo a se obter um combustível com
“características” idênticas às do gás natural.
C2H4 – 0,3 %
C2H6 – 1,1 %
C3H6 – 17,2 %
C3H8 - 37,6 %
C4H10 – 1,1 %
O2 - 9,0 %
N2 - 33,7 %
Os gases combustíveis são classificados em três famílias.
Dentro de cada família os gases são intermutáveis:
• Família 1 – Gases manufacturados
• Família 2 – Gás natural
• Família 3 – GPL
Em volume
109
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
110
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
111
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
112
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Poder calorífico de um combustível – É o valor absoluto
da calor libertado na queima completa em oxigénio da
unidade de massa desse combustível.
Poder Calorífico Superior -
se o calor de condensação da água
formada na combustão também for
considerado.
Poder Calorífico Inferior -
Se o calor de condensação da água
formada na combustão não for
considerado.
A 25 ºC e 1 atm
113
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
m3 a 25 ºC e 1 atm
114
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
A 25 ºC e 1 atm
115
Máquinas Térmicas > Combustão e Combustíveis
Petróleo
Mistura de hidrocarbonetos.
Desde CH4 - metano - até C62H126
Séries de HC’s existentes no petróleo
Parafínica CnH2n+2 CH4 – metano
(saturada) C2H6 – etano
Olefínia CnH2n C3H6 – propeno
(não saturada) C4H8 - buteno
Nafténica CnH2n C5H10 – ciclopentano
(cadeia fechada C6H12 – ciclohexano
saturada)
Aromática CnH2n-6 C6H6 – benzeno
(cadeia fechada C7H8 - tolueno
não saturada)
+ Isómeros destes com cadeias ramificadas
116
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
BP Energy Outlook 2030
NGL – Natural gas liquids – Combustíveis líquidos obtidos a partir do GN.
117
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
BP Energy Outlook 2030 Key World Energy Statistics 2011- IEA
118
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Refinação do petróleo – extração de hidrocarbonetos (HC)
com interesse industrial e transformação dos HC’s que não o
têm, em HC’s com interesse industrial.
Métodos empregues:
• Destilação fracionada
• Cracking catalítico
• Cracking térmico
• Hidrogenação (Cracking catalítico em H2)
• Polimerização (Oposto do craking)
Gasolinas
Misturas de HC’s líquidos, principalmente à base de HC, C6 e
C7.
Caraterísticas mais importantes: Volatilidade e Índice de
Octano.
119
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
A volatilidade carateriza-se pela curva de destilação da gasolina
120
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Pontos particulares da curva de destilação:
10 % de destilado – medida de HC na gasolina. Interessa para
arranque a frio.
• Inverno – T a 10 % baixa
• Verão – T a 10 % mais alta
Demasiada volatilidade
• No inverno, formação de gelo no sistema de alimentação
• No verão, tampão de vapor (vapor lock) no sistema de
alimentação
50 % de destilado – medida da volatilidade média do
combustível: permite uma boa reprise e aceleração rápida do
motor ( T a 50 % baixa)
Mas para a potência máxima, T a 50 % não pode ser demasiado
baixa senão leva a mau enchimento do cilindro.
121
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
90 % de destilado – mede a quantidade de componentes
pesados que facilitam a formação de depósitos
carbonosos os quais se diluem no óleo lubrificante e são
assim arrastados para fora do cilindro. Isto provoca
aumento do consumo. Uma vantagem dos HC’s pesados
é o melhor enchimento dos cilindros, mas por outro lado
aumenta os HC não queimados.
Índice de octano – Capacidade do combustível resistir a
pressões e temperaturas elevadas sem se auto-inflamar
grande atraso na ignição espontânea.
Verifica-se para :
• Avanço da ignição excessivo
• Taxa de compressão demasiado elevada
• Mistura combustível/comburente inadequada
Obs.: Avanço da ignição – Ignição anteriormente ao instante ideal.
Taxa de compressão = volume final da compressão/volume inicial.
122
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Índice de octano – Percentagem de C8H18 numa mistura de C8H18
com C7H16 (isoctano + heptano)
Research method – ASTM D-2699
Motor method – ASTM D-2700 (condições mais severas)
Motor de ensaio – 4 tempos, válvulas à cabeça. Diâmetro 82,6 mm e
curso 114,3 mm.
A taxa de compressão varia entre 3 e 30.
Research Octane number – RON
Motor Octane Number - MON
123
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Acima dos 100 ON
onde [TEL] = ml de chumbo tetraetilo [(C2H5)4Pb]/galão
americano
1 ml de TEL = 1,06 g de Pb
MON < RON
Sensibilidade do combustível = RON-MON (valor típico 8)
Esta técnica acaba por não dar ideia correta do comportamento
da gasolina num veículo automóvel, por isso definiu-se
a b 0,5
1
2 228,28 1,0 0,736 1,0 1,472 0,03521100ON TEL TEL TEL TEL
Road ON a RON b MON c
1 US gallon = 3,785 l
124
Máquinas Térmicas > Combustão e Combustíveis
Índice anti-detonação (IAD)
Métodos de aumento do ON:
Tratamento na refinaria – cracking e polimerização
ON
Adição ao combustível de compostos com ON elevado – benzol,
álcoois, anilina, acetona, etc. – aditivos anti-detonantes.
Aditivos anti-detonantes
Chumbo tetraetilo – TEL - (C2H5)4Pb – introduzido em 1923
(0,2 a 0,6 cm3/l no combustível automóvel e 0,8 a 1,6 cm3/l no
combustível de avião)
Chumbo tetrametilo – TML - (CH3)4Pb – introduzido em 1960
TML vaporiza a 110 ºC enquanto o TEL vaporiza a 200 ºC.
Melhor distribuição no interior dos cilindros para o TML.
2
RON MONIAD
125
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Atualmente os aditivos à base de chumbo estão
proibidos.
Aditivos anti e pro-detonação
Referência – anilina
+Compostos pro-detonação +
126
Máquinas Térmicas > Combustão e Combustíveis
Combustíveis pesados. Óleos combustíveis. Nafta. Fuel óleo
São os resíduos mais pesados da destilação do petróleo.
Gasóleo – Combustível dos motores Diesel – é mais rápido a
inflamar que a gasolina. Contudo, não é tão volátil à
temperatura ambiente como a gasolina.
Injeta-se no interior do motor.
Querosene – Destilado obtido entre 204 e 288 ºC. Menos volátil
e de menor viscosidade que a gasolina.
Combustível das turbinas a gás. Injeta-se nas câmaras de
combustão.
Estes dois combustíveis têm facilidade de auto-inflamação
normalmente não necessitam de ignição forçada
recorre-se à auto-inflamação
baixo índice de octano elevado índice de cetano
(hexadecano C16H34)
127
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Ponto de inflamação – Temperatura mínima à qual o
combustível se auto-inflama. Importante na definição
de condições de ignição ou de propagação de incêndios.
Ponto de fulgor – Ignição momentânea em presença de
uma chama – oxidações lentas.
Teor em enxofre – Importante devido à corrosão
provocadas pelos gases de escape elevação
do ponto de orvalho ácido.
Ponto de orvalho húmido – temperatura de condensação
da água de combustão.
Ponto de orvalho ácido – temperatura de condensação
de ácidos.
Ponto de orvalho ácido > ponto de orvalho húmido
128
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
Viscosidade – Maior ou menor dificuldade em ser bombeado
Densidade – Maior ou menor capacidade de transporte e
armazenamento de energia
Índice ou Número de Cetano – Caracterização do grau de
inflamabilidade dos combustíveis (óleos Diesel ou gasóleos)
Ao contrário das gasolinas os gasóleos devem ter um pequeno
atraso de ignição espontânea – baixo número de octano.
Devem ser moléculas instáveis - hidrocarbonetos saturados de
cadeia longa – partem mais facilmente.
Índice de Cetano (NC) – Percentagem de C16H34 (hexadecano)
numa mistura com C11H10 (alfa metil nafteno) que tenha um
comportamento à ingnição espontânea igual ao do combustível
a testar novamente ensaio em motor padrão
NC = 100 100 % de C16H34
NC = 0 100 % de C11H10
129
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
130
Máquinas Térmicas > Combustão e Combustíveis
Aditivos para aumentar o NC
- nitrato de amilo
- nitrato de etilo
- nitrito de etilo
3 2 2 2 2 2CH CH CH CH CH O NO3 2 2CH CH O NO3 2CH CH O NO
Existe sempre uma interligação
entre as diferentes propriedades
dos combustíveis.
131
Máquinas Térmicas
> Combustão e Combustíveis
132
Máquinas Térmicas
> Combustão
ou
porque se admitiu que o ar
O2 21 % (v/v) 23,2 % (m/m) 32 kg/kmol
N2 79 % (v/v) 76,8 % (m/m) 28,15 kg/kmol
y 2 2 2x 2 2
y y yx x 3,76 x3,76C O CO OH N H N
4 2 4
y 2 2 2x z 2 2
y z y y zx x 3,76 x3,76C O O CO OH N H N
4 2 2 4 2
/kg28,96 kmoli i
i
M X M
2 2
793,76 3,76 4,76kmol O kmol N kmol ar1
21
Mistura estequiométrica
133
Máquinas Térmicas
> Combustão
Mistura pobre excesso de ar - e
Mistura rica defeito de ar - d - excesso de
combustível
Riqueza da mistura
r = 1 – mistura estequiométrica,
combustão neutra
r > 1 – mistura rica,
combustão redutora
r < 1 – mistura pobre,
combustão oxidante
y 2 2 2x 2 2 2
y y y y1 e x 3,76 e x 1 e 3,76 xC O CO O OH N x H N
4 2 4 4
y 2 1 2 3 2 4 2 2x 2 2
y y1 d x 3,76 1 d 3,76 xC O CO CO OH N n n n H n H N
4 4
.
.
esteq
esteq
ACCAr
CA AC
134
Máquinas Térmicas
> Combustão
Para mistura pobre, r < 1 excesso de ar,
ou
Para mistura rica, r > 1 defeito de ar,
ou
Se n4 << n2
Como o coeficiente do CO2 não pode ser negativo
1 re
r
11 e
r
1rd
r
11 d
r
y 2x 2
2 22
1 y+ x+ +3,76C OH N
r 4
y 2 y y r-1 y 3,76 yx+ - x+ +2 x+ + + x+CO CO OH N
4 r 2 4 r 2 r 4
y 2 yx+ - x+ >0
4 r 2
yx+
41<r<2y
x+2
135
Máquinas Térmicas
> Mistura de combustíveis líquidos ou gasosos Normalmente é dada a composição molar (volúmica-supondo
gases perfeitos) da mistura
X1CxHy+X2H2+X3CO+X4O2+X5N2,
sendo Xi a fração molar do componente i.
A queima (não estequiométrica) será
1 y 2 2 3 4 5 2x 2 2 2
1 2 2 3 4 2 5 6 22 2
3,76NC CO O OH H N
CO O CO OH H N
oX X X X X n
n n n n n n
136
Máquinas Térmicas
> Combustíveis sólidos Normalmente é dada a composição mássica
Y1C+Y2H2+Y3O2+Y4N2+Y5H2O+Y6S+cinzas
sendo Yi, as frações mássicas.
Atendendo a que para se escrever a equação química é
necessário reconhecer-se o número de kmol dos
intervenientes na reação e a que
Pode escrever-se a equação química de modo a que cada
coeficiente tenha as unidades:
21 2kmol C kmol de H; ;etc...
12 2kg kgcombustível combustível
Y Y
espécie correspondentekmol da
kg da mistura i.e. combustível
137
Máquinas Térmicas
Tanto para os reagentes, como para os produtos.
Ignora-se a cinza já que esta aparece inalterada nos dois
membros da equação
1 2 3 4 5 62 2 2 2 12 2 2C S ...3,76O O O COH N H N
12 2 32 28,15 18 32o
Y Y Y Y Y Yn n
138
Máquinas Térmicas
> Primeira Lei da Termodinâmica aplicada à Combustão
Combustão a volume constante
2 11 21 2
Q U UW c b Po RoQ U U U U
2 1 2 1 P R P Po Po Ro Ro RU U U U U U U U
Po Ro oU U U Energia interna de combustão a To,
ou o calor de combustão a volume
constante e à temperatura To.
139
Máquinas Térmicas
> Primeira Lei da Termodinâmica aplicada à Combustão
1 1 1 1 1 P R P Po Po Ro Ro RU U U U U U U U U
1 1 1 P Po o Ro RU U U U U U
140
Máquinas Térmicas
> Primeira Lei da Termodinâmica aplicada à Combustão
Combustão a pressão constante
2 1 2 1 P R P Po Po Ro Ro RH H H H H H H H
Po Ro oH H H Entalpia de combustão a To ou
calor de combustão à pressão po
e temperatura To constantes.
141
Máquinas Térmicas
> Primeira Lei da Termodinâmica aplicada à Combustão
1 1 1 P Po o Ro RH H H H H H
142
Máquinas Térmicas
> Primeira Lei da Termodinâmica aplicada à Combustão
Poderes caloríficos – O poder calorífico de um combustível é o
valor absoluto da quantidade de calor libertada na combustão
completa da unidade de massa do combustível com oxigénio,
em condições devidamente definida.
É necessário explicitar não só os estados de referência, mas
também, as transformações químicas uma vez que as
quantidades de calor, como funções de linha que são,
dependem dos estados extremos e dos processos seguidos
- Poder calorífico superior a volume constante PCSv
- Poder calorífico inferior a volume constante PCIv
- Poder calorífico superior a pressão constante PCSp
- Poder calorífico inferior a pressão constante PCIp
143
Máquinas Térmicas > Primeira Lei da Termodinâmica aplicada à
Combustão
Para os combustíveis sólidos e líquidos apresenta-se
normalmente o poder calorífico inferior a volume constante,
enquanto que para os combustíveis gasosos apresenta-se o poder
calorífico inferior a pressão constante.
v v v lvPCS PCI m u
p p v lvPCS PCI m h
2 líquidocom OHv oPCS u
2 vaporcom OHv oPCI u
2 líquidocom OHp oPCS h
2 vaporcom OHv oPCS h
144
Máquinas Térmicas
> Determinação dos poderes caloríficos
145
Máquinas Térmicas
> Determinação dos poderes caloríficos
146
Máquinas Térmicas
> Determinação dos poderes caloríficos
147
Máquinas Térmicas
> Ciclos
Os ciclos motores padrão a ar dos motores alternativos
de combustão interna
Pressão média de um ciclo - Define-se pressão média de
um ciclo como sendo a pressão constante para o qual o
trabalho produzido iguala o do ciclo
ou
1 2mcp pW dV V V 1 2mcp pw dv v v
Um motor será mais compacto
quanto maior for a sua pmc pois
assim serão menores os atritos.
Uma pmc baixa significa um
maior curso do êmbolo ou seja
maiores atritos.
148
Máquinas Térmicas > Ciclos – Ciclo Otto
1 2 - Compressão adiabática reversível do ar (isentrópica);
2 3 - Aquecimento isométrico reversível do ar;
3 4 - Expansão adiabática reversível do ar;
4 1 - Arrefecimento isométrico reversível do ar.
É o ciclo padrão para os
motores de inflamação
por faísca também designados
corrente, mas erradamente,
por motores de explosão.
149
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Ciclo Otto
Como
E da 1ª Lei
tO
A
w
q
0A Bq q w A B
tO
A
q q
q
3 22 3 vAqq c T T 1 44 1 vB
qq c T T
3 2 1 4v vw c cT T T T
4
3 2 1 4 4 1 1 1
33 2 3 2 2
2
1
1 1
1tO
T
T T T T T T T T
TT T T T T
T
1
2 1
1 2
vT
vT
1
3 4
4 3
vT
vT
v2 = v3 e v4 = v1
150
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Ciclo Otto
Definindo a razão ou taxa de compressão como,
3 4
2 1
T T
T T
1
2
1tO
T
T
1
2
v
vr
v
1
12
1
v
T
T r
1
11
tO
vr
151
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Ciclo Otto
Como
Mas, se
como T4 > T1, verifica-se que tC > tO o que é muito
natural visto as trocas de calor com as fontes térmicas
não são, para o ciclo Otto, isotérmicas.
3 4
2 1
T T
T T 2 3
1 4
T T
T T
3
14
1
v
T
T r
3 4
3
tO
T T
T
3 1
3
tC
T T
T
152
Máquinas Térmicas > Ciclos – Ciclo Diesel
O ciclo Diesel é o ciclo motor padrão a ar dos motores de
inflamação por compressão ou motores Diesel, sendo constituído
pelas seguintes evoluções:
12 - Compressão adiabática reversível do ar (isentrópica);
23 - Aquecimento isobárico reversível do ar;
34 - Expansão adiabática reversível do ar;
41 - Arrefecimento isométrico reversível do ar.
153
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Ciclo Diesel
Como e
Razão de compressão
Razão de corte ou razão de combustão a pressão constante
tD
A
w
q
3 22 3 pAqq c T T
1 44 1 vBqq c T T
0A Bq q w
3 2 1 4p vw c cT T T T
4
4 1 1 1
33 2 2
2
11
1 1
1
p
tD
v
T
c T T T T
Tc T T T
T
1
2
v
vr
v
33
22
cp
v Tr
v T
154
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Ciclo Diesel
,
Para o ciclo Diesel o rendimento térmico já não depende
unicamente da razão de compressão rv, mas também da
quantidade de calor fornecida ao ciclo através do parâmetro
rcp, razão de combustão a pressão constante.
1 21 2p pv v 3 43 4
p pv v
3
3
4 4 34
1 21 2
2
1
cp
vp
p v vTr
p vT vp
v
1
2 2 1
1 1
v
vTr
vT
1
111
1
cp
tD
v cp
r
r r
155
Máquinas Térmicas > Ciclos – Ciclo Diesel
Como o termo entre parenteses retos é superior à unidade (com
exceção do caso em que rcp = 1, ciclo Otto) o ciclo Diesel tem, para
a mesma razão de compressão, rendimento térmico inferior ao
ciclo Otto. No entanto, como se verá mais adiante, não é correto
fazerem-se comparações entre os ciclos Otto e Diesel para iguais
razões de compressão, já que este último, ao contrário do
primeiro, funciona normalmente com razões de compressão entre
13 e 22.
156
Máquinas Térmicas > Ciclos – Ciclo Misto ou de Sabathiée
Quando se trata de motores Diesel rápidos o seu funcionamento
aproxima-se do de um ciclo híbrido, misto de Otto e Diesel, isto é,
um ciclo em que as trocas caloríficas com a fonte quente se
repartem entre uma isométrica e uma isobárica, o ciclo misto ou de
Sabathiée, que é constituído pelas seguintes evoluções:
12 - Compressão adiabática reversível do ar (isentrópica);
23 - Aquecimento isométrico reversível do ar;
34 - Aquecimento isobárico reversível do ar;
45 - Expansão adiabática reversível do ar;
51 - Arrefecimento isométrico reversível do ar.
157
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Ciclo Misto ou de Sabathiée
tS
A
w
q A A A
q q q
3 22 3 vAqq c T T 4 33 4 pA
qq c T T
3 2 4 3 1 5v p vA Bq qw c c cT T T T T T
5
1
3 3 4
2 2 3
1
1
1 1
tS
T
T
T T T
T T T
1
2
v
vr
v 33
22
cp
v Tr
v T Razão de compressão Razão de combustão a pressão constante
158
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Ciclo Misto ou de Sabathiée
Razão de combustão a volume constante
,
33
22
cv
p Tr
p T
1
1 2
2 1
vT
vT
1
5 4
4 5
vT
vT
1
5 4 3 4
1 3 2 3
cp cv
vT T Tr r
vT T T
1
111
1 1
cp cv
tS
v cv cv cp
r r
r r r r
159
Máquinas Térmicas > Ciclo de Sabathiée
Quando rcv 1, isto é, quando se reduz o calor fornecido
a volume constante, o ciclo aproxima-se do ciclo Diesel e
para o caso limite de rcv = 1 o rendimento térmico do
ciclo de Sabathiée iguala o do ciclo Diesel
Quando rcp 1 o ciclo Sabathiée tende para o ciclo Otto
e no limite, quando rcp = 1, o rendimento térmico de
ciclo de Sabathiée iguala o do ciclo Otto
160
Máquinas Térmicas
> Ciclos - Comparação
Mesmas condições iniciais, mesma razão de compressão
e mesma quantidade de calor fornecida
tO tS tD
161
Máquinas Térmicas
> Ciclos - Comparação
Mesmas condições iniciais, mesma pressão máxima e
mesma quantidade de calor fornecida.
tD tS tO
162
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Interpretação do ciclo Otto
O rendimento térmico só depende da relação de compressão
Nem o calor recebido nem as condições no início do ciclo afetam
o rendimento
O trabalho do ciclo depende de mais parâmetros
Se rv sobe subida de p3
1
11
tO
vr
1
11artO tO A A
vA
WQ qW m
Q r
3 3 33 23 23 2 3 2 2 3 2
2 2 2 22
1p pT T T
p p p p p p p T Tp T T T T
163
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Interpretação do ciclo Otto
Mas e
De modo que
Como e
p3 e T3 são limitadas na prática. p3máx 50 bar e rv = 8 a 14
2 1 vp p r 3 2
A
v
qT T
c
2
3 1
2
Av
v
p qp p r
cT
2222
2 2
p Rp v R T
vT
12
v
vv
r
3 1
1
Av v
v
qRp p r r
c v
164
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Interpretação do ciclo Otto
Se a massa que evolui no interior do motor sobe de
para
m
m m
1
1
1
R Tp m
V ' 1
1
1
R Tp m m
V
22
11
p V
p V
'
22
'11
1
v
p V
p V r
' 1
2 2
1
1
v
R Tp pm m m m
V r
165
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Interpretação do ciclo Otto
Por outro lado
caso só se varie m (cv, qA, R e rv são constantes)
Se
Quando aumenta ( mas com m constante)
3 2 3 2 3 2
1 1 1
comA A A
v v v A A
v v v
q q QmR R Rp p p p p p Q qmr r r
c v m c v c V
' '
2 2 3 3p p p pm m m m
A AQ qm
'
'
3 2 3 2 3
1 1
porqueA Av v A
v v
q qR Rp p p p p qr r
c v c v
166
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Alguns aspetos particulares do ciclo Diesel
Se Valores habituais
Se
Como
para o mesmo
1
111
1
cp
tD
v cp
r
r r
11
, ,v cptD Af f Qr r T
v tDr
cp tDr
13 25vr
1
11
cp
tD tO
cp
r
r
vr
167
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Alguns aspetos particulares do ciclo Diesel
Se (Obs.: Tentar demonstrar)
Na prática se a subida de T1 for demasiada
mau enchimento do cilindro
E a queda de 𝒘𝐜𝐢𝐜𝐥𝐨 é mais
rápida que a subida de 𝜼𝒕𝑫!
1 tDT
1 ciclow
168
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Alguns aspetos particulares do ciclo Misto
1
111
1 1
cp cv
tS
v cv cv cp
r r
r r r r
, ,v cv cetS f r r r 1,e fcv cp AQr r T
; ;v cv cptS tS tSr r r
169
Máquinas Térmicas
> Ciclos – Alguns aspetos particulares do ciclo Misto
Onde
Se , se
, para o mesmo
'
1
1
;1tS tO tD
Q
Q
' ''
1 1 1constante constanteQ Q Q pv
tS 1,constante tSQ
1
11 1
cp cv
tS tO
cv cv cp
r r
r r r
vr
170
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
171
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
Ciclo Otto indicado
172
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
A – Expansão. Como k > há
perda de trabalho de expansão
Na compressão k < gasta-se mais
trabalho na compressão
B – Avanço da ignição leva a uma
diminuição do trabalho do ciclo
C – Abertura da válvula de escape
D – Trabalho de lavagem ou bombagem
Na compressão = 1,4 (ar) e k = 1,35.
Na expansão = 1,2 (gases de combustão) e k = 1,25.
Rendimento Indicado
ou i i
i
t t
W W
W W
i
i
t
N
N
Observação : i iN W
Ciclo Otto
173
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado – Diagrama das pressões
1 – abertura da válvula de admissão
2 – fecho da válvula de escape
3 – fecho da válvula de admissão
5 – ignição
8 – abertura da válvula de escape
Avanço da ignição da
ordem dos 10 a 15 º a baixas
e médias rotações (distância
entre os pontos 5 e 6).
A duração da combustão anda
pelos 40 º de rotação da
cambota (entre os pontos 6
e 8).
174
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
175
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
Ciclo Diesel indicado
176
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
Ciclos indicados para motor
Diesel rápido e Diesel lento
Ciclos Otto indicados com abertura plena e parcial
da borboleta de aceleração
177
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
A – perda de trabalho na expansão dos
produtos da combustão
B – Avanço da injeção
C – Abertura da válvula de escape
D – Trabalho de lavagem
Ciclo Diesel
178
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
Ciclo indicado para
motor a dois tempos
Diagrama de pressões para um motor a dois tempos
179
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
Tipos de lavagem e cilindros para motores a dois tempos
180
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
Tipos de lavagem e cilindros para motores a dois tempos
Disposições das janelas em lavagens unidirecionais
181
Máquinas Térmicas
> Ciclo indicado
Tipos de lavagem e cilindros para motores a dois tempos
Disposições de lavagem para
motores Diesel lentos
a) lavagem transversal,
b) lavagem em contra
corrente ou invertida,
c) lavagem tangencial e
d) lavagem interlaçada
Lavagens típicas de motores
Otto rápidos e a dois tempos,
a)lavagem transversal,
b) lavagem tangencial com
duas janelas de admissão e
c) lavagem tangencial
com três janelas de admissão
182
Máquinas Térmicas > Lavagem no motor Otto
183
Máquinas Térmicas
> Lavagem no motor Diesel
Lavagem num motor
Diesel sobre-alimentado
184
Máquinas Térmicas
> Rendimento volumétrico
Rendimento volumétrico
no Otto e no Diesel
Influência de diversos
fenómenos sobre o
rendimento volumétrico
Efeitos quase-estáticos:
vaporização das gotas, pressão do vapor
185
Máquinas Térmicas
> Lavagem num dois tempos
186
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Potência e rendimento indicado.
Área do ciclo indicado trabalho indicado
Trabalho teórico
Rendimento indicado
- em condições normais
Pressão média indicada – pmi
Cilindrada -
Volume de um cilindro - ; Número de cilindros -
i
i
t
W
W
iW
tW
80 %i
i
c
Wpmi
V
cV
i c cipmi pmiW V i V
ciV i
Obs.: Aqui consideram-se
os trabalhos e as potências
em valor absoluto
187
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Potência indicada,
A – é o número de rotações da cambota por tempo motor. A = 1
para um motor a 2 tempos e A = 2 para um motor a 4 tempos.
60 60
c ci
ii
pmi pmiV n i V nNW
A A
' 'c ci
ii
pmi pmiV n i V nNW
A A
Wii NW
Papmi
3mcV
3mciV
rpmn
' rpsn
de cilindrosnºi
i c cipmi pmiW V i V
188
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Potência efetiva, pressão média efetiva e rendimento mecânico
A potência efetiva mede-se à saída do veio motor
- mede-se com freios (bancos de ensaios ou bancos de teste)
- potência de perdas devidas à transmissão e acionamento de
componentes do motor e às trocas gasosas
e i pe i p N N NW W W
eW
pW
189
Máquinas Térmicas > Características dos motores e parâmetros que as
condicionam
190
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Binário motor = Binário resistente
ouB F L M F L
2
60e
nB F L K F LW
- constante do freio K - velocidade angular
Binário Torque
191
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
192
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Pressão média efetiva– pme
Rendimento mecânico
60 60
c ci
ee
pme pmeV n i V nNW
A A
e
c
Wpme
V
e
m
i
pmeW
pmiW
193
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Obtenção da potência de perdas
Na prática raramente se mede a potência indicada por se tratar de
um processo caro e moroso.
Usa-se a banca de ensaios (dinamómetro ou freio) mede-se a
potência efetiva e se o freio for elétrico arrasta-se com este o motor
desligado e quente.
Determina-se assim e
Então,
e
eW pW
i e pW W W
e e
m
i e p
W W
W W W
194
Máquinas Térmicas > Características dos motores e parâmetros que as
condicionam
Se o freio não é elétrico desliga-se um cilindro (isto é, corta-se a
ignição ou injeção)
Mede-se então e (com menos um
cilindro)
(potência indicada só para um cilindro)
Na potência de perdas:
• Perdas por atrito êmbolo-cilindro (60 %)
• Perdas por atrito nas chumaceiras, bomba de óleo,
distribuição, etc. (15 %)
• Lavagem (25 %)
eW'
eW
'
1e e iW W W
'p i e e e eiW W W W W W '
e
m
e e
W
i W W
195
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Rendimento
global do motor
Quociente entre
o trabalho efetivo e
o calor fornecido
(ou potência efetiva/
potência térmica fornecida)
e
g t i m
A
W
Q
196
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Se
Se
g/s g/kWh 3600000
kJ/kg kW
1000
comb e e
gcombee
m C W
mPCI C PCIW PCI
g/s g/CVh 632000
kcal/kg
comb e
g
ee
m C
PCI CV C PCIW
g t i m g/CVh g/kWh 0,7355e eC C
197
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Consumo específico do combustível – Ce
Para
Para
3600 3600 3600
3600
comb comb combe e ee i
e i
combe p
p
m m mC C C
W W W
mC
W
g/s
g/kWhkW
comb
e
mC
W
g/s
g/CVhcomb
e
mC
CVW
198
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
199
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
200
Máquinas Térmicas > Características dos motores e parâmetros que as
condicionam
Balanço térmico ao motor.
A energia recebida pelo motor é dividida em:
• Energia útil no veio motor;
• Arrefecimento (ar, água ou óleo);
• Gases de escape;
• Radiação (diferença a 100 %).
Motor Otto
Motor Diesel
201
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
A curva do binário tem o mesmo andamento da curva da pme
2tg
60
ee
n WB B B K KW
n
202
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Como
Por outro lado,
não tem qualquer relação simples com
ou
enchimento do cilindroe e
v
pme BW W
B
1e
g
C
eW B
203
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Estabilidade de funcionamento do motor
204
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Motor mais elástico Motor menos elástico
205
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Motor Otto Motor Diesel
Colina de consumos
206
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Rendimento volumétrico
para as mesmas condições de pressão e temperatura.
Só se define para motores a quatro tempos
ou
Massa de ar ou de mistura admitida no cilindro
que ocupariaMassa de ar ou de mistura o volume do cilindro
3
' 3
' -1
kg/s
kg/m2com
m
s
a
aa
v
d da
m
m
V n V
n
kgcoma
av
da
mm
V
Para os motores Otto
o anda normalmente
entre 80 e 90 %. Para
os motores Diesel o
é mais elevado.
v
v
207
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Fatores que afetam o rendimento volumétrico:
• Densidade do ar ou da mistura reagente;
• Diluição da mistura fesca ou ar com gases queimados;
• Configuração das condutas de admissão e escape;
• Diagrama de distribuição
208
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Parâmetros que condicionam o desempenho do motor.
Taxa de compressão, crescimento limitado porque:
• Aumento das perdas por atrito:
• Aumento da temperatura média do motor. Mais cuidados
no arrefecimento e na lubrificação;
• Aumenta a possibilidade da pré-ignição e mesmo a
detonação. Combustíveis mais caros;
• O rendimento volumétrico diminui em funcionamento a
carga parcial.
Obs.: Combustão:
Explosão – A velocidade de propagação da chama é
subsónica;
Detonação – A velocidade de propagação da chama
é supersónica;
Nem sempre a pré-ignição resulta em detonação.
209
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Velocidade do motor:
Diesel – Gama normal de funcionamento até às 6000 rpm;
Otto – Gama normal de funcionamento até às 8000 rpm.
Velocidade média do êmbolo:
' '2rpm rps;com com2
60e e
n Cn n C nV V
210
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Velocidade instantânea do êmbolo
Definindo-se ,
Por considerações geométricas chega-se a
RL
1
22 2cos1 1 1 senx R L
d d d
d d de
x xV
t t
sen sen 2
2eV R
2 2 dcom 0 e
dsen
t
'2ou 2
60
nn
'rpm rpscom ou comn n
Ve elevada implica:
lubrificação difícil, grandes
forças de inércia, encurtamento
da vida do motor .
Valores normais máximos da
velocidade média do êmbolo,
15 m/s
211
Máquinas Térmicas
> Características dos motores e parâmetros que as condicionam
Velocidades de rotação típicas
Aviação:
• Otto de 2000 a 3500 rpm
• Diesel de 1400 a 3000 rpm
Automóveis
• Otto de 3000 a 8000 rpm
• Diesel de 1500 a 4000 rpm
Fixos e marítimos
• Otto de 100 a 600 rpm (alimentados a gás)
• Diesel de 100 a 500 rpm
Relação curso/diâmetro (C/D; C = 2R)
Se C/D = 1 , motor quadrado
Se C/D < 1, motor super-quadrado
Vantagens:
-Potência = f(D2);
- Maior diâmetro das válvulas;
- Menor Ve.
212
Máquinas Térmicas > Características dos motores e parâmetros que as
condicionam
Desvantagens:
- Maior força transmitida à biela o que implica
maior força lateral do êmbolo sobre a camisa do cilindro;
- Maior dificuldade de arrefecimento do cilindro.
Se C/D > 1
Vantagens:
- Melhor enchimento do cilindro;
- Melhor aproveitamento da expansão.
Desvantagens:
- Biela mais pesada;
- Momento de inércia da cambota elevado.
Funcionamento mais irregular;
- Menor compacidade;
- Maior velocidade do êmbolo.
Motores Otto C/D 1 (4 tempos)
Motores Diesel C/D 1,2 (4 tempos)
Motores a dois tempos, C/D > 1, devido à colocação das
janelas de transferência.
213
Máquinas Térmicas > Características dos motores e parâmetros que as
condicionam
214
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Caldeira – Equipamento em que os gases provenientes
da queima de um combustível cedem calor a um fluido a
aquecer. É pois um permutador de calor dentro do qual
normalmente se dá uma reação de combustão.
Caldeira de recuperação – O calor dos gases
provenientes de um forno ou de fonte equivalente é
aproveitado no aquecimento de um fluido.
215
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Aspetos a considerar num caldeira:
Superfície de aquecimento – superfície banhada pelo
fluido quente e pelo fluido frio
Timbre – Pressão máxima que não pode ser excedida.
Tubular – Feixe de tubos onde circulam ou os gases
quentes ou o fluido a aquecer.
• Tubos de fumo – caldeira pirotubular
• Tubos de fluido – água (aquotubular) ou
termofluido ou ar
Espelhos, tampas ou chapas dos tubulares
Tambores, barriletes ou coletores
Câmara de inversão – local onde se faz a inversão do
sentido do escoamento dos gases de combustão
Espelho ou tampa do tubular
216
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Caldeira de tubo de fumos ou pirotubular
Caldeira de tubos de água ou aquotubular
217
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Caldeiras pirotubulares
218
Máquinas Térmicas > Caldeiras
Caldeiras aquotubulares
219
Máquinas Térmicas > Caldeiras
Caldeiras aquotubulares
220
Máquinas Térmicas > Caldeiras
Caldeiras aquotubulares
221
Máquinas Térmicas > Caldeiras
Uma caldeira é identificada por:
• Natureza do fluido a aquecer;
• Timbre e pressão de serviço (valor relativo);
• Temperatura do fluido a aquecer;
• Combustível;
• Potência térmica nominal;
• Superfície de aquecimento;
• Capacidade (caudal do fluido a aquecer);
• Rendimento térmico.
Classificação:
Segundo a fonte de energia. Tipo de combustível:
• Sólido;
• Líquido;
• Gasoso.
Se aproveita os gases de escape de um forno, motor ou
reator – Caldeira recuperadora.
Se usa energia térmica solar, nuclear ou de efeito de
Joule (elétrica).
222
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Classificação:
Segundo a qualidade do combustível
Sólido
Fóssil Líquido
Gasoso
Sólido
Residual Líquido
Gasoso
Segundo o fluido aquecido:
• Ar quente
• Água quente
• Vapor de água
• Óleo térmico (termofluido)
• Outros fluidos (por exemplo, sais)
Número de passagens dos gases de combustão, 1,2,3,4,…
223
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Caldeira de tubos de fumo com quatro passagens.
A primeira passagem é a fornalha ou tubo de fogo.
224
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Tipo de câmara de inversão:
• Molhada
• Seca
• Parcialmente seca
Caldeira com câmara de inversão seca
225
Máquinas Térmicas > Caldeiras
Tipo de câmara de combustão:
• Fornalha
• Tubo de fogo
• Câmara de combustão com
parede de membrana
Equipamento de queima
• Grelha fixa
• Grelha rotativa
• Queimadores
Posição da câmara de combustão
• Exterior – caso das fornalhas
• Interior
226
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Circulação do fluido
• Natural
• Forçada
Conteúdo dos tubos
• Tubos de fumo
• Tubos de água
• Tubos de óleo térmico
Pressão de operação
• Baixa pressão – até 0,5 bar (rel.)
• Média pressão – de 0,5 a 87 bar (rel.)
• Alta pressão – acima de 87 bar (rel.)
Tipo de instalação
• Fixas
• Móveis
Tipo de isolamento
• Tijolos refractários ou isolantes
• Lã mineral, lã de vidro ou lã cerâmica
227
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
228
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
229
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Caldeiras a biomassa
230
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Caldeira recuperadora de calor
231
Máquinas Térmicas > Caldeiras
Componentes das caldeiras
aquotubulares
232
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
233
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
.
Esquema simplificado da circulação da água no interior
de uma caldeira aquotubular
234
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
235
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Implantação de uma caldeira de água quente
Pressurização por gravidade
236
Máquinas Térmicas
> Caldeiras
Quando se pretende usar uma caldeira de tubos de fumo para a
produção de vapor sobreaquecido, o sobreaquecedor coloca-se na
câmara de inversão.
237
Máquinas Térmicas
> Caldeiras – Implantação da rede de vapor
238
Máquinas Térmicas
> Caldeiras – Implantação da rede de vapor
239
Máquinas Térmicas
> Caldeiras – Implantação da rede de vapor
240
Máquinas Térmicas
> Caldeiras – Implantação da rede de vapor
241
Máquinas Térmicas
> Termofluidos
Quando há a necessidade de se transferir calor a altas
temperaturas a pressão do vapor sobe rapidamente
Tal facto leva a aumento de custos e instalações mais
perigosas devido às elevadas pressões envolvidas.
242
Máquinas Térmicas
> Termofluidos
Fluidos térmicos são fluidos sintéticos caracterizados por
possuírem capacidades razoáveis de transferência de calor,
ausência de toxicidade, boa estabilidade térmica, limites de
inflamabilidade suficientemente elevados e baixo custo de
aquisição e de operação.
Para as temperaturas de utilização mais baixas são utilizados
derivados do petróleo. Funcionam normalmente entre os 180 ºC e
os 400 ºC.
Compostos de silicone permitem um funcionamento seguro até os
430 ºC.
Para a gama de funcionamento entre os 260 ºC e os 540 ºC existem
misturas de sais inorgânicos que são empregues na fase líquida e
apresentam coeficientes de transferência de calor elevados e boa
estabilidade térmica.
Dos 450 ºC até aos 1100 ºC empregam-se o mercúrio e os metais
liquefeitos como o sódio e o potássio, ou então misturas destes
dois.
243
Máquinas Térmicas
> Termofluidos
244
Máquinas Térmicas
> Termofluidos
245
Máquinas Térmicas
> Termofluidos
A – Tanque de recolha
B – Desgasificador
C – Vaso de expansão
D – Caldeira
E - Utilizador
246
Máquinas Térmicas
> Termofluidos
Instalação de termofluido para
servir vários utilizadores à
mesma temperatura
Instalação de termofluido para
servir vários utilizadores a
temperaturas diferentes
247
Máquinas Térmicas
> Termofluidos
Produto Ponto de congelação
[ºC]
Ponto de inflamação
[ºC]
Limites de utilização
[ºC]
MOBILTHERM 600 -7 176 +10 +300
MOBILTHERM LIGHT -28 121 -10 +210
H.T.O 57 -50 128 -30 +260
SHELL VOLUTA 27 -18 210 -5 +290
SHELL VOLUTA 941 -23 200 -10 +300
A.L.D. -50 180 -5 +300
ESSO TEHERM 500 -9 215 0 +300
B.P. HM 65 -15 216 -10 +300
MARLOTHERM -35 500 -20 +350
248
Máquinas Térmicas
> Termofluidos
249
Máquinas Térmicas
> Caldeiras pirotubulares versus aquotubulares
Objetivo . Produção de vapor saturado ou sobreaquecido ou de
água sobreaquecida
Caldeiras pirotubulares
Carga em relação à superfície de aquecimento total (para 3
passagens) 40 a 50 kg vapor/(m2 h) o que equivale a
28 a 35 kW/m2
Carga máxima no tubo de fogo (função do respetivo diâmetro)
Para diâmetros superiores a 1400 mm, 10,5 MW 1,4 MW/m3
Temperatura: À saída do tubo de fogo, de 900 a 950 ºC
Na câmara de inversão frontal , de 400 a 500 ºC
À saída da caldeira, de 180 a 260 ºC
250
Máquinas Térmicas
> Caldeiras pirotubulares versus aquotubulares
251
Máquinas Térmicas
> Caldeiras pirotubulares versus aquotubulares
Caldeiras aquotubulares
Carga na câmara de combustão, de 524 a 698 kW/m3
Coeficientes globais de transferência de calor:
Câmara de combustão, de 60 a 65 W/(m2 K)
Feixe de contato (sobreaquecedor), de 60 a 65 W/(m2 K)
Economizador, de 100 a 125 W/(m2 K)
Temperaturas
Fim da zona de chama, de 1200 a 1250 ºC
Fim da câmara de combustão, de 1000 a 1150 ºC
Feixe de contacto
Entrada 1100 ºC
Saída 450 ºC
Sobreaquecedor
Entrada, de 900 a 1100 ºC
Saída, de 750 a 900 ºC
252
Máquinas Térmicas
> Caldeiras pirotubulares versus aquotubulares
Limites de caudal e pressão
Pirotubulares – 14 t/h – 1 tubo de fogo
25 a 28 t/h – 2 tubos de fogo
32 bar (rel.) como pressão máxima de operação
Os códigos de projeto impõem um máximo de 10,5 MW por tubo de
fogo.
Aquotubulares – Dependem dos limites metalúrgicos dos materiais.
Caldeiras monobloco – 40 a 50 t/h, 87 bar (rel.) e 450 ºC para a
temperatura de saída do vapor sobreaquecido
O rendimento dos dois tipos de caldeiras é praticamente idêntico
para a mesma temperatura de saída dos gases. Por exemplo, se esta
for de 180 ºC, o limite prático máximo anda pelos 92 %.
253
Máquinas Térmicas
> Caldeiras pirotubulares versus aquotubulares
Volume
menor câmara de água e menor
capacidade de armazenamento de vapor.
Porém menor tempo de aquecimento
menores perdas térmicas
menores prejuízos em caso de acidente embora as maiores
pressões de operação acabem por “equilibrar” os danos
Caldeiras pirotubulares transportáveis, até 12 t/h
Caldeiras aquotubulares transportáveis, até 30 t/h
Consumo dos ventiladores até + 8 % para as caldeiras
aquotubulares.
As caldeiras aquotubulares só necessitam de um queimador até 30 a
35 t/h de vapor
As caldeiras pirotubulares acima de 14 t/h necessitam de dois tubos
de fumo e portanto de dois queimadores
1
3aq ptV V
254
Máquinas Térmicas
> Caldeiras para termofluido
Câmara de combustão e desenvolvimento na horizontal
ou câmara de combustão e desenvolvimento na vertical
Caldeiras horizontais: 100 a 175 kW/m2 0,8 a 0,3
MW/m3 (isto é sem serpentina)
Velocidades do termofluido no interior da serpentina, de 2,5 a
3,5 m/s
Caldeiras de serpentina: 259 a 350 kW/m2 1100 a 1560
MW/m3
Atualmente quase só
se utilizam caldeiras
de serpentina
255
Máquinas Térmicas
> Rendimento térmico das caldeiras
Rendimento térmico de uma caldeira ou gerador de vapor
Frequentemente,
Em alternativa,
energia geradorútil saída do
energia geradorfornecida aotger
sai ent f
tger
comb
h h m
PCI m
perdas100 %tger
256
Máquinas Térmicas
> Rendimento térmico das caldeiras
Perdas
Pnq – perdas pelos não queimados existente nos resíduos
sólidos da fornalha
Pesc – perdas pela escória liquefeita
Pgnq – perdas pelos gases não queimados
Pch – perdas pela chaminé
Pp – perdas pelas purgas
Pr – perda por radiação, condução e convecção.
100 nq esc gnq ch p rtger P P P P P P
257
Máquinas Térmicas
> Rendimento térmico das caldeiras
Diagrama de Sankey de uma caldeira
258
Máquinas Térmicas
> Rendimento térmico das caldeiras
Perda por não queimados nos resíduos sólidos - Pnq
Se nos resíduos sólidos ou cinzas volantes existir carbono (C)
- caudal de resíduos
- fração mássica de carbono nos resíduos
- poder calorífico do carbono
Cnqrs CnqQ m PCY
rsmCnqY
CPC
Cnq Crs
nq
comb comb
m Y PP
m PCI
259
Máquinas Térmicas
> Rendimento térmico das caldeiras
Perda por escória liquefeita - Pesc
Em certos casos a escória é aquecida até fundir sendo assim mais
facilmente retirada da fornalha.
Perda por gases não queimados – Pgnq
Havendo perdas por não queimados nas cinzas,
esc sai refesc escescQ m c T T
esc sai refesc esc
esc
comb
m c T TP
m PCI
COP COgnqQ m PCIY
1 nq COP COgnqQ m PCIP Y gnq
gnq
comb
QP
m PCI
260
Máquinas Térmicas
> Rendimento térmico das caldeiras
Perdas pela chaminé – Pch
ou
resultando em
Perdas pelas purgas – Pp
gsai refP pPchQ m c T T
1 nq gsai refP pPchQ m c P T T
chch
comb
QP
m PCI
purga ag purga ag sai ag alipQ m h m h h
p
p
comb
QP
m PCI
261
Máquinas Térmicas
> Rendimento térmico das caldeiras
Perdas por radiação, convecção e condução
São de cálculo difícil e por isso é habitualmente a diferença a
100 %.
Perdas em [%] da energia fornecida no combustível
Potência Factor de carga
[MW] 100 % 80 % 60 % 50 % 40 % 20 %
3 1,60 2,00 2,67 3,20 4,00 8,00
6 1,05 1,31 1,75 2,10 2,62 5,25
9 0,84 1,05 1,40 1,68 2,10 4,20
12 0,73 0,91 1,22 1,46 1,82 3,65
15 0,66 0,82 1,10 1,32 1,65 3,30
18 0,62 0,78 1,03 1,24 1,55 3,10
21 0,59 0,74 0,98 1,18 1,48 2,95
24 0,56 0,70 0,93 1,12 1,40 2,80
27 0,54 0,68 0,90 1,08 1,35 2,70
30 0,52 0,65 0,87 1,04 1,30 2,60
36 0,48 0,60 0,80 0,96 1,20 2,40
42 0,45 0,56 0,75 0,90 1,12 2,25
48 0,43 0,54 0,72 0,86 1,08 2,15
54 0,40 0,50 0,67 0,80 1,00 2,00
60 0,38 0,48 0,63 0,76 0,95 1,90
Deve evitar-se o
funcionamento a
carga parcial para se
minimizarem estas perdas
262
Máquinas Térmicas
> Rendimento térmico das caldeiras
Análise das perdas e sua minimização
Gases não queimados – Pgnq – Controlo do ar de combustão,
trabalhar com o mínimo possível. Melhorar a mistura dos reagentes.
Controlar a atomização e pulverização do combustível. Manter
controlo permanente da combustão por leitura da composição dos
gases queimados.
Chaminé – Pch – Reduzir o excesso de ar e aproveitar ao máximo o
calor disponível nos gases de escape. Instalar recuperadores de calor.
Purgas – Pc – As purgas são necessárias para se manter a salinidade
da água dentro de valores aceitáveis. Deve automatizar-se o seu
funcionamento e recuperar –se a sua energia térmica para o
aquecimento da água de alimentação da caldeira.
Perdas por convecção, radiação e condução – Pr – Manter sempre o
isolamento térmico da caldeira em bom estado.
263
Máquinas Térmicas
> Turbinas a vapor
As turbinas a vapor são máquinas de combustão externa
que usam a entalpia do vapor de água para a sua
conversão em energia mecânica – trabalho de veio.
Aplicações
• Produção de energia elétrica em centrais
térmicas usando combustíveis fósseis ou
nucleares, energia geotérmica ou ainda vapor
aquecido em concentradores solares.
• Em sistemas de transporte, principalmente navios
• Na indústria quer como turbinas de contra-pressão
quer como turbinas (de condensação) com tiragens
de vapor. O vapor de escape ou tirado, é utilizado
para fornecimento de energia térmica.
As turbinas a vapor estão sempre associadas a um
gerador de vapor, fazendo parte de um ciclo motor de
Rankine.
264
Máquinas Térmicas
> Turbinas a vapor
265
Máquinas Térmicas
> Turbinas a vapor
266
Máquinas Térmicas
> Turbinas a vapor
Esquema de princípio das turbinas de contra-pressão e de condensação
267
Máquinas Térmicas
> Turbinas a vapor
Turbina de condensação de um só corpo da Brown-Boveri
268
Máquinas Térmicas > Turbinas a vapor
Componentes de
uma turbina e
seus problemas
269
Máquinas Térmicas > Turbinas a vapor
Classificação das turbinas consoante o local onde se verifica a
queda entálpica do vapor:
• Turbinas de ação
• Turbinas de reação
Turbinas de ação – A queda entálpica verifica-se em pás ou
tubeiras fixas. O vapor adquire velocidade nas referidas pás
fixas e incide posteriormente sobre pás montadas num roda
móvel. Existe só transferência de energia cinética na roda móvel.
Turbina de De Laval –
conjunto de tubeiras
e um andar de velocidade.
Obriga à aplicação de
um redutor de velocidade.
A turbina de De Laval é uma turbina de ação
270
Máquinas Térmicas > Turbinas a vapor – Turbinas de ação
Turbina Curtis – Um único andar de pressão inicial e
sucessivos andares de velocidade. Isto permite a
construção de máquinas mais pequenas e mais baratas.
Só orientação do escoamento
Andares de velocidade
Turbina Rateau – Os andares de pressão e velocidade
vão alternando levando a melhores rendimentos.
Queda de pressão,
andar de pressão
271
Máquinas Térmicas
> Turbinas a vapor – Turbinas de reação
A queda entálpica verifica-se nas pás das rodas motoras.
Na prática a queda entálpica dá-se em parte nas “rodas fixas”
e em parte nas rodas móveis. Os canais nas pás móveis são
assimétricos para se atender à variação de velocidade.
Como não há
turbinas de
reação puras,
define-se o grau
de reação como,
m
r
a
hg
h
mh
ah
- Queda entálpica nas rodas móveis
- Queda entálpica num andar
Andar – conjunto da roda fixa e respetiva roda
(ou rodas) móvel (móveis)
gr = 0, para as turbinas de ação
272
Máquinas Térmicas
> Turbinas a vapor – Turbinas de reação
Turbinas de reação- Turbina Parsons
273
Máquinas Térmicas
> Turbinas a vapor
Na prática os construtores usam combinações de
andares de ação e reação, isto é um ou vários andares de
velocidade (ação- Curtis) seguidos de andares de pressão
ou reação.
Classificação das turbinas quanto à sequência do
escoamento (fluxo).
• Fluxo simples
• Fluxo duplo Tandem
• Compound
Cruzado
Compound – O vapor passa consecutivamente através
de duas ou mais unidades separadas.
Tandem – Se as unidades estiverem montadas sobre o
mesmo veio gerador único.
Cruzado – Se as unidades tiverem veios diferentes
geradores diferentes.
274
Máquinas Térmicas
> Turbinas
a vapor
275
Máquinas Térmicas > Turbinas a vapor
276
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás
Motores de combustão interna quando em “circuito aberto”.
Funcionam segundo o ciclo de Joule-Brayton.
Comparativamente às turbinas a vapor:
• Trabalham com menores pressões
• Trabalham com maiores temperaturas
• Os gases de combustão escoam através da turbina
• Têm instalações mais compactas e com menor relação
peso/potência
• Têm grande consumo específico de combustível
• Têm menores rendimentos térmicos
• Potências “limitadas”
Classificam-se em:
• Turbinas em circuito aberto
• Turbinas em circuito fechado
277
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás
278
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás
279
Máquinas Térmicas > Turbinas de gás
280
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás
Regenerador ou
recuperador
Rendimento do
regenerador - valor
típico da ordem dos
75 %
Ciclos sem regeneração (pequenas potências),
rendimentos térmicos da ordem dos 15 a 20 %.
Ciclos com regeneração, rendimentos térmicos da ordem
dos 28 a 30 %.
Os ciclos sem regeneração têm algumas vantagens:
• Custo – construção mais simples e ausência do
regenerador
• Menor tempo de arranque
• Menores custos de manutenção
281
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás
282
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás
Para melhoria do rendimento térmico e principalmente
da razão de trabalho do ciclo (rw) emprega-se a
compressão e expansão em andares.
283
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás
284
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás
285
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás - Materiais
Câmara de combustão
Altas temperaturas e pressões
• Carcaça exterior – aço ferrítico
• Carcaça interior – aço austenítico ou refractário
A câmara está normalmente suspensa devido às grandes
dilatações térmicas que sofre. Estas devem aos elevados
diferenciais térmicos e à composição dos aços usados.
O ar secundário da queima (70 %) serve para arrefecer
as paredes da câmara.
286
Máquinas Térmicas
> Turbinas de gás - Materiais
Turbina – Aços de liga – Cr, Mo e V ou aços inoxidáveis
(austeníticos) e ligas refractárias. Empregam-se
indistintamente em turbinas de ação e reação.
287
Máquinas Térmicas > Turbinas de gás
288
Máquinas Térmicas
> Ciclos Combinados
Uma técnica usada para se aumentar o rendimento
térmico de uma central térmica é a colocação de um
ciclo a funcionar no topo de outro. O ciclo que recebe
calor da fonte quente rejeitará calor para o ciclo de
fundo.
289
Máquinas Térmicas
> Ciclos Combinados
A integração do ciclo de turbina a gás no
ciclo de turbina a vapor pode ser só para
a produção de energia elétrica ou ainda
para a produção simultânea de eletricidade
e calor útil.
290
Máquinas Térmicas > Turbinas a gás em ciclo fechado
A indústria das centrais nucleares tem-se interessado
sobre este tipo de ciclos.
291
Máquinas Térmicas
> Turbinas a gás em ciclo fechado
A turbina a gás em ciclo fechado necessita de um sistema de
refrigeração obrigando a consumos de água elevados.
O aquecedor do gás (frequentemente o ar) é mais complexo que
nos circuitos abertos (câmara de combustão).
A pureza do fluido de trabalho é maior.
Pode-se queimar qualquer combustível.
Como pode-se aumentar sem aumentar as
dimensões da máquina funcionando a pressões mais elevadas.
É fácil usar outros fluidos de trabalho além do ar, por exemplo
gases com maior valor de (gases monoatómicos).
São instalações mais caras e atualmente só existem com ar como
fluido de trabalho. Principais interessados, indústria das
centrais nucleares.
m wW m
p
v
c
c
292
Máquinas Térmicas
> Propulsor a reação
Máquina térmica que produz um jato de gás a alta
temperatura caracterizado por
Impulsão
No foguete o combustível e o comburente estão no
interior da máquina. Há por isso independência da
atmosfera.
sm VP
293
Máquinas Térmicas
> Propulsor a reação
No reator o comburente é o oxigénio do ar.
Penetra na máquina devido a:
• Velocidade de deslocamento desta – estatorreator
• Efeito de um compressor movido por uma turbina acionada
pelos gases quentes – turborreator
Estatorreator (Ramjet)
Turborreator (Turbojet)
Um turborreator é uma “turbina de gás incompleta”
294
Máquinas Térmicas
> Propulsor a reação
A combinação dos dois é o turbo-estatorreator
(turboramjet)
No turborreator e comparativamente à turbina de gás
clássica, a turbina de potência útil e o recuperador (ou
regenerador) de calor são substituídos por tubeiras de
modo a se criar à saída um jato gasoso com elevada
velocidade (Vs)
295
Máquinas Térmicas
> Propulsor a reação
Turbina de gás
Turborreator
296
Máquinas Térmicas
> Propulsor a reação
Se,
é a velocidade de deslocamento do reator
é o caudal de ar
é o caudal de combustível
é a velocidade dos gases à saída do reator
Se a energia transmitida ao fluido pelo reator é
V
am
combm
sV
a s comb sm V V m VP
comb arm m
2 2
2
sa
V VmW
297
Máquinas Térmicas
> Propulsor a reação
Potência de propulsão
Rendimento da propulsão
Só tem significado físico para,
a sp V m V V VPW
2 2
1
p
pss
W V
VV VW
V
sV V
298
Máquinas Térmicas
> Propulsor a reação
Os propulsores a reação são mais eficientes a altas
velocidades,
1sV
V
299
Máquinas Térmicas
> Turbina a gás versus turbina a vapor
Comparação entre a turbina de gás e a turbina de vapor.
Como já se referiu:
• Pressões mais baixas na turbina de gás
• Temperaturas mais elevadas na turbina de gás
Devido às menores pressões:
• Maior facilidade de execução
• Mais baratas para materiais idênticos pois são
menores as espessuras de parede
• Maior adpatação às dilatações térmicas reduzindo-
se esforços mecânicos
• Maior capacidade de suportar tensões térmicas em
regime transitório. Subida de temperatura mais
rápida. Solução adequada para grupos destinados a
cobrir as pontas de consumo de energia elétrica
Devido às maiores temperaturas:
• Os aços de liga de Cr, Mo, V ou inox das turbinas a
vapor não podem ser usados em turbinas de gás.
Terão de ser aços ou ligas refratárias.
300
Máquinas Térmicas
> Turbina a gás versus turbina a vapor
Desvantagens devidas ao tipo de aços ou ligas
metálicas usadas:
• As ligas austeníticas têm maior coeficiente de
dilatação térmica que as ferríticas
• O coeficiente de condutibilidade térmica é
inferior
Estes dois factos levam ao aumento das tensões
térmicas residuais originando dificuldades de
operação e de montagem.
Os aços austeníticos apresentam dificuldades na
soldadura de grandes peças. Também apresentam
dificuldades de forjagem.
301
Máquinas Térmicas
> Propulsor a reação
302
Máquinas Térmicas > Compressores volumétricos alternativos
Ciclo ideal do compressor alternativo de êmbolo
303
Máquinas Térmicas > Compressores volumétricos alternativos
304
Máquinas Térmicas > Compressores volumétricos alternativos
Trabalho de compressão
Compressão isotérmica reversível,
2
1
d
V
BA
V
pW V
11 11 1p p p pV V V V
2
1
1 21 1 11 1 1
2 1
dln ln
V
BA
V
p pVp p pW V V V
p pV
305
Máquinas Térmicas
> Compressores volumétricos alternativos
Compressão politrópica reversível,
Para um compressão adiabática reversível ,
1k
1 11 1
k k k kp p p pV V V V
2
1
1 1 111 2 11
11
1 111 1 2
2 1
d1
1 11 1
V k
k k k kBA
V
kk
k
p VpW V V V V V
k
p p pV VV
pk V k
p
v
ck
c
PolitrópicoIsotérmicoB BA AW W
Só trabalho de compressão
306
Máquinas Térmicas
> Compressores volumétricos alternativos
Trabalho do ciclo.
Já se viu que,
Se a compressão for uma politrópica,
de modo que,
resultando em
Se a compressão for adiabática,
2
1
d
p
ciclo
p
pW V
1k
1 1
1 11 1
k kk kp p p pV V V V
2 2
1 1
1
1 12
1 11 1
1
d d 11
kp p k
k kciclo
p p
pkp p p p pW V V V
pk
p
v
ck
c
2
1
1
211
1
d 11
p
ciclo
p
pp pW V V
p
307
Máquinas Térmicas
> Compressores volumétricos alternativos
Trabalho do ciclo.
Se a compressão for isotérmica
Das equações relativas ao trabalho teórico do ciclo
tiram-se equações para o cálculo da potência teórica
requerida.
1
1 11 1p p p pV V V V
2 2
1 1
1 21 11 1
1
d d ln
p p
ciclo
p p
pp p p p pW V V V
p
308
Máquinas Térmicas
> Compressores volumétricos alternativos
Potência teórica do ciclo
lniso t alo
o
ppW V
p
1
11
k
k
pol t alo
o
pkpW V
pk
1
2
1
11
adi t alo
ppW V
p
débito de ar livre - o caudal volúmico debitado pelo compressor às condições
de temperatura e pressão ambiente. 𝑉 𝑎𝑙
309
Máquinas Térmicas > Compressores volumétricos alternativos
Potência teórica do ciclo. Basta substituir V1 pelo caudal a
PTN.
Considerando ainda que:
• Potência em [CV]
• Co em [m3/min a PTN]
• p1 – p0 = 1,033 kgf/cm2 = 10330 kg/m2
Co é conhecido por débito de ar livre
Compressão isotérmica
Compressão politrópica
Compressão adiabática
0
103305,28ln ln
75 60o oisot
o
p pC CW
p p
1
2,3 11
k
k
opol
o
pkCW
pk
0,286
8,03 1oadi
o
pCW
p
Os três resultados
em [CV]
310
Máquinas Térmicas
> Ciclo ideal com espaço morto
Todo o compressor de êmbolos alternativos tem um
espaço morto
Teoricamente o trabalho do ciclo é diminuido do
equivalente à area [CDE].
O volume de ar admitido é reduzido de V3.
Na evolução AB comprime-se todo o ar existente no
interior do cilindro, incluindo o ar inútil. O trabalho
referente a este ar inútil é depois recuperado na
evolução CD.
Após a evolução BC permanece
algum ar no interior do cilindro,
ocupando o “volume morto” Vo
Este ar depois expande-se de C a D
311
Máquinas Térmicas
> Ciclo real do compressor alternativo
Embora a referência teórica seja o ciclo ideal sem espaço morto,
há que se analisar o efeito do espaço morto, assim como de
outros aspetos práticos.
Curva da compressão
Da equação do trabalho politrópico verifica-se que o valor do
trabalho desce se o valor do índice politrópico k desce. O mínimo
do trabalho de compressão verifica-se para o processo
isotérmico, ou seja quando k = 1.
O k depende das condições
de arrefecimento, que são
sempre insuficientes em
compressores de um andar.
k = 1,3 em compressores lentos e bem
arrefecidos
k = 1,35 em compressores rápidos
k = 1,4 quando o arrefecimento é fraco
312
Máquinas Térmicas > Ciclo real do compressor alternativo
Aumento do trabalho relativamente
à isotérmica
Aumento do trabalho devido ao aumento
da pressão de compressão
313
Máquinas Térmicas > Ciclo real do compressor alternativo.
Potências teóricas.
21
1
lnadciclo
pm R TW
p
1
21
1
11
k
k
adciclo
pkm R TW
pk
1
21
1
11
adciclo
pm R TW
p
ad alam V
314
Máquinas Térmicas
> Ciclo real do compressor alternativo
Fugas de ar comprimido – Penalizam o desempenho do
compressor.
Zonas críticas:
• Para o exterior – válvulas de aspiração
- seguementos
- vedantes
• Para o cilindro - do coletor de escape para o
cilindro através da válvula de
escape
Noções características
Débito efetivo ou débito de ar livre – caudal volúmico
debitado pelo compressor à pressão e temperatura de
admissão.
Caudal volúmico –
(também para as condições de admissão)
2 2'
604 4t
d d nl n i l iV
d – diâmetro
l – curso
i – número de cilindros
n’ - rps
n - rpm
315
Máquinas Térmicas > Ciclo real do compressor alternativo
Rendimento volumétrico
para os mesmos valores de p e T. (Normalmente os de admissão)
O rendimento volumétrico caracteriza a boa utilização dos
cilindros. É função da depressão na aspiração, do espaço morto,
do aquecimento do ar e das fugas.
Comparar dois caudais volúmicos definidos para as mesmas
condições de p e T, equivale à comparação entre dois caudais
mássicos.
Débito de ar livre
Caudal volúmicov
r
v
t
m
m
Caudal mássico aspirado
Caudal mássico teórico
316
Máquinas Térmicas
> Ciclo real do compressor alternativo
Considerando
Tai – temperatura no inicio da aspiração - K
Taf – temperatura no fim da aspiração – K
V1c – volume varrido por cilindero - m3
V1r - Volume aspirado a pa e Taf por cilindro – m3
onde,
f – fração de fugas
e
R – constante particular do ar
e admitindo que pai = paf = pa
Normalmente,
11
1 1
1r afr r
v
t t t a
fVm m
m m V
a
a
a
p
R T a
af
af
p
R T
60 % 90 %v
317
Máquinas Térmicas > Rendimentos do compressor
Considera-se como referência para um bom desempenho
energético a compressão isotérmica.
Rendimento isotérmico
Como em [CV]
e Co em [m3/min a PTN]
potência compressãoteórica com constante
potência absorvida ao veioisot
T
isot isot
isot
veio veio
N W
N W
5,28 lnisot oisot
o
pN CW
p
5,28 lno
veio
isot o
pCN
p
Avalia discrepâncias
entre o ciclo teórico e
a realidade
318
Máquinas Térmicas
> Rendimentos do compressor
Rendimento indicado
Avalia discrepâncias entre o ciclo teórico e o ciclo
indicado.
isot isot
ind
ind ind
N W
N W
Unidades SI60
ind indind
nN WW
4500
ind indind
nN W CVW
n – [rpm] indW - Trabalho indicado
indW - [kgf m] 4500 60 75
319
Máquinas Térmicas
> Rendimentos do compressor
Rendimento mecânico
Avalia as perdas mecânicas na transmissão
ind ind
m
veio veio
N W
N W
isot ind m
320
Máquinas Térmicas
> Rendimentos do compressor
iso
iso
veio
W
W pol
pol
veio
W
W adi
adi
veio
W
W
iso
i iso
i
W
W
pol
i pol
i
W
W
adi
i adi
i
W
W
i
m
veio
W
W
321
Máquinas Térmicas
> Compressão em andares com arrefecimento intermédio
Limites da compressão num só andar
A compressão num só andar é limitada por:
• Necessidade de se manter um rendimento volumétrico
aceitável
• Reduzir a temperatura do ar à passagem na válvula de
escape, evitando-se a decomposição do óleo lubrificante
(temperatura limite entre 200 e 220 ºC)
A diferencial de pressão para compresssão num único andar, 7
a 10 bar. Acima desta gama a compressão é em andares.
Acima dos 7 a 10 bar é economicamente conveniente comprimir
em andares com arrefecimento intermédio.
Consegue-se assim uma certa aproximação à compressão
isotérmica, com redução do espaço morto. Obtêm-se igualmente
ganhos no débito e rendimento do compressor, assim como no
atravancamento.
322
Máquinas Térmicas
> Compressão em andares com arrefecimento intermédio
323
Máquinas Térmicas
> Compressão em andares com arrefecimento intermédio
1 2 3 4 >4
Pequenos débitos,
≤ 1 m3/min
<10 8 a 50 40 a
200
≥180
Débitos médios,
1 a 10 m3/min
<7 6 a 30 25 a
150
120 a
250
>
250
Grandes débitos,
> 10 m3/min
< 6 5 a 15
Andares e gamas de caudais
Débitos de ar livre
324
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
Sala dos compressores
• Compressores
• Reservatório
• Arrefecedor intermédio
• Arrefecedor final
• Separador de humidade
• Purgadores
• Silenciadores
• Desumidificadores (Secagem total do ar em certas
aplicações)
Rede de alimentação e distribuição
• Linha principal e ramais
• Separadores de condensados
• Lubrificadores
• Válvulas de corte e isolamento de troços da rede
325
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
326
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
Projeto e traçado da rede
Marcação numa planta da instalação dos pontos onde se
consumirá ar comprimido.
Definição da localização dos compressores (sala dos
compressores).
Traçar na planta o desenvolvimento da rede com os ramais
principais e sub-ramais.
Colocação das válvulas de seccionamento mais importantes.
Execução do desenho isométrico da rede indicando os
principais componentes.
Calcular os diâmetros dos diversos troços em função do
caudal, queda de pressão admissível e velocidade
recomendada.
Marcar na planta e no isométrico os diâmetros obtidos
(calculados) e os declives das tubagens.
327
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
Previsão dos consumos
É necessário conhecer as características operacionais
dos utilizadores: pressão, caudal, tempo de consumo,
grau de pureza do ar e tipo de funcionamento - contínuo,
periódico, acionamento e comando.
Fatores de utilização ou consumo
Multiplica-se o consumo máximo pelo respetivo fator de
utilização. O somatário dá o consumo total.
Débito de ar livre [m3/min] Fator de utilização
Furadora 0,33 a 3,4 0,2 a 0,05
Rosqueadora 0,45 0,20
Aparafusadora 0,90 0,10
Esmeril 1,5 a 2,5 0,30 a 0,20
Bico de limpeza 0,5 0,10
Rebitadora 1,10 a 1,30 0,10 a 0,05
Rebarbadora 0,37 a 0,73 0,20 a 0,10
Jato de areia 1,55 0,20
Pistola de pintura 0,25 0,50
Obs. : Rosqueadora ou
rosqueadeira
328
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
Dimensionamento das tubagens.
Há vários critérios.
Perda de carga admissível:
Perda de carga máxima até ao ponto mais afastado, 0,3 bar
Tubulações principais, 0,02 bar/100 m
Tubulações secundárias, 0,08 bar/100m
Tubulações de acesso direto, 0,2 bar/100m
Mangueiras, 0,2 bar/50m
Velocidades admissíveis:
Tubulações principais, 6 a 8 m/s
Tubulações secundárias, 8 a 10 m/s
Mangueiras, 15 a 30 m/s
Em termos práticos:
Numa ramificação ou ramal principal,
Num ramal secundário,
"1
"3
4
329
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
É necessário chegar-se a um compromisso entre os critérios
relativos à velocidade máxima e à perda de carga máxima.
Para o cálculo da perda de carga há várias opções quanto ao f.
Equação de Darcy-Weisbach
Escoamento laminar, equação de
Hagen-Poiseille
Escoamento turbulento em tubos de
pa redes lisas, equação de Blasius
Escoamento turbulento e paredes rugosas, equação de
Colebrook ou diagrama de Moody
2
2
VLp f
D
64
Ref
14
0,3164
Ref
1 2,51log2,0
3,7 Re
D
f f
330
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
Equação de Churchill
Equação de Pavlov et al.
Equação de Branco et al.
(esta última apresenta uma incerteza de 1% desde que
)
1 1212
3 2
188
Ref
A B
16
0,9
12,457 ln
0,277
Re
A
D
Re
530.3716
B
0,91 6,81
log2,03,7 Re
D
f
1,285
0,0073
1
0,925 log Re
1,804Re1
log1,85 103,7
D
f
0,0050 D
331
Máquinas Térmicas > Instalações de ar comprimido
Fórmulas semi-empíricas para o ar comprimido
Fórmula da Atlas Copco
Fórmula da Worthington
2
3
2
kgf/cm
diâmetro em ''0,008
livre,com débito de ar m /min
pressão kgf/cminicial,absoluta
tl
l
it
i
p
DQ L
p QpD
mL
p
2
3
2
5
kgf/cm
diâmetro em cm0,842
livre,com débito de ar m / min
m
pressõesrazão de
tl
lc
t
c
p
DQ L
p QD R
L
R
332
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
Perdas de carga localizadas
Lt – comprimento total
Lr – comprimento real
Leq – comprimento equivalente tabelas ou formulas
Perdas por fugas
Admite-se um incremento do caudal necessário para
compensar eventuais fugas
Pequenas instalações – 5 %
Instalações industriais – 5 %
Grandes indústrias > 10 %
t r eqL L L
333
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
Tabela de comprimentos
equivalentes
334
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido
f.a.d. – free air
delivery = débito de ar
livre = descarga livre
padrão
335
Máquinas Térmicas > Instalações de ar comprimido - Reservatórios
Reservatórios de ar comprimido
Razões para seu uso:
• Atenuar pulsações
• Atenuação de pontas de consumo
• Arrefecimento do ar levando à condensação da água
• Facilitar a separação de partículas e gotas de óleo (de
lubrificação do compressor)
Dimensionamento
Formulas e recomendações práticas.
Pequenas instalações
Instalações importantes
3
3
-débito de ar livre m /min5 com
-volume m
al
al
VV V
V
3
3
3-débito de ar livre m /
com-volume m
al
al
hVV V
V
336
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido - Reservatórios
Compressores rotativos
Procedimento de cálculo mais correto
- débito de ar livre do compressor
- débito de ar livre do utilizador
- período de alívio do compressor. Só o reservatório
debita ar
- período de carga do compressor. Reservatório
debita ar e o compressor está a funcionar
3
3
-débito de ar livre m /min15 com
-volume m2
al
al
VV V
V
alcV
aluV
'1 1 1t t t
'2 2 2t t t
337
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido - Reservatórios
Só consumo de ar - período de alívio do
compressor. Esvaziamento do reservatório- equação da
continuidade em regime uniforme.
onde
(*)
sendo,
'1 1 1t t t
'1 1 1( ) ( ) alu am t m t V t
temperatura, K
( )particularconstante do ar
p TV tm t V t com
RR T
'1 1 1alu a
Vp pt t V t
R T
1alu a tR T VV
p
'1 1p p pt t
338
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido - Reservatórios
Enchimento e consumo simultâneos
Enchimento e esvaziamento do reservatório- equação da
continuidade em regime uniforme.
(**)
Atenção
e ainda
'2 2 2t t t
'2 2 2 2( ) ( ) alc alua am t m t t tV V
'2 2 2 2alc alua a
Vp pt t t tV V
R T
2 alc alua tR T V VV
p
' '1 1 2 2p p p p pt t t t
alu alcV V
339
Máquinas Térmicas
> Instalações de ar comprimido - Reservatórios
Igualando as equações (*) e (**)
Por outro lado impõe-se sempre um número máximo de
arranques do compressor numa hora n, de modo que
E da equação (**)
Em unidades S.I.
1 2 1 2 2alu alc alu alu alct t t t tV V V V V
1 2
3600t t
n
2
3600alu
alc
Vt
nV
36001
a alualu
alc
R T VV V
p nV