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Termodinâmica
Prof.: Eudes Eterno Fileti
Alunas: Renata Takahashi
Renata Guimarães
Máquina à Vapor
Máquinas térmicas são dispositivos que
convertem CALOR em TRABALHO, enquanto
operam em um ciclo.
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.
Máquina à Vapor
Máquinas térmicas são dispositivos que
convertem CALOR em TRABALHO, enquanto
operam em um ciclo.
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
A primeira idéia de
máquina a vapor foi a chamada
"eolípila", feita por Heron de
Alexandria.
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
A primeira idéia de
máquina a vapor foi a chamada
"eolípila", feita por Heron de
Alexandria.
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Primeira máquina de
interesse industrial.
THOMAS SAVERY, 1650 – 1715
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Primeira máquina de
interesse industrial.
Tinha como objetivo
retirar água dos poços de
minas de carvão.
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Em 1712, foi
aperfeiçoada uma nova
máquina térmica que além de
mais segura, podia elevar
cargas.
THOMAS NEWCOMEN, 1663 –
1729
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Essa máquina a vapor
de êmbolo foi um grande
sucesso na Europa do século
XVIII.
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Essa máquina a vapor
de êmbolo foi um grande
sucesso na Europa do século
XVIII.
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.
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
Máquina à Vapor - HISTÓRIA
1 cavalo vapor = 735,5 watts
Máquina à Vapor - APLICAÇÕES
Máquina à Vapor - APLICAÇÕES
Máquina à Vapor - APLICAÇÕES
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.)
Máquina Térmica: Realiza um ciclo termodinâmico,
realizando um trabalho líquido positivo e recebendo um
calor líquido.
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Máquina Térmica: Realiza um ciclo termodinâmico,
realizando um trabalho líquido positivo e recebendo um
calor líquido.
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
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
Ciclo de
Rankine
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
• Bombeamento
adiabático na Bomba;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
• Bombeamento
adiabático na Bomba;
• Transformação de H2O
em vapor na Caldeira;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
• Bombeamento
adiabático na Bomba;
• Transformação de H2O
em vapor na Caldeira;
• Expansão adiabática
na turbina;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
• 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
Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
∆Uciclo = 0
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
∆Q = ω
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
Onde:
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Aplicando a 1ª Lei da
Termodinâmica:
Onde:
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Rendimento Térmico:
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
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
Máquina à Vapor – Diagrama T x S
Máquina à Vapor – Diagrama T x S
1
2 3
4
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Pcaldeira
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Pcondensador
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
ωútil = Área
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Máquina à Vapor – Diagrama T x S
Como aumentar o
Rendimento?
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Como aumentar o
Rendimento?
• Reduzir a pressão na
saída da turbina;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
• Reduzir a
pressão na
saída da
turbina;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
• Reduzir a
pressão na
saída da
turbina;
Como aumentar o
Rendimento?
• Reduzir a pressão na
saída da turbina;
• Aumentar a Temperatura
na caldeira;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
•Aumentar a
temperatura
na caldeira;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
•Aumentar a
temperatura
na caldeira;
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Como aumentar
o Rendimento?
• Reduzir a pressão na
saída da turbina;
• Aumentar a temperatura
na caldeira;
• Reaquecer o vapor.
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
ωEXTRA
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Mas e hoje?
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
CALDEIRA
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
TURBINA
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
CONDENSADOR
MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
Máquinas Térmicas – USINA
NUCLEAR
BOMBA
Máquinas Térmicas – OUTROS
EXEMPLOS
Máquinas Térmicas– MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
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Máquinas Térmicas– MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
ADMISSÃO
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Máquinas Térmicas– MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
ADMISSÃO
COMPRESSÃO
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Máquinas Térmicas– MOTORES DE
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EXASUTÃO
Máquinas Térmicas– MOTORES DE
COMBUSTÃO INTERNA
ADMISSÃO
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EXPLOSÃO
EXASUTÃO
Máquinas Térmicas – TURBINA A
GÁS
Máquinas Térmicas – TURBINA A
GÁS
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ISOTRÓPICA
Máquinas Térmicas – TURBINA A
GÁS ADIÇÃO DE Q (p = cte)
Máquinas Térmicas – TURBINA A
GÁS
EXPANSÃO
ISOTRÓPICA
Máquinas Térmicas – TURBINA A
GÁS
RETIRADA DE
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Máquinas Térmicas – TURBINA A
GÁS
Máquinas Térmicas – ATMOSFERA
Máquinas Térmicas – ATMOSFERA
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Máquinas Térmicas – ATMOSFERA
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Máquinas Térmicas – ATMOSFERA
50%
Máquinas Térmicas – ATMOSFERA
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Máquinas Térmicas – ATMOSFERA
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Máquinas Térmicas – ATMOSFERA
Máquinas Térmicas – ATMOSFERA
Máquinas Térmicas – ATMOSFERA
Refrigeradores e Bombas de Calor
Calor
O calor flui naturalmente da região
mais quente para região mais fria.
QUENTE FRIA
Calor
Para que ocorra o processo inverso do fluxo de
calor, é necessário um dispositivo chamado de
REFRIGERADOR.
QUENTE FRIA
Refrigerador
Refrigerador
A função do refrigerador é
manter o espaço refrigerado a
uma temperatura baixa,
removendo o calor desse espaço.
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
Refrigerador e Bomba de Calor
Bomba de Calor
A função da bomba de calor é
manter o espaço aquecido a uma
temperatura alta.
Rendimento
Refrigerador:
COPR =
𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎
=
𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜
Bomba de calor:
COPBC =
𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎
=
𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜
Rendimento
Refrigerador:
COPR =
𝑄𝐿
𝑊
Bomba de calor:
COPBC =
𝑄𝐻
𝑊
Rendimento
Refrigerador:
COPR =
𝑄𝐿
𝑊
Bomba de calor:
COPBC =
𝑄𝐻
𝑊
Podem ser expressas na forma de taxas:
COPR + COPBC = 1
Ciclo de Carnot Reverso
Ciclo de Carnot reverso
Ciclo de Carnot reverso
Processo 1  2: refrigerante absorve
calor em quantidade QL na isoterma
TL.
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.
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.
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.
Ciclo de Carnot reverso
Refrigerador:
COPR
=
1
𝑇𝐻
𝑇𝐿
− 1
Bomba de calor:
COPBC
=
1
1 −
𝑇𝐿
𝑇𝐻
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..
Ciclo de Carnot reverso
Assim, concluímos que o Ciclo de Carnot reverso serve
como padrão de comparação para os ciclos de
refrigeração reais.
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.
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..
Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Processo 1  2: Compressão sem
alteração na entropia
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.
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.
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.
Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
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.
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.
Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Coeficiente de performance
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.
Ciclo real de refrigeração por
compressão de vapor.
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.
Ciclo real de refrigeração por
compressão de vapor.
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.
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.
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.
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:
Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Para o ciclo:
Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Compressor:
Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Condensador:
Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Válvula de expansão:
Análise de Segunda Lei para o ciclo de
refrigeração por compressão a vapor.
Evaporador:
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).
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
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Sistemas inovadores de refrigeração
por compressão a vapor.
Sistema de refrigeração com melhores eficiências.
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• Sistema de refrigeração em cascata
• Sistema de refrigeração por compressão em múltiplos
estágios
• Sistema de refrigeração com múltiplos propósitos em
um único compressor
Sistema de refrigeração em cascata.
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moderadamente baixas e intervalos de temperaturas
grande demais para um único ciclo.
Sistema de refrigeração em cascata.
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Refrigerador e Bomba de Calor
Sistema de refrigeração por
compressão em múltiplos estágios
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Ciclos de refrigeração a gás
Ciclos de refrigeração a gás
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Ciclos de refrigeração a gás
O ciclo de refrigeração a gás se desvia do ciclo reverso
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não são isotérmicos.
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.
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.
Ciclos de refrigeração por absorção
Em 1859, Carre patenteou a
máquina refrigerante de
amônia e água.
Ferdinand Carre 1824 - 1900
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.
Ciclos de refrigeração por absorção
Ciclo de refrigeração por absorção de amônia.
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
Efeito Seebeck – Gerador Termoelétrico
O calor é transferido de uma
região de alta temperatura para
a região de baixa temperatura
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
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.
Agradecemos a atenção!
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.
Bibliografia
6. http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/heron.htm
7. http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/motor.htm
8. http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/motores4t_eta
pas.htm
9. http://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquibos/
turbina_gas.php
10. http://cursos.unisanta.br/quimica/private/APOSTILA-
TERMO.PDF
11. http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de-
Motores-a-Combust%C3%A3o-Interna.pdf
Bibliografia
12.http://www.mma.gov.br/estruturas/ozonio/_arquivos/aplicaes
_nos_setores_ar_condicionado_e_refrigerao_industrial.pdf
13.ftp://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM182/REFRIGERACAO/a
postila/3_SCVAPORME.pdf
14. http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/vapor.htm

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Motor_a_Vapor_e_Refrigeradore_FINAL.pptx

  • 1. Termodinâmica Prof.: Eudes Eterno Fileti Alunas: Renata Takahashi Renata Guimarães
  • 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
  • 8. Primeira máquina de interesse industrial. THOMAS SAVERY, 1650 – 1715 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.
  • 14. Máquina à Vapor - HISTÓRIA
  • 15. Máquina à Vapor - HISTÓRIA 1 cavalo vapor = 735,5 watts
  • 16. Máquina à Vapor - APLICAÇÕES
  • 17. Máquina à Vapor - APLICAÇÕES
  • 18. Máquina à Vapor - APLICAÇÕES
  • 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
  • 23. Ciclo de Rankine MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 24. MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 25. • Bombeamento adiabático na Bomba; 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
  • 34. Rendimento Térmico: 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
  • 36. Máquina à Vapor – Diagrama T x S
  • 37. Máquina à Vapor – Diagrama T x S
  • 38. 1 2 3 4 MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 39. Pcaldeira MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 40. Pcondensador MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 41. ωútil = Área MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 42. Máquina à Vapor – Diagrama T x S
  • 43. Como aumentar o Rendimento? MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 44. Como aumentar o Rendimento? • Reduzir a pressão na saída da turbina; MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 45. • Reduzir a pressão na saída da turbina; MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 46. MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor • Reduzir a pressão na saída da turbina;
  • 47. Como aumentar o Rendimento? • Reduzir a pressão na saída da turbina; • Aumentar a Temperatura na caldeira; MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 48. •Aumentar a temperatura na caldeira; MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 49. •Aumentar a temperatura na caldeira; 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
  • 51. MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 52. ωEXTRA MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 53. Mas e hoje? MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 54. MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 55. CALDEIRA MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 56. TURBINA MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 57. CONDENSADOR MOTOR TÉRMICO - Máquina à Vapor
  • 58. Máquinas Térmicas – USINA NUCLEAR BOMBA
  • 59. Máquinas Térmicas – OUTROS EXEMPLOS
  • 60. Máquinas Térmicas– MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ADMISSÃO
  • 61. Máquinas Térmicas– MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ADMISSÃO COMPRESSÃO
  • 62. Máquinas Térmicas– MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ADMISSÃO COMPRESSÃO EXPLOSÃO
  • 63. Máquinas Térmicas– MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ADMISSÃO COMPRESSÃO EXPLOSÃO EXASUTÃO
  • 64. Máquinas Térmicas– MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ADMISSÃO COMPRESSÃO EXPLOSÃO EXASUTÃO
  • 65. Máquinas Térmicas – TURBINA A GÁS
  • 66. Máquinas Térmicas – TURBINA A GÁS COMPRESSÃO ISOTRÓPICA
  • 67. Máquinas Térmicas – TURBINA A GÁS ADIÇÃO DE Q (p = cte)
  • 68. Máquinas Térmicas – TURBINA A GÁS EXPANSÃO ISOTRÓPICA
  • 69. Máquinas Térmicas – TURBINA A GÁS RETIRADA DE CALOR
  • 70. Máquinas Térmicas – TURBINA A GÁS
  • 72. Máquinas Térmicas – ATMOSFERA 30%
  • 73. Máquinas Térmicas – ATMOSFERA 20%
  • 74. Máquinas Térmicas – ATMOSFERA 50%
  • 75. Máquinas Térmicas – ATMOSFERA 50%
  • 76. Máquinas Térmicas – ATMOSFERA 64%
  • 81. Calor O calor flui naturalmente da região mais quente para região mais fria. QUENTE FRIA
  • 82. Calor Para que ocorra o processo inverso do fluxo de calor, é necessário um dispositivo chamado de REFRIGERADOR. QUENTE FRIA
  • 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
  • 87. Bomba de Calor A função da bomba de calor é manter o espaço aquecido a uma temperatura alta.
  • 88. Rendimento Refrigerador: COPR = 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎 = 𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 Bomba de calor: COPBC = 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎 = 𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜
  • 90. Rendimento Refrigerador: COPR = 𝑄𝐿 𝑊 Bomba de calor: COPBC = 𝑄𝐻 𝑊 Podem ser expressas na forma de taxas: COPR + COPBC = 1
  • 91. Ciclo de Carnot Reverso
  • 92. Ciclo de Carnot reverso
  • 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.
  • 97. Ciclo de Carnot reverso Refrigerador: COPR = 1 𝑇𝐻 𝑇𝐿 − 1 Bomba de calor: COPBC = 1 1 − 𝑇𝐿 𝑇𝐻
  • 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..
  • 102. Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor.
  • 103. Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor.
  • 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.
  • 108. Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor.
  • 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.
  • 111. Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor.
  • 112. Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor.
  • 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.
  • 135. Refrigerador e Bomba de Calor Aplicação em sistemas geotérmicos
  • 136. Refrigerador e Bomba de Calor
  • 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.
  • 138. Sistema de refrigeração por compressão em múltiplos estágios Câmeras frigoríficas
  • 139. Sistema de refrigeração por compressão em múltiplos estágios
  • 140. Sistema de refrigeração com múltiplos propósitos em um único compressor Refrigerador e congelador na mesma unidade.
  • 141. Sistema de refrigeração com múltiplos propósitos em um único compressor
  • 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.
  • 149. Ciclos de refrigeração por absorção Ciclo de refrigeração por absorção de amônia.
  • 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.
  • 156. Bibliografia 6. http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/heron.htm 7. http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/motor.htm 8. http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/motores4t_eta pas.htm 9. http://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquibos/ turbina_gas.php 10. http://cursos.unisanta.br/quimica/private/APOSTILA- TERMO.PDF 11. http://wp.ufpel.edu.br/mlaura/files/2013/01/Apostila-de- Motores-a-Combust%C3%A3o-Interna.pdf