Teoria Introdução Sistemas Termicos 2015 1

Unidade – 01

1. Engenharia de Sistemas Térmicos

1.1. Introdução

Sistemas térmicos é a parte da engenharia que estuda a forma pela qual a energia é gerada e utilizada na indústria, no transporte, nas residências e várias necessidades do dia a dia, em benefício da humanidade.

As necessidades de transporte são atendidas com vários tipos de motores tais como:

Motores de combustão interna utilizados em vários tipos de veículos – (Figura 01) Motores Turbojato utilizados nos aviões – (Figura 02) Motores híbridos automotivos utilizando combustíveis alternativos - (Figura 03)

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unilesteMGCENTRO UNIVERSITÁRIO DO LESTE DE MINAS GERAIS

Figura 01 – Motor de combustão interna utilizados nos veículos

Figura 02 – Motor turbojato utilizados nos aviões

No dia o dia da humanidade utiliza vários equipamentos que representam sistemas térmicos, tais como:

Forno e fogão utilizando fontes de energia diversas – (Figura 04) Sistema de aquecimento de água - (Figura 05) Sistema de frio industrial – (Figura 06) Dentre outros

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Figura 03 – Motores utilizando combustíveis alternativos

Figura 04 – Forno e fogão utilizando fontes de energia diversas

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Figura 05 – Sistemas de aquecimento de água utilizando fontes de energia diversas

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Figura 06 – Sistemas de frio industrial

As plantas podem ser consideradas uma máquina térmica, ou seja, as plantas retiram água e nutrientes através de suas raízes e o processo físico-químico a nível celular realizado pelos seres clorofilados envolvendo o oxigênio, o gás carbônico e a água na presença da energia do sol são denominados de fotossíntese e produz a glicose – (Figura 07).

Finalmente, o sistema cardiovascular e respiratório humano pode ser também considerado como uma máquina térmica. Este complexo sistema que envolve escoamento de fluido, transferência de calor tem a função de regular o fluxo de sangue e ar dentro de faixas estreitas necessárias para manter a vida. – (Figura 08)

1.2. Alternativas de geração de energia elétrica 1.2.1. Sistemas Térmicos de potência a vapor

Os sistemas térmicos de potencia a vapor são térmicos que operam num ciclo termodinâmico denominado de ciclo Rankine e utilizam basicamente o vapor como fluido de trabalho, utilizando quatro equipamentos principais, ou seja, caldeira, bomba, turbina e condensador.

A caldeira que tem a função de produzir vapor. O vapor produzido na caldeira é conduzido para a turbina que irá produzir um trabalho de eixo. Ao eixo da turbina é o gerador elétrico responsável pela geração da energia elétrica. Após sua passagem pela turbina o vapor saturado passa pelo condensador onde é condensado para permitir o bombeado de água pela bomba para a caldeira concluindo o ciclo Rankine.

A energia fornecida para a caldeira das usinas termoelétricas pode ter diferentes fontes, tais como: Energia da combustão de um combustível: Gás natural, óleo, lenha, carvão, etc. e/ou energia nuclear, energia solar, energia geotérmica, etc.

A figura 09 mostra o lay-out de uma instalação típica de potência a vapor. A figura 10 mostra exemplos de usinas termoelétricas utilizando fontes de energia alternativa.

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Figura 08 – Sistema cardiovascular e respiratório

Figura 07 – Fotossíntese

1.2.3. Sistemas Térmicos de potência a gás

Os sistemas térmicos de potencia a gás utilizado para geração de energia elétrica utilizam turbina a gás e operam segundo o ciclo termodinâmico denominado de ciclo Brayton, podendo trabalhar em ciclo aberto ou ciclo fechado. O ciclo aberto é mais comum, onde o ar atmosférico é continuamente arrastado para um compressor onde é comprimido até uma pressão mais elevada. O ar então entra em uma câmera de combustão, onde é misturado com o combustível, e a combustão ocorre, resultando em produtos de combustão a uma temperatura elevada. Os mesmos se expandem através da turbina e são, em seguida, descarregados nas vizinhanças. O trabalho de eixo produzido na turbina é transferido para um gerador elétrico gerando energia elétrica. A figura 11 a seguir mostra o ciclo Brayton aberto e esquema de funcionamento do ciclo.

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Figura 09 – Instalação típica de uma usina termoelétrica

Figura 10 – Usina termoelétrica com diferentes alternativa de fonte de energia

Carvão Nuclear

Solar Geotérmica

1.3. Outras soluções de geração de energia elétrica

O aproveitamento da energia potencial da água dos reservatórios das usinas hidroelétricas e sítios eólicos que utilizam a energia cinética dos ventos, ambos com a finalidade de produzir energia elétrica, não se enquadram na definição de uma máquina térmica mas são sistemas largamente utilizados em todo o mundo. A figura 12 e 13 mostram esquema usina hidroelétrica e um sitio eólico típico.

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Figura 11 – Esquema de operação do ciclo Brayton aberto

Figura 13 – Esquema de um sitio eólico

Figura 12 – Esquema de usina hidroelétrica

1.4. Disciplinas engenharia de sistemas térmicos

O estudo da disciplina sistemas térmicos necessita do conhecimento de três disciplinas de ciência térmica: Mecânica dos fluidos, termodinâmica e transferência de calor – (Figura 14).

A mecânica dos fluidos fornece as informações necessárias do comportamento dos fluidos em repouso e em movimento envolvendo os princípios da estática dos fluidos, conservação da quantidade de movimento e equação da energia.

A termodinâmica fornece a base para a análise dos sistemas térmicos através dos princípios de conservação de massa, primeira e segunda lei da termodinâmica.

A transferência de calor fornece informações sobre taxa de aquecimento e/ou resfriamento, bem como o comportamento da temperatura nestes processos, dados estes importantes para dimensionamento dos materiais e componentes dos sistemas térmicos.

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- Projeto- Operação- Manutenção- Dentre outros

ProcessosTérmicos

Engenharia de Sistemas Térmicos

TermodinâmicaTransferência de Calor

Mecânica dos Fluidos

- Condução- Convecção- Radiação

- Conservação de Massa- 2 Lei da Termodinâmica- Conservação de Energia- Propriedades

- Estática dos Fluídos- Conservação da Quantidade de Movimento- Equação de Conservação de Energia- Propriedades

Figura 14 – Interdependia das disciplinas base para estudo da Engenharia de Sistemas Térmicos

No disciplina sistemas térmicos iremos apresentar e discutir os processo e ciclos termodinâmicos envolvendo seguintes sistemas:

Ciclo de refrigeração por compressão a vapor Aplicações psicrométricas Ciclo de potencia a vapor para geração de energia elétrica Ciclo de potência a gás para geração de energia elétrica Utilização de unidades motoras com turbina a gás em aeronaves Motores de combustão interna Outras aplicações

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