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QUESTÃO 1

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 200o
C. O ambiente externo se
encontra a 25o
C, e a água (ρ = 1000 kg.m-3
) é bombeada por uma bomba e entra na caldeira
a 60o
C, 11 kgf.cm-2
e a uma vazão de 7 m3
.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-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
60o
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
Tabela 1 - Dados das correntes
Fonte: Autor, 2023
Tabela 2 - Dados do processo
Fonte: Autor (2023)

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  • 1.
  • 2. QUESTÃO 1  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 200o C. O ambiente externo se encontra a 25o C, e a água (ρ = 1000 kg.m-3 ) é bombeada por uma bomba e entra na caldeira a 60o C, 11 kgf.cm-2 e a uma vazão de 7 m3 .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
  • 3. 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-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 60o 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.
  • 4. 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 Tabela 1 - Dados das correntes Fonte: Autor, 2023
  • 5. Tabela 2 - Dados do processo Fonte: Autor (2023)