apostila_mecanica

1

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO PARANÁ

UNIDADE DE PONTA GROSSA

DIVISÃO DE ENSINO

MÁQUINAS E APARELHOS

MECÂNICOS

PROFESSOR: IRAPUAN SANTOS

Ponta Grossa

1999

2

ÍNDICE

CAPÍTULO 1– PRINCÍPIOS BÁSICOS DE TERMODINÂMICA ....................................................................... 1

1.1 - CONVERSÃO DE UNIDADES ............................................................................................................................. 1

1.2 - CONCEITOS BÁSICOS DE TERMODINÂMICA ..................................................................................................... 2

1.2.1 Definições de Propriedades: ................................................................................................................. 4

1.3 - EXERCÍCIOS .................................................................................................................................................... 9

CAPÍTULO 2- TROCADORES DE CALOR ......................................................................................................... 15

2.1 - DEFINIÇÃO.................................................................................................................................................... 15

2.2 - CLASSIFICAÇÃO ............................................................................................................................................ 15

2.2.1 Trocadores de Calor de Aquecimento ................................................................................................. 15

2.2.2 Trocadores de Calor de Resfriamento ................................................................................................. 15

2.2.3 Intercambiadores de Calor .................................................................................................................. 15

2.3 - CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO SENTIDO DO FLUXO .......................................................................................... 16

2.3.1 Trocadores Paralelos .......................................................................................................................... 16

2.3.2 Trocadores de Contracorrente ............................................................................................................ 16

2.4 - TROCADORES DE TAMPA FLUTUANTE .......................................................................................................... 18

2.5 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ................................................................................................................... 19

2.6 - ESPAÇAMENTO DOS TUBOS .......................................................................................................................... 19

2.7 - BALANÇO ENERGÉTICO ................................................................................................................................ 20

2.8 - MATERIAIS EMPREGADOS NOS TROCADORES DE CALOR .............................................................................. 20

2.9 - EXERCÍCIOS .................................................................................................................................................. 21

CAPÍTULO 3- GERADORES DE VAPOR ............................................................................................................ 23

3.1 - DEFINIÇÃO E HISTÓRICO ............................................................................................................................... 23

3.2 - APLICAÇÕES ................................................................................................................................................. 23

3.3 - COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS ......................................................................................................................... 23

3.4 - CLASSIFICAÇÃO ............................................................................................................................................ 24

3.5 - COMPONENTES DE GERADORES DE VAPOR .................................................................................................. 25

3.6 - FUNCIONAMENTO DE UMA CALDEIRA ........................................................................................................... 25

3.7 - FORNALHAS .................................................................................................................................................. 26

3.7.1 Fornalha de Queima em Suspensão .................................................................................................... 27

3.7.2 Fornalha de Queima em Grelha .......................................................................................................... 27

3.7.3 Queima em Leito Fluidizado ............................................................................................................... 28

3.8 - CALDEIRA AQUOTUBULAR ........................................................................................................................... 28

3.9 - CALDEIRA FLAMOTUBULAR.......................................................................................................................... 30

3.10 - CALDEIRAS ELÉTRICAS ............................................................................................................................. 31

3.11 - SUPERAQUECEDOR ................................................................................................................................... 31

3.12 - ECONOMIZADOR ....................................................................................................................................... 32

3.13 - AQUECEDOR DE AR................................................................................................................................... 32

3.14 - EXERCÍCIOS .............................................................................................................................................. 33

CAPÍTULO 4- COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO ............................................................................................. 35

4.1 - COMBUSTÍVEIS ............................................................................................................................................. 35

4.1.1 Definição ............................................................................................................................................. 35

4.2 - CLASSIFICAÇÃO ............................................................................................................................................ 35

4.2.1 Quanto à fase: ..................................................................................................................................... 35

4.2.2 Quanto à origem: ................................................................................................................................ 35

4.3 - COMPOSIÇÃO BÁSICA DO COMBUSTÍVEIS ..................................................................................................... 36

4.4 - COMBUSTÃO................................................................................................................................................. 39

4.5 - EXERCÍCIOS .................................................................................................................................................. 43

CAPÍTULO 5- BOMBAS HIDRÁULICAS ............................................................................................................ 45

5.1 - DEFINIÇÃO.................................................................................................................................................... 45

5.2 - APLICAÇÃO .................................................................................................................................................. 45

5.3 - CLASSIFICAÇÃO ............................................................................................................................................ 45

3


5.4.1 Bombas Centrífugas............................................................................................................................. 46

5.4.2 Bombas Regenerativas ........................................................................................................................ 46

5.4.3 Bombas Alternativas ............................................................................................................................ 46

5.4.4 Bombas Rotativas ................................................................................................................................ 46

5.4.5 Carneiro Hidráulico ............................................................................................................................ 46

5.5 - BOMBAS CENTRÍFUGAS ................................................................................................................................ 47

5.5.1 Vantagens ............................................................................................................................................ 47

5.5.2 Desvantagens ....................................................................................................................................... 47

5.5.3 Classificação ....................................................................................................................................... 47

5.5.4 Elementos Mecânicos Básicos ............................................................................................................. 48

5.5.5 Funcionamento .................................................................................................................................... 48

5.5.6 Partes Componentes ............................................................................................................................ 48

5.6 - ESCORVA ...................................................................................................................................................... 53

5.7 - PROPRIEDADES DA ÁGUA .............................................................................................................................. 53

5.8 - CARGA E SUCÇÃO ......................................................................................................................................... 54

5.8.1 Carga Estática ..................................................................................................................................... 54

5.8.2 Sucção Estática ................................................................................................................................... 54

5.8.3 Carga Dinâmica .................................................................................................................................. 54

5.8.4 Sucção Dinâmica ................................................................................................................................. 55

5.9 - COLUNA TOTAL ............................................................................................................................................ 55

5.9.1 Coluna Estática Total .......................................................................................................................... 55

5.9.2 Coluna Dinâmica Total ....................................................................................................................... 55

5.10 - CÁLCULO DA PERDA DE CARGA POR ATRITO EM REDES .......................................................................... 55

5.11 - DIMENSIONAMENTO DE ENCANAMENTOS DE RECALQUE .......................................................................... 56

5.12 - DIMENSIONAMENTO DE ENCANAMENTOS DE SUCÇÃO.............................................................................. 56

5.13 - CÁLCULO DA POTÊNCIA DA BOMBA ......................................................................................................... 58

5.14 - EXERCÍCIOS .............................................................................................................................................. 58

CAPÍTULO 6- COMPRESSORES .......................................................................................................................... 60

6.1 - COMPRESSÃO DO AR ..................................................................................................................................... 60

6.1.1 Processo isobárico .............................................................................................................................. 60

6.1.2 Processo isométrico ............................................................................................................................. 60

6.1.3 Processo isotérmico ............................................................................................................................. 61

6.1.4 Processo adiabático ............................................................................................................................ 61

6.1.5 Processo politrópico ............................................................................................................................ 62

6.2 - COMPRESSÃO POR ESTÁGIOS ........................................................................................................................ 62

6.3 - COMPRESSORES ............................................................................................................................................ 63

6.3.1 Definição ............................................................................................................................................. 63

6.3.2 Classificação quanto ao princípio de trabalho ................................................................................... 63

6.3.3 Classificação quanto à aplicação ........................................................................................................ 64

6.4 - TIPOS FUNDAMENTAIS DE COMPRESSORES ................................................................................................... 64

6.4.1 Compressores de deslocamento dinâmico ........................................................................................... 64

6.4.2 Compressores de deslocamento positivo rotativos .............................................................................. 66

Compressores de deslocamento positivo alternativos ......................................................................................... 69

6.5 - CARACTERÍSTICAS DE COMPRESSORES ALTERNATIVOS DE PISTÃO ................................................................ 72

6.5.1 Ciclo ideal ........................................................................................................................................... 72

6.5.2 Ciclo real ............................................................................................................................................. 73

6.6 - COMPONENTES DE UM COMPRESSOR ALTERNATIVO ..................................................................................... 73

6.6.1 Cilindro................................................................................................................................................ 73

6.6.2 Cabeçote .............................................................................................................................................. 73

6.6.3 Válvulas de sucção e descarga. ........................................................................................................... 74

6.6.4 Pistão ................................................................................................................................................... 74

6.6.5 Biela ..................................................................................................................................................... 74

6.6.6 Eixo de manivelas ................................................................................................................................ 75

6.7 - CÁLCULO DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS ......................................................................................................... 75

6.8 - EXERCÍCIOS .................................................................................................................................................. 78

CAPÍTULO 7- SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO E CONDICIONAMENTO DE AR ................................... 80

4

7.1 - AR CONDICIONADO ...................................................................................................................................... 80

7.1.1 Ciclo do Ar........................................................................................................................................... 81

7.1.2 Componentes de um ciclo de ar condicionado: ................................................................................... 81

7.1.3 Operação do sistema de ar condicionado no inverno ......................................................................... 82

7.1.4 Operação do sistema de ar condicionado no verão ............................................................................ 83

7.1.5 Cargas térmicas em sistemas de ar condicionado ............................................................................... 83

7.2 - REFRIGERAÇÃO ............................................................................................................................................ 84

7.2.1 Componentes principais do ciclo de refrigeração ............................................................................... 84

7.2.2 Descrição do ciclo de refrigeração ..................................................................................................... 86

7.2.3 Refrigerantes ....................................................................................................................................... 87

7.2.4 Isolantes ............................................................................................................................................... 88

7.2.5 Cálculo da carga de refrigeração ....................................................................................................... 89

7.3 - EXERCÍCIOS .................................................................................................................................................. 91

CAPÍTULO 8- MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA .................................................................................. 93

8.1 - DEFINIÇÃO.................................................................................................................................................... 93

8.2 - PARTES COMPONENTES ................................................................................................................................ 93

8.2.1 Peças Fixas .......................................................................................................................................... 93

8.2.2 Partes Móveis ...................................................................................................................................... 93

8.3 - MOTOR BÁSICO ............................................................................................................................................ 95


8.4.1 Motor de Inflamação por Centelha ..................................................................................................... 96

8.4.2 Comparação entre os Ciclos Mecânicos a 2 Tempos e os Ciclos a 4 Tempos .................................... 98

8.4.3 Motor de Inflação por Compressão ..................................................................................................... 99

8.5 - TERMINOLOGIA PADRÃO ............................................................................................................................ 100

8.6 - ENERGIA EM UM MOTOR ............................................................................................................................ 100

8.7 - POTÊNCIA DOS MOTORES ........................................................................................................................... 102

8.7.1 Potência Indicada .............................................................................................................................. 102

8.7.2 Potência Efetiva ................................................................................................................................. 103

8.8 - CONJUGADO MOTOR .................................................................................................................................. 104

APÊNDICE..................................................................................................................... ...........................................10

4

1

Capítulo 1 – Princípios Básicos de Termodinâmica

1.1 - Conversão de unidades Sistemas de unidades existentes: SI, CGS, Técnico métrico e Técnico inglês.

Unidades Básicas do SI

Comprimento metro m

Massa quilograma Kg

Tempo segundo s

Corrente Elétrica Ampère A

Temperatura Termodinâmica Kelvin K

Quantidade de Substância mol mol

Intensidade Luminosa candela cd

Unidades derivadas de interesse:

Energia, Trabalho e Calor Joule J N.m

Pressão Pascal Pa N/m2

Potência Watt W J/s

Força Newton N Kg.m/s2

Prefixos: 10

1 - deca da 10

-1 - deci d

102 - hecto h 10

-2 - centi c

103 - quilo k 10

-3 - mili m

106 - mega M 10

-6 - micro µ

109 - giga G 10

-9 - nano n

1012

- tera T 10-12

- pico p 10

15 - peta P 10

-15 - femto f

1018

- exa E 10-18

- atto a

Conversões:

Comprimento: 1 in = 25,4 mm (polegada) 1 mi = 1609 m (milha) 1 ft = 0,3048 m (pé) 1 A = 10

-10 m (Angstron)

Volume 1 l = 1000 cm

3

Massa 1 slug = 14,59 kg 1 u.m.a. = 1,660 x 10

-27 kg

Força 1 dyn = 10

-5 N

1 lb = 4,448 N (libra) 1 kgf = 9,807 N

2

Pressão 1 atm = 1,013 x 10

5 Pa = 760 mmHg

1 bar = 105 Pa

1 lb/in2 = 6,895 x 10

3 Pa

Energia, trabalho e Calor 1 Btu = 1055 J 1 erg = 10

-7 J

1 caloria = 4,186 J 1 kWh = 3,6 x 10

6 J

Potência 1 kW = 1000 W 1 HP = 745,7 W 1 CV = 735 W 1 cal/s = 4,186 W

1.2 - Conceitos Básicos de Termodinâmica

DEFINIÇÃO DE TERMODINÂMICA - É a ciência que trata do calor e do trabalho, e das propriedades das substâncias relacionadas ao calor e ao trabalho. A termodinâmica é baseada em leis experimentais [01].

SISTEMA TERMODINÂMICO - Quantidade de matéria de massa e identidade fixas, sobre a qual nossa atenção é dirigida. O que existe externamente ao sistema é chamado vizinhança ou exterior , e o sistema é separado da vizinhança por meio de fronteiras. Sistemas abertos possuem trânsito de massa. Sistemas fechados não possuem trânsito de massa.[01]

[01]

VOLUME DE CONTROLE - É um sistema termodinâmico não isolado, isto é, um sistema termodinâmico onde algum tipo de energia pode passar por sua fronteira, denominada superfície de controle.[01]

3

[01]

FASE DE UMA SUBSTÂNCIA - Quantidade de matéria totalmente homogênea. Em cada fase, a substância pode existir em várias pressões e temperaturas, ou em vários estados.[01]

[03]

ESTADO DE UMA SUBSTÂNCIA - O estado de uma substância pode ser descrito por certas propriedades macroscópicas observáveis, como temperatura, pressão e densidade. O valor destas propriedades para um determinado estado de uma determinada substância é sempre o mesmo.[01]

PROCESSO - É o caminho definido por uma sucessão de estados.[01] A maneira como se dá uma variação de estado de uma substância.[03]

Vários processos se dão com uma propriedade permanecendo constante. O prefixo ISO é utilizado nestes casos.[01]

ISOTÉRMICO - Processo a temperatura constante.

ISOBÁRICO - Processo a pressão constante.

ISOMÉTRICO - Processo a volume constante.[01]

CICLO - Processo onde as propriedades da substância voltam a seus valores iniciais, isto é, a substância volta a seu estado inicial depois de modificado.[03]

4

1.2.1 DEFINIÇÕES DE PROPRIEDADES:

VOLUME ESPECÍFICO[01]

v V m / (m3 / kg) [01]

MASSA ESPECÍFICA[01]

m V v/ /1 (kg/m3) [02]

DENSIDADE[01]

dv

vpadrão

padrão

[03]

PRESSÃO[01] A pressão pode ser definida como uma força aplicada a uma

superfície.[01]

P F A / (N/m2) [04]

Pabsoluta - Patmosférica = Pmanométrica

A pressão atmosférica é medida pelo barômetro e a pressão

manométrica pelo manômetro.[03]

TEMPERATURA É a propriedade que caracteriza a existência e o sentido do fluxo de

calor.[03]

LEI ZERO DA TERMODINÂMICA “ Se A está em equilíbrio térmico com B e B está em equilíbrio térmico

com C, então A está em equilíbrio térmico com C.”[01]

ESCALAS DE TEMPERATURA[01]

Celsius C

Fahrenheit F Kelvin K

Rankine R

K Co 27315, [05]

o oC F 5

932( ) [06]

o oR F 460 [07]

5

SUBSTÂNCIA PURA É aquela que tem composição química invariável e homogênea. Pode

existir em mais de uma fase. Às vezes uma mistura de gases, tal como o ar, é considerada uma substância pura, se não houver mudança de fase.[01]

EQUILÍBRIO DE FASES DE UMA SUBSTÂNCIA PURA

Desenho de transformação gás vapor [01]

DIAGRAMA T-v

Diagrama T-v para a água.[01]

GRAU DE SUPERAQUECIMENTO Diferença de temperatura entre o vapor superaquecido e o vapor

saturado.

EQUAÇÃO DE ESTADO PARA SUBSTÂNCIAS SIMPLES COMPRESSÍVEIS (Gás Ideal)

Gás ideal é aquele que tem o mesmo comportamento em qualquer condição.

KPV

T constante (Lei de Charles - Gay Lussac) [08]

. N

a

b c

d

v

T a – estado inicial

a-b – líquido sub-resfriado

b – líquido saturado

b-c – líquido-vapor

c – vapor saturado

c-d – vapor superaquecido

N – ponto crítico da água

T = 374 oC

P = 225,4 kgf/cm2

v = 0,0032 m3/kg

6

PV nRT [09]

onde n = número de moles

R = 8,314 J/mol K (constante universal dos gases)

ENERGIA CINÉTICA Energia armazenada em virtude do movimento relativo dos corpos que o

compõe.[03]

Kmv

2

2 [10]

ENERGIA POTENCIAL[03]

U mgh [11]

TRABALHO[03] Força aplicada a uma distância.

W F x [12]

O trabalho realizado por um sistema é considerado positivo, e o trabalho

realizado sobre um sistema é considerado negativo.

CALOR (Q) Forma de energia transferida através da fronteira de um sistema, numa

determinada temperatura, a um outro sistema (ou meio), numa temperatura inferior, em virtude da diferença de temperatura entre eles.

Um processo no qual não haja troca de calor é chamado processo adiabático.[01]

CAPACIDADE TÉRMICA Quociente entre a quantidade de calor fornecida a um corpo e o

correspondente acréscimo de temperatura.[02]

CdQ

dT [13]

CALOR ESPECÍFICO Capacidade térmica por unidade de massa de um corpo.[02]

7

c

C

m m

dQ

dT

1 [14]

CALOR TRANSFERIDO A UM CORPO[02]

Q m c T [15] Q m L [16]

TRABALHO DE UM GÁS[02]

W P dv P Vv

v

i

f

[17]

PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA[01]

1 2 2 1

2

2

1

2

2 1

1 22

Q U Um V V

g

m g h h

gW

c c

( ) ( ) [18]

U Q W [19]

VARIAÇÃO DA ENERGIA = ENERGIA QUE ENTRA - ENERGIA QUE SAI

Num processo adiabático teríamos:[02]

U W [20]

TRANSFORMAÇÕES REVERSÍVEIS E IRREVERSÍVEIS

SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Segundo a 1

a lei da termodinâmica, um lago poderia congelar num dia

quente de verão cedendo calor ao ambiente. Contudo, isso não ocorre. A 2a

lei da termodinâmica trata da questão de saber se as transformações, supostamente consistentes com 1

a lei, ocorrem ou não na natureza.[02]

P

v .

. P

v .

. 1 1

2 2

Compressão Instantânea

(Irreversível)

Compressão Lenta

(Reversível)

8

Segundo Clausius, a 2a lei da termodinâmica pode ser entendida

como sendo:

“É impossível a qualquer máquina cíclica produzir como único efeito a transmissão contínua de calor de um corpo a outro que esteja a maior temperatura.”[02]

MÁQUINA TÉRMICA É um sistema que, funcionando cíclica e continuamente, só troca calor e

trabalho com o exterior.[03] Também pode ser definida como um dispositivo que, operando segundo

um ciclo termodinâmico, realiza um trabalho líquido positivo à custa de transferência de calor de um corpo em temperatura elevada para um corpo em temperatura baixa.[01]

Esquema de máquina térmica[03]

W

Q1

(rendimento de uma máquina térmica) [21]

M W

T1

T2

Q1

Q2

Corpo em alta temperatura

Corpo em baixa temperatura

QH QL

9

Esquema de motor térmico elementar[01]

Esquema de motor térmico de regime permanente[01]

1.3 - Exercícios

1. A velocidade da luz no vácuo é de 300.000 km/s. Se multiplicarmos este valor por um ano, obteremos uma unidade chamada ano-luz, que é medida de: ( ) Velocidade ( ) Potência ( ) Comprimento ( ) Força ( ) Valor adimensional

2. No seguinte processo:

Pode-se afirmar que: ( ) O processo é isobárico ( ) O processo é isotérmico ( ) O processo é isométrico ( ) Existe mudança de fase ( ) Existe mudança de estado ( ) É um processo cíclico

3. O que quer dizer processo adiabático?

Gerador de Vapor

Bomba Turbina

Condensador

Trabalho

QL

Q

H

Fronteira

10

4. No diagrama T-V abaixo:

Que fases são encontradas em: a-b: b: b-c: c: c-d:

Que tipo de processo representa a linha a-b-c-d? Como se chama o ponto N?

5. A constante universal dos gases no SI vale R = 8,314 Kmol

J

. Sabendo que a

unidade no sistema técnico inglês é Rlbmol

ftlbfo

. Calcule o valor de R nesse sistema.

Mostre o desenvolvimento.(1 mol = 10-3

kg.mol)

6. Considerando o peso do êmbolo nulo, e sendo M = 5 kg, h = 10 cm, calcule o trabalho realizado pelo gás, se nenhum calor foi perdido para o ambiente.

7. Calcule o trabalho do gás. Equação da curva 3-4 : Equação da curva 1-2:

x dxx

m

m

m

1

1

P V V 2 7 3 152, ,

.N

a

b c

d

v

T

P V V 20 29 10 32 ,

11

8. Um tanque contendo fluido é agitado por uma roda de pás. O trabalho aplicado à

roda de pás é de 1280 kcal. O calor transferido do tanque é de 378 kcal. Considerando o tanque e o fluido como sistema, determinar a variação da energia interna do sistema.

1 2 2 1

2

2

1

2

2 1 1 22Q U U

m V Vm g h h W

9. A camada limite é a região adjacente à superfície sólida na qual as forças de

viscosidade são importantes. A espessura de perturbação da camada limite () é usualmente definida como sendo a distância entre a superfície e o ponto em que a velocidade é cerca de 99% da corrente livre e sua fórmula é:

Sendo que U é a velocidade de corrente livre, u a velocidade no ponto e y a altura,

qual a unidade de no SI?

10.A constante gc no sistema técnico inglês vale 32,2 2slbf

lbft

. Quanto valeria em

2minN

kgm

? Mostre o desenvolvimento

11.Lincoln resolveu ir ao CEFET para fazer a prova de máquinas e aparelhos

mecânicos de bicicleta. Chegando ao local da dita ficou sabendo que, devido a um lamentável erro de correção do professor, já havia passado na matéria e não precisava fazer a prova. Decidiu descer o morro, mas antes de terminar a descida (a 10 m de altura), encontrou uma menina do curso de Alimentos à qual resolveu atacar com uma cantada grotesca. Considerando como instante inicial o início da subida do morro, sendo o peso da bicicleta 15 kg, o de Roberto 85 kg, a altura do morro 40 m, e como instante final o instante em que ele parou p/ conversar com a mina, calcule o trabalho total realizado por Roberto.

12.Para o gráfico P-V abaixo:

Calcule as equações das curvas 1-2 e 3-4 (polinomiais).

Calcule por integração o valor do trabalho de cada curva.

Calcule o valor total do trabalho realizado.

( )1

0

u

Udy

12

13.Qual o valor do trabalho realizado pelo gás no gráfico abaixo? Note que o trabalho é

positivo.

Acirculo+ = R

2

14.O que quer dizer processo cíclico? 15.Considerando o peso do êmbolo nulo, e sendo M = 5 kg, h = 10 cm, calcule o

trabalho total realizado pelo gás. 16.Para o gráfico P-V abaixo: a) Calcule as equações das curvas 1-2 e 3-4 (polinomiais). b) Calcule por integração o valor do trabalho de cada curva. c) Calcule o valor total do trabalho realizado.

x dxx

m

m

m

1

1

13

17.Qual o valor do trabalho realizado pelo gás no gráfico abaixo? Note que o trabalho é

positivo.

18.Assinale a alternativa correta:

( ) A vizinhança não tem influência sobre o sistema. ( ) No volume de controle, a energia não pode passar pela fronteira. ( ) Sistemas abertos têm trânsito de massa. ( ) O ar sempre pode ser considerado uma substância pura. ( ) Mudando-se a temperatura de uma substância, muda-se necessariamente seu

estado. ( ) Processo adiabático ocorre sem variação de pressão. ( ) O trabalho realizado sobre um sistema é considerado negativo.

19.Se a densidade do concreto é aproximadamente 3,5, calcule a diferença de peso de

um carro com o porta-malas cheio de água e cheio de concreto. Considere que o volume total do porta-malas é de 450 l.

20.Se uma determinada constante vale 50,2 slugBtuR

barkmolo

. Qual seria seu valor em

kgcalK

mmHgmollb

?

21.Sobre o que versa a 2

a lei da termodinâmica?

22.O que quer dizer a 1

a lei da termodinâmica?

x dxx

m

m

m

1

1

15

Capítulo 2 - Trocadores de Calor

2.1 - Definição

É um equipamento onde dois fluidos, com temperaturas diferentes trocam calor através de uma interface metálica.

2.2 - Classificação Os trocadores de calor classificam-se de acordo com o fim a que se destinam, que seja :

2.2.1 Trocadores de Calor de Aquecimento

a) Aquecedor - Quando aquece fluido de um processo por meio de vapor d’água ou outro meio qualquer. b) Refervedor - Quando vaporiza um líquido por meio de vapor d’água ou outro fluido quente. c) Gerador de vapor - Quando gera vapor d’água aproveitando calor de um líquido quente.

2.2.2 Trocadores de Calor de Resfriamento

a) Resfriador - Quando resfria fluidos usando água como meio de resfriamento. b) Condensador - Quando condensa um fluido usando água como fluido refrigerante. c) Caixa resfriadora - Quando resfria líquido, passando numa grande serpentina disposta dentro de um reservatório de água.

2.2.3 Intercambiadores de Calor

Quando há troca de calor entre fluidos de um mesmo processo. Executa dupla função : aquece um fluido usando outro fluido mais quente que o resfria. Não há perdas de calor transferido.

16

2.3 - Classificação quanto ao sentido do fluxo

2.3.1 Trocadores Paralelos

Os dois fluidos percorrem o trocador na mesma direção.

2.3.2 Trocadores de Contracorrente

Os dois fluidos percorrem o interior do trocador de calor em direções opostas.

Normalmente o de contracorrente é o mais utilizado, por apresentar melhor rendimento. Os perfis de temperatura abaixo ilustram o comportamento das temperaturas dos fluidos ao longo do trocador correspondente.

Fluxo Frio

Fluxo

Quente

Fluxo Frio

Fluxo

Quente

17

No fluxo contracorrente a temperatura do fluido quente tende a ficar abaixo da maior temperatura do fluido frio, o que já não acontece com o de fluxo paralelo. O trocador de calor apresentado anteriormente, apresenta uma passagem nos tubos. É comum, porém, encontrarem-se trocadores que apresentam várias passagens nos tubos, possuindo divisões nos carretéis que encaminham o fluido dentro dos tubos, formando os passes.

Nos trocadores de espelhos fixos o lado externo dos tubos é inacessível à limpeza mecânica e inspeção, sendo utilizados apenas quando o fluido do lado do casco é limpo e não há problemas de corrosão. A principal vantagem do trocador de calor com mais um passe, é claro, o melhor rendimento do equipamento, isto por que com mais de um passe consegue-se uma maior velocidade do fluido (maior vazão). Os problemas de expansão são extremamente críticos nos trocadores de calor de espelhos fixos, uma vez que ambas as passagens, assim como a própria carcaça, tendem a se expandir de maneira diferente e produzir tensões sobre os

T2

t1

T1

t2

Contracorrente

t1

t2

T1

T2

Paralelo

T2

t2 T1

t1

18

espelhos fixos. A fim de evitar tal inconveniente, são instaladas juntas de expansão nas carcaças.

2.4 - Trocadores de Tampa Flutuante Consiste de um trocador de calor de feixe removível. De um lado, o feixe tem espelho fixo parafusado entre os flanges do carretel e do casco. Do outro lado, o espelho flutuante é fixado entre a tampa flutuante e um anel bipartido. O casco é fechado por meio da tampa do casco. A remoção do carretel, tampa do casco e a tampa flutuante permite a retirada do feixe pelo lado do espelho estacionário. Este tipo de permutador permite limpeza mecânica e inspeção do lado externo dos tubos, já que o feixe pode ser removido, bem como não apresenta dificuldades decorrentes de dilatações diferenciais entre o feixe tubular e o casco.

1

2

2

3 6

7

4 5

T1

Fluido quente

t1

Fluido frio T2

t2

19

1. CASCO - Parte externa central do trocador.

2. CARRETÉIS E TAMPAS - São as partes externas extremas do trocador

3. FEIXE TUBULAR - Conjunto de tubos fixos aos espelhos os que mantém em posição.

4. CHICANAS - Responsáveis por manter os tubos em posição, evitando que sofram esforços de flexão.

5. ESPAÇADORES - Mantém o conjunto de chicanas em posição.

6. ESPELHOS.

7. TAMPA DO CARRETEL.

2.5 - Princípio de Funcionamento Um fluido quente passa pelo lado dos tubos e um fluido frio ( por exemplo )passa pelo lado do casco. O fluido quente entra através de um carretel, passa pelos tubos, saindo do trocador pelo outro carretel. O fluído frio entra pelo bocal inferior do casco, percorre o caminho determinado pelas chicanas, saindo do permutador pelo lado do bocal superior.

fluido quente, percorre os tubos, cede calor através da área de troca de calor ao fluido frio que percorre o casco.

T1 - Temperatura de admissão do fluido quente

T2 - Temperatura de descarga do fluido quente

t1 - Temperatura de admissão do fluido frio

t2 - Temperatura de descarga do fluido frio A função das chicanas é acarretar turbulência no fluido que percorre o lado do casco, resultando em melhor eficiência na troca de calor.

2.6 - Espaçamento dos Tubos Os furos dos tubos não podem ser perfurados muito próximos uns dos outros, uma vez que uma largura muito pequena de metal entre tubos adjacentes enfraquece estruturalmente o espelho de apoio dos tubos. A menor distância entre dois buracos adjacentes denomina-se INTERVALO. Os tubos são dispostos em configurações quadradas ou configurações triangulares. A vantagem do passo quadrado é que os tubos são acessíveis para intervalos externos e produzem uma queda de pressão menor quando o fluído flui na direção indicada.

20

2.7 - Balanço Energético

Sabemos que no interior de um trocador de calor se processam, é claro, trocas de calor entre fluídos de temperaturas diferentes entre si. Se caso o SISTEMA trocador de calor fosse isolado termicamente do exterior, teríamos que;

tcmTcmQ , onde:

Q = calor por unidade de tempo - potência

m = massa por unidade de tempo do fluido quente

m = massa por unidade de tempo do fluido frio

c = calor específico do fluído quente

c = calor específico do fluído frio

T = diferença de temperatura do fluído quente t = diferença de temperatura do fluído frio

2.8 - Materiais Empregados nos Trocadores de Calor

TUBOS São obtidos em diversas espessuras de paredes finas padronizadas, que sejam as mais comumente empregadas com diâmetros de ¾”, 1”, 1 ¼” ½”. Estão disponíveis numa variedade de metais entre os quais, o aço, o cobre, o metal muntz, o latão, a liga de cobre-níquel 70-30, o bronze alumínio e os aços inoxidáveis. O aço carbono normalmente é utilizado para meios não agressivos. Os tubos podem ser lisos ou aletados, este último favorecendo a troca de calor devido ao aumento da área externa de troca, acarretando, porém, maior perda de pressão no lado do casco.

CASCO OU CARCAÇA

Pode ser construído a partir de tubos de 24” de diâmetro nominal ou, de chapas calandradas e soldadas a partir de 13” de diâmetro. Feitas normalmente com aço carbono, podendo ser encontradas ainda em aços liga e ligas de alumínio quando de tubo, e em aços liga, de níquel e de cobre quando de chapa.

Passo Quadrado Passo Triangular

21

2.9 - Exercícios 1. Defina Trocadores de calor. 2. Explique sucintamente o funcionamento de um trocador de calor. Seja genérico. 3. Qual a função dos intercambiadores? 4. Esquematize um trocador de calor de contracorrente e explique porque é mais utilizado que

o paralelo. 5. Assinale as alternativas corretas.

( ) De acordo com o fim a que se destinam, os trocadores de calor podem ser paralelos ou contra-corrente.

( ) Trocadores de calor para resfriamento incluem resfriadores, condensadores e geradores de vapor d’água.

( ) Trocadores de calor são exemplos de sistemas onde ocorre processo adiabático. ( ) O aquecedor aquece um determinado fluido através de um meio qualquer. ( ) A velocidade do fluido favorece a troca de calor. ( ) Os trocadores com espelhos fixos são usados preferencialmente para fluidos corrosivos. ( ) Os espaçadores mantém o conjunto de chicanas em posição. ( ) O tubo liso é preferível ao aletado quando se necessita uma maior troca de calor. ( ) Os espaçadores são enfraquecidos se os furos para encaixe dos tubos são feitos

muito próximos. ( ) O aço carbono normalmente é utilizado em meios não agressivos. ( ) A chicana tem duas funções, uma das quais é acarretar turbulência nos fluidos ( ) Os trocadores com espelhos fixos têm problemas críticos de expansão. ( ) Trocadores de calor contra-corrente são mais eficientes que os paralelos. ( ) Os problemas de expansão são mais críticos em trocadores de calor com espelhos fixos

6. Quais os problemas advindos da utilização de espelhos fixos nos trocadores de calor? 7. Para a utilização de materiais para tubos explique:

a)Uma vantagem e uma desvantagem do uso de aço carbono. b)Uma vantagem do uso de aço inox. c)Uma vantagem e uma desvantagem do uso de cobre.

8. Uma vazão de água de 0,5 m

3/min deve ser resfriada de 100

oC para 20

oC. Considerando

que o calor específico da água é 4,18 J/kg.K, e sabendo que o fluido que resfriará a água é o ar (calor específico = 1000 J/kg.K, numa vazão de 2,10 Kg/min. Calcule a temperatura de saída do ar, sabendo que a temperatura de entrada do mesmo é 5

oC.

água=1000 kg/m3

9. Porque são instaladas juntas de expansão nas carcaças de trocadores de calor?

22

10.Precisamos resfriar 15 kg/s de mercúrio 8 oC. Para isso temos uma bomba que permite

uma vazão mássica de 0,5 kg/s de refrigerante, e temos uma limitação técnica de que o fluido refrigerante entre necessariamente a 5

oC e saia a mais ou menos 20

oC. Baseado na

tabela abaixo, que fluido você escolheria e qual seria a temperatura exata de saída do fluido?

Fluido calor específico (cal/g.

oC)

Mercúrio 0,03

Gasolina 0,42

Óleo lubrificante 0,40

Querosene 0,50

Álcool 0,70

Álcool metílico 0,59

Amoníaco 0,94

11.Que modelo de trocador de calor abaixo você escolheria para resfriar óleo lubrificante de 50

para 15 oC, sendo que a vazão de óleo é de 1,55 m

3/h?

Dados: óleo = 900 kg/m3

c’leo = 400 cal/kg

Trocador Capacidade nominal (Kcal/h)

EST-6 6000

EST-7 9000

EST-8 12000

EST-9 15000

EST-10 22000 fonte: catálogo da APEMA

23

Capítulo 3 - Geradores de Vapor

3.1 - Definição e Histórico As primeiras máquinas destinadas a gerar vapor surgiram no início do século XVIII, em função da necessidade de se encontrar uma fonte de calor que substituísse os inconvenientes da queima direta do carvão. A idéia era captar a energia liberada pelo combustível numa unidade central e distribuí-la aos diversos pontos de consumo da empresa. Outros fluidos, além do vapor d’água, podem ser utilizados, como óleos minerais (em temperaturas de início de destilação) ou produtos orgânicos sintéticos (com temperaturas de ebulição de 170 a 350

oC). A preferência pelo vapor é justificada pelo seu

alto calor específico, aliado à ampla disposição de água no meio industrial. Os geradores de vapor recebem, no meio industrial, a denominação de caldeiras.

3.2 - Aplicações O vapor d’água é utilizado em larga escala para aquecimento, limpeza e acionamento mecânico. Encontra aplicações diversas nas indústrias alimentícia, de bebidas, papel, têxtil, metalúrgica, química, etc. Em muitas regiões, o uso de vapor é imprescindível na geração de energia elétrica. O vapor pode ser utilizado tanto saturado como superaquecido, dependendo da aplicação. A maioria dos processos industriais usa vapor saturado com pressões inferiores a 10 bar. Por outro lado, serviços de acionamento mecânico envolvem o emprego de vapor superaquecido e pressões de trabalho maiores. Existem centrais termelétricas operando com pressões da ordem de 250 bar.

3.3 - Combustíveis Utilizados Toda substância capaz de reagir com o oxigênio e liberar energia térmica é identificada como combustível sólido, líquido e gasoso. Podem ainda ser naturais ou artificiais. Petróleo e carvão fóssil são exemplos de combustíveis naturais. Derivados de petróleo, coque e carvão vegetal são considerados combustíveis artificiais. São combustíveis utilizados em geradores de vapor

Lenha

Carvão mineral

Carvão vegetal

Óleo combustível

Gás natural

Carvão pulverizado

Serragem

Casca de arroz

Resíduos industriais

Bagaço de cana

24

3.4 - Classificação Os geradores de vapor podem ser classificados quanto à fonte geradora de calor em:

De Recuperação: aproveita o calor de outros processos industriais, de gases de escape de turbinas e motores de combustão interna.

De Combustão Própria: quando a fonte de calor se situa na própria caldeira. É o tipo de caldeira mais comum.

Normalmente, os geradores de vapor são classificados em função de seu tipo construtivo em:

Caldeiras Flamotubulares: os gases quentes da combustão atravessam a caldeira pelo interior dos tubos.

Caldeiras Aquotubulares: os gases atravessam a caldeira pelo lado externo dos tubos, cedendo calor à água que nestes circula.

Fornalha

Saída de

Vapor

Tubos

de aço

Chaminé

Nível

Fornalha

Circulação

Saída de

vapor

25

Caldeiras Elétricas: Convertem energia elétrica em energia térmica, mediante o uso de resistências ou eletrodos submersos.

3.5 - Componentes de Geradores de Vapor As unidades geradoras de vapor são construídas de acordo com normas ou códigos vigentes no país e de forma a melhor aproveitar a energia liberada pela queima de um determinado tipo de combustível. Unidades modernas e de maior porte são equipadas com os seguintes componentes:

Fornalha

Caldeira

Superaquecedor

Economizador

Aquecedor de ar

3.6 - Funcionamento de uma Caldeira A figura a seguir é um diagrama esquemático do processo de geração de vapor, no qual a caldeira de duplo tubulão com circulação natural é aquecida pela queima de óleo combustível. O óleo é injetado juntamente com o ar por meio de queimadores (1) dentro da fornalha (2), onde queima com chama intensa.

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Como o óleo queima dentro da fornalha, seus produtos de combustão são arrastados pelo ventilador (10) para a descarga na atmosfera através da chaminé (11), os gases quentes da combustão passam através dos tubos (4) e (5) cheios de água e do superaquecedor (3), passando depois pelo economizador (8) e do pré-aquecedor de ar (9). Os tubos (4) e (5) da caldeira constituem a superfície de aquecimento através das quais o calor advindo da chama existente na fornalha é transferido para a água. A própria diferença de temperatura da água nos tubos (4) e (5), e também a intensa formação de vapor nos tubos (4) pelo contato mais íntimo com a chama, provocam a circulação natural de água na caldeira. O vapor saturado liberado nos tubos da caldeira é coletado no tubulão (6), passando através do superaquecedor (3), onde é secado e tem sua temperatura elevada pelos gases de combustão. O vapor superaquecido flui através da linha principal para conseqüente utilização.

3.7 - Fornalhas A fornalha ou câmara de combustão é o local onde se desenvolve a queima de combustível. Durante o processo de combustão, as cinzas pesadas caem por gravidade no fundo da fornalha, em um selo de água. As cinzas leves são arrastadas pelos gases para cima, em direção ao topo da fornalha. As temperaturas no interior da câmara de combustão variam na faixa de 900 a 1400

oC.

As paredes da fornalha são revestidas com tijolos refratários e isolantes térmicos como lã de vidro, plásticos, amianto e cortiça. Externamente ainda são colocadas chapas de aço para garantir a sustentação do conjunto. De acordo com o tipo e a qualidade do combustível disponível, os projetos de fornalhas se alternam entre fornalhas para queima em suspensão, queima em grelha ou queima em leito fluidizado. As primeiras são as mais utilizadas, podendo queimar óleos, carvão pulverizado, gás natural, serragem, cascas de arroz e resíduos industriais. As fornalhas com grelha ou leito fluidizado têm aplicação restrita a unidades de pequeno e médio porte e são projetadas para consumo de combustíveis sólidos.

Água de

alimentação

Ar 11

10

9 8

7

6

5 4 3

2

1

27

3.7.1 Fornalha de Queima em Suspensão

São projetadas com um conjunto de queimadores e câmara de combustão compatível com o tipo e a quantidade de combustível que se deseja queimar. Queimadores são equipamentos compactos estrategicamente instalados na fornalha, destinados a promover a combustão. Normalmente são acoplados outros dispositivos como ventiladores de ar, bombas de alimentação de óleo, sistemas de ignição, dispositivos de controle e segurança.

3.7.2 Fornalha de Queima em Grelha

Atendem caldeiras de médio e pequeno porte, em geral com capacidades menores que 200.000 kg/h. São utilizados como combustível carvão fóssil, lenha, bagaço de cana e diversos resíduos industriais. Não exige uma preparação rigorosa do combustível, que pode ser introduzido de forma manual ou automática.

As grelhas podem ser fixas (unidades de menor porte) ou móveis (esteiras), estas assegurando uma melhor alimentação do combustível e remoção automática das cinzas.

28

3.7.3 Queima em Leito Fluidizado Neste tipo de fornalha, o combustível permanece em suspensão num fluxo de ar ascendente, durante o tempo necessário para que a combustão se complete. Este processo aumenta a relação ar/combustível e é utilizado para combustíveis menos nobres, como o carvão fóssil.

Para efeito de projeto, é necessário considerar a altura do leito, velocidade de fluidização, tipo e tamanho das partículas de combustível, cinzas, pressão e temperatura de operação, geometria da fornalha, método de alimentação e suprimento de ar.

3.8 - Caldeira Aquotubular

As caldeiras aquotubulares são construídas de forma que a água circule por diversos tubos de pequeno diâmetro, dispostos na forma de paredes d’água ou feixes tubulares.

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As paredes d’água têm circulação independente, podendo os tubos serem apoiados na própria parede da fornalha. O espaçamento entre tubos é variável.

Os tambores são instalados em zonas protegidas da radiação e até mesmo, fora das zonas de circulação rápida dos gases quentes. O número de tambores é variável, embora, por medida de segurança, este número deva ser reduzido, sendo comum o uso de um único tambor em unidades de grande pressão. Caldeiras aquotubulares de grande porte são sempre montadas em campo e normalmente suspensas, a partir de uma estrutura principal, de modo a permitir livre dilatação térmica. O tratamento químico da água é indispensável para garantir a segurança e a durabilidade do equipamento. A caldeira deve dispor de dispositivos de drenagem para eliminação sistemática de sulfatos, carbonatos, silicatos, lodo e sólidos em suspensão. A ocorrência de incrustações nas superfícies de aquecimento aumenta a resistência térmica imposta ao fluxo de calor. Além de isolante térmico, as incrustações têm

30

coeficiente de dilatação diferenciados, que provocam deformações e trincas nos materiais dos tubos, aumentando os riscos de explosão. A circulação natural da água é característica nas caldeiras aquotubulares, porém esta é prejudicada em pressões muito elevadas (acima de 160 bar), onde as diferenças de peso específico do líquido e vapor são muito pequenas. Então é usada a chamada circulação assistida, feita através de bombas de recirculação. Ainda existe a circulação forçada, feita com bombas, onde não há recirculação de água dentro da caldeira.

3.9 - Caldeira Flamotubular

As caldeiras flamotubulares, também conhecidas por fumotubulares, são construídas de forma que a água circule ao redor de diversos tubos, montados entre espelhos, na forma de um único feixe tubular. Os gases de combustão circulam por dentro dos tubos, em duas ou mais passagens, em direção à chaminé, onde são lançados no meio ambiente. O esquema a seguir mostra uma caldeira flamotubular de duas passagens, sendo que a primeira é a própria fornalha.

O fluxo de gases pode ser melhor visualizado na figura a seguir, que mostra 3 passes dos gases numa caldeira.

O diâmetro das fornalhas pode variar entre 400 e 1300 mm. Estas podem ser feitas com paredes corrugadas, pelo fato de admitirem maiores pressões de trabalho e

31

aumentarem a superfície de troca de calor. O diâmetro do corpo cilíndrico externo pode variar entre 900 e 2800 mm. O diâmetro dos tubos pode variar entre 30 e 100 mm. A opção por fornalhas externas permite a utilização de combustíveis sólidos, como lenha ou carvão fóssil. Em termos gerais, as caldeiras flamotubulares apresentam menores gastos com manutenção. Também aqui, o tratamento químico da água é importante. A circulação d’água é sempre natural. As caldeiras flamotubulares operam com pressões de até 15 bar e um máximo de 15.000 kg/h de vapor.

3.10 - Caldeiras Elétricas

As caldeiras elétricas têm o princípio de funcionamento fundamentado na conversão direta de energia elétrica em energia térmica, mediante a simples passagem de corrente através de resistências elétricas ou através da própria água da caldeira.

As caldeiras com resistência têm potência limitada, na ordem de 2,5 MW, podendo operar com voltagens variáveis na faixa de 200 a 500 V. Caldeiras de eletrodos submersos são usadas quando se necessita de maior potência, operando com voltagens entre 3,8 e 13,8 kV. As caldeiras elétricas têm aplicação restrita às regiões onde a energia elétrica é abundante e a custos relativamente baixos. Muitas vezes, a opção por caldeiras elétricas é justificada pela ausência de poluição ambiental, ou porque o local não é apropriado ao manuseio de combustíveis industriais.

3.11 - Superaquecedor

32

Superaquecedores são feixes tubulares determinados a elevar a temperatura do vapor proveniente do tambor da caldeira e são localizados de forma a melhor aproveitar o calor disponível nos gases de combustão. A temperatura requerida para o vapor é fator determinante para a localização do superaquecedor. Para temperaturas mais altas, é conveniente que sejam instalados o mais próximo possível da câmara de combustão. De acordo com sua localização, são classificados em convectivos e radiantes. A forma construtiva do superaquecedores é bastante diversificada. Tubos com diâmetro externo de 25 a 65 mm são utilizados. Na prática, recomenda-se espaçamentos amplos (400 mm) para fileiras de tubos situadas nas zonas de alta temperatura e espaçamentos menores (100 mm) para zonas de temperatura mais baixas. No projeto de superaquecedores, é importante considerar a influência de diversos fatores, dentre os quais:

Temperatura e velocidade dos gases de combustão

Temperatura e velocidade do vapor

Arranjo e posicionamento do banco de tubos

Tipo de material recomendado para tubos e suportes. O tipo de material depende da faixa de temperatura dos gases de combustão. São usados aço carbono-molibdênio, ou cromo-molibdênio ou aço inox cromo-níquel. Para regular a temperatura do vapor superaquecido são utilizados dispositivos chamados atemperadores, que operam injetando água no vapor superaquecido.

3.12 - Economizador

Economizadores são trocadores de calor determinados a elevar a temperatura da água de alimentação de uma caldeira, mediante o aproveitamento de uma parcela da energia residual, ainda disponível nos gases de combustão. Normalmente são instalados depois dos superaquecedores e antes dos aquecedores de ar. São geralmente construídos em tubos de aço carbono com 40 a 80 mm de diâmetro externo. Para pressões inferiores a 30 bar, também são empregados tubos de ferro fundido. Naturalmente, a presença do economizador é vantajosa, uma vez que aumenta o rendimento térmico da unidade geradora de vapor. Entretanto, por questões de ordem técnica ou econômica, sua aplicação é restrita a unidades de maior porte. Em termos técnicos, há que se investigar a presença de SO3 nos gases de combustão e a eventual formação de ácido sulfúrico sobre as superfícies frias do economizador.

3.13 - Aquecedor de ar

Aquecedores de ar são trocadores de calor destinados a elevar a temperatura do ar utilizado na combustão. Geralmente se localizam no final do trajeto dos gases de combustão, após o economizador. O aquecimento do ar, além de reduzir o consumo de combustível, aumenta a velocidade de combustão e contribui para que a queima ocorra de forma uniforme e estável, representando uma economia de 5 a 10% no processo. Os aquecedores de ar podem ser recuperativos ou regenerativos.

33

Aquecedores de ar recuperativos empregam transferência de energia direta (são trocadores de calor convencionais). Dois tipos construtivos são empregados: o tubular e o de placas. Aquecedores de ar regenerativos têm transferência de energia indireta. Uma massa rotativa, constituída por placas de metal, é termicamente regenerada pelo calor sensível dos gases e resfriada pela corrente de ar.

3.14 - Exercícios 1. Cite 5 tipos de combustíveis normalmente utilizados em geradores de vapor. 2. Diga qual a função e explique o funcionamento de um economizador 3. Esquematize um gerador de vapor, mostrando seus componentes principais. Capriche. 4. Explique o funcionamento de uma caldeira flamotubular. 5. Esquematize uma caldeira aquotubular, explicando qual a principal diferença para uma

caldeira flamotubular. 6. Assinale com um X dentro dos parênteses as alternativas corretas.

( ) Os queimadores são equipamentos destinados a promover a combustão e devem ser estrategicamente instalados nos dutos de ventilação.

( ) Na queima em grelha são utilizados queimadores. ( ) As grelhas asseguram uma melhor alimentação do combustível. ( ) O processo de queima em leito fluidizado aumenta a relação ar/combustível. ( ) O processo de queima em leito fluidizado é utilizado para combustíveis menos nobres. ( ) Caldeiras flamotubulares com fornalhas internas são geralmente utilizadas com

combustíveis sólidos ( ) A queima em grelha não requer uma preparação cuidadosa do combustível. ( ) Combustíveis líquidos e gasosos não produzem cinzas ( ) Fornalhas para queima em suspensão mais mais utilizadas que os outros tipos. ( ) Geradores de vapor para a indústria mecânica normalmente não possuem

superaquecedores. ( ) Como vantagem do superaquecedor podemos citar economia de combustível. ( ) Em caldeiras aquotubulares é preferível o uso do maior n

o de tubulões possível, devido à

quantidade de água que podem armazenar. ( ) As incrustações (silicatos, sulfatos, lodo, etc.) funcionam como isolantes térmicos. ( ) Nas caldeiras flamotubulares, a opção por fornalhas externas permite a utilização de

combustíveis sólidos. ( ) As caldeiras elétricas com eletrodos submersos são usadas quando se necessita de

uma potência maior do que as de resistência podem proporcionar. ( ) Os geradores de vapor elétricos causam menos poluição. ( ) Os economizadores são equipamentos destinados a elevar a temperatura do ar usado

para combustão numa caldeira. ( ) As caldeiras flamotubulares têm menor peso para a mesma capacidade, em relação às

aquotubulares. ( ) A maioria dos processos industriais utiliza pressões abaixo de 10 bar. ( ) Atemperadores são destinados a retirar impurezas da água de alimentação. ( ) Queimadores são equipamentos destinados a fornecer uma fonte de ignição para o

combustível. ( ) Quanto maior o número de tubulões, maior o rendimento da caldeira. ( ) A circulação nas paredes d’água é independente da circulação no feixe de tubos.

34

( ) De acordo com o poder calorífico do combustível é escolhido o tipo de caldeira. ( ) Como vantagem do superaquecimento podemos citar economia de combustível ( ) O aquecimento do ar reduz a velocidade de combustão.

7. Cite dois fatores que influenciam na escolha de um combustível. 8. Cite 3 vantagens das caldeiras aquotubulares em relação às flamotubulares. 9. Cite 3 razões para a utilização de vapor d’água com fluido de trabalho em geradores de

vapor. 10.Explique a diferença entre aquecedores de ar regenerativos e recuperativos. 11.Porque a circulação natural de água é prejudicada em pressões muito elevadas? 12.Cite 2 vantagens e uma desvantagem de uma caldeira elétrica em relação aos outros tipos. 13.Qual a função do atemperador? 14.Cite duas vantagens da água sore os outros fluidos usados em geração de vapor. 15.Porque o número de tubulões deve ser reduzido? 16.Cite 4 combustíveis sólidos normalmente utilizados em geradores de vapor. 17.Qual a função do superaquecedor? 18.Qual a função do aquecedor de ar? 19.Para que são colocadas chapas de aço em volta da fornalha? 20.Cite dois fatores dos quais depende o projeto da fornalha. 21.Explique o processo de queima em leito fluidizado.

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Capítulo 4 - Combustíveis e Combustão

4.1 - Combustíveis

4.1.1 Definição

Combustível é toda substância capaz de reagir combustível o oxigênio (geralmente do ar), liberando calor e luz. Os combustíveis são caracterizados por suas propriedades físico-químicas e são encontrados na forma natural ou artificial.

4.2 - Classificação

4.2.1 Quanto à fase:

Sólidos (ex. Lenha)

Líquidos (ex. Óleo Combustível)

Gasosos (ex. GLP)

4.2.2 Quanto à origem:

Artificial (ex. Coque)

Natural (ex. Carvões Fósseis)

4.2.2.1 Combustíveis Sólidos Naturais

Carvões fósseis: turfa, linhito, hulha e antracito.

Lenha

4.2.2.2 Combustíveis Sólidos Artificiais

Resultam da intervenção de um processo industrial antes de serem utilizados. Exemplos:

Carvão residual (coque)

Carvão de madeira

Bagaço de cana

Serragem

Cavacos de madeira

Resíduos de cereais

Lixo (embalagens, papéis)

4.2.2.3 Combustíveis Líquidos Artificiais

Normalmente são os derivados de petróleo. São obtidos segundo uma destilação fracionada de petróleo. Em geradores de vapor normalmente são utilizados:

36

Óleo Diesel, embora utilizado em algumas caldeiras, normalmente atende demandas de consumo em motores de combustão interna do ciclo Diesel;

Gasóleo, cuja viscosidade situa-se entre a viscosidade dos óleos lubrificantes e o querosene.

Óleo combustível, sendo este o resíduo de destilação fracionada do petróleo. No Brasil é o combustível líquido mais utilizado para geração de vapor. O óleo combustível também é conhecido por óleo combustível pesado ou residual, e encontrado com características químicas bastante diversificadas.

4.2.2.4 Combustíveis Gasosos

São pouco utilizados na geração de vapor em caldeiras. Temos como exemplo o gás natural de petróleo e o chamado gás natural, de resíduos orgânicos. Dentre os combustíveis gasosos artificiais, podemos citar os gás de iluminação, gás de água, gás de gasogênio, o gás liqüefeito de petróleo e o gás de coque.

4.2.2.5 Combustíveis Nucleares

A energia atômica tem como fonte de combustível os óxidos de urânio, de sais (sulfatos, nitratos ou fosfatos) na forma metálica. Na realidade, estes combustíveis não reagem diretamente com o oxigênio do ar, mas através de dois processos que liberam calor:

fissão de substâncias radioativas, através do bombardeio controlado combustível nêutrons;

fusão de hidrogênio. A liberação de energia atômica se processa nos reatores nucleares ou reatores de potência. O calor gerado na reação em cadeia é absorvido ou trocado em instalações especiais onde o líquido que absorverá o calor entra em contato com os elementos radioativos. O vapor gerado nessa troca térmica aciona os turbogeradores e estes os geradores elétricos.

4.3 - Composição Básica do Combustíveis

Os componentes químicos nos combustíveis são: carbono, hidrogênio, enxofre, oxigênio, nitrogênio, materiais voláteis, água e sais minerais. Os combustíveis gasosos, entretanto, são constituídos apenas de carbono, hidrogênio e oxigênio. O carbono e o hidrogênio são os principais responsáveis pela formação de calor do combustível, sendo que o enxofre participa com uma pequena parcela. Os sais minerais normalmente aparecem somente nos combustíveis sólidos, formando as cinzas. Os combustíveis líquidos quase não possuem cinzas. A água também é própria dos combustíveis sólidos e se apresenta em três formas:

água acidental: contida no combustível quando este é exposto à chuva por muito tempo. Esta água é facilmente eliminada por ventilação natural ou aquecimento em estufas a 50 °C.

37

água higroscópica: é a água incorporada ao combustível, sendo difícil a sua remoção, a não ser mediante secagem a 110 °C ou mesmo a queima. Essa água tem seu teor em equilíbrio com a umidade relativa do ar.

água de constituição: é a água combinada com os sais minerais sob forma de água de cristalização. Esta água permanece inclusive nas cinzas.

As matérias voláteis são geralmente hidrocarbonetos, com os terpenos (na lenha), que destilam e se extinguem na própria fornalha durante a combustão. Na queima de combustíveis sólidos e líquidos, a energia liberada é conseqüência de reações químicas com o carbono, hidrogênio e enxofre:

C + O2 CO2 + 33900 kJ/kg

2H2 + O2 2 H2O + 141800 kJ/kg

S + O2 SO2 + 9200 kJ/kg Na queima de combustíveis gasosos, a energia é liberada pelas reações químicas com hidrogênio, monóxido de carbono, metano, etano e outros hidrocarbonetos:

2 CO + O2 2 CO2 + 10110 kJ/kg

CH4 + 2 O2 CO2 + H2O + 55500 kJ/kg

2 C2H6 + 7 O2 4 CO2 + 6 H2O + 51870 kJ/kg A quantidade de energia liberada por unidade de massa, ou de volume, é definida pelo poder calorífico superior ou inferior e vai depender da composição de cada combustível. Em termos gerais, para combustíveis sólidos e líquidos, o poder calorífico superior pode ser calculado com boa aproximação pela equação:

Pcs = 33900 c + 141800 (h - o/8) + 9200 s onde: Pcs = Poder calorífico superior c = Teor de carbono (kg de carbono/ kg comb.) h = Teor de hidrogênio (kg de hidrogênio/ kg comb) s = Teor de enxofre (kg de enxofre/ kg comb) o = Teor de oxigênio (kg de oxigênio/ kg comb)

O cálculo do poder calorífico inferior dependerá apenas da presença de água nos gases de combustão e calor latente de evaporação, sendo: Pci =Pcs - 2440 (9h + w) onde: Pci = Poder calorífico inferior (kJ/kg) w = Teor de umidade (kg umidade/ kg comb.) O teor de umidade é conhecido a partir da composição química do combustível e 9h representa a parcela de vapor d’água formada pela combustão do hidrogênio.

38

Para a lenha, a composição química é mais ou menos a seguinte: Carbono - 49 % Hidrogênio - 6 % Oxigênio - 44 % Cinzas - 1 % Teor de umidade - entre 10 e 30 % Para o carvão brasileiro (base seca), a composição química deve oscilar em torno de: Carbono - 47 % Hidrogênio - 3 % Enxofre - 4 % Oxigênio - 5 % Nitrogênio - 1 % Cinzas - 40 % Nos Estados Unidos, consegue-se carvão com teores de cinzas abaixo de 5 %. A presença do enxofre e cinzas não é desejável, por implicar em uma série de inconvenientes de ordem ecológica ou material. O enxofre, quando combinado com vapor d’água, forma ácido sulfúrico, atacando as partes mais frias da instalação. A cinza, dependendo da temperatura na câmara de combustão, pode fundir-se e aglomerar-se em superfícies de aquecimento. Óleos para uso em caldeiras, a composição química deve oscilar em torno dos seguintes valores: Carbono - 83 % Hidrogênio - 10 % Enxofre - 6 % Outros - 1 % Para todos os óleos, a quantidade de água por destilação, somadas a de sedimentos por extração, não deve exceder a 2 %. O gás natural é obtido de campos petrolíferos e, de acordo com sua origem, apresenta características bem variáveis. A composição química do gás natural varia em torno dos seguintes valores (% em volume) Metano (CH4) - 73 % Etano (C2H6) - 14 % Propano (C3H8) - 3 % Butano (C4H10) - 2 % Nitrogênio (N2) - 7 % Dióxido de Carbono (CO2) - 1% A presença de enxofre é pequena. O gás de gasogênio, também chamado gás pobre, tem a seguinte análise volumétrica: Hidrogênio - 12 % Monóxido de Carbono - 26 % Metano - 1 % Nitrogênio - 54 % Dióxido de enxofre - 7 %

39

4.4 - Combustão Todo processo de combustão deve atender princípios fundamentais que assegurem alta eficiência na queima de combustível. Mesmo em condições normais de operação, os processos de combustão não garantem aproveitamento total da energia disponível no combustível. Ima parcela significativa de energia é perdida para o meio ambiente, seja com os gases pela chaminé, com as cinzas, pelas paredes do equipamento, ou mesmo pela ocorrência de combustão incompleta. No sentido de minimizar estas perdas que um trabalho de otimização deve sempre observar: - Suprimento adequado de ar - Mistura ar/combustível - Temperaturas compatíveis - Tempo suficiente de combustão. O suprimento de ar está intimamente relacionado ao tipo de combustível e ao equipamento de combustão. Em condições ideais de queima, o suprimento de ar depende apenas da composição química do combustível. Em condições reais, entretanto, quantidades complementares são necessárias no sentido de minimizar a presença de material combustível no cinzeiro ou na chaminé. O coeficiente de excesso de ar é dado por:

e = mar/ mar* = Var/Var* onde: e = coeficiente de excesso de ar mar* = massa de ar estequiométrica (kg/ kg comb) mar = massa real de ar (kg/ kg comb) Var* = volume estequiométrico de ar (m

3/kg comb)

Var = volume real de ar (m3/kg comb)

A temperatura de combustão depende do tipo de combustível e do projeto da câmara de combustão. A manutenção de temperaturas elevadas favorece a ignição. Maiores temperaturas são possíveis de se obter a partir do pré-aquecimento do ar de combustão, recirculação dos gases quentes, ou a utilização direta de oxigênio. A presença de monóxido de carbono ou de fuligem na chaminé é conseqüência direta de temperaturas baixas, insuficiência de ar ou operação inadequada do equipamento. Em condições ideais, a queima completa de um combustível sólido ou líquido deve envolver uma quantidade mínima de oxigênio, calculada a partir das reações químicas da combustão. Nessas condições, a massa estequiométrica de oxigênio para queimar cada kg de combustível será:

mO2* = mO2 (C) + mO2 (H2) + mO2 (S) onde: mO2* = massa mínima de oxigênio para queimar o combustível mO2 (C) = massa mínima de oxigênio para queimar o carbono

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mO2 (H2) = massa mínima de oxigênio para queimar o hidrogênio mO2 (S) = massa mínima de oxigênio para queimar o enxofre. Levando-se em conta que, em massa, o ar tem 23,15% de oxigênio e admitindo-se que seja utilizado oxigênio do ar, deve-se calcular:

mar* = (100/23,15). mO2

A massa estequiométrica de oxigênio para queimar apenas o carbono do combustível é calculada com base na reação:

C + O2 CO2

onde 12 kg/kmol de carbono reagem com 32 kg/kmol de oxigênio para formar gás CO2, na proporção de:

mO2 (C) = 32/12 c

Da mesma forma, para hidrogênio e enxofre, tem-se:

2H2 + O2 2 H2O

S + O2 SO2

onde:

mO2 (H2) = 16/2 [h -o/8]

mO2 (S) = 32/32 s

Na equação para a combustão do hidrogênio, a parcela de hidrogênio já combinada com o próprio oxigênio do combustível já foi descontada, uma vez que, naturalmente, não reagirá com o oxigênio do ar. Finalmente, temos:

mar* = 138,2 [ c/12 + h/4 + s/32 - o/32]

onde: c = Teor de carbono (kg de carbono/ kg comb.) h = Teor de hidrogênio (kg de hidrogênio/ kg comb) s = Teor de enxofre (kg de enxofre/ kg comb) o = Teor de oxigênio (kg de oxigênio/ kg comb)

Em termos de volume, o ar tem 21% de oxigênio. Então temos:

Var* = 106,7 [c/12 + h/4 + s/32 - o/32]

O mesmo procedimento deve ser adotado para calcular a massa ou volume dos gases formados na combustão. Para combustíveis sólidos e líquidos temos:

41

mg* = mCO2 + mH2O + mSO2 + mN2 +...

tem-se:

mg* = 44 [c/12] + 9[h + w/9] + 64 [s/32] +..... + 0,7685 mar*

Similarmente:

Vg* = 22,4 [c/12 + h/2 + w/18 + s/32] +... + 0,79 Var*

O nitrogênio presente na composição de alguns tipos de combustíveis, vapor de nebulização, ou umidade do ar de combustão representam parcelas insignificantes na conta. A queima de gás natural, ou de outros gases combustíveis, pode ser analisada, da mesma forma, considerando-se as reações químicas com CO, H2 e com os hidrocarbonetos CmHn. Assim podemos calcular o volume de ar e o volume de gases formados na combustão de gases da seguinte forma:

Var* = 2,38 {CO + H2 + 2 [mi + ni/4] CmiHni - 2O2}

Vg* = CO + H2 + 2[mi + ni/4]CmiHni + CO2 +H2O +.... + N2 + O2 + 0,79 Var* onde: Var* = Volume estequiométrico de ar (m

3/ m

3 comb)

Vg* = Volume estequiométrico de gases (m3/ m

3 comb)

CO = Teor de monóxido de carbono (m3/ m

3 comb)

H2 = Teor de hidrogênio (m3/ m

3 comb)

O2 = Teor de oxigênio (m3/ m

3 comb)

N2 = Teor de nitrogênio (m3/ m

3 comb)

CO2 = Teor de dióxido de carbono(m3/ m

3 comb)

H2O = Teor de umidade (m3/ m

3 comb)

além de CmiHni, que representa os hidrocarbonetos presentes no gás

combustível (metano, etano, etc. Muitas vezes, a composição química do combustível não é conhecida, exigindo o emprego de outros métodos no cálculo do volume estequiométrico de ar ou dos gases de combustão. Valores aproximados podem ser determinados a partir do poder calorífico inferior do combustível, conforme as equações definidas a seguir: Para combustíveis sólidos (m

3/kg):

Var* = [1,01/4186] Pci + 0,50

Vg* = [0,89/4186] Pci + 1,65

Para combustíveis líquidos (m

3/kg):

Var* = [0,85/4186] Pci - 2,00

Vg* = [1,11/4186] Pci

42

No caso de gás natural ou de gás de coqueria (m3/kg)

Var* = [1,09/4186] Pci - 0,25

Vg* = [1,14/4186] Pci + 0,25

Em termos gerais , a margem de erro é tolerável, inferior a 3%. Os volumes ou massas de ar estequiométricos são para condições ideais de combustão. Para o cálculo do excesso de ar, utilizado em condições reais de combustão, é necessária a medição do fluxo real de gases de combustão ou a análise química dos gases de combustão. A determinação das porcentagens de CO2 ou de O2 nos gases de combustão é uma alternativa viável para a maioria dos combustíveis normalmente aplicados à caldeiras. Então:

e = %CO2*/%CO2

onde: %CO2* = Porcentagem máxima de CO2 em condições de queima ideal %CO2 = Porcentagem medida de CO2 na base da chaminé. Para combustível sólidos e líquidos:

%CO2* = [2240/12]c/Vgs*

Para medição da porcentagem de CO2, diversos aparelhos são disponíveis a nível industrial, a maior parte funciona por absorção química. Além do percentual de CO2 , a temperatura dos gases e a quantidade de fuligem são parâmetros que podem avaliar o processo de combustão. Temperatura muito alta na chaminé pode ser devida a:

Queimador superdimensionado

Tiragem excessiva

Superfícies de troca de calor subdimensionadas ou sujas

Fornalha pequena ou inadequada Quantidade muito alta de fuligem pode significar:

Nebulização imperfeita do combustível na câmara de combustão

Mistura rica em combustível

Tiragem insuficiente

Defeitos na fornalha A tiragem (medição da passagem dos gases de combustão pela chaminé) possui dois aspectos a serem verificados:

Tiragem excessiva leva a um aumento na temperatura dos gases da chaminé e reduz o teor de CO2

A tiragem deve produzir pressão negativa no interior da câmara de combustão.

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4.5 - Exercícios 1. Assinale comum X dentro dos parênteses as alternativas corretas.

( ) Quanto à origem, os combustíveis podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. ( ) Bagaço de cana e serragem são exemplos de combustíveis sólidos naturais. ( ) Óleo combustível pesado é um combustível líquido natural. ( ) Os combustíveis gasosos são muito empregados em caldeiras. ( ) Combustíveis nucleares produzem energia através da reação com o oxigênio do ar. ( ) Volumes de ar estequiométricos são calculados para condições ideais de combustão.

2. Que elementos, além do oxigênio, são responsáveis pela liberação de energia em

combustíveis sólidos e líquidos? 3. Mostre a equação de queima do monóxido de carbono. 4. Mostre a equação de reação do metano (CH4) com o oxigênio, que produz 55500 kJ/Kg

comb. 5. A reação do metano (CH4) libera 55500 kJ/kg. Escreva a sentença de combustão do metano

com o oxigênio. 6. Calcule o poder calorífico inferior do combustível sólido que apresenta a seguinte

composição (em massa): Carbono: 46% Hidrogênio: 7% Oxigênio: 36% Cinzas: 1% Nitrogênio: 10% Teor de umidade médio: 25% 7. A composição do gás de gasogêneo possui (em volume) cerca de 12% H, 26% CO, 1% de

metano, 54% de N e 7% SO2. Porque recebe a denominação de gás pobre? 8. Some os números entre parênteses das alternativas corretas e marque este resultado no

quadrado abaixo da questão: [01] Em condições normais de operação, os processos de combustão garantem

aproveitamento total da energia disponível no combustível. [02] Deve-se observar que haja tempo suficiente para a combustão [04] Massa de ar estequiométrica é a massa de ar teórica para uma dada reação química. [08] A manutenção de temperaturas elevadas na fornalha desfavorece a combustão [16] A presença de monóxido de carbono na chaminé é consequência de temperaturas

baixas

9. Deduza a equação da massa de ar necessária à combustão do carbono em um

combustível sólido, sabendo que a massa atômica do oxigênio é 16g/mol e a massa atômica do carbono é 12 g/mol.

44

10.Calcule o volume real do ar de combustão para um gás que tenha a seguinte composicão

(em volume), sabendo que a porcentagem de dióxido de carbono na chaminé é de 25%, enquanto que teoricamente deveria ser de 32 % :

Metano (CH4) : 65% Butano (C4H10) : 12% Nitrogênio (N2) : 4% Monóxido de Carbono (CO) : 6% Dióxido de Carbono (CO2) : 5% Oxigênio (O2) : 2% Argônio (Ar) : 2% 11.Deduza a equação da quantidade de ar necessária à combustão do enxofre, sabendo que a

massa atômica do oxigênio é 16 e do enxofre é 32. 12.Calcule o volume real do ar de combustão para um gás que tenha a seguinte composicão

(em volume), sabendo que a porcentagem de dióxido de carbono na chaminé é de 25%, enquanto que teoricamente deveria ser de 32 % : Metano (CH4) : 65% Butano (C4H10) : 12% Nitrogênio (N2) : 4% Monóxido de Carbono (CO) : 6% Dióxido de Carbono (CO2) : 5% Oxigênio (O2) : 2% Argônio (Ar) : 2%

13.Calcule a massa de ar estequiométrica necessária à combustão de um combustível sólido

com a seguinte composição, em massa: C : 32% S : 5% N : 3% Cinzas : 60%

14.Assinale comum X dentro dos parênteses as alternativas corretas.

( ) Temperaturas muito altas na chaminé podem ser devidas ao superdimensionamento do queimador.

( ) Temperaturas muito altas na chaminé podem ser devidas à fornalha muito pequena ou inadequada.

( ) Quantidade muito alta de fuligem pode significar mistura muito rica em combustível ( ) A tiragem é a medição da passagem dos gases pela chaminé. ( ) A tiragem excessiva leva a uma diminuição da temperatura dos gases na chaminé.

45

Capítulo 5 - Bombas Hidráulicas

5.1 - Definição

São equipamentos mecânicos empregados para transferência de líquidos de um ponto a outro, fornecendo-lhes um acréscimo de energia. Existem dois meios principais de aumentar a energia de um fluido:

a) Prendê-lo em uma câmara e diminuir o volume desta, obrigando o fluido a seguir um caminho determinado. Bombas que utilizam este princípio de trabalho são chamadas bombas de deslocamento volumétrico ou bombas volumétricas.

b) Fornecer grande velocidade ao líquido, através de um conjunto de pás rotativas (rotor ou impulsor) ou através de um outro líquido com velocidade superior. A energia cinética adquirida é transformada em pressão em elementos fixos (difusores).

Além destas duas formas, podem ser usados ainda outros meios para se aumentar a energia de um líquido, como o aumento da pressão por desaceleração súbita do líquido, emulsificação com ar ou outro gás e eletromagnetismo. O líquido penetra na bomba com uma pressão P1 e velocidade V1 e sai com pressão P2 e velocidade V2. A variação de pressão é dada por um trabalho, para o qual a bomba necessita de energia (potência). Não se podem esquecer as perdas.

5.2 - Aplicação

As bombas hidráulicas são empregadas em uma diversidade de campos, dos quais destacam-se:

Serviços de abastecimento de água.

Sistemas de esgoto.

Centrais de refrigeração

Sistemas de combate a incêndio

Uso domiciliar.

5.3 - Classificação

De maneira simplificada, as bombas são classificadas em:

Cinéticas: Centrífugas ou Regenerativas

Volumétricas ou de : Alternativas ou Rotativas

Especiais: Carneiro Hidráulico, Hidropneumática

Eletromagnética

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5.4 - Princípio de Funcionamento

5.4.1 Bombas Centrífugas

A energia é transferida ao líquido pela ação da força centrífuga desenvolvida pela rotação do rotor.

5.4.2 Bombas Regenerativas

A energia é transferida ao líquido pela ação de um movimento do próprio líquido criado na periferia de um rotor de palhetas retas radiais. São também chamadas de cinéticas, devido ao predomínio de energia de velocidade.

]

5.4.3 Bombas Alternativas

Fornecem energia ao líquido através do movimento retilíneo alternado do pistão.

5.4.4 Bombas Rotativas

O líquido fica aprisionado em diversos compartimentos internos e é impulsionado pela rotação de engrenagens, palhetas ou parafusos. Estas bombas são chamadas de volumétricas ou de deslocamento positivo, porque sempre bombeiam o mesmo volume de líquido por curso de rotação da bomba, independente da pressão de descarga.

5.4.5 Carneiro Hidráulico

Utiliza o princípio da sobrepressão verificada em um líquido em escoamento contínuo, ao ser detido repentinamente por um obstáculo.

47

5.5 - Bombas Centrífugas

São máquinas que transferem energia ao líquido por rotação, e aproveitando a inércia do mesmo. Possuem grande flexibilidade operacional, baixo custo de manutenção e tecnicamente são bem desenvolvidas.

5.5.1 Vantagens

Vazão uniforme: apresentam menores vibrações

Baixo custo de manutenção: trabalham com líquidos contendo lodo, lama e outras impurezas.

5.5.2 Desvantagens

Aspiração difícil: menor rendimento

Desaconselháveis para pequenas vazões e altas pressões.

5.5.3 Classificação

Quanto à posição do eixo:

Vertical

Horizontal

Inclinada Quanto ao número de rotores:

Simples estágio

Multiestágios

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Intensidade da pressão gerada:

Baixa Pressão

Média Pressão

Alta pressão.

5.5.4 Elementos Mecânicos Básicos

Carcaça

Eixo

Rotor

Mancais

Pedestais

5.5.5 Funcionamento

O líquido é bombeado para a parte central do rotor, entra em movimento de rotação e é empelido para a periferia do rotor pela ação da força centrífuga, adquirindo grande velocidade, e percorre o contorno da carcaça, onde parte dessa energia de velocidade é transformada em energia de pressão e é lançado para fora da bomba pelo bocal de descarga.

5.5.6 Partes Componentes

5.5.6.1 Carcaça

A principal função da carcaça é a de reduzir progressivamente a velocidade do fluido, convertendo parte dessa energia em energia de pressão. São dotadas de dois bocais:

De sucção, onde o líquido é dirigido para a parte central do rotor.

De descarga ou de Recalque, onde o líquido é dirigido para fora da bomba. Em geral o diâmetro do bocal de sucção é maior do que o de descarga. Alguns fabricantes que constróem bombas centrífugas de simples estágio destinadas a líquidos bastante sujos e lameados, dotam a carcaça de bocas de visitas para inspeção e limpeza periódica. As carcaças podem ser classificadas pelo formato em:

Voluta

Dupla Voluta

Concêntrica

Difusor E podem ser classificadas quanto à partição em:

Partida radialmente

Partida axialmente

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5.5.6.1.1 Voluta

Tem o formato espiralado, apresentando seções transversais crescentes em volta do rotor. É do tipo mais empregado nas bombas de simples estágio, por ser simples e de baixo custo de fabricação.

5.5.6.1.2 Dupla Voluta

Consiste de duas volutas simples, defasadas de 180o, com parte do líquido

passando externamente no canal de descarga. A utilização da 2

a voluta surgiu da necessidade de atenuar o esforço radial

sofrido pelo rotor nas bombas de apenas uma voluta. Na carcaça dupla voluta os empuxos radiais de cada voluta são iguais e opostos, proporcionando uma resultante nula.

5.5.6.1.3 Concêntrica

Têm o formato circular, apresentando seções transversais iguais em volta do rotor. A carcaça e rotor tem um centro comum. Nestes tipos de carcaça há pequena variação de pressão ao redor de sua circunferência, originando, portanto, reduzido empuxo axial.

5.5.6.1.4 Difusor

É dotado de pás guias estacionárias formando canais com seções gradativamente crescentes. Essas pás têm a finalidade de receber e guiar convenientemente o líquido que abandona o rotor. No difusor ocorre a transformação de parte da energia cinética do líquido em energia de pressão. É utilizado imprescindivelmente nas bombas multiestágios, devido, devido à necessidade do fluido de escoar de um rotor para outro com velocidade reduzida e com o mínimo de perda de energia. Não apresentam empuxo radial, pois as pressões hidráulicas são distribuídas uniformemente em torno do rotor.

5.5.6.1.5 Partidas Radialmente

São carcaças cortadas segundo um plano perpendicular ao eixo. Exigem melhor acabamento e são de manutenção mais trabalhosa.

5.5.6.1.6 Partidas Axialmente

São carcaças cortadas segundo um plano que passa pela linha de centro do eixo. Os bocais de sucção e de descarga ficam localizadas na metade inferior da carcaça de modo que não há necessidade de soltá-los quando se deseja abrir a bomba.

5.5.6.2 Rotores e Anéis de Desgaste

Rotor é o órgão da bomba que tem a função de transferir à massa líquida o movimento de rotação de que está dotado, cedendo-lhe energia.

50

É a peça mais importante da bomba, e por esta razão, merece uma atenção toda especial. O número de rotores de uma bomba centrífuga é que determina o número de estágios dessa bomba. As partes componentes são:

Olhal de Sucção - É por onde o líquido penetra no rotor.

Palhetas - Guiam convenientemente o líquido dentro do rotor.

Paredes - Evitam a fuga dispersa do líquido no rotor.

Cubo - Prende o eixo no rotor.

5.5.6.2.1 Sentido de Rotação

Ao montar um rotor em uma bomba, deve-se ter o cuidado de não inverter a posição deste a fim de não alterar o sentido de rotação correto.

5.5.6.2.2 Tipos de Rotores

Quanto à admissão de líquido:

Simples sucção

Dupla sucção Quanto às paredes:

Aberto

Fechado

Semi-aberto Quanto à direção da saída do líquido:

Axial

Radial

Misto

5.5.6.3 Anéis de Desgaste

Numa bomba centrífuga em funcionamento, as pressões atuantes na região frontal do rotor são diferentes. No recinto frontal à parede dianteira do rotor atua a pressão de descarga, e no trecho frontal do olhal atua a pressão de sucção. Essa diferença de pressão dá origem a uma recirculação de líquido que passa pela folga existente entre o olhal do rotor e a carcaça da bomba.

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Existe, então, a necessidade de se colocar uma folga mínima entre o olhal do rotor e a carcaça da bomba para tornar diminuta a fuga de líquido. Mas praticamente é impossível manter essa folga, porque ocorre um desgaste progressivo do olhal e da carcaça naquele ponto. A fim de recuperar a folga mínima sem que tenhamos que despender grandes gastos, instalam-se anéis especiais no rotor ou na carcaça. Estes são chamados anéis de desgaste, porque podem ser facilmente substituídos quando gastos em vez do rotor ou da carcaça.

5.5.6.4 Eixos e Luvas

A função do eixo é basicamente de transmitir o torque e o movimento de rotação, fornecido pela máquina acionadora, para partida e operação da bomba. O eixo suporta o rotor e outras peças girantes. Para o bom funcionamento da bomba, o eixo deve ser feito com retilinidade e concentricidade ao longo de toda a sua extensão. Eixos empenados causam vibração, alem de acelerar o desgaste de outras peças da bomba, tais como mancais, luvas e anéis de desgaste. As luvas do eixo têm a finalidade de evitar o desgaste do eixo na parte situada ao longo da caixa da gaxeta, protegendo-o também contra a corrosão e a erosão. Quando as gaxetas são apertadas para reduzir o vazamento de líquido bombeado, elas ficam comprimidas entre as paredes da caixa de gaxetas e o eixo, provocando o desgaste e enfraquecimento do mesmo. Daí a necessidade de se adaptar uma luva ao eixo, a fim de que o desgaste se verifique nela. O fator econômico também é levado em consideração, pois as luvas são mais baratas que os eixos. As luvas são também utilizadas com a finalidade de espaçar rotores das bombas de multiestágios, mantendo-os na posição correta. Por isso são chamadas de luvas espaçadoras. Estas são fixas ao eixo através de chavetas.

5.5.6.5 Vedação

A finalidade de vedação em uma bomba é a de impedir a entrada de ar ou a saída do líquido a ser bombeado, dependendo dos valores de pressão existentes em seu interior. Se a pressão no seu interior for menor que a atmosférica, haverá possibilidade da entrada de ar. Os tipos de vedação são gaxetas e selo mecânico.

5.5.6.5.1 Gaxeta

São colocadas em formas de anéis em torno do eixo. O cilindro oco, onde ficam alojados estes anéis é chamado de caixa de gaxetas, e a peça responsável pelo aperto dos mesmos chama-se sobreposta. As gaxetas são elementos de estrutura mole, e apesar de ter a função primordial de evitar a saída do líquido em operação, seu objetivo prático é permitir um pequeno vazamento (de 30 a 60 gotas por minuto), restringindo-o a limites aceitáveis. Este vazamento tem a finalidade de refrigerar e lubrificar os anéis de gaxeta. Um aperto excessivo na sobreposta aumenta demasiadamente o atrito entre o eixo e os anéis de gaxeta, implicando em maior geração de calor, podendo até trancar a bomba. Os materiais usados na fabricação de anéis de gaxeta são: algodão, alumínio, etc. Nesses materiais são colocados aglutinantes como sebo, óleo, graxa, parafina, silicone, grafite, etc., a fim de torná-la autolubrificante.

52

A fim de escolhermos o tipo ideal de gaxeta, recorremos aos manuais do fabricante, que orientam e fornecem dados suficientes para a escolha, baseados em;

Líquido bombeado.

Temperatura.

Pressão de descarga.

Rotação.

Dimensões da caixa de gaxetas.

5.5.6.5.2 Sobreposta

É o órgão da bomba que tem a função de regular o aperto nos anéis da gaxeta. Geralmente tem o formato losangular ou elíptico.

Com o aumento do vazamento pela gaxeta, há necessidade de regulagem da sobreposta, que é feito apertando-se alternadamente as porcas dos parafusos de ajuste que as mantém presas.

5.5.6.5.3 Selo Mecânico

É utilizado para permitir uma vedação mais eficiente, tanto os vazamentos normais que existirem são invisíveis a olho nu. A razão de vazamento entre gaxeta e o selo mecânico é de 100 para 1. Embora venham a diferir em seu aspecto físico, todos os selos mecânicos se baseiam no mesmo princípio de funcionamento. A vedação principal se processa num plano perpendicular ao eixo através do contato deslizante entre faces altamente polidas de duas peças, geralmente chamadas de sede e anel de selagem. A sede é estacionária e fica conectada numa parte da sobreposta, o anel de selagem é fixo ao eixo e gira com ele. Para que as faces da sede e do anel de selagem permaneçam sempre em contato e pressionadas, utilizam-se molas conectadas ao anel de selagem. A sede e o anel de selagem são as peças vitais de um selo mecânico, pois nelas se concentram os maiores esforços. A experiência vem provando que 95% dos produtos em operação industrial pode ser vedado com êxito utilizando uma dessas peças vitais de carvão e grafite. Combinações mais usadas:

Ferro fundido

Stellite

Cerâmica

Carbureto de Silício

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A vedação secundária, aplicada à sede e ao anel de selagem, é feita com anel “o”. Estes são normalmente feitos de borracha, teflon, asbesto especial, etc. As demais peças são, em geral, de aço inoxidável.

5.6 - Escorva

Como foi inicialmente dito, as bombas centrífugas têm restrições quanto à aspiração. Será preciso sempre que o corpo da bomba, bem como a rede de aspiração, estejam completamente cheios do fluido a ser aspirado, para que possa executar o bombeamento com sucesso. Para isso será preciso que utilizarmos recursos que possibilitem o enchimento destes espaços, caracterizando a escorva.

5.7 - Propriedades da água

No estudo de hidráulica e bombas, é importante que se conheça bem o fluido de trabalho e suas propriedades. No caso da água, a experiência tem mostrado que é uma substância praticamente incompressível quando é confinada em tubos e passagens de bomba, o que exige construções robustas para resistirem à pressão, especialmente choques periódicos ou golpe de aríete. A pressão, considerando-se que a massa específica é constante, vale, para o caso da água:

Pprofundidade em metros

(Kgf / cm210

)

54

P

profundidade em pes (lbf / in2

2 31,)

5.8 - Carga e Sucção

A carga é a profundidade da água num reservatório, tubo ou conduto, a qual é uma medida de pressão em qualquer ponto dado abaixo da superfície. Desta forma, o termo carga indica a diferença entre os níveis da água entre dois pontos, e é usualmente expressa em pés. Os dois tipos de carga são estática e dinâmica. A sucção é a altura na qual a pressão atmosférica força a água para cima da cota de sua fonte de suprimento. Com relação à operação da bomba, a altura medida desde a superfície livre da fonte de suprimento até o eixo da abertura de admissão da bomba é denominada altura de sucção.

5.8.1 Carga Estática

A altura de uma coluna de água em repouso acima de um determinado ponto, ou seja, o peso da água que provoca a pressão, é denominada carga estática. Do ponto de vista de operação da bomba, a altura é medida desde a linha de centro da conexão de descarga da mesma.

5.8.2 Sucção Estática

A altura da coluna de água, acima do nível de abastecimento, provocada pela pressão atmosférica que estabelece o equilíbrio é chamada sucção estática. A pressão atmosférica pode ser utilizada para succionar a água desde a fonte de abastecimento até uma bomba colocada mais alta, pela remoção do ar na admissão da bomba. A máxima altura na qual a água pode ser elevada, na temperatura padrão (62 oF), é determinada pela pressão barométrica. A sucção teórica cerca de 24,68 pés.

5.8.3 Carga Dinâmica

A carga dinâmica da água é a altura equivalente ou virtual da água em movimento, a qual representa a pressão resultante necessária para forçar a água de um dado ponto a uma dada altura, e vencer todas as resistências de atrito. A ação da carga dinâmica que causa o escoamento de um líquido é dividida em três partes:

Altura cinética

Perda de carga na entrada

Perda de carga por atrito A perda de carga por atrito é causada pela resistência ao escoamento devido ao atrito no interior do tubo. Na maioria dos tubos de diâmetro considerável, a soma da

55

perda de carga na entrada e da altura cinética necessária excede somente um pé. Em tubos longos com pequena carga, a soma da altura cinética e a perda de carga na entrada é em geral tão pequena que pode ser omitida. A perda de carga devido ao atrito da água em tubos e curvas de vários diâmetros e para várias vazões pode ser obtida de tabelas que são usadas em cálculos de bombas.

5.8.4 Sucção Dinâmica

É a pressão necessária para elevar a água de um certo ponto a uma dada altura de vencer toda a resistência de atrito. O limite prático da altura de sucção no funcionamento de uma bomba varia entre 20 e 25 pés. Este limite prático é reduzido por longas linhas de sucção, por um número maior de curvas, por tubos de pequenos diâmetros. O termo sucção negativa é aplicado quando o nível de água de alimentação é mais alto que a entrada da bomba, ou é também a distância vertical do nível da água de alimentação até a entrada da bomba que se encontra numa cota inferior.

5.9 - Coluna Total

A coluna total é a soma das colunas de recalque e de sucção. Os dois tipos de coluna total são coluna total estática e coluna total dinâmica.

5.9.1 Coluna Estática Total

É a altura geométrica de sucção mais a altura geométrica de recalque, ou a distância do nível de abastecimento até o nível do reservatório elevado. É a coluna que dá origem a pressões devido ao seu peso.

5.9.2 Coluna Dinâmica Total

Representa a pressão oriunda da altura geométrica total, acrescida da resistência ao escoamento pelo atrito. Para encontrarmos o valor da perda de carga devida ao atrito nas tubulações teremos que ter em mãos os seguintes dados:

Vazão (Q) (m3/h)

Diâmetro da Rede (D) (pol) O atrito em uma rede será tanto maior quanto maior for o diâmetro e a vazão do fluido através dele. Isto é comprovado na mecânica dos fluidos.

5.10 - Cálculo da Perda de Carga por Atrito em Redes

56

Sabendo os valores de Q e do diâmetro de rede, e entrando com os mesmos na tabela 1, teremos a perda de carga correspondente a um comprimento de rede de 100 m. Basta-nos então acharmos o valor procurado para o comprimento real da rede através da regra de três. Além do atrito provocado pela superfície interna da rede, os acessórios existentes em sua extensão também provocam resistência ao fluxo de fluido bombeado. A fim de facilitar os cálculos, supõe-se para determinado acessório um comprimento de rede equivalente que provoque a mesma resistência à passagem do fluido. Tendo em mãos este valor, encontramos o valor da perda de carga. A tabelas 2 fornece os valores dos comprimentos equivalentes para cada tipo de acessório em função do diâmetro da rede. Com estes valores, entramos na tabela 1 e achamos o valor da perda de carga para 100 m de tubulação, ou de rede. Com isso, estamos em condições de calcular a altura dinâmica total de um sistema de bombeamento.

5.11 - Dimensionamento de encanamentos de Recalque

Pela Norma experimental da água fria, a capacidade horária mínima da bomba é de 15% do consumo diário. Como dado prático, pode-se tomar 20%, o que obriga a bomba a funcionar 5h para recalcar o consumo diário. O dimensionamento do recalque baseia-se na fórmula de Forchmeier:

D , 13 4Q X , onde:

D - Diâmetro em metros

Q - Vazão em m3

e X - razão de utilização da bomba

5.12 - Dimensionamento de Encanamentos de Sucção

Como dado prático, escolhe-se um diâmetro de furo comercial maior que o usado para o recalque.

As tabelas 1 e 2 são mostradas aqui. No apêndice existem outras tabelas e curvas características de bombas.

Tabela 1 PERDAS DE PRESSÃO POR ATRITO EM TUBULAÇÕES

Valores para tubos de ferro fundido ou galvanizados em metros por 100 m de tubo

VAZÃO DIÂMETRO NOMINAL

57

Lts/s Lts/min. m3/h

20 mm

25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300

¾ pol. 1 1 ¼ 1 ½ 2 2 ½ 3 4 5 6 8 10 12 0,28 16,7 1 7,5 2,70 0,75 0,22 0,08 0,42 25,0 1,5 16,0 6,00 1,60 0,50 0,17 0,56 33,4 2 27,0 10,00 2,70 0,80 0,28 0,07

0,84 50,0 3 58,0 21,50 6,00 1,80 0,60 0,16 0,05

1,11 66,6 4 100,0 27,00 10,00 3,00 1,05 0,27 0,10

1,39 83,4 5 55,00 15,50 4,70 1,60 0,42 0,15 0,05

1,67 100 6 80,00 22,00 6,60 2,20 0,60 0,20 0,07 2,22 133 8 37,00 11,50 3,90 1,00 0,35 0,13

2,78 167 10 56,00 17,00 5,70 1,50 0,50 0,20 0,05 3,47 209 12,5 85,00 26,00 8,50 2,30 0,80 0,28 0,09

4,16 250 15 37,00 12,50 3,30 1,10 0,40 0,13 0,05 4,86 291 17,5 47,00 16,00 4,20 1,40 0,50 0,17 0,06

5,55 334 20 63,00 21,50 5,70 2,00 0,70 0,23 0,09

6,95 416 25 95,00 33,00 8,50 3,00 1,10 0,35 0,13 8,34 500 30 45,00 12,00 4,20 1,50 0,50 0,20 0,05

9,72 584 35 61,0 16,00 5,70 2,00 0,65 0,24 0,06

11,10 666 40 78,0 20,50 7,00 2,50 0,80 0,30 0,08 12,50 750 45 100,0 26,00 9,00 3,10 1,00 0,40 0,10 13,90 834 50 32,00 11,00 3,80 1,25 0,50 0,12

16,70 1000 60 45,00 16,00 5,50 1,80 0,70 0,16 0,05

19,5 1170 70 60,00 21,00 7,20 2,40 0,90 0,21 0,07 22,2 1325 80 75,00 26,50 9,20 3,10 1,20 0,27 0,09

25,0 1500 90 34,00 12,00 3,80 1,40 0,35 0,12 27,8 1670 100 40,00 14,00 4,70 1,80 0,42 0,14 33,4 2000 120 58,00 20,00 6,60 2,50 0,60 0,20 0,08

38,9 2335 140 80,00 27,00 9,00 3,30 0,80 0,26 0,10 44,5 2670 160 35,00 11,50 4,25 1,00 0,34 0,12 50,0 3000 180 43,00 14,00 5,30 1,25 0,42 0,17 55,6 3335 200 50,00 17,50 6,50 1,50 0,50 0,20

69,5 4165 250 80,00 26,50 10,00 2,30 0,80 0,32

83,4 5000 300 36,00 14,00 3,30 1,10 0,45

97,2 5835 350 19,00 4,50 1,50 0,60 111,0 6670 400 5,80 1,90 0,80 125,0 7515 450 7,00 2,40 1,00

135,7 6340 500 2,90 1,20

COTO

VELO

900

RAIO L

ONGO

COTO

VELO

900

RAIO M

ÉDIO

COTO

VELO

900

RAIO C

URTO

COTO

VELO

450

CURV

A 45

0

R/D

= 1

½

CURV

A 45

0

R/D

= 1

CURV

A 45

0

ENTR

ADA

NORM

AL

ENTR

ADA

DE B

ORDA

REGISTRO

DE

GAVE

TA A

BERT

O

REGISTRO

DE

GLOB

O AB

ERTO

REGISTRO

DE

ÂNGU

LO A

BERT

O

TE P

ASSA

GEM D

IRET

A

TE SAÍDA

DE

LADO

TE SAÍDA

BILAT

ERAL

VÁLV

ULA

DE P

É E

CRIVO

SAÍDA

DA C

ANAL

IZAÇ

ÃO

VÁLV

ULA

DE R

ETEN

ÇÃO

TIPO

LEV

E

VÁLVUL

A DE

RET

ENÇÃ

O

TIPO

PES

ADO

Diâmetro

mm pol.

13 ½ 0,3 0,4 0,5 0,2 0,2 0,3 0,2 0,2 0,4 0,1 4,9 2,6 0,3 1,0 1,0 3,6 0,4 1,1 1,6

19 ¾ 0,4 0,6 0,7 0,3 0,3 0,4 0,2 0,2 0,5 0,1 6,7 3,6 0,4 1,4 1,4 5,6 0,5 1,6 2,4

25 1 0,5 0,7 0,8 0,4 0,3 0,5 0,2 0,3 0,7 0,2 8,2 4,6 0,5 1,7 1,7 7,3 0,7 2,1 3,2

32 1 ¼ 0,7 0,9 1,1 0,5 0,4 0,6 0,3 0,4 0,9 0,2 11,3 5,6 0,7 2,3 2,3 10,0 0,9 1,7 4,0

38 1 ½ 0,9 1,1 1,3 0,6 0,5 0,7 0,3 0,5 1,0 0,3 13,4 6,7 0,9 2,8 2,8 11,6 1,0 3,2 4,8

50 2 1,1 1,4 1,7 0,8 0,6 0,9 0,4 0,7 1,5 0,4 17,4 8,5 1,1 3,5 3,5 14,0 1,5 4,2 6,4

63 2 ½ 1,3 1,7 2,0 0,9 0,8 1,0 0,5 0,9 1,9 0,4 21,0 10,0 1,3 4,3 4,3 17,0 1,9 5,2 8,1

75 3 1,6 2,1 2,5 1,2 1,0 1,3 0,6 1,1 2,2 0,5 26,0 13,0 1,6 5,2 5,2 20,0 2,2 6,3 9,7

100 4 2,1 2,8 3,4 1,5 1,3 1,6 0,7 1,6 3,2 0,7 34,0 17,0 2,1 6,7 6,7 23,0 3,2 6,4 12,9

125 5 2,7 3,7 4,2 1,9 1,6 2,1 0,9 2,0 4,0 0,9 43,0 21,0 2,7 8,4 8,4 30,0 4,0 10,4 16,1

150 6 3,4 4,3 4,9 2,3 1,9 2,5 1,1 2,5 5,0 1,1 51,0 26,0 3,4 10,0 10,0 39,0 5,0 12,5 19,3

200 8 4,3 5,5 6,4 3,0 2,4 3,3 1,5 3,5 6,0 1,4 67,0 34,0 4,3 13,0 13,0 52,0 6,0 16,0 25,0

250 10 5,5 6,7 7,9 3,8 3,0 4,1 1,8 4,5 7,5 1,7 85,0 43,0 5,5 16,0 16,0 65,0 7,5 20,0 32,0

300 12 6,1 7,9 9,5 4,6 3,6 4,8 2,2 5,5 9,0 2,1 102,0 51,0 6,1 19,0 19,0 78,0 9,0 24,0 38,0

350 14 7,3 9,5 10,5 5,3 4,4 5,4 2,5 6,2 11.0 2,4 120,0 60,0 7,3 22,0 22,0 90,0 11,0 28,0 45,0

Tabela 2

PARA A SUCÇÃO NÃO UTILIZAR OS VALORES DESTE LADO DA LINHA PRONUNCIADA (VELOCIDADE EXCESSIVA NO TUBO)

58

5.13 - Cálculo da Potência da Bomba

A potência de uma bomba e de seu acionador estão relacionadas com a vazão, o peso específico e a altura manométrica da seguinte forma:

BMPQ HMT

75, onde:

BHP - Potência da Bomba (CV)

Q - Vazão (m3/seg)

HTM - Altura manométrica (metros de coluna d’água)

- Rendimento

- Peso específico (kgf/m3)

5.14 - Exercícios 1. Explique o princípio de funcionamento de uma bomba centrífuga, explicando como a

energia é adquirida pelo líquido. 2. Explique o funcionamento de um carneiro hidráulico. Faça um esquema. 3. Assinale com um X dentro dos parênteses as alternativas corretas quanto à bombas. ( ) As bombas centrífugas apresentam menores vibrações em relação a outros tipo de

bombas. ( ) Podem ser classificadas quanto ao número de rotores como abertas, fechadas e semi-

fechadas. ( ) Podem ter fluxo radial ou axial ou misto.. ( ) As bombas centrífugas apresentam baixo custo de manutenção. ( ) Possuem um componente denominado escorva, que faz a vedação do fluido no rotor. ( ) Cargas estáticas de bombas levam em consideração o comprimento total da tubulação. ( ) O princípio de funcionamento de uma bomba centrífuga baseia-se na diminuição do

volume de um compartimento contendo líquido ( ) A carcaça de uma bomba centrífuga é responsável pelo aumento de pressão e

diminuição de velocidade. ( ) Rotores abertos são para líquidos pouco viscosos ( ) A bomba centrífuga tem bom rendimento em relação a outros tipos de bomba. ( ) Na prática, o encanamento de sucção é escolhido como sendo um diâmentro comercial

menor que o de recalque. 4. Para que tipo de fluido são utilizados rotores abertos? 5. Explique o princípio de funcionamento de uma bomba centrífuga, versando sobre todas as

transformações de energia que ocorrem desde a corrente elétrica. 6. O que deve ser levado em conta para a quantidade de aperto da sobreposta? 7. Para que serve e como funciona o selo mecânico?: 8. Qual a diferença entre altura de sucção estática e altura de sucção dinâmica?

59

9. Explique o que é cavitação e sua influência sobre os componentes mecânicos da bomba.

10. Indique os valores das alturas estáticas de sucção, descarga e total para a situação abaixo: 11. Calcule os comprimentos totais equivalentes (de sucção e recalque) e a perda total de

pressão para a situação anterior. A vazão é de 50 m3/h.

12. Utilizando um motor de 1750 RPM, dimensione a bomba (utilizando apenas o primeiro

fabricante da apostila)e a potência do motor de acionamento para a situação da questão anterior.

1

2 3

4

2

2

2

5

5 5

4

2

2

2 2

6

7

0,5

0,5

0,2

1,5

1,5

0,5

0,5

0,5

0,5 0,5 1,0 1,0

1,0

7,5

0,3

2,0

2,0

5

1- Válvula de pé e crivo 2- Cotovelo 90

o raio curto

3- Registro de globo aberto 4- Curva 90

o R=1,5 D

5- Cotovelo 90o raio grande

6- Registro de gaveta aberto 7- Válvula de retenção tipo leve

60

Capítulo 6 - Compressores

6.1 - Compressão do ar

Muita energia é gasta no trabalho de comprimir o ar. Parte dessa energia aparece na forma de calor e geralmente não se presta a fim algum, necessitando-se, às vezes, de dispendiosas instalações para retirá-lo. O ar comprimido é conduzido, através de tubulações até as partes de aplicação onde executa um trabalho, seja por expansão ou por aplicação direta de força, e em seguida é expulso para a atmosfera. A produção do ar comprimido é regida pelos processos de compressão do ar.

6.1.1 Processo isobárico

Processa-se a pressão constante. Para alterar o ar de um estado a outro, o sistema deve receber calor e a temperatura é diretamente proporcional ao volume.

6.1.2 Processo isométrico

Também chamado isocórico, processa-se com volume constante. O sistema deve receber calor e a pressão é proporcional à temperatura.

61

6.1.3 Processo isotérmico

A temperatura é mantida constante por um rígido sistema de troca de calor, ou seja, para alterar o ar de um estado a outro, todo calor deve ser retirado. Este seria o processo ideal de compressão, porém na prática é impossível retirar todo o calor gerado através dos processos de refrigeração.

6.1.4 Processo adiabático

Também chamado de isoentrópico, este processo de compressão apresenta a característica de não trocar calor com o meio externo, causando sempre elevação de temperatura. Para comprimirmos o ar neste processo, requer-se 1,4 vezes mais energia do que a requerida para um processo isotérmico.

62

6.1.5 Processo politrópico

Na prática, qualquer processo utilizado para comprimir o ar gera calor, e parte desse calor é eliminada, na medida do possível. Portanto, o processo de compressão real está situado entre as condições adiabática e isotérmica, aproximando-se mais da adiabática.

Este processo de compressão tanto pode receber como ceder calor para o exterior. O caso onde existe fornecimento de calor para o exterior, chamado politrópico.

6.2 - Compressão por estágios

A compressão por estágios tem a finalidade de comprimir o fluido por etapas, desde a pressão inicial até a final, passando por tantas pressões intermediárias quantas forem necessárias para se obter boas relações de compressão. Cada etapa de compressão é feita em um cilindro a parte, sendo que o primeiro é chamado de baixa pressão, e o último é o de alta. Como o fluido diminui de volume, as dimensões dos cilindros também vão diminuindo, de modo que o fluido descarregado por um cilindro é integralmente absorvido pelo seguinte. A compressão por estágios é bem mais vantajosa que uma única. Supondo que o fluido, depois de cada etapa de compressão, seja resfriado até atingir a temperatura inicial, o diagrama teórico será o seguinte: O trabalho fica reduzido em relação a uma correspondente compressão única.

63

6.3 - Compressores

6.3.1 Definição

É uma máquina de fluido que aspira gás (inclusive o ar) a uma determinada pressão e o comprime até uma pressão e o comprime até uma pressão mais elevada, desejada em uma atividade industrial qualquer.

6.3.2 Classificação quanto ao princípio de trabalho

Quanto ao princípio de trabalho, os compressores podem ser classificados em compressores de deslocamento positivo (também denominados compressores volumétricos) e compressores dinâmicos.

6.3.2.1 Compressores de deslocamento positivo ou compressores volumétricos

São também chamados de compressores alternativos, e a elevação de pressão é conseguida através da redução de volume ocupado pelo gás. O ciclo de funcionamento se baseia no fato de uma certa quantidade de gás ser encerrada em um volume variável (para menos), e depois de comprimido o gás é liberado desse volume por um bocal de saída. É um processo intermitente, sem contato entre a admissão e a descarga.

6.3.2.2 Compressores de deslocamento dinâmico ou compressores cinéticos

Possuem dois órgãos principais: impelidor e difusor. O impelidor é um órgão rotativo munido de pás que transfere a energia recebida de um acionador. O

Isotérmica

Politrópica

v

P

64

escoamento estabelecido no difusor é recebido por um órgão fixa chamado difusor, cuja função é transformar a energia cinética do gás em ganho de pressão. O processo de compressão se dá de maneira contínua, porém este tipo de compressor é bem menos utilizado na indústria que os compressores alternativos

6.3.3 Classificação quanto à aplicação

Quanto a aplicação, os compressores podem ser classificados segundo sua categoria de serviço em:

Compressores de ar para serviços ordinários. São fabricados em série, visando baixo custo inicial. Destinam-se a jateamento, limpeza, pintura e acionamento de pequenas máquinas pneumáticas.

Compressores de ar para serviços industriais. Destinam-se a unidades de suprimento de ar em ambiente industrial. Podem ter grande porte e custo, porém apresentam um padrão básico. As condições de operação, a menos da vazão, variam pouco.

Compressores de gás ou de processo. São compressores destinados a fluidos específicos e condições de operação diversas, como por exemplo sopradores de ar para fornos de craqueamento.

Compressores de refrigeração. Operam com fluidos bem específicos em condições de sucção e descarga pouco variáveis possibilitando a fabricação em série. Em sistemas de refrigeração de grande porte, pode ser tratado como um compressor de processo.

Compressores para serviços de vácuo. Também denominados de bombas de vácuo, trabalham em condições bem peculiares. A pressão de sucção é subatmosférica, a pressão de descarga é quase sempre atmosférica e o fluido de trabalho normalmente é o ar. Desenvolveu uma tecnologia toda própria.

6.4 - Tipos fundamentais de compressores

os compressores diferem bastante quanto ao princípio de funcionamento. As características construtivas de cada tipo são diversas e levam a concepções fundamentais, vistas a seguir.

6.4.1 Compressores de deslocamento dinâmico

Dentro do grupo dos compressores de deslocamento dinâmico, podemos citar

os ejetores, os compressores centrífugos e os fluxo axiais.

6.4.1.1 Ejetor

65

Consiste de um tubo de jato a alta pressão, que usa como propulsor vapor ou gás, descarregando um jato de alta velocidade através da câmara de aspiração para o interior do difusor, em forma de um venturi.

O gás, que fará aumentar a pressão, é arrastado pelo jato para a câmara de aspiração. A mistura, neste ponto, tem uma velocidade e está na pressão do gás induzido. A compressão aumenta à medida que a energia de velocidade se transforma em pressão dentro do difusor. Os ejetores são usados principalmente para produzir pressões abaixo da atmosférica (vácuo). Eles podem , no entanto, abranger a compressão até a pressão de admissão próxima a atmosférica, a um nível mais alto. São chamados compressores térmicos.

6.4.1.2 Compressor centrífugo ou fluxo radial

66

No compressor centrífugo, o gás é aspirado continuamente pela abertura central do impelidor e descarregado pela periferia do mesmo, num movimento provocado pela força centrífuga que surge devido à rotação. O fluido passa então a descrever uma trajetória espiral através do espaça anular que envolve o impelidor e que recebe o nome de difusor radial ou difusor em anel. Esse movimento leva a desaceleração do fluido e conseqüente aumento de pressão. Incapazes de realizar grandes elevações de pressão, os compressores dessa espécie normalmente utilizados em operações industriais são de múltiplos estágios.

6.4.1.3 Compressor fluxo axial

Com projeto, construção e operação das mais complicadas, este tipo de turbocompressor vem tendo aplicação crescente na indústria. Os compressores axiais são dotados de um tambor rotativo em cuja periferia são dispostas séries de palhetas em arranjos circulares igualmente espaçados, conforme mostrado na figura abaixo. Quando o rotor é posicionado na máquina, essas rodas de palheta ficam intercaladas por arranjos semelhantes fixados circunferencialmente ao longo da carcaça, conforme mostra o esquema anterior. Cada par formado por um conjunto de palhetas móveis e outro de palhetas fixas se constitui num estágio da compressão. As palhetas móveis possuem uma conformação capaz de transmitir ao gás a energia proveniente do acionador. As palhetas fixas são projetadas de forma a produzir uma deflexão no escoamento, forçando a difusão. A elevação de pressão por estágio é pequena, e o escoamento se desenvolve segundo uma trajetória hélico-axial envolvendo o tambor.

6.4.2 Compressores de deslocamento positivo rotativos

Os compressores de deslocamento positivo podem ter uma característica rotativa, através de um ou mais elementos de giro, e são diferenciados entre compressor de lóbulos, compressor de palhetas, de anel líquido e de parafuso.

6.4.2.1 Compressor de lóbulos ou compressor tipo Roots

Possui dois rotores que giram em sentido contrário, mantendo uma folga muito pequena muito pequena no ponto de tangência entre si e em relação à carcaça. O gás

67

penetra pela abertura de sucção e ocupa a câmara de compressão, sendo conduzido até a abertura de descarga pelos rotores, conforma mostrado na figura.

Não há compressão interna. Os rotores apenas deslocam o gás de uma região de baixa pressão para uma região de alta. Sendo considerado um soprador, raramente empregado em fins industriais, tem baixo custo e não necessita de muita manutenção.

6.4.2.2 Compressor de palhetas

68

O compressor de palhetas possui um rotor ou tambor central que gira excentricamente em relação à carcaça, conforme a figura a seguir. O tambor possui rasgos radiais em todo o seu comprimento, onde são inseridas as palhetas retangulares. Quando o tambor gira, por ação da inércia, as palhetas movem-se radialmente e se mantém em contato com a carcaça. O gás penetra pela abertura de sucção e ocupa os espaços definidos por doas palhetas subsequentes. Observando a figura, podemos notar que, devido à excentricidade do rotor, os espaços entre as palhetas vão diminuindo a medida que são deslocados da sucção para a descarga, provocando a compressão progressiva do gás, cuja relação é fixa para uma mesma bomba.

6.4.2.3 Compressor de anel líquido

Consiste de uma carcaça onde está posicionado, excentricamente, um rotor com uma série de palhetas, dispostas de tal forma que a folga entre as extremidades e a carcaça varia numa certa ordem, em função da rotação do rotor. A carcaça é ocupada parcialmente por um líquido, o qual é movimentado pelas palhetas do rotor. Durante a rotação, este líquido é lançado para a periferia, formando um anel rotativo. A sua distância varia em relação ao rotor, pois este está posicionado excentricamente em relação à carcaça e, consequentemente, as células entre as palhetas variam de acordo com a rotação. Pela redução de volume é efetuada uma compressão semelhante à do compressor de palhetas. O resfriamento é direto.

O compressor é utilizado em processos que exigem um mínimo de aumento de temperatura, ou seja, próximo à compressão isotérmica, mas tem elevado consumo de energia, se comparado com um compressor alternativo de capacidade semelhante.

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6.4.2.4 Compressor de parafuso

Possui dois rotores em forma de parafuso que giram em sentido contrário, mantendo entre si uma condição de engrenamento, conforme mostrado na figura a seguir. O gás penetra pela abertura de sucção e ocupa os intervalos entre os filetes dos rotores. A partir do momento que existe um engrenamento de um determinado filete, o gás contido nele fica encerrado entre os rotores e a parede da carcaça. A rotação faz com que o ponto de engrenamento se desloque para a frente, reduzindo o espaço disponível para o gás e provocando sua compressão, até que seja alcançada a abertura de descarga.

6.4.3 Compressores de deslocamento positivo alternativos

Os compressores de deslocamento positivo não rotativos, são chamados de alternativos, e dividem-se em compressores de diafragma mecânico, de diafragma hidráulico e de pistão ou êmbolo.

6.4.3.1 Compressores de diafragma mecânico

70

É constituído de um sistema de acionamento mecânico excêntrico e uma membrana flexível, denominada diafragma, encerrados no interior de uma carcaça.

Pela ação da rotação do motor, a membrana fica com um movimento alternativo de vai e vem, semelhante a um pistão. Este movimento alternativo é responsável pela compressão do ar. O ar fornecido por este pistão é livre de óleo lubrificante, e a folga do pistão pode ser elevada. Os compressores de diafragma mecânico são utilizados em pequenas instalações de ar, com pressões moderadas ou na obtenção de vácuo.

6.4.3.2 Compressores de diafragma hidráulico

É dotado, basicamente, de um pistão hidráulico, válvulas de sucção e descarga, reservatório para suprimento do líquido de compressão, diafragma e placa perfurada. O diafragma (membrana flexível) no interior do compressor, limita duas câmaras, uma inferior, hidráulica, e outra superior, de compressão do ar. O pistão inicia o movimento ascendente e tende a comprimir o óleo existente na câmara hidráulica, que flui pela placa perfurada, atuando sobre a área do diafragma e obrigando-o a flexionar-se em direção à câmara de ar, causando a redução do volume ali existente, e consequentemente, a compressão do ar. O ar comprimido por este compressor também é isento de óleo, apesar da compressão ser hidráulica. O compressor, comandado hidraulicamente, é adequado para obtenção de pressões elevadas, devido à pouca compressibilidade do óleo hidráulico.

71

6.4.3.3 Compressor alternativo de pistão ou êmbolo

Utiliza um sistema biela-manivela para converter o movimento rotativo de um eixo no movimento translacional de um pistão. Dessa maneira, a cada rotação do acionador, o pistão efetua um percurso de ida e volta na direção do cabeçote, estabelecendo um ciclo de operação. O funcionamento se dá em conjunto com um sistema de válvulas, como mostrado na figura a seguir, diferenciando etapas do ciclo de compressão.

72

Nem todo o gás contido na etapa de admissão é expulso do cilindro, provocando a existência de um espaço morto ou volume morto, compreendido entre o cabeçote e o pistão no seu ponto final do deslocamento.

6.5 - Características de compressores alternativos de pistão Nosso estudo aprofundar-se-á para o caso dos compressores alternativos de pistão, veremos ciclo de funcionamento, componentes básicos e cálculos relativos a este tipo de compressor.

6.5.1 Ciclo ideal

O ciclo ideal de um compressor alternativo é mostrado na figura a seguir: Para que o ciclo seja ideal, algumas hipóteses simplificativas devem ser adotadas:

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O fluido utilizado é um gás perfeito.

Os processos de compressão e expansão do gás são ideais e adiabáticos, e portanto descritos por uma relação do tipo PV

k= ctte.

os processos de admissão e descarga se processam isobaricamente, nos níveis de pressão do sistema.

6.5.2 Ciclo real

Devido à inércia da válvula e a resistência dos condutos de admissão, aparece durante a aspiração uma depressão em relação à pressão de sucção necessária para vencer as resistências. Igualmente durante a descarga, verifica-se uma sobrepressão em vista da inércia da válvula e dos condutos de escape. Em vista da impossibilidade mecânica de atingir-se o fundo do cilindro com o pistão, o fluido comprimido que não abandona o cilindro expande-se no início da fase seguinte, reduzindo a fase de aspiração. Espaço morto é o volume compreendido entre o cabeçote e o pistão quando este atinge o ponto morto superior (PMS) A massa de gás existente neste espaço não é descarregada. A existência desse volume se deve a:

Válvulas.

Folga necessária entre cabeçote e pistão na posição extrema.

6.6 - Componentes de um compressor alternativo

6.6.1 Cilindro

O aspecto estrutural dos cilindros de um compressor alternativo varia muito em função dos função dos níveis de trabalho. O material universalmente adotado para cilindros que operam com pressões moderadas (até 7 MPa) é o ferro fundido cinzento, que tem boa resistência à corrosão e excelente usinabilidade. Para a faixa logo acima desta pressão ( até cerca de 10 MPa), vem sendo utilizado o ferro fundido nodular, um pouco mais dúctil e resistente que o anterior, porém de pior usinabilidade. Para altas pressões (até cerca de 17 MPa), os cilindros são fundidos ou forjados em aço. Normalmente são utilizadas camisas. A disposição horizontal é a mais utilizada para cilindros de compressores de grande porte.

6.6.2 Cabeçote

Exige-se que seja reforçado e que permita perfeita vedação da câmara de combustão.

74

6.6.3 Válvulas de sucção e descarga.

As válvulas podem ser de diversos tipos: de canal, de disco, de palhetas e de guias. As de guias assemelham-se às usadas nos motores à explosão e eram adotadas nos compressores antigos. Seu uso atualmente é bastante restrito. As de canal e as de disco são usadas normalmente em compressores de grande potência, são simples e opõe pequena resistência a passagem de fluido. As de palhetas são usadas normalmente em compressores de baixa potência. Na quase totalidade dos casos, o funcionamento das válvulas é provocado pelas diferenças de pressão que se verificam durante as fases de sucção e descarga do compressor A localização varia de acordo com o fabricante, sendo usual sua colocação no cabeçote ou paredes do cilindro, podendo ainda, como acontece em muitos compressores, estar a válvula de sucção instalada no êmbolo, que é vazado, a fim de permitir a passagem do fluido aspirado, que é admitido pela parede do fluido. Em compressores pequenos de refrigeração, a aspiração é feita no cárter, onde se colocam filtros, a fim de reduzir a quantidade de óleo aspirado. As válvulas devem obedecer a certas características para garantir o bom funcionamento do compressor:

Estanqueidade quando do fechamento;

pequena perda de carga quando abertas;

pequena inércia das partes móveis, para abrir e fechar rapidamente;

resistência das peças a choques, pressões, temperaturas elevadas e à corrosão;

não aumento demasiado do espaço morto; e

facilidade de manutenção.

6.6.4 Pistão

É normalmente oco e construído numa liga de alumínio, para ter seu peso reduzido. Possui anéis de segmento de compressão, para evitar fuga de pressão e de óleo, para permitir a lubrificação das superfícies em contato.

6.6.5 Biela

Parte de ligação entre o êmbolo e o eixo de manivelas ou virabrequim. Em sua extremidade superior, onde se aloja o pino do pistão, dispõe de uma bucha, geralmente de bronze. Na extremidade inferior, existe uma bucha bipartida (casquilhos), de metal anti-fricção, removível ou não.

75

6.6.6 Eixo de manivelas

Também chamado de virabrequim, é o responsável pela transformação do

movimento rotativo do motor em movimento alternativo do pistão.

6.7 - Cálculo dos principais elementos

A capacidade de um compressor está relacionada diretamente com a quantidade de ar realmente aspirada, o número de cilindros, número de efeitos e a rotação de trabalho, portanto:

Gs Ga i a n / 60 (kg/s), onde:

Gs - Capacidade em kg/s.

Ga - Quantidade de gás aspirado por rotação.

i - número de efeitos.

a - número de cilindros por estágio.

n - rotação da polia do compressor em RPM

Ga Rg Gc

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Rg - rendimento gravimétrico. Razão entre a massa de ar realmente aspirada e a que teoricamente poderia aspirar. Gc - massa de gás possível de ocupar o volume da cilindrada.

Gc Vc

Quanto maior a temperatura de aspiração, ou a temperatura ambiente, menor será a massa de ar aspirada a cada rotação do eixo de manivelas. Das equações anteriores temos:

VcGs

Rg i a n

60

(m

3)

Temos, portanto, condições de calcular a cilindrada e as dimensões básicas (l e

d) dos estágios envolvidos, em função das necessidades principais, que são a

capacidade (Ga) e a pressão de descarga (Pd) O rendimento gravimétrico é dado pela seguinte relação:

RgGa

Gce e

Pd

Pa

Ti

Ta

n

1 f

1/

, onde:

e - razão de espaço morto.

Pd - pressão de descarga.

Pa - pressão de admissão.

Ta - temperatura de admissão.

Ti - temperatura interna do gás durante a compressão.

e Volume de espaco morto

Cilindrada

A relação entre Ti e Ta é dada por:

Ti

Ta

Pa

Pd

n

n

1

1

2

n é o expoente politrópico, que varia em função do gás a ser comprimido e do

tipo de resfriamento. Sabemos que :

Vcd l

2

4, onde:

d - diâmetro do pistão

l - curso do pistão

77

EXPOENTE POLITRÓPICO

Fluido Refrigeração n

ar água 1,15

ar ar 1,25

freon ----- 1,13

amônia água 1,15 -1,25

amônia ar 1,25-1,30

Considera-se que d seja de 1 a 2 l, se não houver imposição construtiva.

POTÊNCIA TEÓRICA (Pt) : É a potência que o compressor desenvolveria, caso o fluido, ao ser comprimido, realizasse uma transformação ideal isotérmica. Na realidade, porém, o trabalho é muito superior àquele correspondente a uma evolução isotérmica puramente teórica. POTÊNCIA INDICADA (Pi): É a potência realmente desenvolvida pelo compressor para comprimir o fluido segundo o diagrama de funcionamento real. POTÊNCIA EFETIVA (Pe): É a potência a ser desenvolvida pelo compressor a fim de compensar perdas mecânicas em seus órgãos móveis. É superior, portanto, à potência indicada. Deste modo, podemos definir três rendimentos distintos:

Rendimento Teórico: T

Pt

Pi

Rendimento Mecânico: M

Pi

Pe

Rendimento Global: G

Pt

Pe

A potência efetiva pode ser calculada por:

PePi Lu Gs

M M

75 (CV)

Lu - Trabalho realmente efetuado em cada rotação.

78

6.8 - Exercícios

1. Qual seria o processo ideal de compressão de ar? 2. Diga o nome do processos de compressão mostrados abaixo.

1 2 3

3. Assinale com um X dentro dos parênteses as alternativas corretas quanto à compressores.

( ) O processo adiabático é também chamando isoentálpico. ( ) A compressão por estágios é sempre vantajosa, mesmo considerando as perdas

mecânicas ( ) O ejetor, o compressor fluxo axial e o compressor de anel líquido são exemplos de

compressores dinâmicos ( ) Para maiores níveis de pressão em compressores alternativos, é usado o aço como

material para cilindros. ( ) Válvulas de guias são muito usadas em compressores alternativos. ( ) A compressão politrópica é vantajosa, mesmo considerando as perdas mecânicas ( ) O ROOTS, o compressor de palhetas e o compressor de anel líquido são exemplos de

compressores de deslocamento positivo. ( ) O compressor tipo Roots (lóbulos) é um compressor de deslocamento positivo. ( ) No processo de compressão isotérmico se necessitaria o menor trabalho possível dos

ciclos de compressão. ( ) Em compressores de baixa potência são usadas válvulas de guias. ( ) O trabalho realizado sobre o gás num processo de compressão real é menor que o

trabalho realizado sobre o gás num processo de compressão ideal. ( ) A potência efetiva é maior que a teórica, que é maior que a indicada. ( ) O projeto de válvulas deve prever a maximização do espaço morto ( ) O trabalho no ciclo real é maior que no ciclo ideal. ( ) A compressão por estágios aproxima o processo de compressão de um isotérmico.

4. Faça o gráfico completo de um ciclo ideal de compressão, identificando suaus fases,

abertura de válvulas e PMS e PMI. 5. Os compressores dinâmicos realizam a compressão segundo um mesmo princípio. Qual? 6. Explique o funcionamento de um compressor do tipo ROOTS

7. O que, fisicamente, representa o PMS? 8. Cite 4 características desejáveis em válvulas usadas em compressores alternativos.: 9. Qual a diferença entre potência indicada e potência efetiva? 10.Explique, auxiliado por um gráfico, a diferença em termos de energia da compressão

multiestágios em relação a compressão em único estágio.

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11.Esquematize o ciclo ideal de compressão, mostrando todas as suas etapas, movimentação

de válvulas e pontos mortos. 12.Cite 2 vantagens do compressor de diafragma hidráulico sobre o compressor de pistão. 13.Esquematize em um gráfico P-v os processos de compressão isotérmico, adiabático e

politrópico. 14.Explique o funcionamento de um compressor de anel líquido 15.Explique o funcionamento de um compressor fluxo axial 16.Cite 2 exemplos de compressores cinéticos e 3 exemplos de compressores de

deslocamento positivo. 17.Operam apenas com fluidos bem específicos, sucção e descarga quase constantes. São

os: ( ) Compressores de ar para serviços ordinários ( ) Compressores de ar para serviços de vácuo ( ) Compressores de gás ou de processo ( ) Compressores de ar para serviços industriais ( ) Compressores de refrigeração.

18.Porque o compressor tipo Roots é considerado um soprador? 19.O que é espaço morto e qual sua influência no processo? 20.Qual a diferença entre potência teórica e indicada? 21.Qual a diferença entre potência teórica e efetiva? 22.Qual a diferença entre potência efetiva e indicada? 23.Qual a vantagem do compressor de diafragma hidráulico sobre o de diafragma mecânico? 24.Qual princípio de funcionamento dos compressores volumétricos? E dos de deslocamento

dinâmico? 25.Num compressor alternativo, um elemento aciona, terminando a compressão. Qual? 26.Qual a diferença fundamental no princípio da ação de um compressor fluxo radial e de uma

bomba centrífuga? 27.Qual a relação do processo politrópico com os processos isotérmico e adiabático? Explique

as razões.

80

Capítulo 7 - Sistemas de Refrigeração e Condicionamento de Ar

7.1 - Ar Condicionado O condicionamento de ar é um processo que visa o controle simultâneo da pureza, umidade, temperatura e movimentação de ar em um ambiente delimitado. Estes fatores exercem influência sobre o indivíduo e sobre sua capacidade de trabalho, afetando também equipamentos, peças e instrumentos, como no caso de laboratórios de mecânica fina e de equipamentos de precisão. O ar condicionado pode ser utilizado em uma infinidade de aplicações na indústria, algumas das quais são apresentadas a seguir:

Processos de manufatura que exigem umidade, temperatura e pureza do ar controlados, tais como fabricação de produtos farmacêuticos e alimentícios, salas de impressão em cores.

Ambientes de trabalho, visando aumentar o conforto pessoal, e consequentemente, a produtividade.

Ambientes onde se exige segurança, isto é, onde se operam produtos inflamáveis ou tóxicos.

Ambientes onde se processam materiais higroscópicos.

Etapas de produção que exigem controle das reações químicas (cristalização, corrosão de metais, ação de microorganismos.

Locais onde é preciso eliminar a eletricidade estática para prevenir incêndios e explosões

Usinagem de ultraprecisão.

Laboratórios de controle e teste de materiais. Uma característica importante para o condicionamento de ar é que o mesmo serve de meio de transporte de calor, água, fumaça, vapores, poeira, odores e som. Desta forma podemos definir o condicionamento de ar como o controle dos seguintes fatores fundamentais:

Calor

Umidade

Filtragem

Circulação

Ventilação A capacidade de um sistema qualquer de refrigeração é a rapidez com que ele retira calor de um espaço refrigerado. Geralmente indica-se essa capacidade em kcal/h em função de sua capacidade de fundir o gelo. A explicação para isto vem do fato de que antigamente o gelo era usado como agente refrigerante. Ao se fundir uma tonelada de gelo, absorve-se 80.000 kcal (1000 kg x 80 kcal/kg). Ao se fundir uma tonelada de gelo, tem-se uma razão de 3333 kcal/h ou 55,56 kcal/min. O equipamento que tenha esta capacidade diz-se que possui uma capacidade de uma tonelada de refrigeração.

81

7.1.1 Ciclo do Ar O ciclo de ar começa com o ventilador, que servirá para impelir o ar através do ciclo, enviando-o através de um duto que o conduz até as aberturas de entrada localizadas no ambiente a ser condicionado. Estas aberturas são normalmente denominadas de saídas, orifícios de descarga ou terminais. O ar, entrando no ambiente, resfria ou aquece conforme as necessidades de projeto. Partículas de pó provenientes do ambiente passam a integrar o fluxo de ar, sendo levadas por ele. O fluxo de ar proveniente do ambiente entra em um duto de retorno, entrada ou retorno de ar, onde as partículas são separadas por um filtro. Depois de limpo, o ar pode ser aquecido ou resfriado conforme as necessidades projetadas para o ambiente condicionado, sendo reabsorvido pelo ventilador, e reiniciando o ciclo.

7.1.2 Componentes de um ciclo de ar condicionado: Os principais componentes de um ciclo de condicionamento de ar são:

ventilador

dutos de indução

saídas de insuflamento

espaço a ser condicionado

dutos de retorno

aberturas de retorno

filtros

câmara de aquecimento ou resfriamento.

7.1.2.1 Ventilador

Movimenta o ar do exterior ou do interior do espaço condicionado. O ventilador é escolhido de forma que possa suprir a quantidade de ar desejada, com uma velocidade

filtro

ventilador

serpentina

82

calculada de forma que não ocorra tiragem excessiva ou escassa de ar que nele é introduzido.

7.1.2.2 Dutos de insuflamento

Enviam ou dirigem o ar proveniente do ventilador ao ambiente condicionado. Devem ser o mais curtos possíveis e possuir o mínimo de curvas para que o ar possa fluir livremente.

7.1.2.3 Grelhas ou saídas de insuflamento

Realizam a distribuição do ar no ambiente condicionado.

7.1.2.4 Espaço condicionado

Dele depende o projeto de ar condicionado. É o local onde são geradas as cargas térmicas e onde deve ser insuflado e retirado o ar.

7.1.2.5 Dutos de retorno

Dirigem o ar desde o ambiente condicionado até o equipamento condicionador.

7.1.2.6 Aberturas ou grelhas de retorno

São aberturas colocadas na superfície do ambiente, que permitem ao ar passar para o duto de retorno. Estão normalmente colocadas na parede oposta às grelhas de insuflamento. Se o duto de insuflamento está colocado no teto do ambiente ou em uma parede, próximo ao teto, o duto de retorno deve ser colocado no piso ou numa parede, próximo ao piso.

7.1.2.7 Filtros

Têm a função de limpar o ar insuflado no recinto e normalmente são colocados em algum lugar no duto de ar de retorno. São fabricados conforme diversas condições, podendo ser do tipo seco, espuma de vidro ou de composições plásticas, ou eletrostático, que opera atraindo as partículas de pó ou sujeira mediante o uso da eletricidade.

7.1.2.8 Serpentinas de resfriamento e aquecimento

A serpentina de resfriamento ou a de aquecimento podem se localizar antes ou depois do ventilador, porém sempre depois do filtro. Um filtro antes desses integrantes é necessário para prevenir excesso de sujeira e poeira sobre superfícies das serpentinas.

7.1.3 Operação do sistema de ar condicionado no inverno

Durante o inverno, o ciclo adiciona calor ao ambiente. Isto é realizado através da passagem do ar de retorno através das serpentinas de aquecimento. O ar é aquecido até a temperatura necessária e enviado pelo duto de insuflamento até o espaço condicionado. Se o ar é muito seco, deve-se adicionar umidade ao ar, instalando recipientes com água no duto de insuflamento depois da serpentina. Esta água será adicionada ao ar por constante evaporação e convecção, devendo os recipientes ser alimentados continuamente.

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7.1.4 Operação do sistema de ar condicionado no verão

O ar de retorno proveniente do recinto condicionado passa através de uma serpentina de resfriamento, na qual é resfriado. Se o grau de umidade é elevado, ela é removida automaticamente à medida que o ar passa pela serpentina.

7.1.5 Cargas térmicas em sistemas de ar condicionado

Ao se fazer o projeto de um sistema de ar condicionado, deve-se conhecer a quantidade de calor que é preciso retirar ou colocar no ambiente. A esta quantidade de calor se dá o nome de carga térmica. As cargas térmicas podem ser de resfriamento ou aquecimento.

7.1.5.1 Cargas térmicas de resfriamento.

São as quantidades de calor sensível e latente, expressas em kcal/h, que devem ser retiradas do recinto para manter as condições de temperatura e umidade. São elas: calor do sol, infiltrações, umidade e fontes de calor internas. O calor do sol penetra no ambiente de duas formas: radiação e condução. O calor por radiação é imediatamente absorvido pelo espaço condicionado, enquanto que o por condução dependo do tipo de material de construção usado, podendo levar várias horas para ser percebido. O efeito solar em cada problema deve ser baseado no trajeto do sol durante o tempo em que o sistema de ar condicionado estiver em funcionamento. O efeito do sol deve ser considerado somente nas paredes em que haja incidência solar. Infiltrações ocorrem devido à diferença de pressão entre o interior e o exterior, causada pelos ventos ou diferenças de temperatura. Tal diferença de pressão cria uma circulação do ar quente para dentro do ambiente através das frestas, portas, pisos, forros e dutos de ar. Umidade penetra no ambiente pelas infiltrações tendendo a se condensar, fornecendo calor. As fontes de calor internas são constituídas por pessoas, luzes, motores, aparelhos elétricos, máquinas, etc.

7.1.5.2 Carga térmica de aquecimento

Refere-se à quantidade de calor necessária a um ambiente, durante o inverno, para compensar as perdas de calor devido à diferença de temperatura entre o ar externo e o interno. Neste caso as cargas térmicas são tratadas como perdas. As perdas podem ocorrer por condução ou ventilação. Perdas por condução ocorrem do mesmo modo que o ganho de calor no verão, através das paredes, vidros, porões, fundações e teto. Perdas de calor devido à ventilação ocorrem pelo fato do ar entrar frio no ambiente. Esta perda é eliminada fazendo-se recircular o ar de aquecimento para o ambiente.

84

7.2 - Refrigeração

7.2.1 Componentes principais do ciclo de refrigeração Os principais componentes de um ciclo de refrigeração são os seguintes:

Evaporador

Compressor

Condensador

Válvula de Expansão

7.2.1.1 Evaporador

O evaporador é um trocador de calor e tem a finalidade de servir de interface sobre a qual o ar proveniente do recinto condicionado possa trocar calor com o líquido refrigerante que circula pelo interior dos tubos, ou seja, é o agente direto do resfriamento. Geralmente as serpentinas de evaporação são feitas de tubos de cobre com aletas de cobre ou alumínio, prensadas na tubulação de cobre. A tubulação é um ziguezague, o que obriga o ar a circular num movimento ondulatório através da serpentina, tornando a taxa de transferência de calor por unidade de área a maior possível. Com exceção das aplicações onde ocorre o resfriamento direto do produto, como no caso dos congeladores de placas, a maioria dos evaporadores resfria ar ou líquidos como água, salmoras, etc, os quais serão os agentes de resfriamento no processo. A maioria dos evaporadores que resfriam líquidos são do tipo carcaça-tubo. O projeto dessas serpentinas envolve complexidades como circuitagem, distribuição dos tubos e projeto das aletas. A figura a seguir mostra resfriadores do tipo carcaça-tubo, com o refrigerante mudando de fase (a) na carcaça e (b) no tubo.

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7.2.1.2 Compressor

Possui duas finalidades:

extrair o gás refrigerante do evaporador, forçando-o para o condensador; e

aumentar a pressão do gás refrigerante. Succionando o refrigerante, o compressor reduz a pressão na serpentina do evaporador mantendo-a suficientemente baixa para permitir ao refrigerante vaporizar-se a uma baixa temperatura, quando a pressão é reduzida. Forçando o vapor do refrigerante para o condensador, o compressor aumenta a pressão e a temperatura do refrigerante passando-o para o estado líquido.. Os compressores mais utilizados em refrigeração são os do tipo alternativo, de parafusos, de palhetas e centrífugo. EM instalações de até 1000 kW são empregados os alternativos e de parafuso. Os compressores alternativos podem ser do tipo aberto, semi-hermético e hermético. Nos abertos, o eixo de acionamento atravessa a carcaça, sendo acionado por um motor exterior. É o único tipo utilizado para amônia, podendo operar com compostos halogenados e pode ser visto na figura a seguir: Nos semi-herméticos a carcaça exterior aloja também o motor, como ilustrado a seguir. Esse tipo opera com compostos halogenados, e o refrigerante entra em contato com o enrolamento do motor, resfriando-o. Pode-se remover o cabeçote, tornando acessíveis as válvulas e os pistões. Os compressores herméticos , utilizados em refrigeradores domésticos e condicionadores de ar até potências de 30 kW (40 H.P.) são semelhantes aos semi-

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herméticos, diferindo no fato da carcaça apresentar acesso apenas para a entrada e saída de refrigerante e para as conexões elétricas do motor. A figura a seguir mostra um compressor hermético típico.

7.2.1.3 Condensador

É o segundo trocador de calor de nosso sistema e possui duas funções: a primeira é retirar do refrigerante o calor que ele extraiu do evaporador e aquele correspondente à compressão dos vapores no compressor. A segunda é condensar os vapores do refrigerante, mudando seu estado para líquido. A remoção do calor do refrigerante no condensador pode ser realizada através de um resfriamento por água ou pelo ar. No segundo caso, o processo pode ser forçado, por meio de um ventilador, ou natural, como é o caso dos refrigeradores domésticos. Existe ainda o processo evaporativo. Os três tipos podem ser vistos na figura a seguir:

7.2.1.4 Válvula de expansão

É a responsável pela redução da pressão e temperatura do refrigerante líquido. A válvula atua como um controle de fluxo entre o lado da alta pressão (condensador) e o de baixa (evaporador). Em sistemas mais simples esta válvula pode ser substituída por tubos capilares.

7.2.2 Descrição do ciclo de refrigeração

O ciclo de refrigeração divide-se em duas seções de pressão: a de baixa pressão e a de alta pressão. As linhas divisórias entre essas duas áreas de pressões são a válvula de descarga do compressor e a válvula de expansão térmica. Na direção do fluxo do refrigerante, o lado de alta pressão inicia-se quando o êmbolo do compressor comprime o gás e o força através da válvula de descarga. A medida que a pressão do gás sobe, sua temperatura também se eleva. O gás quente flui através da canalização para o condensador, transferindo o calor latente para o meio externo. A medida que o calor é retirado, o vapor de refrigerante volta ao seu estado líquido. Seguindo o circuito, o líquido refrigerante passa por um filtro e, em seguida, pela válvula de expansão, onde se inicia o lado da baixa pressão. A medida que entra no evaporador, o líquido vaporiza-se absorvendo calor do ar que circunda o evaporador. A pressão e a temperatura diminuem devido à sucção provocada pelo compressor.

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O gás refrigerante, a baixa pressão e temperatura, é succionado novamente para dentro do compressor, reiniciando o processo.

7.2.3 Refrigerantes

Refrigerantes, fluidos friorígenos ou agentes friorígenos são substâncias empregadas como veículos térmicos na realização do ciclo de refrigeração. Em outras palavras, o refrigerante possui a função de transportar o calor do ambiente condicionado para o exterior. O refrigerante deve possuir certas características, das quais são listadas:

Deve passar facilmente do estado líquido para o gasoso;

baixo ponto de ebulição;

ter elevada capacidade de transportar calor a baixa temperatura e de ceder calor quando condensado num meio de resfriamento

Ser quimicamente inerte em relação aos metais, juntas e lubrificantes utilizados na instalação.

deve ser não inflamável e não explosivo quando misturado com o ar.

deve ser atóxico

ser facilmente identificável no caso de escapamentos (fugas) seja pelo odor, seja por meio de fenômenos visíveis.

Os refrigerantes podem ser classificados em primários, que atuam em sistemas fechados e sofrem mudança de estado; e secundários, que são utilizados em grandes instalações de refrigeração e condicionamento de ar, transportando o calor do ambiente condicionado para o refrigerante primário. Os refrigerantes mais utilizados na indústria podem ser separados em dois grupos principais:

Hidrocarbonetos halogenados

Misturas azeotrópicas.

Compostos orgânicos

Compostos inorgânicos. Os refrigerantes mais comuns são apresentados nas tabelas a seguir.

88

Família Designação

numérica

Nome Fórmula

12 Dicloro difluor metano CCl2F2

Halogenados 13 Monocloro trifluor metano CClF3

22 Monocloro difluor metano CHClF2

Azeotropos 502 R-22/R-115

503 R-23/R-13

Compostos 170 Etano C2H6

Orgânicos 290 Propano C3H8

600 Butano C4H10

Compostos 717 Amônia NH3

Inorgânicos 744 Dióxido de Carbono CO2

Os refrigerantes devem possuir características específicas, que são listadas a seguir:

Deve passar facilmente do estado líquido para o estado gasoso;

deve ter baixo ponto de ebulição;

deve ter elevada capacidade de transportar calor a baixa temperatura e de ceder calor quando condensado num meio de resfriamento;

deve ser quimicamente inerte em relação aos metais, juntas e lubrificantes usados na instalação;

deve ser não inflamável e não explosivo quando misturado com o ar;

deve ser atóxico;

deve ser facilmente identificável no caso de fugas, seja por meio de odor ou fenômenos visíveis.

7.2.4 Isolantes

As perdas de calor podem ser diminuídas utilizando-se isolamento nas paredes, pisos, tetos, forros, e vidros duplos nas janelas. Isolantes são materiais porosos, com elevada resistência térmica (baixa condutividade térmica). A porosidade do material é importante, pois a transmissão de calor é dificultada pela presença de bolhas de ar no material, cuja condutividade é extremamente baixa. Quanto maior o número de poros, maior o poder de isolamento. A finalidade do uso de isolantes é reduzir trocas térmicas indesejáveis e manter a temperatura da parede externa do recinto (lado quente) próxima a do ambiente, a fim de evitar problemas de condensação. Um bom isolante deve apresentar as seguintes qualidades:

Baixa condutividade térmica;

boa resistência mecânica;

não sofrer, fisicamente, influência da temperatura em que é aplicado;

não ser combustível;

ser imputrescível e inatacável por pragas, ratos, etc.;

ser barato;

ter baixa permeabilidade ao vapor d’água.

Os isolantes podem se apresentar de várias formas. Para a maioria das aplicações em condicionamento de ar e refrigeração são confeccionados em placas. Formas especiais podem ser obtidas utilizando-se massa isolante feita a partir de pós ou misturas líquidas. É o caso, por exemplo, do isolamento de tubos ou acessórios de tubulação.

89

Os materiais comente utilizados são:

Fibra de madeira aglomerada;

cortiça;

lã-de-vidro;

lã-de-rocha;

vermiculite (cortiça mineral) misturada com cimento;

concreto celular (estrutura porosa dada pela injeção de gases);

espuma de borracha (usada em encanamentos sujeitos a vibrações);

poliestireno expandido (isopor);

espuma fenólica rígida;

espuma de poliuretano;

espuma rígida de vidro (FOAMGLASS). Em alguns tipos de construção são adotados, também, como isolamento, espaços livres entre paredes.

7.2.5 Cálculo da carga de refrigeração A carga de refrigeração é a quantidade de calor absorvida pelo refrigerante enquanto passa através do evaporador. Ela consiste de:

Dispersão do calor através das paredes, piso e teto.

Calor emitido pelos produtos a serem resfriados ou congelados.

Calor devido a entrada de ar quente quando a porta é aberta (calor de troca de ar)

Calor devido às luzes, motores e pessoas que possam entrar na câmara (cargas variadas ou cargas de serviço).

7.2.5.1 Cálculo da dispersão de calor (Qd).

O cálculo do calor que entra pelas paredes é dado através da seguinte expressão:

Qd K A T , onde:

Qd - calor em BTU/h

K - coeficiente de condutibilidade térmica em BTU/pé2.h.K. Este coeficiente é tabelado e

depende do tipo e espessura da parede

A - área da parede em pé2

T- Diferença de temperatura entre o interior e o exterior em K

7.2.5.2 Cálculo do calor emitido pelos produtos (Qp)

O calor a ser retirado dos produtos é dado por:

Qp m c T , onde

Qp - calor em BTU.

m - massa dos produtos em lb.

90

c - calor específico do produto em BTU/lb.oF

T - diferença de produto entre o produto a ser armazenado e a câmara.

7.2.5.3 Cálculo da troca de ar (Qt)

Este cálculo é afetado por tantos fatores que não pode ser obtido com qualquer precisão, Uma estimativa pode ser feita utilizando-se de uma tabela, fornecida pela ASRE (American Society of Refrigeration Engineering), que apresenta os chamados fatores de uso (Fu). O fator de uso é uma constante, cuja unidade é o BTU/24h.pé

3, que depende da

diferença de temperatura, do volume interno e do tipo de serviço (normal ou pesado).

Volume

interno (pé3)

Tipo de

serviço

Diferença de temperatura oF

(Temperatura interna menos temperatura do refrigerador)

40 45 50 55 60 65 70 75 80

15 Normal 108 122 135 149 162 176 189 203 216 Pesado 134 151 168 184 201 218 235 251 268

50 Normal 97 109 121 133 145 157 169 182 194 Pesado 124 140 155 171 186 202 217 233 248

100 Normal 85 96 107 117 128 138 149 160 170 Pesado 114 128 143 157 171 185 200 214 228

200 Normal 74 83 93 102 111 120 130 139 148 Pesado 104 117 130 143 156 169 182 195 208

300 Normal 68 77 85 94 102 111 119 218 136 Pesado 98 110 123 135 147 159 172 184 196

400 Normal 65 73 81 89 97 105 113 122 130 Pesado 95 107 119 130 142 154 166 178 190

Obtido o fator Fu, pode-se calcular o calor de troca de ar pela expressão:

Qt Fu Vi , onde: Qt - calor em BTU/24h

Fu - fator de uso em BTU/24h.pé3

Vi - volume interno da câmara em pé3.

7.2.5.4 Cálculo das perdas variadas (Qv)

Podem ser avaliadas as cargas das lâmpadas e dos motores elétricos. Sabendo-se que 1W = 3,415 BTU/h, pode-se calcular as cargas variadas pela expressão:

Qv P N 31415, , onde Qv - calor em BTU/24h

P - Potência em W do equipamento.

N - número de horas de funcionamento diário do equipamento.

7.2.5.5 Carga total de refrigeração (Q)

91

A carga total é a soma das quatro cargas com as unidades devidamente compatibilizadas.

Q Qd Qp Qt Qv

7.3 - Exercícios 1. Cite 3 aplicações industriais do condicionamento de ar 2. Em que altura (alto ou baixo) você instalaria um ar condicionado destinado a operar apenas

no inverno? 3. Assinale com um X dentro dos parênteses as alternativas corretas quanto à

condicionamento de ar. ( ) Os filtros devem ser instalados antes das serpentinas. ( ) A umidade é retirada automaticamente de um sistema de ar condicionado. ( ) Para ar seco, no inverno, é necessário fazer a umidificação através de convecção. ( ) A serpentina de resfriamento pode se situar antes ou depois do ventilador. ( ) A umidade penetra no ambiente pelas infiltrações e tende a se conedensar. ( ) Dois são os tipos de cargas térmicas advindas do sol: radiação e condução

4. Quais as duas formas de cargas térmicas de aquecimento advindas do calor do sol e qual a

diferença de tratamento que deve ser aplicado a elas? 5. Cite 4 fatores que são controlados pelo condicionamento de ar. 6. O que significa dizer que um equipamento possui uma capacidade de uma tonelada de

refrigeração? 7. Explique o ciclo de ar condicionado. 8. Cite 6 componentes de um ciclo básico de condicionamento de ar. 9. O que se deve fazer em relação a umidade, quando um ciclo de ar condicionado aumenta a

temperatura do ar? 10.Cite os quatro componentes básicos de um ciclo de refrigeração, seguindo uma sequência

lógica.

11.Explique o ciclo de refrigeração destacando o nome de seus componetes principais e suas

finalidades. 12.Qual a diferença entre compressor hermético, semi-hermético e aberto?.

92

13.O que é resfriamento indireto num ciclo de refrigeração? 14.Cite as funções do compressor. 15.Defina e explique o funcionamento de um evaporador. 16.Cite 4 características desejáveis de refrigerantes.

17.Cite 4 características desejáveis de isolantes. 18.Porque paredes duplas espaçadas são utilizadas como isolantes?

93

Capítulo 8 - Motores De Combustão Interna

8.1 - Definição São máquinas térmicas de fluxo que convertem energia química de um combustível em energia mecânica utilizável.

8.2 - Partes Componentes

8.2.1 Peças Fixas

8.2.1.1 Cilindros

São de ferro fundido, cuja fundição fácil permite executar as mais variadas formas do bloco, das câmaras d’água, da sede das válvulas, dos canais de admissão e de escape. Um bloco de cilindros pode ter camisas. As camisas denominam-se SECAS quando a sua superfície exterior não estiver em contato com a câmara de ar de arrefecimento. As camisas denominam-se ÚMIDAS quando formam a parede interna da câmara d'água. Neste caso, o seu colarinho deve ser perfeitamente vedado para evitar uma infiltração de água no cárter do motor. É no cilindro onde o êmbolo se desloca com movimento retilíneo alternativo.

8.2.1.2 Cabeçote

Colocado na extremidade superior do cilindro, o cabeçote fecha este último formando a câmara de compressão e de explosão. Ela comporta sempre a sede das válvulas de ignição. O cabeçote é aplicado no bloco de cilindros por intermédio de uma junta metaloplástica ou por vezes por uma junta de cobre recozido muito fina.

8.2.1.3 - Cárter

O cárter forma a principal parte do bloco do motor e contém o virabrequim, o eixo de cames e a bomba de óleo. A sua parte inferior forma depósito de óleo.

8.2.1.4 Coletor de Admissão

Canal por onde entra a mistura ar + combustível.

8.2.1.5 Coletor de Descarga

Canal por onde as gases da combustão deixam o cilindro.

8.2.2 Partes Móveis

8.2.2.1 Pistões

Elemento móvel situado no interior do cilindro responsável pela transmissão da força de impulsão resultante da pressão criada no interior da câmara de combustão. São de fundição maleável, de liga de alumínio ou de aço. Estes dois últimos metais permitem fazer pistões mais leves.

94

8.2.2.2 - Anéis de Segmento

Asseguram a vedação da câmara de combustão e a raspagem do excedente de óleo que teria tendência a acumular-se na câmara de explosão. São de ferro doce ou de aço.

8.2.2.3 Pino do Pistão

Elo de ligação entre a biela e o pistão, são feitos de aço cementado, temperado e retificado. É sempre tubular, o que lhe diminui o peso.

8.2.2.4 Bielas

Responsáveis pela transformação de movimenta alternativo do pistão em movimento rotativo do eixo de manivelas. São feitas de aço-liga, estampado e por vezes de liga de alumínio.

8.2.2.5 Eixo de Manivelas ou Virabrequim

Peça responsável pela transmissão de potência das bielas para a parte externa do motor. São feitos de aço cromo-níquel forjado, depois tratado a resistência (têmpera e revenimento).

8.2.2.6 Volante

Destina-se a regularizar a rotação do virabrequim. No momento da explosão, o volante absorve a energia desenvolvida e restitui-a nos tempos não motores.

8.2.2.7 Válvulas de Admissão e de Descarga

Permitem a passagem da mistura ar-combustível ou gases de descarga no momento apropriado. São movimentadas por um mecanismo chamado COMANDO DE VÁLVULAS.

95

8.3 - Motor Básico

A maioria das partes básicas descritas acima e constantes do desenho abaixo se aplicam tanto aos motores de inflamação por centelha como aos de inflamação por compressão.

8.4 - Princípio de Funcionamento

O motor a explosão é composto por um ou mais cilindros nos quais se movem os pistões. O pistão é ligado ao virabrequim por intermédio de uma biela cujo papel é o de transformar o movimento alternado do pistão num movimento circular contínuo do virabrequim. O virabrequim gira nas mancais; é envolvido por um cárter, cuja parte inferior forma um reservatório de óleo. A extremidade do cilindro oposta ao pistão é hermeticamente fechada pelo cabeçote.

Em cada extremidade do seu percurso, o pistão atinge uma posição chamada ponto morto. O ponto morto junto ao cabeçote chama-se ponto morto superior (PMS) e

o ponto morto junto ao virabrequim chama-se ponto morto inferior (PMI).

VIRABREQUIM

VÁLVULA

BIELA

PISTÃO

96

A entrada e saída das gases de combustão fazem-se por meio de válvulas acionadas por um eixo de cames e por engrenagens de distribuição ou por meio de orifícios chamados aberturas, destapadas no momento oportuno por um êmbolo ou pelo próprio pistão (motor a 2 tempos).

A máquina de combustão interna aspira ar da atmosfera, e permite que a queima de combustível com o ar ocorra na parte da máquina que converte o calor em energia mecânica, ou seja, na câmara de combustão. Os gases, ao se expandirem, atuam diretamente sobre o êmbolo e os produtos da combustão são descarregados para a atmosfera.

Os motores de combustão interna são classificados em dois tipos básicos: máquinas de inflamação por centelha e por compressão.

8.4.1 Motor de Inflamação por Centelha

Denominados também de motores de CICLO OTTO, são utilizados sobretudo em carros de passeio, caminhões, ônibus, embarcações, aviões e equipamentos agrícolas, e podem funcionar segundo os ciclos:

2 tempos – Dois cursos do embola para rada ciclo de funcionamento.

4 tempos – Quatro cursos do embolo para cada ciclo de funcionamento.

As razões de compressão para estes tipos de motores oscilam entre 5 a 8 para motores a gasolina e 10 a 12 para motores a álcool.

Os motores a 2 tempos são pouco utilizados devido ao elevado consumo de combustível.

8.4.1.1 Motores de Quatro Tempos

]

A seqüência de transformações em um motor quatro tempos é a seguinte:

TEMPO 1 – ADMISSÃO

Acionado pela biela e pelo virabrequim, o pistão afasta-se do cabeçote e cria

uma depressão provocando a aspiração de uma certa quantidade de mistura. Esta mistura penetra no cilindro graças à válvula de admissão que durante todo o curso do pistão se mantém aberta.

97

TEMPO 2 – COMPRESSÃO

Partindo do PMI, o pistão sobe até o cabeçote. Ao iniciar este movimento, a

válvula de admissão se fecha e os gases comprimidos no cilindro sofrem então uma forte compressão.

No final deste tempo, o virabrequim efetuou uma rotação completa; o pistão encontra-se de novo no PMS. As válvulas são hermeticamente fechadas e os gases ficam comprimidos num determinado espaço a que se chama câmara de compressão.

TEMPO 3 – EXPANSÃO

A inflamação do combustível gaseificada na câmara de compressão efetua-se

no final do tempo 2, alguns milímetros antes do pistão ter atingido o PMS. A inflamação de toda a massa de gás provoca aumento de pressão. Esta pressão comprime violentamente o pistão do PMS ao PMI, transmitindo deste modo ao virabrequim uma força motriz favorável à rotação. É o TEMPO MOTOR.

TEMPO 4 – ESCAPE

Mais ou menos no final do tempo 3, a válvula de escape começa a abrir-se e os

gases queimados podem escapar para o exterior do motor. A sua expulsão total realiza-se durante todo o espaço de tempo em que o pistão faz o seu retorno ao PMS. Neste momento a válvula de escape fecha-se a de admissão abre-se e logo começa um novo ciclo.

8.4.1.2 Motores de Dois Tempos

A seqüência de funcionamento de um motor a 2 tempos é a seguinte:

TEMPO 1 Quando o pistão está no PMI, os canais são destampados e os gases

queimados escapam do cilindro enquanto a nova mistura entra nele sob pressão pelo canal de admissão. Estes novos gases são dirigidos para a cabeçote a fim de evitar que se misturem com os gases queimados e que saiam prematuramente.

98

Quando o pistão se desloca do PMI para o PMS, ele fecha primeiramente o canal de admissão, depois o de escape e comprime a nova carga de mistura.

TEMPO 2 Na final da compressão, os gases são inflamados e a alta pressão obtida volta a

empurrar o pistão para o seu ponto morto oposto; este é o TEMPO MOTOR. Um pouco antes de atingir a PMI, o pistão destampa primeiramente os canais de escape e em seguida os de admissão. Os gases queimados escapam do cilindro enquanto que uma nova carga de ar penetra nele. Começa um novo ciclo.

O motor de dois tempos foi projetado com o objetivo de se conseguir uma

simplificação nas válvulas e uma potência maior com uma máquina do mesmo tamanho. Como em cada rotação do eixo de manivelas há um curso de trabalho, a freqüência destes cursos e, portanto, a potência, teoricamente, seria o dobro da máquina de quatro tempos de iguais características.

8.4.2 Comparação entre os Ciclos Mecânicos a 2 Tempos e os Ciclos a 4 Tempos

Os motores funcionando segundo o ciclo a 2 tempos efetuam uma explosão por rotação. Com uma cilindrada igual, eles deveriam fornecer uma potência dupla da desenvolvida por um motor a 4 tempos. Ha verdade, o motor a 2 tempos respira com dificuldade, porque nele as fenômenos de admissão e de escape são muito mais curtos (rápidos) e menos energéticos que num motor a 4 tempos. Sendo a carga explosiva visivelmente mais fraca, a potência efetiva de um motor a 2 tempos é superior apenas à de um motor a 4 tempos que tenha a mesma cilindrada e o mesmo regime.

Os motores a 2 tempos prestam-se, no entanto, a regimes de rotação sensivelmente mais elevadas. Daí resulta uma potência 1,2 a 1,5 vezes superior à dos motores a 4 tempos.

Por outro lado, sendo os fenômenos de admissão e de descarga simultâneos, o motor a 2 tempos possui um regime determinado de funcionamento econômico. Acima deste regime, os gases queimados são completamente eliminados e nos baixos regimes a plena admissão, uma parte do gás novo passa diretamente para o escape. A

99

variedade dos regimes de utilização de um motor a 2 tempos é bem mais limitada que a de um motor a 4 tempos.

8.4.3 Motor de Inflação por Compressão

Este motor está baseado no trabalho do alemão Rudolph Diesel e opera segundo um ciclo conhecido como CICLO DIESEL. São empregados sobretudo em caminhões e ônibus pesados, equipamentos agrícolas, tratores e construção pesada.

Motores Diesel operam com pressões mais elevadas do que o motor por centelha. Sua razão de compressão oscila entre 16 e 18. Em conseqüência disto, é mais robusto, não encontrando largo emprego onde o fator peso tenha importância capital. Eles funcionam nos ciclos de 2 ou 4 tempos, semelhantes aos descritos para os motores de inflamação por centelha.

8.4.3.1 Motor de Inflamação por Compressão a 4 Tempos.

Embora as cursos básicos sejam os mesmos, (admissão, compresso, explosão e descarga), num motor deste tipo, somente AR é aspirado e comprimido no curso de compressão. A razão de compressão dos motores de inflamação por compressão é maior que os de centelha (12 a 18), pois trabalham com maiores pressões e temperaturas na câmara de combustão.

O combustível é injetado diretamente no cilindro próximo ao fim do curso de compressão, sendo a combustão iniciada devida às elevadas temperatura e pressão do ar comprimido. Essa injeção feita de maneira pulverizada.

8.4.3.2 Motor de Inflamação por Compressão a 2 Tempos

O ciclo de 2 tempos compreende as mesmas fases básicas do ciclo de 4 tempos, ou seja, admissão, compressão, expansão e descarga. Estas fases, contudo, são completadas em apenas 2 cursos do êmbolo. 1 - Pistão se dirigindo ao PMI, a válvula de descarga é aberta, sendo introduzido no

cilindro ar sob pressão. 2-3 - Válvula de descarga fechada. O pistão se desloca ao PMS e comprime o ar aprisionado no cilindro. 3-4 - O combustível é injetado quando o embolo se aproxima do PMS, inflama-se e a expansão das gases da combustão força o êmbolo para baixo no curso de trabalho. Pouco antes do êmbolo descobrir as janelas de admissão, abre-se a válvula de descarga e parte dos gases são expelidos por diferença de pressão entre o cilindro e o coletor de descarga.

Quando o canal de admissão é descoberto, os gases remanescentes serão expulsos pela pressão do ar admitido ou do “AR DE LAVAGEM".

10

0

8.5 - Terminologia Padrão

D – Diâmetro do cilindro. PMS - Ponto morto superior. É a posição em que o êmbolo se encontra o mais próximo possível do cabeçote. PMI - Ponto morto inferior. E a posição em que êmbolo se encontra o mais afastado possível do cabeçote. L - Curso. É a distância linear percorrida pela êmbolo entre o PMI e o PMS.

V2 - Espaço morto. Volume limitado pela face do êmbolo e a parte superior do cilindro quando em PMS.

C - Cilindrada. Diferença entre o volume do cilindro quando em PMI (V1) e o volume do

espaço morto (V2).

C = V1 – V2

rc - Razão de compressão. Relação entre a volume do espaço morto e o volume correspondente ao ponto morto inferior.

rc = V1 - V2

8.6 - Energia em um Motor

O combustível é fornecido à câmara onde é queimado, convertendo energia química em calor. Nem toda essa energia é aproveitada em termos de trabalho realizado pelo êmbolo (trabalho indicado Wi), pois parte é perdida pelo resfriamento e pela descarga

A partir daí, pode-se definir o rendimento térmico indicado como sendo a relação entre a energia utilizada para mover o êmbolo (trabalho indicado) e a energia fornecida em forma de combustível.

PcWiRti

A energia do êmbolo é transmitida à biela, onde sofre, a partir dai, perdas

mecânicas (Pm), causadas sobretudo pelo atrito entre as partes móveis. O trabalho realmente utilizado, resultante no eixo do motor denomina-se trabalho efetivo. Tem-se, então, o rendimento mecânico que é a relação entre o trabalho efetivo e o trabalho indicado.

WiWeRm

10

1

Considerando-se todas as perdas, desde a energia fornecida pelo combustível

até a energia fornecida no eixo, tem-se o rendimento térmico efetivo, dado pela relação entre a energia na eixo e a energia fornecida pelo combustível.

PcWeRte

Das expressões acima pode-se tirar outra relação para o rendimento térmico

efetivo em função dos rendimentos térmico indicado e mecânico:

ReRtiRte

Procura-se, de maneira geral, melhorar os rendimentos, aumentando a energia

utilizável e diminuindo as perdas. O rendimento de um motor a explosão funcionando com gasolina oscila, em

média, entre 21 e 25 %. O de um motor Diesel pode chegar a 35% ou mais. A energia total produzida pela combustão da gasolina no motor a explosão

distribui-se do seguinte modo:

32% - transferida sob forma de calor gasto pelo sistema de arrefecimento dos cilindros; 35% - cedida ao ambiente, sob forma de calor, através dos gases de escape; 8% - transformada em energia mecânica e absorvida pelos atritos internas do motor (perdas mecânicas); e 25% - transformada em energia mecânica disponível na extremidade do virabrequim (embreagem).

A energia fornecida ao motor está sob a forma de energia química no combustível, e este, combinando-se com o oxigênio do ar, fornecerá energia sob a forma de calor. Assim defini-se o poder calorífico de um combustível como sendo a quantidade de energia contida em 1. Kg de combustível.

PC – Kcal/kg.

A fim de liberar a maior quantidade de energia possível, é necessário que as

quantidades de ar e combustível existentes na mistura estejam nas proporções ideais. Pode-se definir, então, a RAZÃO AR-COMBUSTÍVEL, como sendo a quantidade de ar necessária para queimar o combustível e a quantidade de combustível.

mfma

CA

Onde: ma – massa de ar mf – massa de combustível

Para a gasolina comum, cada kg de combustível requer cerca de 15 kg de ar para queimar completamente. Para o óleo Diesel a razão ar-combustível varia entre 11 e 14 kg de ar para cada kg de combustível.

10

2

Para um motor real, as condições de queima não são as ideais, fazendo com que esta relação varie conforme o regime de trabalho do motor. Em algumas situações se necessita de mais ar e em outras de menos. Assim, a mistura é dita MISTURA RICA quando a quantidade de combustível está acima da normal. Por outro lado tem-se uma MISTURA POBRE quando há pouco combustível para a quantidade de ar existente. Em resumo, tem-se:

Mistura rica – excesso de combustível. Mistura pobre – excesso de ar.

8.7 - Potência dos Motores

Temos de considerar duas medidas básicas de potência em um motor:

POTÊNCIA INDICADA =t

Wi

POTÊNCIA EFETIVA = t

We

8.7.1 Potência Indicada

Para calcularmos a potência indicada em um motor é preciso antes saber qual o trabalho efetuada pelo embolo devido à queima produzida no interior da cilindro. Este é o trabalho indicado, em cada curso do embolo, dado pela expressão:

LApWi

onde: p – Pressão dos gases sobre a face do embola. A – Área do êmbolo L – Curso do êmbolo.

A pressão p, conhecida como pressão média indicada, é obtida com base no diagrama do ciclo.

Durante o funcionamento do motor a pressão no cilindro varia durante todo o ciclo. A fim de possibilitar o cálculo da potência indicada, supôs-se uma pressão média atuando no êmbolo, durante um curso.

10

3

21

1234

VV

)(ÁREApmi

A área do diagrama do indicador é medida com um planímetro. O valor desta área, dividido pelo comprimento do diagrama, dará. a altura do retângulo de área equivalente. Esta altura, multiplicada pela escala da mola do indicador, dará o valor de Pi.

Tem-se, portanto:

LApmiWi

Para acharmos a potência indicada:

inALpmiPi

onde: n – RPM

i – Número de cilindros.

A potência indicada, em CV, é dada por:

4500

inALpmiPi

(CV)

onde as unidades dos elementos envolvidas são:

pmi - Kgf/cm2.

L - m. A - cm

2,

n – RPM

Uma expressão alternativa, utilizando as unidades inglesas e dada por:

33000

inALpmiPi

(HP)

onde as unidades são:

pmi – lbf/in2

L – ft A – in

2

Como se pode notar pelas expressões acima, a potência total de um motor é

obtida a partir da potência de um cilindro, multiplicada pelo número de cilindros.

8.7.2 Potência Efetiva

A potência desenvolvida no eixo do motor, ou seja, a potência realmente

desenvolvida pelo motor.

10

4

Toda potência desenvolvida no cilindro não é fornecida ao eixo. Esta parcela, que é a diferença entre a potência indicada, Pi, e a. potência efetiva, Pe, ou potência no eixo, engloba as "PERDAS MECÂNICAS" , Pm...

PePiPm

A potência efetiva é medida, geralmente, adaptando-se ao eixo da motor um

dispositivo de absorção de trabalho. Tal aparelho desenvolve forças contrárias à força do motor, que podem ser facilmente medidas. Um dos aparelhos utilizados é o freio de Prony,

Um volante H, fixado no extremo do eixo de manivelas, é envolvido por uma cinta de fricção ajustável B. Uma alavanca C, rigidamente fixada à cinta, pode mover-se num setor limitado e se apoia numa balança. Quando o eixo e o volante giram, o atrito entre a cinta e o volante tende a fazer girar a alavanca, aplicando uma força sobre a balança. Pode-se então avaliar a força rotacional do motor. Este tipo de. aparelho só é aplicável a motores de baixa rotação, mas é vantajoso para servir de base ao estabelecimento da fórmula da potência efetiva.

A expressão resultante para o cálculo da potência efetiva é a seguinte:

4500

2 nFRPe

(CV)

onde: F - força medida no freio (kgf)

R - braço da alavanca (m) n - rotação do eixo de sida do motor (rpm)

8.8 - Conjugado Motor

É a capacidade do motor para, produzir trabalho. Sua expressão pode ser obtida da potência efetiva, resultando em:

n

PeFRT

2

4500( Kgf.m )

10

5

Apêndice

Tabelas de perdas em encanamentos Curvas características de Bombas Hidráulicas

apostila_mecanica

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