Maquinas Termicas - FEUP

339
Máquinas Térmicas Carlos Pinho DEMEC-FEUP [email protected]

Transcript of Maquinas Termicas - FEUP

Page 1: Maquinas Termicas - FEUP

Máquinas Térmicas

Carlos Pinho DEMEC-FEUP

[email protected]

Page 2: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 3: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 4: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 5: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 6: Maquinas Termicas - FEUP

6

Máquinas Térmicas

> Avaliação

Exame –

• Parte teórica sem consulta ( 30%). Duração, 30 min.

• Parte prática com consulta (70 %). Duração, 2h 30 min.

Page 7: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 8: Maquinas Termicas - FEUP

8

Máquinas Térmicas

Máquina térmica volumétrica

Alternativas – Cilindro com êmbolo provido de

movimento alternativo

Rotativas – Rotor e carcaça

(Motor Wankel)

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9

Máquinas Térmicas

Máquina térmica dinâmica – turbomáquinas –

máquinas de fluxo

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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

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11

Máquinas Térmicas

Motor Diesel

Motor Otto

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12

Máquinas Térmicas

Motor a vapor

Motor Stirling

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13

Máquinas Térmicas

Bomba Roots Bomba de lóbulos

Bomba alternativa Bomba de engrenagens

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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

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15

Máquinas Térmicas

Page 16: Maquinas Termicas - FEUP

16

Máquinas Térmicas

Parafuso de Arquimedes

Bomba de parafuso

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17

Máquinas Térmicas

Motor Wankel

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18

Máquinas Térmicas

Tipos de

compressores

de

êmbolo

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19

Máquinas Térmicas

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20

Máquinas Térmicas

Page 21: Maquinas Termicas - FEUP

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Máquinas Térmicas

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Máquinas Térmicas

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Máquinas Térmicas

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Máquinas Térmicas

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Máquinas Térmicas

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26

Máquinas Térmicas

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27

Máquinas Térmicas

> Descrição Sumária e Nomenclatura dos Motores de Combustão Interna

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28

Máquinas Térmicas

Page 29: Maquinas Termicas - FEUP

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

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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

Page 31: Maquinas Termicas - FEUP

31

Máquinas Térmicas

Arranjo e

número de

cilindros

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32

Máquinas Térmicas

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33

Máquinas Térmicas

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34

Máquinas Térmicas

> O Ciclo Operativo a Quatro Tempos

Quatro tempos, duas rotações da cambota e um só tempo motor

Page 35: Maquinas Termicas - FEUP

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.

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36

Máquinas Térmicas

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37

Máquinas Térmicas

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38

Máquinas Térmicas

O Ciclo Indicado

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39

Máquinas Térmicas

Page 40: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 41: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 42: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 43: Maquinas Termicas - FEUP

43

Máquinas Térmicas

Page 44: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 45: Maquinas Termicas - FEUP

45

Máquinas Térmicas

Page 46: Maquinas Termicas - FEUP

46

Máquinas Térmicas

Page 47: Maquinas Termicas - FEUP

47

Máquinas Térmicas

Formação de CO, NOx e HC não queimados

Page 48: Maquinas Termicas - FEUP

48

Máquinas Térmicas

Gases de escape para um motor Otto

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49

Máquinas Térmicas

Gases de escape para um motor Diesel

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50

Máquinas Térmicas

Aspectos a considerar no controlo das emissões

de hidrocarbonetos (HC) não queimados nos

motores de inflamação por faísca (Otto)

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51

Máquinas Térmicas

Sobrealimentação dos motores alternativos de combustão interna

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52

Máquinas Térmicas

Page 53: Maquinas Termicas - FEUP

53

Máquinas Térmicas

1 hp = 745,7 W = 1,01387 CV

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Máquinas Térmicas

Page 55: Maquinas Termicas - FEUP

55

Máquinas Térmicas

Page 56: Maquinas Termicas - FEUP

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Máquinas Térmicas

Page 57: Maquinas Termicas - FEUP

57

Máquinas Térmicas

Page 58: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 59: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 60: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 61: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 62: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 63: Maquinas Termicas - FEUP

63

Máquinas Térmicas

> Termodinâmica – Revisão de principios básicos

Para qualquer tipo de fluido

Para gás perfeito p V m R T

Constantep V

Page 64: Maquinas Termicas - FEUP

64

Máquinas Térmicas

> Termodinâmica – Revisão de principios básicos

Evoluções politrópicas

constantekp v

Page 65: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 66: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 67: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 68: Maquinas Termicas - FEUP

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

QQ

Page 69: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 70: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 71: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 72: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 73: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 74: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 75: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 76: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 77: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 78: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 79: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 80: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 81: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 82: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 83: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 84: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 85: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 86: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 87: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 88: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 89: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 90: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 91: Maquinas Termicas - FEUP

91

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Page 92: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 93: Maquinas Termicas - FEUP

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)

Page 94: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 95: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 96: Maquinas Termicas - FEUP

96

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Page 97: Maquinas Termicas - FEUP

97

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Coal – Bridge to the Future

Report of the World Coal Study

1980

Page 98: Maquinas Termicas - FEUP

98

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Coal – Bridge to the Future

Report of the World Coal Study

1980

Page 99: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 100: Maquinas Termicas - FEUP

100

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Page 101: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 102: Maquinas Termicas - FEUP

102

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Resultado da análise imediata e elementar de um carvão

Análise imediata

Análise elementar

Page 103: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 104: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 105: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 106: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 107: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 108: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 109: Maquinas Termicas - FEUP

109

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Page 110: Maquinas Termicas - FEUP

110

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Page 111: Maquinas Termicas - FEUP

111

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Page 112: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 113: Maquinas Termicas - FEUP

113

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

m3 a 25 ºC e 1 atm

Page 114: Maquinas Termicas - FEUP

114

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

A 25 ºC e 1 atm

Page 115: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 116: Maquinas Termicas - FEUP

116

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

BP Energy Outlook 2030

NGL – Natural gas liquids – Combustíveis líquidos obtidos a partir do GN.

Page 117: Maquinas Termicas - FEUP

117

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

BP Energy Outlook 2030 Key World Energy Statistics 2011- IEA

Page 118: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 119: Maquinas Termicas - FEUP

119

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

A volatilidade carateriza-se pela curva de destilação da gasolina

Page 120: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 121: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 122: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 123: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 124: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 125: Maquinas Termicas - FEUP

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 +

Page 126: Maquinas Termicas - FEUP

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)

Page 127: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 128: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 129: Maquinas Termicas - FEUP

129

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Page 130: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 131: Maquinas Termicas - FEUP

131

Máquinas Térmicas

> Combustão e Combustíveis

Page 132: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 133: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 134: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 135: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 136: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 137: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 138: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 139: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 140: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 141: Maquinas Termicas - FEUP

141

Máquinas Térmicas

> Primeira Lei da Termodinâmica aplicada à Combustão

1 1 1 P Po o Ro RH H H H H H

Page 142: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 143: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 144: Maquinas Termicas - FEUP

144

Máquinas Térmicas

> Determinação dos poderes caloríficos

Page 145: Maquinas Termicas - FEUP

145

Máquinas Térmicas

> Determinação dos poderes caloríficos

Page 146: Maquinas Termicas - FEUP

146

Máquinas Térmicas

> Determinação dos poderes caloríficos

Page 147: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 148: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 149: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 150: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 151: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 152: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 153: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 154: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 155: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 156: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 157: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 158: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 159: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 160: Maquinas Termicas - FEUP

160

Máquinas Térmicas

> Ciclos - Comparação

Mesmas condições iniciais, mesma razão de compressão

e mesma quantidade de calor fornecida

tO tS tD

Page 161: Maquinas Termicas - FEUP

161

Máquinas Térmicas

> Ciclos - Comparação

Mesmas condições iniciais, mesma pressão máxima e

mesma quantidade de calor fornecida.

tD tS tO

Page 162: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 163: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 164: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 165: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 166: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 167: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 168: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 169: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 170: Maquinas Termicas - FEUP

170

Máquinas Térmicas

> Ciclo indicado

Page 171: Maquinas Termicas - FEUP

171

Máquinas Térmicas

> Ciclo indicado

Ciclo Otto indicado

Page 172: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 173: Maquinas Termicas - FEUP

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).

Page 174: Maquinas Termicas - FEUP

174

Máquinas Térmicas

> Ciclo indicado

Page 175: Maquinas Termicas - FEUP

175

Máquinas Térmicas

> Ciclo indicado

Ciclo Diesel indicado

Page 176: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 177: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 178: Maquinas Termicas - FEUP

178

Máquinas Térmicas

> Ciclo indicado

Ciclo indicado para

motor a dois tempos

Diagrama de pressões para um motor a dois tempos

Page 179: Maquinas Termicas - FEUP

179

Máquinas Térmicas

> Ciclo indicado

Tipos de lavagem e cilindros para motores a dois tempos

Page 180: Maquinas Termicas - FEUP

180

Máquinas Térmicas

> Ciclo indicado

Tipos de lavagem e cilindros para motores a dois tempos

Disposições das janelas em lavagens unidirecionais

Page 181: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 182: Maquinas Termicas - FEUP

182

Máquinas Térmicas > Lavagem no motor Otto

Page 183: Maquinas Termicas - FEUP

183

Máquinas Térmicas

> Lavagem no motor Diesel

Lavagem num motor

Diesel sobre-alimentado

Page 184: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 185: Maquinas Termicas - FEUP

185

Máquinas Térmicas

> Lavagem num dois tempos

Page 186: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 187: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 188: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 189: Maquinas Termicas - FEUP

189

Máquinas Térmicas > Características dos motores e parâmetros que as

condicionam

Page 190: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 191: Maquinas Termicas - FEUP

191

Máquinas Térmicas

> Características dos motores e parâmetros que as condicionam

Page 192: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 193: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 194: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 195: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 196: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 197: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 198: Maquinas Termicas - FEUP

198

Máquinas Térmicas

> Características dos motores e parâmetros que as condicionam

Page 199: Maquinas Termicas - FEUP

199

Máquinas Térmicas

> Características dos motores e parâmetros que as condicionam

Page 200: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 201: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 202: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 203: Maquinas Termicas - FEUP

203

Máquinas Térmicas

> Características dos motores e parâmetros que as condicionam

Estabilidade de funcionamento do motor

Page 204: Maquinas Termicas - FEUP

204

Máquinas Térmicas

> Características dos motores e parâmetros que as condicionam

Motor mais elástico Motor menos elástico

Page 205: Maquinas Termicas - FEUP

205

Máquinas Térmicas

> Características dos motores e parâmetros que as condicionam

Motor Otto Motor Diesel

Colina de consumos

Page 206: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 207: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 208: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 209: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 210: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 211: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 212: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 213: Maquinas Termicas - FEUP

213

Máquinas Térmicas > Características dos motores e parâmetros que as

condicionam

Page 214: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 215: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 216: Maquinas Termicas - FEUP

216

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Caldeira de tubo de fumos ou pirotubular

Caldeira de tubos de água ou aquotubular

Page 217: Maquinas Termicas - FEUP

217

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Caldeiras pirotubulares

Page 218: Maquinas Termicas - FEUP

218

Máquinas Térmicas > Caldeiras

Caldeiras aquotubulares

Page 219: Maquinas Termicas - FEUP

219

Máquinas Térmicas > Caldeiras

Caldeiras aquotubulares

Page 220: Maquinas Termicas - FEUP

220

Máquinas Térmicas > Caldeiras

Caldeiras aquotubulares

Page 221: Maquinas Termicas - FEUP

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).

Page 222: Maquinas Termicas - FEUP

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,…

Page 223: Maquinas Termicas - FEUP

223

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Caldeira de tubos de fumo com quatro passagens.

A primeira passagem é a fornalha ou tubo de fogo.

Page 224: Maquinas Termicas - FEUP

224

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Tipo de câmara de inversão:

• Molhada

• Seca

• Parcialmente seca

Caldeira com câmara de inversão seca

Page 225: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 226: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 227: Maquinas Termicas - FEUP

227

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Page 228: Maquinas Termicas - FEUP

228

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Page 229: Maquinas Termicas - FEUP

229

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Caldeiras a biomassa

Page 230: Maquinas Termicas - FEUP

230

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Caldeira recuperadora de calor

Page 231: Maquinas Termicas - FEUP

231

Máquinas Térmicas > Caldeiras

Componentes das caldeiras

aquotubulares

Page 232: Maquinas Termicas - FEUP

232

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Page 233: Maquinas Termicas - FEUP

233

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

.

Esquema simplificado da circulação da água no interior

de uma caldeira aquotubular

Page 234: Maquinas Termicas - FEUP

234

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Page 235: Maquinas Termicas - FEUP

235

Máquinas Térmicas

> Caldeiras

Implantação de uma caldeira de água quente

Pressurização por gravidade

Page 236: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 237: Maquinas Termicas - FEUP

237

Máquinas Térmicas

> Caldeiras – Implantação da rede de vapor

Page 238: Maquinas Termicas - FEUP

238

Máquinas Térmicas

> Caldeiras – Implantação da rede de vapor

Page 239: Maquinas Termicas - FEUP

239

Máquinas Térmicas

> Caldeiras – Implantação da rede de vapor

Page 240: Maquinas Termicas - FEUP

240

Máquinas Térmicas

> Caldeiras – Implantação da rede de vapor

Page 241: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 242: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 243: Maquinas Termicas - FEUP

243

Máquinas Térmicas

> Termofluidos

Page 244: Maquinas Termicas - FEUP

244

Máquinas Térmicas

> Termofluidos

Page 245: Maquinas Termicas - FEUP

245

Máquinas Térmicas

> Termofluidos

A – Tanque de recolha

B – Desgasificador

C – Vaso de expansão

D – Caldeira

E - Utilizador

Page 246: Maquinas Termicas - FEUP

246

Máquinas Térmicas

> Termofluidos

Instalação de termofluido para

servir vários utilizadores à

mesma temperatura

Instalação de termofluido para

servir vários utilizadores a

temperaturas diferentes

Page 247: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 248: Maquinas Termicas - FEUP

248

Máquinas Térmicas

> Termofluidos

Page 249: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 250: Maquinas Termicas - FEUP

250

Máquinas Térmicas

> Caldeiras pirotubulares versus aquotubulares

Page 251: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 252: Maquinas Termicas - FEUP

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 %.

Page 253: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 254: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 255: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 256: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 257: Maquinas Termicas - FEUP

257

Máquinas Térmicas

> Rendimento térmico das caldeiras

Diagrama de Sankey de uma caldeira

Page 258: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 259: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 260: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 261: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 262: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 263: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 264: Maquinas Termicas - FEUP

264

Máquinas Térmicas

> Turbinas a vapor

Page 265: Maquinas Termicas - FEUP

265

Máquinas Térmicas

> Turbinas a vapor

Page 266: Maquinas Termicas - FEUP

266

Máquinas Térmicas

> Turbinas a vapor

Esquema de princípio das turbinas de contra-pressão e de condensação

Page 267: Maquinas Termicas - FEUP

267

Máquinas Térmicas

> Turbinas a vapor

Turbina de condensação de um só corpo da Brown-Boveri

Page 268: Maquinas Termicas - FEUP

268

Máquinas Térmicas > Turbinas a vapor

Componentes de

uma turbina e

seus problemas

Page 269: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 270: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 271: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 272: Maquinas Termicas - FEUP

272

Máquinas Térmicas

> Turbinas a vapor – Turbinas de reação

Turbinas de reação- Turbina Parsons

Page 273: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 274: Maquinas Termicas - FEUP

274

Máquinas Térmicas

> Turbinas

a vapor

Page 275: Maquinas Termicas - FEUP

275

Máquinas Térmicas > Turbinas a vapor

Page 276: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 277: Maquinas Termicas - FEUP

277

Máquinas Térmicas

> Turbinas de gás

Page 278: Maquinas Termicas - FEUP

278

Máquinas Térmicas

> Turbinas de gás

Page 279: Maquinas Termicas - FEUP

279

Máquinas Térmicas > Turbinas de gás

Page 280: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 281: Maquinas Termicas - FEUP

281

Máquinas Térmicas

> Turbinas de gás

Page 282: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 283: Maquinas Termicas - FEUP

283

Máquinas Térmicas

> Turbinas de gás

Page 284: Maquinas Termicas - FEUP

284

Máquinas Térmicas

> Turbinas de gás

Page 285: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 286: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 287: Maquinas Termicas - FEUP

287

Máquinas Térmicas > Turbinas de gás

Page 288: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 289: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 290: Maquinas Termicas - FEUP

290

Máquinas Térmicas > Turbinas a gás em ciclo fechado

A indústria das centrais nucleares tem-se interessado

sobre este tipo de ciclos.

Page 291: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 292: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 293: Maquinas Termicas - FEUP

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”

Page 294: Maquinas Termicas - FEUP

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)

Page 295: Maquinas Termicas - FEUP

295

Máquinas Térmicas

> Propulsor a reação

Turbina de gás

Turborreator

Page 296: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 297: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 298: Maquinas Termicas - FEUP

298

Máquinas Térmicas

> Propulsor a reação

Os propulsores a reação são mais eficientes a altas

velocidades,

1sV

V

Page 299: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 300: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 301: Maquinas Termicas - FEUP

301

Máquinas Térmicas

> Propulsor a reação

Page 302: Maquinas Termicas - FEUP

302

Máquinas Térmicas > Compressores volumétricos alternativos

Ciclo ideal do compressor alternativo de êmbolo

Page 303: Maquinas Termicas - FEUP

303

Máquinas Térmicas > Compressores volumétricos alternativos

Page 304: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 305: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 306: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 307: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 308: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 309: Maquinas Termicas - FEUP

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]

Page 310: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 311: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 312: Maquinas Termicas - FEUP

312

Máquinas Térmicas > Ciclo real do compressor alternativo

Aumento do trabalho relativamente

à isotérmica

Aumento do trabalho devido ao aumento

da pressão de compressão

Page 313: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 314: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 315: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 316: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 317: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 318: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 319: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 320: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 321: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 322: Maquinas Termicas - FEUP

322

Máquinas Térmicas

> Compressão em andares com arrefecimento intermédio

Page 323: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 324: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 325: Maquinas Termicas - FEUP

325

Máquinas Térmicas

> Instalações de ar comprimido

Page 326: Maquinas Termicas - FEUP

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.

Page 327: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 328: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 329: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 330: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 331: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 332: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 333: Maquinas Termicas - FEUP

333

Máquinas Térmicas

> Instalações de ar comprimido

Tabela de comprimentos

equivalentes

Page 334: Maquinas Termicas - FEUP

334

Máquinas Térmicas

> Instalações de ar comprimido

f.a.d. – free air

delivery = débito de ar

livre = descarga livre

padrão

Page 335: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 336: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 337: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 338: Maquinas Termicas - FEUP

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

Page 339: Maquinas Termicas - FEUP

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