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FACULDADE DO NOROESTE DE MINAS - FINOM
CURSO DE FÍSICA
MÁQUINAS TÉRMICAS
EDSON RAIMUNDO DOS SANTOS
PARACATU-MG
2011
EDSON RAIMUNDO DOS SANTOS
MÁQUINAS TÉRMICAS
Trabalho de Conclusão de Curso - TCC apresentado ao curso de Física da Faculdade do Noroeste de Minas – FINOM, como parte dos requisitos para obtenção do grau de Licenciatura em Física, sob a coordenação do professor MSc. Rilson Pereira.
NOVEMBRO
2011
RESUMO
Palavras – chave:
SUMÁRIO
RESUMO ............................................................................................................. III
SUMÁRIO ........................................................................................................... IV
CAPÍTULO I ........................................................................................................ 1
1.1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 1
1.2 OBJETIVOS DO ESTUDO …........................................................................ 2
1.2.1 OBJETIVO GERAL ..................................................................................... 2
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................... 2
1.3 JUSTIFICATIVA ............................................................................................. 3
CAPÍTULO II ....................................................................................................... 4
2.1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ….................................................................. 4
2.2.1 BREVE HISTÓRICO DA TERMODINÂMICA ….......................................... 4
2.2.2 TERMODINÂMICA ..................................................................................... 5
2.2.2.1 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA …................................................
2.2.2.2 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA …................................................
2.3 MÁQUINAS TÉRMICAS …............................................................................
2.3.1 TIPOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS ….......................................................
2.3.1.1 TURBINAS A VAPOR …..........................................................................
2.3.1.2 TURBINAS A GÁS …...............................................................................
2.3.1.3 CALDEIRAS …........................................................................................
2.3.1.4 MOTORES ALTERNATIVOS …...............................................................
2.4 CICLOS TERMODINÂMICOS …...................................................................
2.4.1 CICLO DE CARNOT …...............................................................................
2.4.2 CICLO DE RANKINE …..............................................................................
2.4.3 CICLO DE BRAYTON ….............................................................................
2.4.4 CICLO OTTO …..........................................................................................
CAPÍTULO III ......................................................................................................
3.1 METODOLOGIA …........................................................................................
3.1.1 CARACTERIZAÇÃO DA PESQUISA …......................................................
3.2 DELINEAMENTO DA PESQUISA …..............................................................
3.3 CRONOGRAMA …........................................................................................
6
7
8
10
11
11
12
13
13
14
15
17
17
CAPÍTULO IV ......................................................................................................
4.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS ..........................................................................
CAPÍTULO V …...................................................................................................
5.1 REFERÊNCIAS ….........................................................................................
CAPÍTULO I
1.1 INTRODUÇÃO
Como afirma Michelena e Mors (2008), ao longo da história, o ser humano
tem buscado diversificadas fontes de energia e formas de realização de trabalho,
porém, só a partir do século XVIII é que se tornou possível controlar o processo de
transformar energia em trabalho, em especial, graças à construção da máquina
térmica (máquina a vapor).
Antes do desenvolvimento dessa tecnologia, as reservas de energia
estavam à mercê das variações atmosféricas. Durante as secas, a baixa dos rios
podia forçar os moinhos a restringir suas atividades ou mesmo a suspendê-las por
completo. Os navios, nas travessias do oceano, atrasavam-se semanas inteiras por
falta de vento. Com a utilização da máquina térmica, este problema poderia ser
minimizado, uma vez que haveria um fornecimento constante de energia, que
poderia ser aproveitada quando necessário.
Desde a Antiguidade a Mecânica e a Física eram estudadas separadamente,
contudo, sempre houve indícios de que deveria existir alguma relação entre elas.
Assim, surgiu a Termodinâmica, cujo objetivo principal estava em estudar a
transformação do calor em energia mecânica. Destaca-se, ainda, que esta é regida
por duas leis fundamentais: a Primeira Lei da Termodinâmica, que trata da variação
da energia interna de um sistema, e a Segunda Lei da Termodinâmica, que trata da
possibilidade ou impossibilidade de se aproveitar certo tipo de energia.
Assim, perceber-se a extrema importância dessa ciência para o
desenvolvimento da sociedade, principalmente, quanto se fala da compreensão dos
fenômenos naturais e, em especial, do desenvolvimento tecnológico das máquinas
térmicas e das suas principais contribuições para a evolução da sociedade. Tal
tecnologia foi considerada essencial para a manutenção e expansão dos primeiros
processos industriais ocorridos na sociedade, uma vez que transformava o calor em
trabalho mecânico, facilitando, assim, o processo produtivo.
De acordo com Amengual e Sáiz (2005), citado por Hornes et al. (2011),
inicialmente, a função dessas máquinas era facilitar o trabalho braçal, trocando
então a força muscular pela força do vapor, como a máquina de Thomas Savery.
Destaca-se, ainda, que as máquinas térmicas funcionam através de processos
cíclicos, onde esta, ao final do mesmo, possuiria uma energia interna nula, tendo em
vista que o estado inicial e final do ciclo é idêntico.
Rezende (2011) destaca que as máquinas térmicas atuam convertendo
energia interna de um combustível em energia mecânica, fazendo com que essa
energia possa gerar movimento necessário para transportar, acionar outros tipos de
máquinas, gerar energia elétrica, dentre outros.
Ainda, pode-se dizer de um modo geral, que uma máquina térmica é toda
máquina que opera entre dois reservatórios térmicos, recebendo calor do
reservatório quente, realizando trabalho e rejeitando o calor excedente para o
reservatório frio. Logo, conclui-se que este sistema utiliza a energia na forma de
calor, com finalidade de provocar a realização de um trabalho mecânico, gerado a
partir da expansão do fluido contendo temperatura e pressão.
Estudos direcionados para o levantamento das características das máquinas
térmicas é uma atividade importante, uma vez que, através das informações obtidas,
podera-se-à verificar as principais transformações e contribuições que estas
acarretaram para a história da humanidade.
1.2 OBJETIVOS DO ESTUDO
1.2.1 OBJETIVO GERAL
Investigar e descobrir como funciona a máquina térmica do
barco Benjamim Guimarães.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar as leis que regem o funcionamento de uma máquina
térmica.
Descrever o funcionamento de uma máquina térmica de
combustão externa.
1.3 JUSTIFICATIVA
Uma máquina térmica, também conhecida como um motor é um dispositivo
que extrai energia do ambiente na forma de calor e realiza trabalho útil. Para que um
motor realize trabalho de forma intermitente ou interruptamente, a substância de
trabalho passa por uma série fechada de processos termodinâmicos, chamados de
tempos, voltando repetidamente a cada estado neste ciclo (NASCIMENTO, 2008).
A Termodinâmica está presente em nosso cotidiano sem que possamos nos
dar conta disso. Logo, a compreensão do tema em foco – máquinas térmicas – nos
ajuda a entender o funcionamento dessas máquinas. Para Gonçalves et al. (2011),
o estudo das máquinas térmicas torna possível a compreensão da conservação e
degradação da energia e de suas fontes de produção, além de ser uma aplicação
sobre as leis da termodinâmica, bem como dos processos irreversíveis.
Ainda, o estudo da máquina térmica nos permite visualizar o que há de
impressionante nessa tecnologia utilizada pela humanidade e porque somos
dependentes dela atualmente. Ainda, o levantamento de informações possibilita a
abordagem de questões fundamentais para a Física, tais como: funcionamento,
transformações gasosas e o princípio fundamental da conservação da energia.
CAPÍTULO II
2.1. FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA
2.1.1. BREVE HISTÓRICO DA TERMODINÂMICA
Das mais variadas transformações de energia, talvez a que mais fascinava
os cientistas em meados do século XIX era a possibilidade de converter calor em
movimento através das máquinas térmicas. A base do funcionamento dessa
tecnologia é simples: quando se aquece um gás, ele expande. Possivelmente, a
primeira máquina térmica que se tem notícia foi uma máquina a vapor desenvolvida
por Herón de Alexandria, por volta do ano 50 d.C (MEDINA e NISENBAUM, 2011).
Conforme afirmam Medina e Nisenbaum,
Herón descobriu que o ar se expandia no aquecimento e poderia ser usado para produzir uma força mecânica e com isto, acionar diversos mecanismos. Os trabalhos de Herón foram perdidos e só por volta de 1600, Giovanni della Porta os recuperou com grande sucesso (mas mediante de ar por vapor). Leonardo da Vinci foi outro que usou vapor de água para produzir movimentos. Vários inventos importantes de da Vinci não foram executados por falta de equipamentos mecânicos capazes de produzir trabalho. Afinal, a capacidade de trabalho de homens ou animais é bastante limitada, lenta e irregular. […] Destacam que por volta do ano de 1700, Thomas Savery produziu, com base nas propriedades do vapor d’água, uma bomba para retirar a água das minas de carvão da Inglaterra, minimizando um dos grandes problemas da época. O equipamento de Savery não era, rigorosamente falando, um motor, pois não possuía partes móveis. Esse mérito teve o equipamento desenvolvido por Thomas Newcomen em 1705, no qual já se observa a existência de um pistão móvel. Foi um grande sucesso comercial, embora as válvulas devessem ser abertas e fechadas manualmente o tempo todo. (MEDINA e NISENBAUM, 2011, p. 04 - 05).
De acordo com Hornes et al. (2011), para melhorar o rendimento da
máquina a vapor proposta por Newcomen, James Watt propôs uma melhoria no
modelo existente desacoplando o sistema de condensação do vapor do corpo da
máquina. Segundo ele, o conjunto com um motor e um sistema próprio de
refrigeração seria mais econômico.
A busca pelo aperfeiçoamento das máquinas térmicas levou o cientista
francês Sadi Carnot (1796-1832) a desenvolver em 1824 toda uma teoria para
explicar o rendimento, ou seja, o quanto de calor a máquina transformava em
trabalho. Foi um momento histórico. Antes disso, as tentativas de melhorar o
rendimento das máquinas eram na base da tentativa e do erro. O trabalho de Carnot
teve como fundamento o método científico. A partir das suas observações e nas de
outros cientistas, Carnot criou um modelo teórico para as máquinas térmicas e
descobriu qual deveria ser a maneira mais eficiente de transformar calor em
movimento (MEDINA e NISENBAUM, 2011).
Para Burns (2011), é possível perceber que poucas invenções tiveram maior
influência na história dos tempos modernos que a da máquina térmica, em especial,
a vapor. Ao contrário do que geralmente se pensa esta não foi a causa inicial da
Revolução Industrial, mas sim, em parte, efeito desta. O motor de James Watt, pelo
menos, nunca se teria tornado realidade se não fosse a procura de uma fonte
eficiente de energia para mover as pesadas máquinas já inventadas na indústria
têxtil.
Antes do desenvolvimento da máquina a vapor, Burns (2011) destaca que as
reservas de energia estavam à mercê das variações atmosféricas. Durante as
secas, a baixa dos rios podia forçar os moinhos a restringir suas atividades ou
mesmo a suspendê-las por completo. Os navios, nas travessias do oceano,
atrasavam-se semanas inteiras por falta de vento. Com a máquina a vapor haveria
um fornecimento constante de energia, que poderia ser aproveitada quando
necessário. Não é, portanto, exagero afirmar que a invenção de Watt assinalou o
começo da era da força motriz.
2.2.2 TERMODINÂMICA
A Termodinâmica trata das relações da energia nas quais as variações de
energia são importantes. Tem-se que quase tudo o que acontece envolve, de certa
forma, perceptivelmente ou não, transformações de algum tipo de energia em
energias de outros tipos ou, em certos casos, simplesmente transferências de
energia.
Porto (2007) destaca que a Termodinâmica é a parte da Termologia (Física)
que estuda os fenômenos relacionados com trabalho, calor, energia e entropia, e as
leis que governam os processos de conservação de energia.
2.2.2.1 PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
A Primeira Lei da Termodinâmica trata do Princípio da Conservação de
Energia a sistemas não-isolados, dessa forma, pode se transferir energia para
dentro ou para fora do sistema, tanto como trabalho quanto como calor. Destaca-se,
ainda, que a energia obtida de uma máquina sob a forma de trabalho mecânico deve
ser igual à diferença entre as energias absorvida e cedida sob a forma de calor
(COLLI, 2009).
Conforme mencionam Van Wylen e Sonntag (2003) com citação de Luiz
(2007), o calor é definido como sendo a forma de transferência de energia através
da fronteira de um sistema, numa dada temperatura, a outro sistema, que apresenta
uma temperatura inferior, em virtude da diferença entre as temperaturas dos dois
sistemas. Um corpo nunca possui calor, visto que, por definição o calor só pode ser
identificado quando cruza a fronteira do sistema.
A Primeira Lei da Termodinâmica afirma que o trabalho
representa outro tipo de transmissão de energia. A definição mais comum de trabalho é de uma força que age sobre um deslocamento. A atual definição de trabalho usada na termodinâmica foi originalmente definida em 1824 por Sadi Carnot. De acordo com Carnot, trabalho é o efeito útil que um motor é capaz de produzir, que pode ser comparado ao levantamento de um peso a certa altura. O experimento de Joule foi de extrema importância para a construção do enunciado da Primeira Lei da Termodinâmica. Em seu enunciado mais usual diz que a variação da energia do sistema termodinâmico é igual à diferença entre a quantidade de calor adicionada ao sistema e o trabalho realizado pelo sistema em suas fronteiras (LUIZ, 2007, p. 44).
2.2.2.2 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
Segundo Porto (2007), existem dois enunciados clássicos para a Segunda
Lei da Termodinâmica. São eles:
Enunciado de Kelvin-Planck: é impossível construir um
dispositivo que opere segundo um ciclo termodinâmico e que
não produza outros efeitos além do levantamento de um peso e
troca de calor um único reservatório térmico.
Enunciado de Clausius: é impossível construir um dispositivo
opere segundo um ciclo termodinâmico e que não produza
outros efeitos além da passagem de calor de um corpo frio para
um corpo quente.
A segunda Lei da Termodinâmica afirma que para realizar trabalho a partir
do calor extraído de um reservatório quente é preciso ter um reservatório mais frio,
capaz de receber parte da energia térmica que será descarregada (COLLI, 2009).
A Segunda Lei da Termodinâmica afirma o seguinte:
A quantidade de trabalho útil que pode ser obtido a partir da energia está constantemente diminuindo. De acordo com esta Lei, há sempre uma tendência para as áreas quentes se resfriarem e as áreas frias se aquecerem, assim progressivamente menos trabalho poderá ser obtido. Até que finalmente, quando tudo estiver numa mesma temperatura, não se pode mais obter nenhum trabalho disso, mesmo que toda a energia continue ainda existindo ( LUIZ, 2007, p. 45).
Para Medeiros (2003), na conversão de uma forma de energia para outra,
parte dela se perde sob a forma de calor de baixa temperatura, energia que não
pode ser convertida em trabalho mecânico. Logo, dessa forma, sob condições
ideais, uma máquina térmica não pode converter em energia mecânica toda a
energia térmica a ela suprida.
Teixeira Júnior (2011) corrobora com Medeiros (2003) ao afirmar que se
torna impossível converter totalmente a energia térmica em trabalho útil. O mesmo
ainda destaca que é impossível, sem introdução de energia no sistema, que o calor
passe de um corpo frio para um corpo quente e, em todos os processos, naturais ou
tecnológicos, em que há sucessivas transformações da energia, a eficiência é
sempre não crescente.
2.3 MÁQUINAS TÉRMICAS
Uma máquina térmica é um dispositivo capaz de operar ciclicamente a fim
de converter a maior quantidade possível do calor que recebe em trabalho. Assim,
as máquinas térmicas contêm um fluido operante ou substância de trabalho, que
pode ser vapor de água numa máquina a vapor ou a mistura de ar e vapor de
gasolina num motor de combustão interna, por exemplo. Para que um motor realize
trabalho de forma sustentada, este fluido operante deve trabalhar em um ciclo,
passando por uma série fechada de processos termodinâmicos, realizar o trabalho e
ceder uma quantidade de calor, voltando repetidamente ao seu estado inicial,
reiniciando o ciclo. As máquinas a vapor, inventadas no século XVIII para bombear a
água das minas de carvão, foram as primeiras máquinas térmicas (COLLI, 2009).
Referente às máquinas térmicas, podemos destacar o seguinte:
As máquinas térmicas [...] têm como finalidade gerar trabalho mecânico a partir de pelo menos duas fontes de calor em temperaturas diferentes. A cada ciclo de operação, uma quantidade de calor é retirada da fonte quente e parte rejeitada à fonte fria, essa última necessária para se estabelecer o ciclo. A reversão consiste na possibilidade de se usar a mesma quantidade de trabalho anteriormente gerado em uma máquina operando um ciclo revertido, um refrigerador, permitindo assim que o calor rejeitado na fonte fria retorne à fonte quente, criando-se assim uma volta ao estado original do universo ( OLIVEIRA e DECHOUM, 2003, p. 360).
Complementando Oliveira e Dechoum (2003), Rezende (2011) destaca que
as máquinas térmicas são dispositivos criados pelo homem para transformar o calor,
produzido a partir de uma fonte quente, em energia mecânica utilizável, ou seja,
geram trabalho. Essas máquinas utilizam a energia do vapor d’água ou da mistura
gasosa produzida pela combustão de certos materiais combustíveis ou a energia
térmica de outras fontes, gerando um regime contínuo de trabalho mecânico.
Para Mukai e Fernandes (2011), uma máquina térmica é um sistema
termodinâmico que funciona entre dois reservatórios com diferentes temperaturas.
Esse sistema retira calor do reservatório de maior temperatura (Tq), realiza trabalho
e rejeita o restante do calor para o reservatório de menor temperatura (Tf), operando
em ciclos.
As Figuras 1 e 2 a seguir destacam o esquema fundamental de uma
máquina térmica: um reservatório quente fornece calor à máquina, e o calor rejeitado
pelo sistema é recebido por um reservatório frio.
Figura 1: Esquema fundamental de uma máquina térmica.
Fonte: Mukai e Fernandes (2011).
Figura 2: Esquema fundamental de uma máquina térmica.
Fonte: Adaptado de Colli (2009).
2.3.1 TIPOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS
Para Cassiano (2011), as máquinas térmicas se classificam em:
Máquinas alternativas: o trabalho útil resulta do movimento
alternativo de um êmbolo (máquina a vapor, motores alternativos
de combustão interna a gasolina, a gasóleo, etc.).
Máquinas rotativas: a expansão dos gases provoca o movimento
rotativo dos elementos mecânicos (motores rotativos Wankel,
turbinas a vapor, turbinas a gás, etc.).
Motores a jato: o trabalho útil resulta do impulso gerado por um
gás a alta velocidade (motores de foguetes, etc.).
Motores de combustão interna (endotérmicos): são aqueles para
os quais o trabalho é produzido pelo gás resultante da
combustão intermitente e contínua.
Motores de combustão externa: o calor é transmitido ao fluido
ativo por permutadores de calor, que transporta ao interior do
motor.
2.3.1.1 TURBINAS A VAPOR
Silva (2009) destaca que as turbinas a vapor são máquinas de combustão
externa. Os gases resultantes da queima do combustível não entram em contato
com o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os processos de
conversão da energia do combustível em potência de eixo. Por esta maneira,
apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo
usar inclusive aqueles que deixam resíduos sólidos (cinzas) durante a queima.
Com relação ao trabalho mecânico realizado pela máquina, destaca-se o
seguinte:
[…] pode ser o acionamento de um equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador elétrico. Ainda, a energia não utilizada, que permanece no vapor descarregado pela máquina, é, um muitos casos, simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador. Porém, é possível aproveitar o vapor descarregado pela máquina para fins de aquecimento, aproveitando, assim, suas energias residuais, melhorando, de maneira significativa o rendimento global do ciclo (SILVA, 2009, p. 18).
2.3.1.2 TURBINAS A GÁS
As turbinas a gás são máquinas pertencentes ao grupo de motores de
combustão interna e sua faixa de operação vai desde pequenas potências até
grandes potências. Elas possuem a vantagem de ter pequeno peso e volume além
de ocuparem pouco espaço em relação às outras máquinas térmicas. Devido a
esses fatores e a sua versatilidade, seu uso está em considerável crescimento nos
últimos anos. Ainda, possuem uma vantagem quando comparadas aos motores
alternativos devido a não haver movimentos alternativos, diminuindo, assim, o atrito
entre superfícies sólidas como a que ocorre entre as camisas dos cilindros e pistões
(SILVA, 2009).
Quando comparadas com as turbinas a vapor, estas possuem a vantagem
de não necessitar de fluido refrigerante, facilitando sua instalação. Porém, dentre as
principais desvantagens, observa-se o baixo rendimento e a alta rotação, fatores
desfavoráveis no caso de aplicação industrial (SILVA, 2009).
2.3.1.3 CALDEIRAS
Caldeira é um trocador de calor complexo que produz vapor de água sob
pressões superiores a atmosférica a partir da energia térmica de um combustível e
de um elemento comburente, ar, estando constituído por diversos equipamentos
associados e perfeitamente integrados para permitir a obtenção do maior rendimento
térmico possível (GOULART e BARBERINO, 2003).
Segundo Silva (2009), a caldeira é um aparelho térmico que produz vapor a
partir do aquecimento de um fluido vaporizante. Entre elas temos:
Caldeiras de vapor: são os geradores de vapor mais simples,
queimam algum tipo de combustível como fonte geradora de
calor.
Caldeiras de recuperação: são os geradores que não utilizam
combustível como fonte geradora de calor, aproveitando o calor
residual de processos industriais (gás de alto forno, de turbinas,
etc.).
Caldeiras de água quente: são aqueles em que o fluido não
vaporiza, sendo o mesmo aproveitado em fase líquida (como em
calefação e processos químicos).
Geradores reatores nucleares: são aqueles que produzem vapor
utilizando como fonte de calor a energia liberado por
combustíveis nucleares (urânio enriquecido).
2.3.1.4 MOTORES ALTERNATIVOS
Silva (2009) destaca que o motor alternativo é, dentre as máquinas térmicas
conhecidas para a geração de eletricidade, a que melhor converte a energia contida
em combustíveis líquidos e gasosos em potência mecânica. Atualmente, esses
equipamentos apresentam um alto desempenho elétrico, térmico e baixo nível de
emissões utilizando sistemas de controle e geração elétricos totalmente integrados.
2.4 CICLOS TERMODINÂMICOS
Uma máquina térmica executa etapas que se repetem periodicamente, ou
seja, executa uma série de transformações que farão o sistema retornar ao estado
inicial. Dizemos que uma máquina térmica funciona em ciclos. Se o ciclo é formado
apenas por transformações reversíveis, trata-se de um ciclo reversível (MICHILENA
e MORS, 2008).
Porto (2007) considera que o ciclo termodinâmico é quando um sistema,
num estado, passa por vários processos e retorna ao estado inicial.
Ainda, no que se refere ao ciclo termodinâmico, temos que:
Definido o estado de um sistema, quando alguma de suas propriedades sofre alteração levando o sistema a outro estado definido, dizemos que ocorreu um processo. Quando a alteração dessas propriedades ocorre de modo que ao final da sucessão desses processos, o sistema volta ao mesmo estado inicial, chama-se de Ciclo Termodinâmico (LUIZ, 2007, p. 26).
Ainda, de acordo com Luiz (2007, p. 26), temos que:
O ciclo de compressão de vapor em que a bomba de calor opera está fundamentada pela contínua mudança das propriedades físicas do fluido refrigerante, através de um ciclo que se aproxima do ciclo de Rankine invertido, onde o processo de expansão isoentrópica é substituído por um processo de expansão isoentálpico. Essa mudança justifica-se pelo fato de que o processo de expansão ocorre na região de líquido ou de mistura com baixo título, consequentemente baixo volume específico, o que resulta em reduzida quantidade de trabalho obtido (LUIZ, 2007, p. 26).
2.4.1 CICLO DE CARNOT
Independentemente da substância de trabalho, o ciclo de Carnot, como
destaca Porto (2007) e Luiz (2007), tem sempre 4 processos básicos. Este ciclo
consiste em duas transformações isotérmicas intercaladas com duas transformações
adiabáticas, todas elas reversíveis, sendo o ciclo também reversível. São eles:
Um processo isotérmico reversível, no qual o calor é transferido
do reservatório de alta temperatura para o sistema (ou para o
contrário, isto é, como o processo é reversível, poderia estar
sendo transferido calor do sistema para o reservatório de alta
temperatura).
Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura de
fluido de trabalho diminui desde a do reservatório em alta
temperatura até a do outro reservatório.
Um processo isotérmico reversível, no qual calor é transferido
para o reservatório de baixa temperatura (ou transferido do
reservatório de baixa temperatura).
Um processo adiabático reversível, no qual a temperatura do
fluido de trabalho aumenta desde a do reservatório de baixa
temperatura até o de alta.
A seguir, a Figura 3 ilustra o funcionamento de um motor segundo o ciclo de
Carnot.
Figura 3: Motor operando conforme o ciclo de Carnot.
Fonte: Porto (2007).
2.4.2 CICLO RANKINE
Com relação ao ciclo Rankine, observa-se que o mesmo
[...] utiliza o calor da queima dos combustíveis para aquecer água em convertê-la em vapor. A energia térmica contida no vapor é transformada em trabalho mecânico através de uma turbina. A queima do combustível e a transferência do calor resultante para a produção de vapor ocorrem normalmente em uma caldeira, que pode ser projetada para a utilização de diversos tipos de combustíveis, tais como: carvão mineral, óleo combustível, óleo diesel, gás natural, bagaço de cana, dentre outros (MEDEIROS, 2003, p. 12).
Segundo Rezende (2011), esse ciclo é basicamente uma adaptação do ciclo
de Carnot. É o mais usado em usinas termelétricas e nucleares. Tem como fluido
operante a água, que passa à fase de vapor quando aquecida em uma caldeira,
gerando, dessa forma, trabalho. Outros líquidos podem ser usados, mas a água é o
mais comum
A Figura 4, a seguir, destaca um diagrama simplificado do ciclo de Rankine,
onde, se observa a água sendo bombeada para uma caldeira (processo 1-2). A
caldeira é o local onde ocorre a queima do combustível e a troca de calor com a
água, que é convertida em vapor (processo 2-3). O vapor, que deixa a caldeira sob
alta pressão e temperatura média de 5600C, aciona a turbina (processo 3-4), que por
sua vez, aciona o gerador de eletricidade. Após passar pela turbina, o vapor é
encaminhado ao condensador, onde troca calor com uma fonte fria (processo 4-1),
retornando ao seu estado líquido para ser bombeado e novamente bombeado e
novamente utilizado no processo. Apesar do ciclo ser fechado, normalmente ocorre
uma adição de água, em pequenas quantidades, para suprir as perdas nos
processos.
Figura 4: Diagrama simplificado do ciclo Rankine.
Fonte: Medeiros (2003).
2.4.3 CICLO BRAYTON
Rezende (2011) destaca que o ciclo Brayton utiliza um gás contendo energia
térmica que se expande em uma turbina gerando trabalho. Este é um exemplo de
ciclo Brayton aberto, cujo conjunto é denominado “turbina a gás”, muito utilizadas em
aviões, na geração elétrica, no acionamento de compressores de processo e na
propulsão de navios. Nesse ciclo, o ar é admitido e ganha pressão em um
compressor e, em seguida, recebe energia pela queima de um combustível em uma
câmara de combustão, expandindo-se em uma turbina que, além de acionar o
compressor, disponibiliza trabalho externo. O gás que sai da turbina é descarregado
na atmosfera. Observe a seguir na Figura 5 o exemplo completo desse esquema.
Figura 5: Esquema do ciclo Brayton.
Fonte: Rezende (2011).
2.4.4 CICLO OTTO
De acordo com Silveira (2011), as máquinas à combustão interna do tipo
Otto, inventadas no final do século XIX, são compostas de no mínimo um cilindro,
contendo um êmbolo móvel (pistão) e diversas peças móveis. A figura 6 é uma
representação esquemática e simplificada das partes principais de uma máquina
Otto.
Figura 6: Partes principais de uma máquina térmica à combustão interna.
Fonte: Silveira (2011).
Destaca-se, ainda, na Figura 7, os quatro tempos de uma máquina térmica
do tipo Otto, onde a principal característica dessa máquina é a de na admissão (1º
tempo) aspirarem uma mistura gasosa de ar e combustível (gasolina, álcool, gás e
outro combustível). Depois que o cilindro está cheio com esta mistura, a válvula de
admissão, que estava aberta durante o 1º tempo, fecha-se; então a mistura de ar e
combustível sofre a compressão (2º tempo). A seguir uma centelha elétrica na vela
de ignição deflagra a explosão e, consequentemente, a expansão (3º tempo) da
mistura gasosa. Finalmente a válvula de escape abre-se, ocorrendo
simultaneamente a descarga da mistura gasosa para a atmosfera e a exaustão do
restante dos gases queimados (4º tempo).
Figura 7: Corte de uma motor do tipo Otto.
Fonte: Silveira (2011).
CAPÍTULO III
3.1 METODOLOGIA
XXXXXXXXXXXXXXX