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1ª QUESTÃO
Período:08/05/2023 08:00 a 07/07/2023 23:59 (Horário de Brasília)
Status:ABERTO
Nota máxima:3,00
Gabarito:Gabarito não está liberado!
Nota obtida:
MAPA - MÁQUINAS TÉRMICAS - 52/2023
Unicesumar - Ensino a Distância
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M.A.P.A - Máquinas térmicas
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 - Ciclo de uma central termelétrica
Fonte: FILIPPO FILHO, G. Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas: fundamentos de termodinâmica,
características operacionais e aplicações. São Paulo: Érica, 2014. p. 46.
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
o
C. O ambiente externo se encontra a 25
o
C, e a água (ρ =
1000 kg.m
-3
) é bombeada por uma bomba e entra na caldeira a 60
o
C, 11 kgf.cm
-2
e a uma vazão de 7
m
3
.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
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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
-1o
C
-1
, entra nos tubos do vaporizador (segundo passe) a 1300
o
C e sai na
chaminé a 250
o
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 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
.
o
C
-1
. Após a troca térmica no
trocador de calor, o vapor saturado condensa e a água a 60
o
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 Studeo e acesse a Biblioteca Digital Unicesumar ou a
plataforma Minha Biblioteca e busque pelo livro Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas (FFILIPPO
FILHO, G. Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas: fundamentos de termodinâmica, características
operacionais e aplicações. São Paulo: Érica, 2014.).
Dados:
Tabelas de vapor: https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078.htm.
Lista de símbolos: https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-Symbols.pdf.
Quadro 1 - Saturação (Temperatura): https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-
Tab1.pdf.
Quadro 2 - Saturação (Pressão): https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-Tab2.pdf.
Quadro 3 - Água Comprimida e Vapor Sobreaquecido:
https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-Tab3.pdf.
FICHA TÉCNICA
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Tabela 1 - Dados das correntes
Fonte: Autor, 2023
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Tabela 2 - Dados do processo
Fonte: Autor (2023)
ALTERNATIVAS
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  • 1. Unicesumar - Ensino a Distância about:blank 1/5 1ª QUESTÃO Período:08/05/2023 08:00 a 07/07/2023 23:59 (Horário de Brasília) Status:ABERTO Nota máxima:3,00 Gabarito:Gabarito não está liberado! Nota obtida: MAPA - MÁQUINAS TÉRMICAS - 52/2023
  • 2. Unicesumar - Ensino a Distância about:blank 2/5 M.A.P.A - Máquinas térmicas 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 - Ciclo de uma central termelétrica Fonte: FILIPPO FILHO, G. Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas: fundamentos de termodinâmica, características operacionais e aplicações. São Paulo: Érica, 2014. p. 46. 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 o C. O ambiente externo se encontra a 25 o C, e a água (ρ = 1000 kg.m -3 ) é bombeada por uma bomba e entra na caldeira a 60 o C, 11 kgf.cm -2 e a uma vazão de 7 m 3 .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
  • 3. Unicesumar - Ensino a Distância about:blank 3/5 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 -1o C -1 , entra nos tubos do vaporizador (segundo passe) a 1300 o C e sai na chaminé a 250 o 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 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 . o C -1 . Após a troca térmica no trocador de calor, o vapor saturado condensa e a água a 60 o 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 Studeo e acesse a Biblioteca Digital Unicesumar ou a plataforma Minha Biblioteca e busque pelo livro Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas (FFILIPPO FILHO, G. Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas: fundamentos de termodinâmica, características operacionais e aplicações. São Paulo: Érica, 2014.). Dados: Tabelas de vapor: https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078.htm. Lista de símbolos: https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-Symbols.pdf. Quadro 1 - Saturação (Temperatura): https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078- Tab1.pdf. Quadro 2 - Saturação (Pressão): https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-Tab2.pdf. Quadro 3 - Água Comprimida e Vapor Sobreaquecido: https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-Tab3.pdf. FICHA TÉCNICA
  • 4. Unicesumar - Ensino a Distância about:blank 4/5 Tabela 1 - Dados das correntes Fonte: Autor, 2023
  • 5. Unicesumar - Ensino a Distância about:blank 5/5 Tabela 2 - Dados do processo Fonte: Autor (2023) ALTERNATIVAS Nenhum arquivo enviado.
  • 6. Unicesumar - Ensino a Distância about:blank 6/5