O documento descreve o funcionamento de uma central termelétrica residencial, fornecendo detalhes sobre a caldeira e o ciclo de vapor. O estudante deve elaborar uma ficha técnica com dados do processo e explicar como aumentar a eficiência do ciclo termodinâmico, realizando cálculos e demonstrando o raciocínio.

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MAPA - MÁQUINAS TÉRMICAS -
52/2023
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QUESTÃO
O funcionamento de uma máquina térmica se fundamenta nas leis da termodinâmica. A
primeira lei da termodinâmica aplicada para um sistema aberto é importante para o estudo
de caldeiras, compressores, sistemas de refrigeração e muitas outras aplicações. Por outro
lado, a segunda lei da termodinâmica é que garante que o processo seja realmente possível
de ser realizado. A figura a seguir apresenta um esquema do ciclo de uma central
termelétrica:
Figura 1 termodinâmica, características operacionais e aplicações. São Paulo: Érica, 2014. p. 46.- Ciclo de uma central termelétrica
Fonte: FILIPPO FILHO, G. Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas: fundamentos de

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Uma central termelétrica residencial utiliza uma caldeira flamotubular para a produção de
vapor a uma pressão de 10 kgf.cm -2
e temperatura de 200 °C. O ambiente externo se
encontra a 25 °C, e a água (ρ = 1000 kg.m -3
) é bombeada por uma bomba e entra na
caldeira a 60 C, 11 kgf.cm -2
e a uma vazão de 7 m.h -1
. A caldeira é alimentada por óleo
combustível, cujo Poder Calorifico Inferior (PCI) é igual a 9800 kcal.Kg -1
. Na caldeira
flamotubular, os gases quentes oriundos da combustão circulam pelo interior dos múltiplos
tubos imersos em um reservatório de água. Assim, os gases quentes aquecem a água do
reservatório, transformando-a em vapor.
A caldeira horizontal do tipo flamotubular em questão possui dois passes, e o primeiro
passe ocorre no tubo fornalha central (Ø 600 x 5000 mm), e o segundo, em um feixe de
200 tubos (Ø 60 x 5000 mm). O primeiro passe é responsável apenas pela troca de calor
sensível, uma vez que parte do calor gerado na fornalha é irradiado para a coluna de água
que envolve o tubo. Já no segundo passe, ocorre a troca térmica entre a água aquecida e os
gases de combustão, de forma a promover a vaporização da água. A relação teórica (ou
estequiométrica) de ar e combustível que alimenta a fornalha, em kgar. Kgcomb.
-1
é igual
a 1, 38.PCI.10-3
. No entanto, de forma a maximizar a queima completa do combustível, o
ar é injetado na caldeira com 40% de excesso. Durante a queima, 4% do calor é perdido
devido às queimas incompletas e formação de cinzas. Dessa forma, a eficiência da fornalha
é de 96%, e a quantidade de calor gerado na fornalha por quantidade de combustível que
alimenta a caldeira é igual a 0, 96.PCI. No entanto, 30% do calor gerado é irradiado na
fornalha e utilizado para aquecer a água que envolve o tubo da fornalha na parte inferior
da caldeira. Em contrapartida, 70% do calor gerado na fornalha se encontra nos gases de
queima que seguem para os tubos da parte superior da caldeira, onde ocorrerá a geração
do vapor. No vaporizador, 6% do calor é perdido devido à condução e convecção para o
ambiente. Assim, a eficiência total da caldeira é de 90% e a quantidade de calor gerado na
caldeira por quantidade de combustível que alimenta a caldeira é igual a 0, 90.PCI. O gás
de queima que entra nos tubos do vaporizador possui um calor específico médio de 0,30
kcal.kg -1
°C -1
, entra nos tubos do vaporizador (segundo passe) a 1300 °C e sai na chaminé
a 250 °C e 12 m.s -1
. Por outro lado, o vapor gerado alimenta a turbina a vapor. A turbina
a vapor é um tipo de máquina térmica motora, isto é, ela produz trabalho a partir da
expansão do vapor em seu interior. Na entrada da turbina a vapor, o vapor se encontra
superaquecido e em alta pressão. Por outro lado, na saída da turbina, o vapor se encontra
saturado e em baixa pressão. No processo de expansão, a turbina dissipa 50 kW de calor

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para o meio e a razão entre as pressões de operação na saída e na entrada é igual a 10%. O
vapor saturado que sai da turbina segue para um trocador de calor que opera a pressão
atmosférica e possui um coeficiente global de transferência de calor igual a 35 kcal.h -1
.
m. -2
°C -1
. Após a troca térmica no trocador de calor, o vapor saturado condensa e a água
a 60°C segue para a bomba e é retroalimentada na caldeira, fechando o ciclo. A partir do
problema exposto, elabore uma ficha técnica contendo as informações a seguir e explique
o que você faria para aumentar a eficiência do ciclo termodinâmico em estudo.
Como bom(a) engenheiro(a), não deixe de demonstrar os seus cálculos e explicar todas as
considerações e o passo a passo utilizado para obter as informações. Para auxiliá-lo(a) na
execução das suas atividades, além do livro, utilize a plataforma Minha Biblioteca para
utilizar materiais complementares. Para isso, entre no Tabela 2 - Dados do processo Fonte:
Autor (2023)
Tabela 1 - Dados das correntes Fonte: Autor, 2023

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Tabela 2 - Dados do processo Fonte: Autor (2023)

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