O documento discute máquinas térmicas, especificamente a história e operação da máquina a vapor. Apresenta os principais desenvolvimentos da máquina a vapor desde a primeira ideia por Heron de Alexandria até as melhorias de James Watt que permitiram sua aplicação na Revolução Industrial. Explica também os principais componentes e ciclo termodinâmico da máquina a vapor moderna.
2. Máquina à Vapor
Máquinas térmicas são dispositivos que
convertem CALOR em TRABALHO, enquanto
operam em um ciclo.
3. Máquina à Vapor
Máquinas térmicas são dispositivos que
convertem CALOR em TRABALHO, enquanto
operam em um ciclo.
O motor a vapor é uma máquina térmica
que transforma a energia térmica do vapor em
energia mecânica.
4. Máquina à Vapor
Máquinas térmicas são dispositivos que
convertem CALOR em TRABALHO, enquanto
operam em um ciclo.
5. Máquina à Vapor - HISTÓRIA
A primeira idéia de
máquina a vapor foi a chamada
"eolípila", feita por Heron de
Alexandria.
HERON de Alexandria, 10 AC – 80 DC
6. A primeira idéia de
máquina a vapor foi a chamada
"eolípila", feita por Heron de
Alexandria.
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
7. A primeira idéia de
máquina a vapor foi a chamada
"eolípila", feita por Heron de
Alexandria.
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
9. Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Primeira máquina de
interesse industrial.
Tinha como objetivo
retirar água dos poços de
minas de carvão.
10. Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Em 1712, foi
aperfeiçoada uma nova
máquina térmica que além de
mais segura, podia elevar
cargas.
THOMAS NEWCOMEN, 1663 –
1729
11. Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Essa máquina a vapor
de êmbolo foi um grande
sucesso na Europa do século
XVIII.
12. Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Essa máquina a vapor
de êmbolo foi um grande
sucesso na Europa do século
XVIII.
13. Máquina à Vapor - HISTÓRIA
JAMES WATT, 1736 – 1819
James Watt, considerado
o pai da máquina a vapor,
estudou meios de aumentar a
eficiência (75%) e minimizar os
custos. Esses avanços foram
decisivos na Revolução
Industrial.
19. MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Reservatório Térmico (ou Fonte de Calor):
Chamamos de reservatório térmico qualquer sistema
que possa fornecer ou receber calor sem alterar sua
temperatura (ex.: oceano, atmosfera, combustíveis etc.)
20. Máquina Térmica: Realiza um ciclo termodinâmico,
realizando um trabalho líquido positivo e recebendo um
calor líquido.
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
21. Máquina Térmica: Realiza um ciclo termodinâmico,
realizando um trabalho líquido positivo e recebendo um
calor líquido.
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
22. Máquina Térmica: Realiza um ciclo termodinâmico,
realizando um trabalho líquido positivo e recebendo um
calor líquido.
Obedece a 2ª
Lei da
Termodinâmica
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
26. • Bombeamento
adiabático na Bomba;
• Transformação de H2O
em vapor na Caldeira;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
27. • Bombeamento
adiabático na Bomba;
• Transformação de H2O
em vapor na Caldeira;
• Expansão adiabática
na turbina;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
28. • Bombeamento
adiabático na Bomba;
• Transformação de H2O
em vapor na Caldeira;
• Expansão adiabática
na turbina;
• Condensação do vapor
no Condensador.
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
29. Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
∆Uciclo = 0
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
30. Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
∆Q = ω
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
31. Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
32. Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
Onde:
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
33. Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
Onde:
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
35. Rendimento Térmico:
O rendimento térmico
expressa o aproveitamento da
máquina térmica ao transformar a
energia térmica em energia
mecânica no eixo da turbina
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
50. Como aumentar
o Rendimento?
• Reduzir a pressão na
saída da turbina;
• Aumentar a temperatura
na caldeira;
• Reaquecer o vapor.
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
84. Refrigerador
A função do refrigerador é
manter o espaço refrigerado a
uma temperatura baixa,
removendo o calor desse espaço.
85. Refrigerador
QH = calor rejeitado para o espaço
aquecido a temperatura TH
QL = calor removido do espaço
refrigerado a temperatura TL
WH = entrada de trabalho líquido no
refrigerador
93. Ciclo de Carnot reverso
Processo 1 2: refrigerante absorve
calor em quantidade QL na isoterma
TL.
94. Ciclo de Carnot reverso
Processo 1 2: refrigerante absorve
calor em quantidade QL na isoterma
TL.
Processo 2 3: Compressão sem
alteração na entropia. Aumento de
temperatura para TH.
95. Ciclo de Carnot reverso
Processo 1 2: refrigerante absorve
calor em quantidade QL na isoterma
TL.
Processo 2 3: Compressão sem
alteração na entropia. Aumento de
temperatura para TH.
Processo 3 4: rejeição de calor de
forma isotérmica TH e em quantidade
QH.
O refrigerante muda de um estado
vapor saturado até um estado de
líquido saturado no condensado.
96. Ciclo de Carnot reverso
Processo 1 2: refrigerante absorve
calor em quantidade QL na isoterma
TL.
Processo 2 3: Compressão sem
alteração na entropia. Aumento de
temperatura para TH.
Processo 3 4: rejeição de calor de
forma isotérmica TH e em quantidade
QH.
O refrigerante muda de um estado
vapor saturado até um estado de
líquido saturado no condensado.
Processo 4 1: Expansão sem
alteração na entropia.
98. Ciclo de Carnot reverso
O ciclo de Carnot é o ciclo de
refrigeração mais eficiente que
opera entre duas temperaturas
específicas.
Porém, este ciclo não é um modelo
mais adequado para ciclos de
refrigeração, porque:
1) Processos 2 3 e 4 1
envolvem fases não adequadas
para operação;
2) Dificuldade em manter
condições isotérmicas durante o
processo de absorção e rejeição
de calor..
99. Ciclo de Carnot reverso
Assim, concluímos que o Ciclo de Carnot reverso serve
como padrão de comparação para os ciclos de
refrigeração reais.
100. Ciclo de refrigeração por compressão
de vapor.
Jacob Perkins 1766-1849
Uma máquina de gelo de ciclo
fechado utilizando éter e outros
fluidos voláteis como o refrigerante.
Com os anos, a máquina foi se
aperfeiçoando por outros cientistas
até obter um sistema eficiente,
confiável, pequeno e barato.
101. Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Um ciclo de refrigeração por compressão a vapor é
um ciclo em que se elimina muitas das dificuldades
associadas ao ciclo de Carnot reverso utilizando a
vaporização completa do refrigerante antes da sua
compressão e pela substituição da turbina por um
dispositivo de estrangulamento, como uma válvula de
expansão ou tubo capilar..
104. Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Processo 1 2: Compressão sem
alteração na entropia
105. Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Processo 1 2: Compressão sem
alteração na entropia
Processo 2 3: Rejeição de calor a
pressão constante em um
condensador.
106. Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Processo 1 2: Compressão sem
alteração na entropia
Processo 2 3: Rejeição de calor a
pressão constante em um
condensador.
Processo 3 4: Estrangulamento
em um dispositivo de expansão.
107. Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Processo 1 2: Compressão sem
alteração na entropia
Processo 2 3: Rejeição de calor a
pressão constante em um
condensador.
Processo 3 4: Estrangulamento
em um dispositivo de expansão.
Processo 4 1: Absorção de calor a
pressão constante em um
evaporador.
109. Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
A área abaixo da curva
representa a transferência de
calor para os processos
internamente reversíveis.
Processo 4 1: calor
absorvido pelo refrigerante no
evaporador.
Processo 2 3: calor rejeitado
pelo condensador.
110. Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Uma regra prática diz que a eficiência melhora de 2 a 4 %
• para cada °C de aumento de temperatura de evaporação ou
• para cada °C de diminuição da temperatura de condensação.
114. Ciclo real de refrigeração por
compressão de vapor.
O ciclo real se difere do ideal principalmente devido a
irreversibilidade que ocorrem nos diversos componentes.
Fontes comuns são, por exemplo, o atrito do fluido (eu causa
queda de pressão) e a transferência de calor de ou para
vizinhança.
115. Ciclo real de refrigeração por
compressão de vapor.
116. Ciclo real de refrigeração por
compressão de vapor.
- Dificuldade no controle de
vapor saturado.
Refrigerante ligeiramente
superaquecido.
- Longa conexão que causa
queda de pressão pelo atrito
do fluido
Resulta no aumento de volume
específico, que gera aumento de
entrada de potência no
compressor.
117. Ciclo real de refrigeração por
compressão de vapor.
118. Ciclo real de refrigeração por
compressão de vapor.
O processo e compressão
real pode haver efeitos de
atrito que causaria aumento
a entropia e a o efeito de
transferência de calor que
poderá aumentar ou
diminuir a entropia.
119. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Os ciclos de refrigeração reais não são tão eficientes
quanto os ideias, por causa da irreversibilidades envolvidas.
Porém, o COP é igualmente válido para os ciclos.
120. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
O objetivo de analisar a segunda Lei ou a exergia de um
sistema de refrigeração é determinar os componentes que
podem se beneficiar com melhorias.
121. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
O objetivo de analisar a segunda Lei ou a exergia de um
sistema de refrigeração é determinar os componentes que
podem se beneficiar com melhorias.
A exergia pode ser obtida diretamente a partir de um
balanço de exergia ou indiretamente, primeiro pelo cálculo
da geração de entropia, e em seguida usando a relação:
122. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Para o ciclo:
123. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Compressor:
124. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Condensador:
125. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Válvula de expansão:
126. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Evaporador:
127. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
A destruição da exergia associada ao ciclo de
refrigeração também pode ser obtida pela diferença
entre a exergia fornecia (entrada de potência) e da exergia
recuperada (calor retirado do meio em baixa
temperatura).
128. Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
A destruição da exergia associada ao ciclo de
refrigeração também pode ser obtida pela diferença
entre a exergia fornecia (entrada de potência) e da exergia
recuperada (calor retirado do meio em baixa
temperatura).
129. Sistemas inovadores de refrigeração
por compressão a vapor.
Sistema de refrigeração com melhores eficiências.
130. Sistemas inovadores de refrigeração
por compressão a vapor.
Sistema de refrigeração com melhores eficiências.
• Sistema de refrigeração em cascata
• Sistema de refrigeração por compressão em múltiplos
estágios
• Sistema de refrigeração com múltiplos propósitos em
um único compressor
131. Sistema de refrigeração em cascata.
Aplicações industriais que exigem temperaturas
moderadamente baixas e intervalos de temperaturas
grande demais para um único ciclo.
137. Sistema de refrigeração por
compressão em múltiplos estágios
Utiliza-se de um trocador de calor entre os estágios
pode ser substituído por uma câmera de misturas,
chamado de separador de líquidos.
143. Ciclos de refrigeração a gás
Todos os processos são
internamente reversíveis e o
ciclo executado é o ciclo
ideal de refrigeração a gás.
144. Ciclos de refrigeração a gás
O ciclo de refrigeração a gás se desvia do ciclo reverso
de Carnot, porque os processos de transferência de calor
não são isotérmicos.
145. Ciclos de refrigeração a gás
Um sistema de refrigeração de avião de ciclo aberto, o ar
atmosférico é comprimido pelo compressor, resfriado pelo
vizinhança e expandido em uma turbina. O ar frio que sai da
turbina é dirigido para a cabine.
146. Ciclos de refrigeração por absorção
Uma forma economicamente atrativo é utilizando outras
fontes de energia, como energia térmica, geotérmica, solar ou
calor ou, até mesmo, gás natural, para operar os refrigeradores.
147. Ciclos de refrigeração por absorção
Em 1859, Carre patenteou a
máquina refrigerante de
amônia e água.
Ferdinand Carre 1824 - 1900
148. Ciclos de refrigeração por absorção
Uma forma economicamente atrativo é utilizando outras
fontes de energia, como energia térmica, geotérmica, solar ou
calor ou, até mesmo, gás natural, para operar os refrigeradores.
Envolve a absorção de um refrigerante por um meio de
transporte.
150. Efeito Seebeck
Em 1821, Seebeck descobriu
um fluxo de corrente ao
aquecer a junção entre dois
fios metálicos diferentes em
um circuito fechado.
Thomas Seebeck 1824 - 1900
151. Efeito Seebeck – Gerador Termoelétrico
O calor é transferido de uma
região de alta temperatura para
a região de baixa temperatura
152. Refrigerador Termoelétrico
Ao aplicar um fluxo de elétrons no circuito, uma
diferença de potencial na direção inversa, cria-se uma efeito
de refrigeração. Este efeito é chamado de Efeito Peltier.
Jean Charles A. Peltier 1824 - 1900
153. Refrigerador Termoelétrico
Atualmente, os refrigeradores
termoelétricos não concorrem
com os sistemas de refrigeração
por compressão de vapor por
causa de seu coeficiente de
performance baixo.
155. Bibliografia
1. Termodinâmica. Çengel, Yunus A.
2. Princípios de Física, Movimento Ondulatório e
Termodinâmica, Vol. 2. Serway, R. A.; Jewett, J.
W. J.
3. Fundamentos de Física, Gravitação, Ondas e
Termodinâmica, Vol. 2. Halliday, R.
4. Física, Mecânica, Oscilações e Ondas e
Termodinâmica, Vol. 1. Tipler, P. A.
5. Princípios de Termodinâmica para Engenharia,
Moran, M. J.; Shapiro, H. N.