Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 5

Conceitos Fundamentais da Refrigeração Definições: Propriedades termodinâmicas: São características macroscópicas de um sistema, como: volume, temperatura, pressão etc. Estado Termodinâmico: Pode ser entendido como sendo a condição em que se encontra a substância, sendo caracterizado pelas suas propriedades. Processo: É uma mudança de estado de um sistema. O processo representa qualquer mudança nas propriedades da substância. Uma descrição de um processo típico envolve a especificação dos estados de equilíbrio inicial e final. Ciclo: É um processo, ou mais especificamente uma série de processos, onde o estado inicial e o estado final do sistema (substância) coincidem. Substância Pura: É qualquer substância que tenha composição química invariável e homogênea. Ela pode existir em mais de uma fase (sólida, líquida e gasosa), mas a sua composição química é a mesma em qualquer das fases. Propriedades Termodinâmicas de uma Substância: Uma propriedade de uma substância é qualquer característica observável dessa substância. Um número suficiente de propriedades termodinâmicas independentes constitui uma definição completa do estado da substância. As propriedades termodinâmicas mais comuns são: temperatura (T), pressão (P), volume (v). Além destas propriedades termodinâmicas mais familiares, e que são mensuráveis diretamente, existem outras propriedades termodinâmicas fundamentais para a análise de transferência de calor, trabalho e energia, não mensuráveis diretamente, que são: energia interna (u), entalpia (h) e entropia (s). Energia Interna (u): São as energias que a matéria possui devido ao movimento de forças intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em duas partes: a) Energia cinética interna ⇒ relacionada à velocidade das moléculas; b) Energia potencial interna ⇒ relacionada às forças de atração entre as moléculas. As mudanças na velocidade das moléculas são identificadas, macroscopicamente, pela alteração da temperatura da substância (sistema), enquanto que as variações na posição são identificadas pela mudança de fase da substância (sólido líquido ou vapor). Entalpia (h): Na análise térmica de alguns processos específicos, freqüentemente são encontradas certas combinações de propriedades termodinâmicas. Assim é conveniente definir a nova propriedade termodinâmica chamada “entalpia”. Entropia (s): Esta propriedade termodinâmica representa uma medida da desordem molecular da substância.

Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 4

TURBINAS A VAPOR A Turbina é um tipo de Máquina Térmica que utiliza a energia de combustão externa de uma caldeira geradora de vapor, sob forma de energia termodinâmica. A Turbina transforma em energia mecânica a energia contida no vapor, sob a forma de energia térmica e de pressão. O elemento básico da turbina é o rotor, que conta com paletas, hélices, lâminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma força tangencial que impulsiona o rotor, fazendo-o girar. Essa energia mecânica criada é impulsionada através de um eixo para transferir movimento a uma máquina, um compressor, um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas se classificam como hidráulicas ou de água, a vapor ou de combustão. Atualmente, a maior parte da energia elétrica mundial é produzida com o uso de geradores movidos por turbinas. A turbina a vapor é atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primários existentes. Uma série favorável de características concorreu para que a turbina a vapor se destacasse na comparação com outros acionadores primários, como a turbina hidráulica, o motor de combustão interna, a turbina a gás. O ponto principal entre estas características, é que a energia térmica gerada para acionar as turbinas, utiliza uma fonte de energia onde o ciclo reaproveita parte da energia gerada, sob forma de fluido condensado, resultante do choque térmico existente entre o vapor e a tubulação que o transporta. Componentes Básicos ESTATOR É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia termodinâmica do vapor em energia mecânica através dos distribuidores. ROTOR É o elemento móvel da turbina, cuja função é transformar a energia cinética do vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos. É o elemento propulsor do movimento para as máquinas que serão acionadas pela turbina. EXPANSOR É o órgão cuja função é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No expansor o vapor perde pressão e ganha velocidade. Podem ser convergentes ou convergentes divergentes, conforme sua pressão de descarga seja maior ou menor que 55% da pressão de admissão. São montados em blocos com 1, 10, 19, 24 ou mais expansores de acordo com o tamanho e a potência da turbina, e conseqüentemente terão formas construtivas específicas, de acordo com sua aplicação. PALHETAS São chamadas palhetas móveis, as que são instaladas no rotor; e fixas, as instaladas no estator. As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas móveis seguinte. As palhetas fixas podem ser encaixadas diretamente no estator (carcaça), ou em rebaixos usinados em peças chamadas de anéis suportes das palhetas fixas, que são, por sua vez, presos à carcaça. As palhetas móveis são peças com a finalidade de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores (palhetas fixas) para movimentação do rotor. São fixadas ao aro de consolidação pela espiga e ao disco do rotor pelo malhete e, ao contrário das fixas, são removíveis. TIPOS E APLICAÇÕES As turbinas a vapor são partes de um sistema gerador de energia de combustão externa. As instalações de potência com turbina a vapor visam, fundamentalmente, obter energia elétrica ou mecânica e vapor para processo industrial. Basicamente, as centrais a vapor são plantas transformadoras de energia, ou seja, elas transformam: Energia Termodinâmica. Energia Mecânica Energia Elétrica A geração de energia elétrica pode ser através de centrais termelétricas convencionais ou nucleares e a geração de energia mecânica tem a finalidade básica de acionar máquinas rotativas, como bombas centrífugas, compressores centrífugos e axiais, ventiladores, etc. As condições (temperatura e pressão) do vapor em uma turbina variam com as necessidades de cada aplicação, tendo como limite superior condições em torno de 306 atm e 650ºC.

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Equipamentos Rotativos dos Motores. Pistão: Parte móvel da câmara de combustão. Recebe toda a energia de combustão, transmitindo essa força à biela, através da fixação de um pino (pino do pistão). Seu material de fabricação e o antimônio (liga de alumínio). Biela: É o braço de ligação do pistão com o eixo de manivelas (virabrequim), recebe a energia térmica do pistão, transmitindo-a ao virabrequim. O conjunto biela/pistão é o responsável pela transformação do movimento retilíneo em movimento rotativo do eixo de manivelas. Esse é o chamado giro do motor, ou seja, o número de voltas do motor, mais conhecido como RPM. Eixo de Manivelas: Podemos chamá-lo de virabrequim ou eixo motor, responsável direto pelo movimento do motor, através da força recebida do conjunto biela/pistão. Geralmente, este conjunto fica situado na parte inferior do bloco. Necessita de uma lubrificação constante, para que o sincronismo e uniformidade de funcionamento estejam mantidos. Eixo comando de válvulas: Sua função é comandar o sincronismo de abertura e fechamento das válvulas de admissão e escape. Os tempos acontecem simultaneamente alternados, graças ao engrenamento entre o eixo comando de válvulas e o eixo de manivelas, através de engrenagens, correntes ou correias dentadas. Na sua extensão estão os ressaltos que comandam as válvulas, coordenando os tempos dos pistões acontecendo um de cada vez. Válvulas de admissão e escape: São as responsáveis pela passagem da mistura combustível+ar (Otto) e somente ar (Diesel). O deslocamento ordenado de cada válvula no tempo correto permite a admissão ou descarga no interior do cilindro. Bomba de Óleo: Mecanismo responsável pelo bombeamento do óleo lubrificante que está no cárter. Essa lubrificação é distribuída sob pressão, por diversos pontos do motor, visando estabilizar o funcionamento diminuindo o atrito e o desgaste das partes móveis do motor. Bomba d’água: Equipamento destinado a realizar a circulação do fluido de arrefecimento pelas galerias do bloco do motor e o radiador, visando estabilizar a temperatura de trabalho, através da dissipação do calor absorvido pelo fluido em contato com as partes quentes do motor. A ausência desse sistema elevaria a temperatura, tornando impossível a continuidade de funcionamento do motor. A dissipação do calor do fluido se dá de maneira forçada por uma ventoinha, que “sopra” o calor para fora, através das aletas do radiador, funcionando como um permutador de calor. Bomba de Combustível: Sua função é deslocar o combustível que está no tanque para o sistema de alimentação do motor, para pulverizá-lo sob pressão no interior da câmara de combustão, suprindo, assim, todas as suas condições de trabalho, como carga, rotação e temperatura. Existem dois tipos de bombas: a mecânica, presente nos carros carburados e movidos por um eixo; e a elétrica, que equipa os veículos com injeção eletrônica e é acionada por um motor elétrico.

Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 3

Equipamentos Estáticos dos Motores: Bloco: É o motor propriamente dito, estrutura robusta onde suporta todos os elementos necessários ao funcionamento do motor de combustão interna. O Bloco apresenta furos vazados (usinados), onde são montados os pistões para formar as câmaras de combustão. Na parte inferior do bloco, ficam os alojamentos dos mancais centrais. Estes apóiam o eixo de manivelas ou virabrequim como é mais conhecido. Cárter: Se localiza na parte inferior do bloco, têm duas funções, uma é cobrir os componentes inferiores dos motores e a outra é de ser o reservatório de óleo lubrificante das partes móveis dos motores. Cabeçote: É a tampa do motor, que forma com o bloco a câmara de combustão, onde o pistão comprime a mistura combustível+ar, nos motores do Ciclo Otto e somente ar nos motores do Ciclo Diesel. No cabeçote é que são fixadas as velas (gasolina/álcool/GNV), ou os bicos injetores (diesel). Entre o cabeçote e o bloco colocamos a junta de vedação, popularmente chamada de junta de tampão. No cabeçote, também é montado o eixo comando de válvulas, responsável pelo controle de admissão e descarga, para que o sincronismo de funcionamento do motor se mantenha estável. Câmara de Combustão: Também podemos considerar como uma câmara de compressão, ou seja, o espaço livre que fica entre o pistão e o cabeçote, quando este se encontra no ponto morto superior (PMS). Relação de Compressão: É a relação entre o diâmetro da câmara de combustão e a cilindrada apresentada pelo motor. É calculada pela seguinte expressão: RC = C + v / v. Onde: C = cilindrada. V = volume da câmara de combustão. A unidade de medida apresentada para estes valores é o cm³. Normalmente a relação de compressão de motores novos é de 6:1 e 8:1, nos motores a gasolina e 16:1 e 20:1, nos motores a diesel. Cilindrada: É o volume total de combustível deslocado pelo pistão entre o ponto morto inferior (PMI) e o ponto morto superior (PMS), multiplicado pelo número de cilindros que tem o motor. Esse resultado é apresentado em cm³, através da fórmula: C = PI. D². Curso do pistão. N dividindo-se todo o resultado por quatro. Potência: É a medida do trabalho realizado numa unidade de tempo. É a estimativa alcançada pela capacidade do veículo de desenvolver velocidade. Quanto mais potência tem uma máquina térmica, maior será sua capacidade de atingir maiores velocidades. Esta variação é alcançada quando o motor aumenta sua rotação. A potência máxima será alcançada na rotação máxima (maior giro do motor).

Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 2

Motores Diesel: Neste ciclo, os tempos funcionam de maneira semelhante ao ciclo Otto, a diferença entre eles, se dá apenas na Admissão(1ºtempo), onde este aspira somente ar, com ausência de combustível, que só será pulverizado na compressão(2ºtempo), onde o contato com o ar atmosférico comprimido e já aquecido(contato com as partes quentes do motor), resulta na combustão, devido à propriedade termodinâmica apresentada pelo óleo diesel. Essa diferença entre os combustíveis, confere ao ciclo Diesel, a propriedade de ser a máquina térmica que mais se aproxima do rendimento idealizado por Carnot. Temperatura de Trabalho: Uma importante característica dos motores, é a transformação gasosa ocorrida no interior das câmaras de combustão. Nos motores Diesel, o aumento de temperatura, resultante da combustão, situa-se entre 600°C e 800°C e a pressão resultante entre 65 a 130 Kgf/cm², respectivamente. Já no ciclo Otto, estando utilizando gasolina como combustível, a temperatura alcança uma variação entre 800° e 1000° e a pressão entre 60 e 80 Kgf/cm². Essa diferença no desempenho, mostra a superioridade alcançada nos motores Diesel, que com uma temperatura média de trabalho(menor que nos motores do Ciclo Otto),apresentam maior pressão interna nas câmaras de combustão. Consequentemente, apresentam maior rendimento funcional. Isso explica, o fato dos motores tradicionais(álcool/gasolina/gnv), terem suas temperaturas de trabalho aumentadas, nos últimos cinco anos, buscando melhorar a eficiência na queima dos combustíveis. Diferenças entre ciclo Real e Teórico: Existem vários fatores que diferenciam o funcionamento dos motores quando estes são expostos ao ciclo real, observe a seguir estas diferenças: a) Perdas por bombeamento: No ciclo teórico a aspiração e descarga são feitas à pressão constante, enquanto que no ciclo real isto não acontece. b) Perdas pela combustão não instantânea: No ciclo teórico, o calor é introduzido instantaneamente e a pressão constante, enquanto que no real isto não ocorre. c) Perdas pela dissociação do combustível: No ciclo teórico não existe dissociação do combustível, enquanto que no real ele se dissocia em elementos tais como CO2, H2, O ,CO e outros compostos, absorvendo calor(roubando energia). d) Perdas devido à abertura antecipada da válvula de descarga: Na teoria a abertura da válvula de descarga é considerada instantânea, enquanto que no real ela se abre antes do pistão atingir o PMI. e) Perdas de calor: Na teoria, as perdas de calor são nulas enquanto que no real elas são sensíveis, devido à necessidade de refrigeração dos cilindros(arrefecimento). Regimes de Funcionamento: Os Motores Diesel apresentam diferentes regimes de funcionamento: a) Diesel Lento: Trabalham a uma rotação de 400 a 800 RPM. Grandes e robustos, são empregados em navios e grandes sistemas de acionamento. b) Diesel Normal: Trabalham com rotações que variam de 800 a 2000 RPM. Geralmente empregados como estacionários, para acionamento de geradores de energia elétrica. c) Diesel Veloz: Apresentam rotações maiores que 2000 RPM. São estes motores que atualmente estão sendo utilizados nos veículos de passeio.

Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 1

Máquinas Térmicas: São Sistemas Termodinâmicos que trocam calor e trabalho com o meio externo. Os Motores à combustão interna,por exemplo,recebem calor de uma fonte externa(combustível+ar) e transformam parte desse calor em trabalho mecânico. Ciclos de Combustão: Quando os cientistas buscavam aperfeiçoar suas máquinas, estes estabeleceram, que teriam que fugir da imagem do princípio de funcionamento da combustão externa, ou seja, das máquinas à vapor, alvo de inúmeros acidentes envolvendo seus protótipos de veículos de passeio. Portanto, definiram que suas máquinas obedeceriam tempos de funcionamento, para combustão de uma mistura numa câmara vedada, gerando energia mecânica, originada do aproveitamento de parte da energia térmica resultante dos tempos de funcionamento. Esse ciclo foi definido por Beau de Rochas e implementado com sucesso pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne Lenoir e Rudolf Diesel. Ciclo OTTO: 1ºtempo Admissão: A válvula se abre admitindo uma mistura de ar+combustível, pulverizando-o em forma gasosa. Nesse momento, o pistão está descendo. 2ºtempo Compressão: Ao subir, o pistão vem comprimindo a mistura contida na câmara de combustão, visando atingir o ponto máximo. Nesse instante, a mistura começa a aquecer, devido ao contato com as partes quentes do bloco do motor. 3ºtempo Combustão: No ponto máximo, ponto morto superior(PMS), essa mistura recebe uma descarga elétrica (centelha). O resultado desta reação termoquímica, é a geração de uma ação exotérmica, quando então a mistura libera calor, forçando o pistão para baixo (PMI) ponto morto inferior, com extrema força, movimentando o conjunto pistão/biela, que transmitem este movimento ao virabrequim, gerando assim, a energia mecânica. 4ºtempo Descarga: Nesse tempo, o pistão começa novamente a subir, expulsando os gases queimados, através da válvula de escape, completando dessa forma os quatro tempos de um motor à combustão. Motores de combustão interna também são popularmente chamados de motores a explosão. Esta denominação, apesar de freqüente, não é tecnicamente correta. De fato, o que ocorre no interior das câmaras de combustão não é uma explosão de gases. O que impulsiona os pistões é o aumento da pressão interna da câmara, decorrente da combustão. O que pode-se chamar de explosão é uma detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de poluentes atmosféricos provenientes da dissociação de gás nitrogênio. Basta observar, por exemplo, os motores utilizados nas provas de "arrancada", onde o desgaste é intenso, devido à desproporção de mistura dos gases, conseguindo apenas uma média de 5 arrancadas por cada motor montado. Depois disso, vão direto para a retífica, para serem reconstruídos.