Máquinas Térmicas: Funcionamento e Aplicações

MÁQUINAS TÉRMICAS MÁQUINAS TÉRMICAS Máquinas Térmicas André Luis Ferreira Marques André Luis Ferreira Marques GRUPO SER EDUCACIONAL gente criando o futuro Dentro dos diversos tipos de meios que nos auxiliam no dia a dia encontramos as máquinas térmicas ou aqueles equipamentos que realizam trabalho alterando o nível de energia de um determinado f uido Por meio de tais máquinas conseguimos vencer distâncias transportar cargas melhorar o conforto cotidiano e acelerar a globaliza ção no f m Conhecer detalhes de seus componentes de seu funcionamento e peculiaridades compõe a gama de conhecimentos necessários para várias atividades técnicas na En genharia Com a pesquisa e o desenvolvimento de materiais e sistemas de controle e instrumentação as máquinas térmicas incrementam sua ef ciência promovendo uma melhor proteção ambiental inclusive Em síntese todo setor tecnológico moderno depende de máquinas térmicas inclusive com a expansão de meios de telecomunicação por exemplo Internet centrais de ser vidores etc que demandam climatização de ambientes cada vez mais sof sticados Máquinas Térmicasindd 13 20082019 173700 Ser Educacional 2019 Rua Treze de Maio nº 254 Santo Amaro RecifePE CEP 50100160 Todos os gráficos tabelas e esquemas são creditados à autoria salvo quando indicada a referência Informamos que é de inteira responsabilidade da autoria a emissão de conceitos Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por qualquer meio ou forma sem autorização A violação dos direitos autorais é crime estabelecido pela Lei nº 961098 e punido pelo artigo 184 do Código Penal Imagens de íconescapa Shutterstock Presidente do Conselho de Administração Diretorpresidente Diretoria Executiva de Ensino Diretoria Executiva de Serviços Corporativos Diretoria de Ensino a Distância Autoria Projeto Gráfico e Capa Janguiê Diniz Jânyo Diniz Adriano Azevedo Joaldo Diniz Enzo Moreira Prof André Luis Ferreira Marques DP Content DADOS DO FORNECEDOR Análise de Qualidade Edição de Texto Design Instrucional Edição de Arte Diagramação Design Gráfico e Revisão SERCAMATERMIUNID1A5indd 2 12082019 160258 Boxes ASSISTA Indicação de filmes vídeos ou similares que trazem informações comple mentares ou aprofundadas sobre o conteúdo estudado CITANDO Dados essenciais e pertinentes sobre a vida de uma determinada pessoa relevante para o estudo do conteúdo abordado CONTEXTUALIZANDO Dados que retratam onde e quando aconteceu determinado fato demonstrase a situação histórica do assunto CURIOSIDADE Informação que revela algo desconhecido e interessante sobre o assunto tratado DICA Um detalhe específico da informação um breve conselho um alerta uma informação privilegiada sobre o conteúdo trabalhado EXEMPLIFICANDO Informação que retrata de forma objetiva determinado assunto EXPLICANDO Explicação elucidação sobre uma palavra ou expressão específica da área de conhecimento trabalhada SERCAMATERMIUNID1A5indd 3 12082019 160258 Unidade 1 Máquinas Térmicas Objetivos da unidade 12 Definições 13 Conceitos 17 Gráficos 22 Classificações27 Turbinas a vapor 27 Motores de combustão interna 32 Motores de combustão externa 37 Turbinas a gás 39 Compressores 42 Sintetizando 44 Referências bibliográficas 45 MÁQUINAS TÉRMICAS 4 Sumário SERCAMATERMIUNID1A5indd 4 12082019 160258 Sumário Unidade 2 Compressores Objetivos da unidade 48 Introdução 49 Unidades de pressão e vazão53 O ar atmosférico 53 Classificação dos compressores 54 Compressor do tipo palhetas 58 Compressor do tipo lóbulos 61 Compressor do tipo parafusos 62 Compressor do tipo diafragma 64 Compressor alternativo 65 Compressores dinâmicos 67 Sintetizando 71 Referências bibliográficas 72 MÁQUINAS TÉRMICAS 5 SERCAMATERMIUNID1A5indd 5 12082019 160258 Sumário Unidade 3 Cálculo termodinâmico Objetivos da unidade 75 Introdução 76 O ar atmosférico 77 A constante universal dos gases perfeitos 78 Calores específicos 79 O gás ideal 80 Reversibilidade 81 Relações termodinâmicas 82 Processos térmicos de compressão 83 Relações termodinâmicas para o gás perfeito 85 Compressão de um gás perfeito 85 Relações para compressores de palhetas 91 Relações para compressores de lóbulos 94 Eficiências ou rendimentos 97 Sintetizando 99 Referências bibliográficas 100 MÁQUINAS TÉRMICAS 6 SERCAMATERMIUNID1A5indd 6 12082019 160258 Sumário Unidade 4 Compressores e bombas de vácuo informações para operação Objetivos da unidade 102 Introdução 103 Pressão atmosférica e vácuo 105 O vácuo 105 Bombas de vácuo 106 Trabalho e potência de compressão 111 Operação com mais de um estágio de compressão 112 Alguns cuidados operacionais 118 Filtros 119 Sintetizando 123 Referências bibliográficas 124 MÁQUINAS TÉRMICAS 7 SERCAMATERMIUNID1A5indd 7 12082019 160258 MÁQUINAS TÉRMICAS 8 SERCAMATERMIUNID1A5indd 8 12082019 160258 Dentro dos diversos tipos de meios que nos auxiliam no dia a dia encontra mos as máquinas térmicas ou aqueles equipamentos que realizam trabalho alterando o nível de energia de um determinado fl uido Por meio de tais máqui nas conseguimos vencer distâncias transportar cargas melhorar o conforto cotidiano e acelerar a globalização no fi m Conhecer detalhes de seus componentes de seu funcionamento e peculia ridades compõe a gama de conhecimentos necessários para várias atividades técnicas na Engenharia Com a pesquisa e desenvolvimento de materiais e sis temas de controle e instrumentação as máquinas térmicas incrementam sua efi ciência promovendo uma melhor proteção ambiental inclusive Em síntese todo setor tecnológico moderno depende de máquinas térmi cas inclusive com a expansão de meios de telecomunicação por exemplo In ternet centrais de servidores etc que demandam climatização de ambientes cada vez mais sofi sticados MÁQUINAS TÉRMICAS 9 Apresentação SERCAMATERMIUNID1A5indd 9 12082019 160258 À minha família e amigos que compartilham nossa caminhada e desafi os O engenheiro e professor André Luis Ferreira Marques é doutor em Enge nharia Nuclear pelo Massachusetts Institute of Technology MIT em 1998 possui mestrado em Engenharia Nu clear pela Universidade de São Paulo USP e também pelo MIT em 1995 e 1998 respectivamente é graduado em Engenharia Naval pela Escola Politécni ca da USP em 1990 e possui ainda ha bilitação em Engenharia Mecânica pela Escola Naval EN em 1984 Dedicouse por quase 30 anos ao Programa Nu clear da Marinha gerenciando projetos e coordenando obras e fabricações Atualmente leciona cursos de Enge nharia Mecânica Elétrica e Produção na Universidade Paulista UNIP Currículo Lattes httplattescnpqbr7368807242860498 MÁQUINAS TÉRMICAS 10 O autor SERCAMATERMIUNID1A5indd 10 12082019 160259 MÁQUINAS TÉRMICAS 1 UNIDADE SERCAMATERMIUNID1A5indd 11 12082019 160314 Objetivos da unidade Tópicos de estudo Definir o campo macro das máquinas térmicas Classificar as máquinas térmicas Definições Conceitos Gráficos Classificações Turbinas a vapor Motores de combustão interna Motores de combustão externa Turbinas a gás Compressores MÁQUINAS TÉRMICAS 12 SERCAMATERMIUNID1A5indd 12 12082019 160314 Definições Em todas as civilizações dentro de cada processo de evolução das socie dades sempre se procura um meio de auxiliar a realização das tarefas das mais básicas às mais sofi sticadas Para a realização dessas tarefas é necessá rio executar trabalhos empregando ou transformando energia Normal mente trabalhos mais complexos de mandam mais energia Por exemplo para se alimentar é necessário plantar ou cultivar alimentos Nessa atividade são utilizados arados para sulcar a ter ra e colocar sementes de alimentos A utilização da ferramenta arado na transformação do terreno é um tipo de trabalho Para o setor aeronáutico há diversas máquinas associadas como turbinas a gás compressores motores elétricos motores de combustão interna entre outros Tais máquinas são térmicas porque lidam com variações de energia durante o seu funcionamento alterando a temperatura e outras propriedades químicas ou termodinâmicas Como veremos a avaliação de tais alterações é feita por meio da análise de curvas ou gráfi cos No campo científi co e da Engenharia máquinas são dispositivos que reali zam trabalho ou seja incluem o produto ou multiplicação de uma Força me dida em Newtons e um deslocamento medido em metros O resultado dessa multiplicação é um trabalho medido em Joules Para construir uma casa ou edifício é necessário elevar materiais em dife rentes alturas ou seja há uma demanda determinada de energia para a reali zação desse trabalho Quando movimentamos uma mesa de uma posição para outra na arrumação de uma sala realizamos trabalho do ponto de vista técni co A Figura 1 apresenta uma visão geral desse conceito MÁQUINAS TÉRMICAS 13 SERCAMATERMIUNID1A5indd 13 12082019 160322 Figura 1 Trabalho realizado em obra Fonte Shutterstock Acesso em 15072019 A peça a ser levantada ou içada por meio do braço mecânico instalado no caminhão demanda a realização de um trabalho medido pela altura de eleva ção expressa em metros e a força necessária expressa em Newtons para tal que é praticamente o próprio peso da peça a ser manuseada Suponha que a peça tenha 100 kg e a elevação seja de 5 m Com isso o trabalho a ser realizado será de aproximadamente 5000 Joules O mesmo ocorre com um motor de um carro em funcionamento e seu trabalho é o deslocamento de uma cidade para outra Veremos esse exemplo com mais detalhes adiante Na Revolução Industrial nos séculos XVIII e XIX observouse o emprego mais ostensivo de máquinas térmicas para potencializar a força animal o trem a vapor substituiu os animais de tração por exemplo cavalos burros bois etc quando se tratava de transportar muita carga por longas distâncias SOU SA 1980 O trem a vapor é uma máquina térmica que utiliza a água como fluido de transformação de energia Por sua vez os teares mecanizados acio nados por energia hidráulica como riachos e rios não se enquadravam como máquinas térmicas uma vez que não havia geração de energia térmica calor para que funcionassem MÁQUINAS TÉRMICAS 14 SERCAMATERMIUNID1A5indd 14 12082019 160326 CONTEXTUALIZANDO Entre os séculos XVIII e XIX houve um progresso acelerado em diversos campos tecnológicos concomitante às necessidades econômicas de ex pansão de comércio por nações europeias onde se destacou a Inglaterra Um dos quadrantes destacados focou a multiplicação da capacidade de transporte onde a máquina a vapor encontrou aplicação industrial em trens a vapor no início do século XIX O primeiro trem a vapor funcionou no Brasil em 1854 A Figura 2 mostra um trem a vapor típico Figura 2 Trem a vapor típico Fonte Shutterstock Acesso em 15072019 Nessa figura vemos que as rodas se unem por meio de vigas as quais estão associadas a cilindros que recebem o vapor produzido na fornalha ou caldeira gerando vapor ou a fumaça branca que sai pela chaminé na par te superior da locomotiva Esse conjunto formado pela caldeira cilindros e rodas provê uma força para deslocar uma determinada carga ao longo dos trilhos metálicos presos ao solo Assim sendo realizase trabalho por meio de uma máquina térmica Máquinas térmicas portanto são dispositivos que consomem energia para a realização de trabalho onde a energia consumida é sempre maior do que o trabalho realizado por causa das perdas devido ao atrito e fugas No caso da locomotiva a energia flui de uma fonte quente para uma fonte fria e nessa transição conseguimos gerar trabalho Vale comentar que um fator mensurá vel em máquinas térmicas é a variação de temperatura MÁQUINAS TÉRMICAS 15 SERCAMATERMIUNID1A5indd 15 12082019 160332 Assim sempre que uma máquina térmica estiver em funcionamento de tectaremos a variação de temperatura entre seus componentes Igualmente importante detectaremos também a vazão de algum fluido ou agente de tra balho grandeza esta medida em quilogramas por segundo kgs Outro exemplo de máquina térmica são os refrigeradores Nesse caso pas samos energia do estado mais baixo para o mais alto por meio do fornecimen to de trabalho à máquina ou seja por meio de compressão do fluido de traba lho FAIRES SIMMANG 1983 Em aplicações amplas na indústria inclusive no setor de aeronáutica com pressores mecânicos são máquinas térmicas porque realizam trabalho ao redu zir o volume específico do fluido de trabalho normalmente o ar As turbinas de avião também são máquinas térmicas porque usam energia química de algum combustível por exemplo querosene de aviação junto com ar para transfor mar essa energia em fluxo de ar em elevadas proporçõesvelocidades Os aviões a jato comerciais contemporâneos usam turbinas com avanços significativos na redução do ruído gerado e da diminuição dos gases poluentes A Figura 3 mostra a configuração típica de uma turbina a gás aeronáutica com destaque para os seus principais componentes Vale adicionar que as tur binas a gás também são usadas para a propulsão de navios assim como para gerar energia elétrica em plataformas de petróleo ou navios de grande porte Figura 3 Turbina aeronáutica típica Fonte Shutterstock Acesso em 15072019 MÁQUINAS TÉRMICAS 16 SERCAMATERMIUNID1A5indd 16 12082019 160337 Seguindo a fi gura da esquerda para a direita vemos que o ar entra na turbi na passando por um compressor que tem por fi nalidade colocar a maior quan tidade de ar possível dentro da turbina Na parte amarela e laranja ocorre a reação de combustão na mistura do ar e do combustível gerando um fl uido de grande energia que impelirá a turbina em si Ao fi nal o fl uido deixa a turbina pelo bocal setor à direita Diferente do que vimos no caso do içamento de peso em uma turbina a gás estamos diante de um trabalho de fl uxo Como há a geração de trabalho por meio de fl uxo de um fl uido contando também com uma combustão estamos diante de uma máquina térmica Conceitos Para o conhecimento sobre o funcionamento e a manutenção de máquinas térmicas é preciso compreender alguns conceitos relacionados à Termodinâ mica os quais versam sobre grandezas e fenômenos básicos em tais máquinas a Massa Traduzse na quantidade absoluta de matéria ou material que um determinado corpo possui em determinado instante Nas máquinas térmicas a massa do equipamento em si não varia mas há fl uxo de massa que atravessa a máquina No Sistema Internacional de Unidades SI a unidade da massa é o quilograma kg b Volume Consiste no espaço que a massa de um corpo ocupa sendo me dido em unidades de comprimento ao cubo por exemplo m3 c Densidade Divisão entre a massa de um fl uido ou corpo pelo volume total ocupado pelo mesmo kgm3 d Volume específi co Quociente entre o volume e a respectiva massa re sultando em m3kg Normalmente o volume específi co e a densidade variam com a temperatura do corpo e Força Grandeza que resulta da variação da quantidade de movimento de um determinado corpo em relação ao tempo Essa variação também se expressa pela pri meira derivada em relação ao tempo do produto entre a massa e a velocidade de um determinado corpo A equação a seguir sintetiza essa assertiva MÁQUINAS TÉRMICAS 17 SERCAMATERMIUNID1A5indd 17 12082019 160337 F d mv dt Onde m massa do corpo kg V velocidade do corpo ms Quando não temos variação da massa do corpo em relação ao tempo então a Força expressase no produto entre a massa kg e a aceleração ms2 do mesmo corpo O resultado é medido em Newtons A equação a seguir mostra essa relação F ma Onde F força Newtons m massa quilogramas a aceleração ms2 f Deslocamento Intervalo ou distância medida em metros entre duas posições consecutivas de um corpo g Trabalho Produto escalar entre a Força aplicada em um corpo e o deslo camento produzido pela ação da força A unidade do trabalho é Joule J h Potência Variação do trabalho ou energia em relação ao tempo sendo medida em Watts Js i Vazão Quantidade de massa kg que passa por um determinado referen cial por unidade de tempo s A unidade de vazão é kgs j Rendimento Relação ou divisão entre o trabalho realizado ou trabalho líquido e a energia consumida para que o trabalho seja feito É uma grandeza adimensional k Pressão É o resultado da colisão dos átomos de uma substância sob a su perfície que a mesma ocupa De forma prática medimos pressão em unidades de força sobre unidades de área como Nm2 ou Pascal l Temperatura É uma propriedade que diz respeito ao estado dos átomos de uma substância caracterizando o potencial ou capacidade da substância de trocar energia por exemplo calor com outros corpos ou o meio circundante Esse estado de energia térmica é medido em escalas de temperatura como a Celsius Kelvin e Fahrenheit As escalas de temperatura possuem definições matemáticas tais como Temperatura em graus Kelvin Valor em Celsius 27315 Temperatura em graus Fahrenheit Valor em Celsius 95 32 MÁQUINAS TÉRMICAS 18 SERCAMATERMIUNID1A5indd 18 12082019 160337 m Calor Em visão sintética tratase de energia em movimento de um cor po para outro decorrente da diferença de temperatura entre ambos A unida de de calor é o Joule n Energia É a capacidade de se produzir algum fenômeno ou efeito Inte ressante notar que é mais preciso em medir a energia nas suas diversas for mas potencial cinética ou interna do que a defi nir Por exemplo quanto maior a temperatura maior será a energia a ela associada Assim como o calor a energia é medida em Joule o Trabalho de fl uxo Aquele realizado quando se empurra um determina do fl uido para entrar ou sair de um determinado sistema Sua unidade é Joule sendo muito observado em turbinas a vapor e turbinas a gás p Energia interna A soma de todas as energias JouleJ das moléculas de um sistema sendo uma grandeza dependente da temperatura É uma proprie dade tabelada após medições feitas em laboratório q Calor específi co Variação da energia interna molecular por unidade de massa e por unidade de temperatura É uma grandeza que pode ser defi nida com o volume constante Cv ou com a pressão constante Cp sendo medido em JkgK A Tabela 1 mostra valores de calores específi cos para algumas substâncias Substância Calor específi co kJkg Cobre 385 Aço 435 Alumínio 903 Água 4186 Cobre Cobre Aço Aço Alumínio Alumínio Água Alumínio Água 385 385 435 903 4186 4186 TABELA 1 VALORES DE CALORES ESPECÍFICOS PARA ALGUNS MATERIAIS Fonte Instituto de Física da Universidade de São Paulo sd Adaptado Acesso em 15072019 r Torque Produto entre uma Força e uma distância medido em N x m Este produto possui caráter vetorial empregandose assim o que conhecemos da Física como a regra da mão direita s Rotação Variação angular por unidade de tempo sendo medida em ra dianossegundo rads Na indústria é também comum encontrarmos expres são da rotação em rotações por minuto rpm onde a conversão usual é multi plicar o valor em rpm por 0105 para se obter em rads MÁQUINAS TÉRMICAS 19 SERCAMATERMIUNID1A5indd 19 12082019 160337 t Potência rotacional Produto do torque pela rotação provocada por este A unidade desse tipo de potência é também o Watt W Para as máquinas tér micas industriais encontramos potências em kW 103 e MW 106 u Entalpia Revelase como uma propriedade termodinâmica dependente da temperatura ao se associar a energia interna de uma substância com a sua pressão e volume Para processos em pressão constante ou isobáricos a ental pia pode ser defi nida como a soma da energia interna com o produto da pressão e o volume Sua unidade é a mesma da energia ou Joules J v Entropia Outra propriedade termodinâmica muito importante quan do tratamos de processos reversíveis ou aqueles que podem ser invertidos por exemplo de 1 para 2 assim como de 2 para 1 Em síntese a entropia é defi nida como a variação da energia trocada dividida pela temperatura ob servada Assim a unidade de entropia é JK sendo função da temperatura A Tabela 2 mostra alguns valores de entropia por unidade de massa para a temperatura de 25ºC O termo específi co referese à propriedade dividida por unidades de massa Substância Entropia kJkgK Água vapor 100oC 1atm 74 Oxigênio O2 25oC 1 atm 64 Amônia NH3 25oC 1 atm 11 Nitrogênio N2 25oC 1 atm 68 Água vapor 100oC 1atm Água vapor 100oC 1atm Água vapor 100oC 1atm Oxigênio O Água vapor 100oC 1atm Oxigênio O Água vapor 100oC 1atm Oxigênio O Amônia NH Água vapor 100oC 1atm Oxigênio O Amônia NH Água vapor 100oC 1atm 2 25oC 1 atm Amônia NH Nitrogênio N Água vapor 100oC 1atm 25oC 1 atm Amônia NH Nitrogênio N 25oC 1 atm 3 25oC 1 atm Nitrogênio N 25oC 1 atm 25oC 1 atm Nitrogênio N 25oC 1 atm Nitrogênio N2 25oC 1 atm 25oC 1 atm 25oC 1 atm 25oC 1 atm 25oC 1 atm 74 64 11 68 TABELA 2 VALORES DE ENTROPIA ESPECÍFICA Fonte SONNTAG WYLEN 1976 p 249 Adaptado w Coefi ciente de expansão térmica Resulta da medida da variação di mensional de um material em função do calor trocadovariação da tempera tura A variação de dimensão por exemplo comprimento é vista como per centual ou seja a variação medida dividida pelo comprimento inicial Essa variação percentual é então dividida pela variação de temperatura quando obtemos o coefi ciente C1 MÁQUINAS TÉRMICAS 20 SERCAMATERMIUNID1A5indd 20 12082019 160337 Para uma visão de ordem de grandeza como exemplo temos os valores indi cados na Tabela 3 a seguir Máquinas térmicas que operam com alumínio terão expansão dimensional duas vezes maior do que aquelas que trabalham com aço ligas metálicas entre ferro carbono e outros elementos químicos Outra con clusão que tiramos dos dados a seguir diz respeito ao emprego da liga invar para instrumentação devido ao baixo coefi ciente de expansão térmica Material Coefi ciente de Expansão Térmica Co 1 Alumínio 24 x 105 Cobre 17 x 105 Invar 009 x 105 Aço 12 x 105 TABELA 3 COEFICIENTE DE DILATAÇÃO LINEAR PARA ALGUNS MATERIAIS Fonte ASHBY SHERCLIFF CEBON 2007 p 247 Adaptado x Estado termodinâmico Situação em que uma determinada substância se encontra defi nida por duas propriedades termodinâmicas macroscópicas tais como pressão temperatura pressão volume específi co pressão en tropia temperatura entropia entalpia entropia etc y Processo termodinâmico Sequência de estados termodinâmicos as sociados Por exemplo um processo isotérmico é aquele onde as propriedades variam exceto a temperatura que permanece constante z Ciclo termodinâmico Sequência de processos termodinâmicos onde o estado fi nal é idêntico ao estado inicial Alguns ciclos usuais em máquinas térmicas são de Carnot Rankine e Brayton A Tabela 4 apresenta um resumo das grandezas acima e os dispositivos de medida instrumentação para cada uma Alumínio Alumínio Alumínio Cobre Cobre Cobre Invar Aço 24 x 10 24 x 10 24 x 10 17 x 10 17 x 10 17 x 105 009 x 10 009 x 10 009 x 10 12 x 10 12 x 10 12 x 105 MÁQUINAS TÉRMICAS 21 SERCAMATERMIUNID1A5indd 21 12082019 160338 Observação A massa é medida através da medida do peso associado Grandeza Instrumentação Massa Balança Dinamômetro Força Dinamômetro Temperatura Termômetro termopares Pressão Manômetro Vazão Rotâmetro Energia térmica Calorímetro Rotação Tacômetro Torque Torquímetro TABELA 4 GRANDEZAS E INSTRUMENTAÇÃO ASSOCIADA EM MÁQUINAS TÉRMICAS Massa Força Força Temperatura Temperatura Temperatura Pressão Pressão Vazão Balança Dinamômetro Vazão Energia térmica Balança Dinamômetro Energia térmica Balança Dinamômetro Energia térmica Balança Dinamômetro Dinamômetro Energia térmica Rotação Balança Dinamômetro Dinamômetro Termômetro termopares Rotação Dinamômetro Termômetro termopares Torque Termômetro termopares Torque Termômetro termopares Manômetro Termômetro termopares Manômetro Termômetro termopares Manômetro Rotâmetro Rotâmetro Rotâmetro Calorímetro Calorímetro Calorímetro Tacômetro Tacômetro Torquímetro Torquímetro Torquímetro Torquímetro Gráficos No estudo de máquinas térmicas é útil representar como as propriedades variam entre si facilitando a compreensão e o entendimento dos processos térmicos em andamento durante a operação das máquinas Tomemos por exemplo a água fl uido de trabalho muito usado em máqui nas térmicas Um gráfi co que mostra as condições de pressão e temperatura para obtermos a fase líquida ou gasosa é mostrado pelo Gráfi co 1 No eixo horizontal abcissas temos a representação da temperatura Cel sius enquanto no eixo vertical temos a indicação da pressão em atmosferas Por defi nição uma atmosfera igualase a 105 Nm2 MÁQUINAS TÉRMICAS 22 SERCAMATERMIUNID1A5indd 22 12082019 160338 GRÁFICO 1 RELAÇÃO PRESSÃO VERSUS TEMPERATURA PARA A ÁGUA 300 100 20 0 20 120 280 40 140 300 60 220 160 320 80 240 180 340 100 260 200 360 37415 Temperatura ºC Pressão de vapor saturado H2O atm Ponto crítico 50 10 5 1 05 01 005 001 0005 2182 Vapor Líquido Fonte CREF 2013 Acesso em 15072019 Por exemplo estando na pressão de 1 atm ou 100 kPa a água pode estar na fase líquida se as temperaturas forem menores de 100º Celsius Todavia se diminuirmos a pressão para 01 atm ou 10 kPa então a fase líquida pode ser detectada para temperaturas menores que cerca de 400º Celsius Na operação de máquinas térmicas conhecer as condições do fluido de trabalho importa para que se possa dimensionar o trabalho ou precauções a serem tomadas como veremos a seguir O Gráfico 2 apresenta uma visão com pleta para a água MÁQUINAS TÉRMICAS 23 SERCAMATERMIUNID1A5indd 23 12082019 160338 GRÁFICO 2 GRÁFICO EXPANDIDO PARA ÁGUA PRESSÃO VERSUS TEMPERATURA H2O P atm 218 atm 27315 9998 374 00024 t0c 001 SÓLIDO LÍQUIDO GÁS 458 torr 1 atm 0 D I E A H C G B F Fonte SOUZA sd Acesso em 15072019 Comparando os dois gráficos vemos que o Gráfico 1 representa uma parte do Gráfico 2 mais centrada no canto superior direito atendose às fases líquida e gasosa Contudo a fase sólida pode ser im portante de ser evitada Por exemplo se operarmos uma máquina térmica em pressões superiores a 1 atm não é recomendável ter temperaturas meno res que 0º Celsius porque teremos a formação de gelo fase sólida Essa é então uma das razões para adicionarmos fluidos anticongelantes como nos au tomóveis evitando a formação de gelo no interior de dutos o que interromperia o fluxo refrigeran te do motor Outro gráfico relevante é o que apresenta a relação entre pressão e volume específico O Grá fico 3 apresenta essa relação para gases MÁQUINAS TÉRMICAS 24 SERCAMATERMIUNID1A5indd 24 12082019 160338 GRÁFICO 3 GRÁFICO DE TRANSFORMAÇÕES GASOSAS Pressão T2 T1 P1 1 P2 2 V1 V2 V3 Volume Quando se trabalha com gases há uma relação inversa entre pressão e vo lume Para situações com pressão alta o volume específico será menor e vice versa como ilustrado pelo gráfico Partindose de um estado 1 P1 T1 na parte superior da curva podemos ter processos térmicos com várias relações entre a pressão e a temperatura do flui do Por exemplo podemos fazer um processo isotérmico mantendose a tem peratura constante T1 onde a pressão será reduzida de P1 para P2 enquanto o volume aumentará de V1 para V2 caracterizando um estado intermediário Nessa condição podemos fazer uma transformação isobárica mantendo se a pressão constante até atingirmos o estado final 2 P2 T2 caracterizando uma linha horizontal aumentandose o volume de V2 para V3 Assim sendo dois processos foram feitos um isotérmico e outro isobárico migrandose do ponto 1 para o ponto 2 Entretanto podemos fazer essa transição em um pro cesso único como indicado pela curva superior conectandose o estado 1 até o estado 2 Isso depende do tipo de projeto e operação da máquina térmica Ciclos térmicos compõemse de processos ou transformações térmicas onde o ponto de início coincide com o ponto final começase em um determi nado estado e após todas as transformações retornase ao mesmo Um dos ciclos úteis em máquinas térmicas é o ciclo Carnot O Gráfico 4 apresenta os elementos desse ciclo MÁQUINAS TÉRMICAS 25 SERCAMATERMIUNID1A5indd 25 12082019 160338 GRÁFICO 4 CICLO DE CARNOT PRESSÃO VERSUS VOLUME Compressão adiabática Expansão isotérmica T1 p V T2 Expansão adiabática Compressão isométrica Fonte GOUVEIA sd Acesso em 15072019 Neste ciclo temos quatro processos ou transformações compressão adia bática compressão isotérmica expansão adiabática e expansão isotérmica como mostrado em cada um dos quatro trechos O termo compressão sig nifica diminuição de volume sentido para a esquerda e o termo expansão simboliza aumento do volume sentido para a direita O termo adiabático signi fica que não se troca calor com o meio No processo de expansão isotérmica o fluido recebe calorenergia mas mantém a temperatura constante No inverso com a compressão isotérmica o fluido perde calor permanecendo a tempera tura constante Em um gráfico como o do ciclo Carnot a área interna às curvas de transfor mação significa o trabalho líquido realizado pela máquina térmica que segue esse ciclo Na expansão temos um trabalho positivo e o oposto na compressão Se tomarmos a área das curvas de expansão isotérmica e adiabática da cur va até o eixo horizontal teremos o trabalho positivo ou fornecido O mesmo pode ser feito para a área das curvas de compressão adiabática e isotérmica até o eixo horizontal que representará o trabalho negativo ou seja recebido Quando subtraímos essa última da primeira área obtemos a área interna que representa o trabalho líquido fornecido MÁQUINAS TÉRMICAS 26 SERCAMATERMIUNID1A5indd 26 12082019 160338 Por exemplo temos um ciclo de Carnot onde a área de trabalho fornecido é igual a 15 N x m enquanto o trabalho recebido é de 10 N x m Então o tra balho líquido será 15 10 N x m ou 5 N x m O rendimento desse ciclo será o quociente entre o trabalho líquido e o trabalho positivo ou 5 15 ou 033 Vale comentar que essa cifra é um valor de rendimento até alto para máquinas tér micas Por causa do atrito a tendência desse rendimento é ser menor que isso Classificações As máquinas térmicas dividemse em dois grupos as de fl uxo e as de com bustão No primeiro caso um fl uido de trabalho ar gás vapor etc possui sua energia modifi cada em diversos processos ou etapas de forma a gerar trabalho É o caso das turbinas a vapor ou compressores de gás SOUSA 1980 No segundo caso o fl uido de trabalho participa de uma reação de combus tão tendo seu nível de energia aumentado o que nos leva a executar traba lho em sequência Máquinas térmicas de combustão podem ser classifi cadas em combustão interna ou externa Nos automóveis há máquinas térmicas de combustão interna que são os motores SOUSA 1980 Turbinas a vapor Antes de tudo é importante abordar o ciclo ou circuito Rankine mostrado no Diagrama 1 onde operam as turbinas a vapor Caldeira Bomba Turbina Gerador Condensador DIAGRAMA 1 CICLO RANKINE MÁQUINAS TÉRMICAS 27 SERCAMATERMIUNID1A5indd 27 12082019 160338 Como se viu anteriormente estamos diante de um ciclo termodinâmico por que o ponto de início é idêntico ao ponto final Podemos percorrer os proces sos iniciando em qualquer ponto para o qual retornaremos ao final do circuito Na figura observamos que se trata de um circuito fechado onde a subs tância água passa por diversos equipamentos turbina condensador bomba e caldeira Nesse circuito a água altera seu estado por exemplo pressão tem peratura densidade etc diversas vezes produzindo trabalho e trocando ca lor Esse tipo de arranjo térmico é muito útil em diversos sistemas como na propulsão de navios e geração de energia elétrica em usinas nucleares e termoelétricas operando em potências da ordem de até GW 109 W CURIOSIDADE O primeiro navio a utilizar turbina a vapor foi o HMS Turbinia da Marinha Inglesa tendo sido construído em 1894 com cerca de 32 m de comprimen to 45 toneladas de deslocamento peso e atingido velocidade máxima de 64 kmh ou 345 nós Operou até 1927 Fonte Discovery Museum sd Acesso em 16072019 EXPLICANDO Em usinas nucleares a fonte quente provém de reações de fissão de átomos de elementos químicos pesados como o Urânio235 no interior de reatores nucleares Essa energia é transferida por meio de trocadores de calor ou geradores de vapor em uma forma similar ao que se tem no ciclo Rankine As potências térmicas de usinas nucleares podem chegar a valores próximos de 4GW A turbina e a bomba são máquinas térmicas uma vez que são geradoras de trabalho na turbina o trabalho é entregue para um gerador elétrico sendo assim considerado um trabalho positivo 0 na bomba temos que entregar ou fornecer trabalho para que a água seja introduzida na caldeira e com isso o trabalho é considerado como negativo 0 A caldeira e o condensador concentramse em trocar calor com a água não havendo a realização de trabalho e portanto ambos não são máquinas térmi cas Na caldeira fornecemos calor para que a água se transforme da fase líqui da para a gasosa vapor Esse calor é positivo 0 No condensador retiramos calor do vapor para que retorne à fase líquida e sendo assim temos um calor negativo 0 MÁQUINAS TÉRMICAS 28 SERCAMATERMIUNID1A5indd 28 12082019 160338 A Figura 4 apresenta uma visão geral de turbina a vapor Figura 4 Turbina a vapor típica Fonte Shutterstock Acesso em 16072019 Analisando a figura o vapor gerado em uma caldeira adentra a turbina pela admissão passando em seguida por um conjunto de palhetas ou asas peque nas acopladas em discos rotores A passagem do vapor pelas palhetas assim como sua expansão dentro da turbina provocam a rotação do eixo da turbina Ao final o vapor é direcionado para uma posição inferior à turbina sendo con densado e retornando à caldeira em estado líquido Numa turbina a vapor a energia cinética do vapor transformase em tor que o que ocasionará também a rotação A variação temporal da energia do vapor transformase em potência rotacional torque x rotação Como vimos as turbinas a vapor fazem parte de um ciclo termodinâmico conhecido como Ciclo Rankine SONNTAG WYLEN 1976 onde uma determi nada substância como a água passa por diversas combinações de pressão e temperatura os quais chamamos de estados Iniciandose em uma caldeira a água estado líquido é aquecida e transformada em vapor estado gasoso o qual segue o caminho que descrevemos anteriormente MÁQUINAS TÉRMICAS 29 SERCAMATERMIUNID1A5indd 29 12082019 160342 Nas turbinas a vapor é importante que se evite que o calor do vapor escape ou migre para fora do equipamento As sim sendo todas as turbinas a vapor possuem isolamento térmico impedindo assim tal fuga Outro detalhe impor tante reside nos mancais do eixo da turbina os quais são apoios possibilitando o menor atrito para a rotação Normalmente os mancais situamse nas extremidades dos eixos recebendo lubrificação es pecífica Em uma visão simples mancais são rolamentos que suportam cargas ou forças radiais e axiais quando apoiam o eixo de rotação Por trabalhar com vapor e altas temperaturas os materiais empregados nas turbinas a vapor devem ser resistentes à corrosão além de possuir eleva da resistência mecânica por causa da elevada rotação que operam acima de 5000 rpm Para tal os aços inoxidáveis ligas de ferro cromo carbono são recomendados podendo haver também ligas de titânio CURIOSIDADE Outro detalhe notório é a expansão térmica de uma turbina a vapor Por operar com vapor o aquecimento e o resfriamento da turbina devem ser feitos de forma gradual evitandose grandes variações de temperatura em relação ao tempo Caso contrário por causa dos efeitos de dilatação aquecimento e contração resfriamento poderão surgir trincas ou falhas nos materiais da turbina Uma preocupação na operação das turbinas a vapor é evitar que a umida de entre em contato com as palhetas a fim de se evitar erosões e danos às mesmas Para tal quanto mais seco o vapor operar mais afastado do estado líquido melhor será para a durabilidade do equipamento Algumas relações importantes para se quantificar as transformações en volvidas W turb mv x h entrada na turbina h de saída W bomb mv x h entrada h saída Calor caldeira mv h saída h entrada Calor condensador mv h saída h entrada Rendimento térmico W turb W bombCalor caldeira MÁQUINAS TÉRMICAS 30 SERCAMATERMIUNID1A5indd 30 12082019 160342 Onde W turb trabalho realizado pela turbina positivo W bomb trabalho recebido pela bomba negativo Calor caldeira calor entregue à água na caldeira positivo Calor condensador calor perdido pelo vapor no condensador negativo mv vazão de vapor h entalpia específica em cada posição indicada kJkg Em um exemplo numérico temos os seguintes dados mv 90 kgs h entrada turbina 3000 kJkg h saída turbina 1200 kJkg h entrada condensador 1190 kJkg h saída condensador 600 kJkg h entrada bomba 580 kJkg h saída bomba 900 kJkg h entrada caldeira 900 kJkg h saída caldeira 3050 kJkg Com esses dados temos Variação de entalpia na turbina 3000 1200 800 kJkg Variação de entalpia no condensador 600 1190 590 kJkg Variação da entalpia na caldeira 3050 900 2150 kJkg Variação da entalpia na bomba 900 580 320 kJkg Potência da turbina mv x variação de entalpia 90 x 800 72000 kJs ou 72 MW Calor entregue pela caldeira mv x variação de entalpia 90 x 2150 1935 MW Potência consumida pela bomba mv x variação de entalpia 90 x 320 288 MW Calor dissipado pelo condensador mv x variação de entalpia 90 x 590 531 MW Rendimento térmico 72 2881935 022 ou 22 MÁQUINAS TÉRMICAS 31 SERCAMATERMIUNID1A5indd 31 12082019 160348 DICA a A potência da bomba pode ser expressa também por pressão da entra da na caldeira Nm2 x variação do volume específi co m3kg x vazão de água kgs b De forma ideal o processo na turbina pode ser admitido como isoentró pico ou seja a mesma entropia na entrada e saída da turbina Isso auxilia na determinação da entalpia na saída da turbina ou na entrada do conden sador Para isso é necessário usar tabelas de propriedades termodinâmi cas para o vaporágua c Contudo por causa dos atritos a entropia aumenta nos processos ci tados considerando aspectos práticos Assim sendo é necessário instru mentar os equipamentos para que tenhamos propriedades termodinâmi cas medidas e assim determinar os valores reais para efeito de cálculos Motores de combustão interna Essa é uma máquina térmica que iniciou o seu desenvolvimento no século XIX na Europa A Figura 5 mostra uma visão típica de um motor desse tipo Figura 5 Motor de combustão interna Fonte Shutterstock Acesso em 16072019 MÁQUINAS TÉRMICAS 32 SERCAMATERMIUNID1A5indd 32 12082019 160351 Em um motor de combustão interna combustível e ar misturados são in jetados em câmaras de combustão parte superior da figura em cor azul as quais contam com cilindros deslizantes Com a combustão da mistura pro vocase o deslocamento vertical do êmbolo ao longo do cilindro girando um eixo parte inferior da figura e produzindo assim o torque O produto entre o torque gerado e a rotação associada redunda na potência no eixo do motor medido em W Nos motores automotivos as potências oscilam entre 50 kW e 450 kW de pendendo do modelo Caminhões e ônibus de grande porte exibem potências da ordem entre 500 e 700 kW A combustão pode ser provocada por uma centelha elétrica ciclo Otto ou por meio de compressão ciclo Diesel Nessa reação liberase energia química contida na mistura combustível por exemplo gasolina ou óleo diesel e comburente por exemplo ar Na maioria dos motores de com bustão interna identificamos 4 tempos ou instantes distintos que pas samos a analisar ASSISTA Para se ter uma melhor visão da dinâmica de um mo tor de 4 tempos assista ao vídeo Funcionamento do motor em 3D Em um primeiro tempo a mistura combustível comburente é pulverizada no interior do motor Para isso é necessário que haja volume disponível reque rendo que o êmbolo esteja na sua posição inferior A seguir essa mistura deve ser comprimida em um segundo tempo diminuindo o seu volume específico e aumentando a chance de ocorrer a combustão plena Nessa situação o êmbolo estará próximo do seu ponto de maior elevação Em um terceiro momento por meio de uma centelha elétrica ciclo Otto ou pela compressão em si ciclo Diesel provocase a reação de combustão Por fim no quarto tempo em sequência o cilindro descerá por causa da expansão dos gases ou produtos da combustão girando o eixo do motor A Figura 6 mostra esses 4 tempos ou instantes MÁQUINAS TÉRMICAS 33 SERCAMATERMIUNID1A5indd 33 12082019 160351 Figura 6 Ciclo Otto e seus 4 tempos Fonte Shutterstock Acesso em 16072019 Olhando na parte superior do cilindro identifi camos duas válvulas admis são de mistura à esquerda e descarga dos gases da combustão à direita En tre elas há uma fonte de descarga elétrica ou vela elétrica capaz de produzir centelha elétrica para iniciar a reação de combustão Há um sincronismo entre esses três componentes em relação ao ponto onde se encontra o êmbolo mó vel no interior do cilindro de forma a maximizar o trabalho produzido pela máquina térmica Há dois pontos importantes no passeio ou curso do êmbolo o ponto morto superior quando a câmara de combustão tem o seu menor volume e o êmbolo está na sua maior elevação dentro do cilindro e o ponto morto inferior onde o êmbolo afastase ao máximo do topo da câmara de combustão No ciclo Otto ou aquele em que o combustível é a gasolina ou o etanol em termos de curvas pressão x volume o Gráfi co 5 mostra os 4 tempos mencio nados onde o eixo horizontal é o volume dentro do cilindro e o eixo vertical representa a pressão interna da mistura MÁQUINAS TÉRMICAS 34 SERCAMATERMIUNID1A5indd 34 12082019 160354 GRÁFICO 5 CURVA PRESSÃO VERSUS VOLUME PARA CICLO OTTO Pressão T1 T2 1 e 5 2 0 3 4 Volume A indicação V1 simboliza o volume interno quando o êmbolo está no ponto morto superior PMS ou seja mais próximo das válvulas e vela elétrica Por sua vez o ponto V2 indica o ponto morto inferior PMI O volume entre os dois pontos indica a capacidade volumétrica do motor ou cilindrada No processo de 1 para 2 identificamos a compressão enquanto de 2 para 3 ocorre a combustão trecho vertical com elevação acentuada da pressão interna no cilindro De 3 para 4 e de 4 para 5 observamos a expansão do êm bolo e a descarga dos produtos da combustão seguindo a admissão de nova mistura quando se inicia em 0 e seguindo para 1 trecho horizontal No ciclo Diesel temos o mesmo princípio de se promover a combustão de uma mistura no interior do cilindro onde o início da reação é ocasionado pelo acréscimo de pressão somente não havendo assim uma vela elétrica e sua descarga O Gráfico 6 a seguir reúne esses detalhes MÁQUINAS TÉRMICAS 35 SERCAMATERMIUNID1A5indd 35 12082019 160354 GRÁFICO 6 CICLO DIESEL DE MÁQUINA TÉRMICA Neste gráfico temos duas partes um gráfico pressão versus volume supe rior e o posicionamento do êmbolo inferior onde PMS significa ponto morto superior e PMI se traduz por ponto morto inferior A máquina térmica do ciclo Diesel possui uma configuração similar com o ciclo Otto cilindro êmbolo válvulas de admissão e descarga Comparando os dois ciclos de combustão vemos que são muito parecidos havendo diferença na evolução da pressão no interior do cilindro pelas razões já apontadas para o ciclo Diesel Iniciandose no ponto 2 a injeção ocorre quando o êmbolo está próximo do PMS ponto 3 seguindose da reação de combustão de 3 a 4 No final da expansão promovese a abertura da válvula de descarga para que os produtos da combustão sejam expelidos de 4 para 1 O ciclo reinicia com nova admissão de óleo Diesel e ar pulverizados de 1 para 2 operandose subsequentemente Este ciclo de máquina térmica Diesel prescinde da energia elétrica para ini ciar a combustão sendo uma de suas vantagens Normalmente trabalhase no ciclo Diesel com um patamar maior de pressão do que no ciclo Otto Todavia motores do ciclo Diesel demandam baterias elétricas somente para auxiliar na partida do motor Fonte Cultura Mix sd Acesso em 16072019 Combustão Escape Admissão Patm P V PMS PMI Expansão Compressão 4 2 1 3 Início da ineção Final da ineção Abertura da válvula de descarga MÁQUINAS TÉRMICAS 36 SERCAMATERMIUNID1A5indd 36 12082019 160354 Motores de combustão externa Até aqui vimos que a fonte quente ocorre devido a uma combustão interna a um cilindro dotado de êmbolo o qual se movimenta devido à expansão dos produtos da reação de combustão Há outro tipo de máquina térmica que opera com combustão aquelas de combustão externa ou seja a liberação de energia para a máquina ocorre em ambiente externo ao seu funcionamento A máquina térmica do ciclo Stirling consiste no exemplo mais conhecido FAIRES SIMMANG 1983 Em síntese contamos com dois cilindros um que receberá a energia da fon te quente e outro que trabalhará em conjunto com o primeiro mas em nível de energia ou temperatura menor O fl uido de trabalho ou aquele que fi ca em contato com os dois cilindros é o mesmo durante todo o ciclo não havendo admissão ou descarga como vimos nos ciclos Otto e Diesel A Figura 7 demonstra o arranjo técnico dos cilindros fonte quente fonte fria e fl uido de trabalho em uma máquina térmica Stirling Figura 7 Confi guração de uma máquina térmica do tipo Stirling Fonte Shutterstock Acesso em 16072019 MÁQUINAS TÉRMICAS 37 SERCAMATERMIUNID1A5indd 37 12082019 160355 Na mesma figura identificamos um cilindro onde a fonte quente se situa externa e na parte inferior A fonte fria se situa na parte superior em relação à fonte quente O êmbolo do cilindro é conectado a um eixo com um volante na parte superior da figura O fluido de trabalho é o mesmo e não abandona o conjunto cilindroêmbolo Quando a fonte quente libera energia para o cilindro este expande e o flui do de trabalho migra para cima Nesse processo o eixo recebe o torque pro duzido pelo cilindro em contato com a fonte quente Ao mesmo tempo há o resfriamento do fluido por meio de um trocador de calor que migrará para o contato com a fonte quente reiniciando o ciclo ASSISTA Motores Stirling podem ter diferentes arranjos de cilin dros todos com fonte quente externa Uma das confi gurações chamase Gama com dois cilindros um de aquecimento e outro de trabalho Assista ao vídeo Motor Stirling Gama O Gráfico 7 mostra a curva pressão versus temperatura para o ciclo Stirling GRÁFICO 7 CICLO STIRLING PARA MÁQUINA TÉRMICA COMBUSTÃO EXTERNA Pressão Volume V3 V2 C D A QB QA V1 B Expansão adiabática Compressão adiabática Fonte Instituto de Física da UFRJ sd Acesso em 16072019 MÁQUINAS TÉRMICAS 38 SERCAMATERMIUNID1A5indd 38 12082019 160355 Turbinas a gás Atualmente essas máquinas térmicas são muito comuns na indústria aero náutica tendo um desenvolvimento mais acelerado nos últimos 50 anos com princípio de funcionamento simples seguindose o ciclo termodinâmico Bray ton ou o ciclo Ericsson SONNTAG WYLEN 1976 Podem operar em confi gura ção de ciclo aberto como os motores Otto ou Diesel que é caso das aerona ves ou de ciclo fechado como as máquinas do ciclo Rankine Além da aplicação aeronáutica as turbinas a gás são usadas para a gera ção de energia elétrica em estações em terra ou em plataformas de petróleo Sua característica principal é a de produzir o que chamamos de alta densidade de potência mesmo que em dimensões menores Partindo do ponto A o fl uido de trabalho é direcionado do setor frio para o setor quente em uma compressão adiabática ou seja não se trocando calor com o meio Do ponto B para o ponto C o fl uido recebe calor e iniciamos uma expansão também adiabática até o ponto D Nesse processo o fl uido de traba lho migrou do setor quente para o setor do trocador de calor frio Nessas mo vimentações o cilindro promove a rotação de um eixo onde teremos a entrega de torque para um outro equipamento ou sistema FAIRES SIMMANG 1983 CURIOSIDADE A primeira turbina a gás associada a uma aeronave foi desenvolvida na Inglaterra durante a década de 1930 enquanto o primeiro avião a jato o HE 178 foi ao ar através da união entre o alemão Hans Von Ohain e as indústrias Heinkel em 1939 Fonte GALINDO 2015 Acesso em 16072019 Como visto anteriormente a turbina consiste em um único eixo onde montam se rotores com palhetas Na parte de entrada da turbina o rotor de palhetas tem a fi nalidade de comprimir ar para o interior da turbina A seguir montamse a câmara de combustão e o rotor de palhetas de propulsão Na câmara introduzse com bustível que será misturado com o ar ocorrendo reação de combustão por meio de centelha similar ao que ocorre na máquina térmica Otto Essa reação e seus produtos moverão o rotor de palhetas e deixarão a turbina pelo setor de exaustão MÁQUINAS TÉRMICAS 39 SERCAMATERMIUNID1A5indd 39 12082019 160355 Pela configuração em lide percebese que o compressor consome energia para introduzir ar para a câmara de combustão Definimos como razão de com pressão a razão ou quociente entre o volume inicial e o volume comprimido Normalmente detectamse valores dessa razão da ordem entre 6 e 8 variando entre equipamentos Desta feita o processo de partida de uma turbina a gás desempenha papel importante até que a turbina consiga mover o eixo onde o compressor tam bém se encontra montado Depois de certa rotação o compressor passa a ser movimentado pela própria turbina uma vez que estão montados em um único eixo dispensando meios auxiliares de partida Um detalhe importante para a melhor operação da turbina é a temperatura de entrada do ar no compressor Quanto mais baixa a temperatura do ar de admissão melhor será a potência produzida pela turbina Em alguns casos colocase um trocador de calor na entrada da turbina para resfriar o ar de ad missão por causa das condições meteorológicas A Figura 8 mostra uma configuração de turbina a gás ciclo Brayton No lado direito há um diagrama pressão x volume e temperatura x entropia Nesse exemplo a turbina opera em circuito aberto ou seja o fluido de trabalho passa somente uma vez pela câmara de combustão Figura 8 Ciclo de Brayton e suas curvas pressão x volume e temperatura x entropia Fonte Wikimedia Acesso em 16072019 Combustível Combustão Ar frio 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 Gás de escape q entrada p const p const P P V V q entrada q saída Pv Diagrama Ts Diagrama s const s const q saída WTrabalho Compressor Turbina Na ilustração da esquerda temos um diagrama de blocos dos componentes de uma turbina a gás A curva pressão x volume encontrase na parte central onde vemos que da admissão ponto 1 para o final da compressão ponto 2 ocorre um processo com entropia constante Na câmara de combustão temos a entrada de energia do ponto 2 para o 3 ocorrendo a uma pressão constante MÁQUINAS TÉRMICAS 40 SERCAMATERMIUNID1A5indd 40 12082019 160355 Os gases produzidos dirigemse para a turbina em si de 3 para 4 novamente em um processo de entropia constante isoentrópico A turbina movimentará o eixo com a passagem dos gases de combustão os quais deixarão a turbina saindo pela parte posterior do equipamento caracte rizando uma perda de calor Esse é o processo do ponto 4 para o ponto1 Em outra perspectiva a curva temperatura x entropia encontrase mais à direita da figura mostrando os mesmos processos nesse ciclo aberto Essa si tuação é típica em motores de avião a jato Uma alternativa para incrementar a eficiência energética indica o uso de ciclo Brayton fechado Nessa configuração o fluido de trabalho permanece na turbina passando por vários processos que tipicamente são os mesmos que no ciclo aberto como mostrado na curva temperatura x entropia Porém há uma peculiaridade Ao invés de haver uma combustão misturandose ar com combustível por exemplo óleo diesel ou querosene sob centelhas elétricas o fluido de trabalho recebe calor em um trocador de calor ou aquecedor Após isso seguese o mesmo conjunto de processos realçandose que na descarga por exemplo saída haverá o resfriamento do fluido de trabalho em outro trocador de calor para depois retornar ao compressor O Diagrama 2 mostra essa configuração DIAGRAMA 2 CICLO BRAYTON FECHADO Aquecedor Trocador de calor Eixo Turbina Compressor MÁQUINAS TÉRMICAS 41 SERCAMATERMIUNID1A5indd 41 12082019 160355 Outro ciclo termodinâmico associado às turbinas a gás é o Ericsson que é mostrado no Gráfi co 8 por meio de uma fi gura pressão x volume SONNTAG WYLEN 1976 GRÁFICO 8 CICLO ERICSSON PARA TURBINAS A GÁS Pressão P1 P2 Volume 3 2 1 T1 4 T2 Comparando com ciclo Brayton vemos que a diferença reside nas transfor mações diagonais ou após os processos isobáricos No caso do ciclo Ericsson temos dois processos isotérmicos sendo que no ciclo Brayton temos proces sos isoentrópicos Compressores Nessas máquinas consumimos energia ou torque para que um determina do fl uido tenha o seu volume específi co diminuído A confi guração se aproxima muito das máquinas térmicas de combustão não havendo a reação em si As sim temos cilindros êmbolos válvulas e eixo A Figura 9 apresenta uma visão geral de um compressor MÁQUINAS TÉRMICAS 42 SERCAMATERMIUNID1A5indd 42 12082019 160355 Figura 9 Configuração típica de um compressor Fonte Shutterstock Acesso em 16072019 Na parte superior à direita vemos um motor elétrico que é acoplado ao compressor com dois cilindros arranjados em V O acoplamento entre o mo tor e o compressor é feito por meio de uma correia Na parte inferior apoian dose os dois temos um reservatório de fluido comprimido havendo uma ins trumentação associada manômetro SOUSA 1980 MÁQUINAS TÉRMICAS 43 SERCAMATERMIUNID1A5indd 43 12082019 160411 Sintetizando Nesta unidade abordamos definições e classificações de máquinas térmi cas apresentando exemplos práticos encontrados em nosso dia a dia junto com os principais conceitos técnicos Ciclos térmicos como o Carnot Rankine Stirling e Ericsson foram explora dos auxiliando a compreensão dos processos térmicos envolvidos nas máqui nas térmicas como turbinas a vapor motores de combustão interna Otto e Diesel turbinas a gás e compressores MÁQUINAS TÉRMICAS 44 SERCAMATERMIUNID1A5indd 44 12082019 160411 Referências bibliográficas ASHBY M SHERCLIFF H CEBON D Materials OxfordUK ButterworthHei nemann 2007 CREF Pressão da água líquida versus temperatura 24 jul 2013 Disponível em httpswwwifufrgsbrnovocrefcontactperguntapressaodaaguali quidaversustemperatura Acesso em 15 jul 2019 CULTURA MIX Ciclo Diesel R7 Diversão Disponível em httpwwwcultura mixcomtransportecarrosciclodiesel Acesso em 16 jul 2019 DISCOVERY MUSEUM Turbinia Disponível em httpsdiscoverymuseum orgukwhatsonturbinia Acesso em 16 jul 2019 FAIRES V SIMMANG C Termodinâmica 6 ed Rio de Janeiro Editora Guana bara Koogan 1983 FUNCIONAMENTO do motor em 3D Postado por Adriano Ivel 4min 5s son color Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvKnpk9Hmn4k QabchannelAdrianoIvel Acesso em 16 jul 2019 GALINDO R História da turbina de gás na aviação desafios da tecnologia 30 mar 2015 Engenharia 360 Disponível em httpsengenharia360comhis toriadaturbinaagasnaaviacaodesafiosdatecnologia Acesso em 16 jul 2019 GOUVEIA R Ciclo de Carnot TodaMatéria Disponível em httpswwwto damateriacombrciclodecarnot Acesso em 15 jul 2019 INSTITUTO DE FÍSICA DA UFRJ O ciclo diesel Disponível em httpswww ifufrjbrginettecursosfit122201101programatermodinamicaciclos html Acesso em 16 jul 2019 INSTITUTO DE FÍSICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Tabela de calor es pecífico de várias substâncias Disponível em httpfepifuspbrprofis experimentandodiurnodownloadsTabela20de20Calor20Especifico20 de20Varias20Substanciaspdf Acesso em 15 jul 2019 MOTOR Stirling Gama Postado por Tudo Que se Move 2min 50s son co lor Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvOpfe8Vc7hvc Aces so em 16 jul 2019 SONNTAG R E WYLEN G J V Fundamentos da termodinâmica clássica 2 ed São Paulo Editora Edgard Blucher 1976 MÁQUINAS TÉRMICAS 45 SERCAMATERMIUNID1A5indd 45 12082019 160411 SOUSA Z Elementos de máquinas térmicas Rio de Janeiro Editora Campus 1980 SOUZA L C Diagrama de fases da água Ebah Disponível em httpswww ebahcombrcontentABAAAAGtkABdiagramafasesagua Acesso em 15 jul 2019 MÁQUINAS TÉRMICAS 46 SERCAMATERMIUNID1A5indd 46 12082019 160411 COMPRESSORES 2 UNIDADE SERCAMATERMIUNID2A5indd 47 260719 1339 Objetivos da unidade Tópicos de estudo Descrever o funcionamento dos compressores Identificar componentes e sistemas auxiliares Introdução Unidades de pressão e vazão O ar atmosférico Classificação dos compressores Compressor do tipo palhetas Compressor do tipo lóbulos Compressor do tipo parafusos Compressor do tipo diafragma Compressor alternativo Compressores dinâmicos MÁQUINAS TÉRMICAS 48 SERCAMATERMIUNID2A5indd 48 260719 1339 Introdução Compressores são máquinas térmi cas que realizam um trabalho sobre um fl uido em sua fase gasosa diminuindo o volume específi co kgm3 em relação ao seu estado natural Nessa transforma ção é necessário fornecer energia para o dispositivo de compressão gerando por consequência o aumento da temperatu ra do fl uido que foi comprimido Esse trabalho de compressão acontece através de dois métodos o deslo camento positivo ou o acionamento dinâmico No primeiro exemplo o ar é comprimido por um pistão ou outro instrumento de forma que sua massa seja delimitada durante a compressão No segundo caso o ar passa de forma contínua por diversos meios que se encarregam de diminuir o volume da substância estando tais meios associa dos a um eixo rotativo ASSISTA Para uma comparação entre esses dois processos separamos dois vídeos expli cando os princípios de funcionamento de um compressor de deslocamento pistão e de um compressor dinâmico centrífugo O termo razão de compressão signifi ca o quociente entre o volume inicial e o volume fi nal que em um compressor é sempre maior que a unidade 10 Além do ar atmosférico outros fl uidos podem ser comprimidos como amô nia nitrogênio gases nobres acetileno oxigênio entre outros Fluidos compri midos armazenam energia que pode ser liberada ou processada em diversas aplicações como a pneumática Dependendo da origem ou meio onde tais gases são produzidos eles vão requerer uma fi ltragem ou preparação antes da compressão Isso é necessário para se evitar que danifi quemos as partes internas do compressor Por isso conjuntos de fi ltros são usados antes da compressão do ar MÁQUINAS TÉRMICAS 49 SERCAMATERMIUNID2A5indd 49 260719 1340 A compressão de particulados sólidos configurase como uma operação mecânica que impõe distorções ou esforços de grande intensidade no elemen to compressor ocasionando danos permanentes trincados e falhas materiais Para se poder comprimir a maior quantidade possível de massa de fluido por etapa de compressão ou similar é comum se reduzir a temperatura de entrada do fluido antes da câmara de compressão É uma medida voltada para se melho rar o rendimento térmico das operações a serem feitas dependendo da aplica ção técnica planejada Por questões industriais resfriase o ar também após a compressão para a retirada de umidade remanescente no ar comprimido A Figura 1 mostra um sistema de resfriamento de ar comprimido com o intuito de se retirar a umidade Um circuito com fluido de refrigeração retira o calor do ar que foi comprimido e depois da troca de calor o ar é conduzido para outro recipiente para drenagem da umidade condensado prosseguindo para outro reservatório agora em condições mais secas Figura 1 Sistema de resfriamento de ar comprimido Fonte ALECRIM 2005 Adaptado Resfriador principal Préresfriador A B C D Ar seco Separador Dreno Condensado Bypass Compressor de refrigeração Ar úmido MÁQUINAS TÉRMICAS 50 SERCAMATERMIUNID2A5indd 50 260719 1340 Essa variação de volume pode ser feita em um ou vários estágios depen dendo da pressão final necessária A ideia de usar mais de um estágio se jus tifica no uso das máquinas que são práticas de se trabalhar operar e manter Nessa situação devemos resfriar o ar comprimido pelas seguintes razões a Manter baixa a temperatura das válvulas o óleo lubrificante e o próprio ar para o estágio subsequente b Evitar deformações geométricas no cilindro e nas partes metálicas no entorno c Aumentar a eficiência do compressor Com isso é possível empregar máquinas menores ao invés de pistõescilin dros muito grandes A Figura 2 mostra um compressor com mais de um está gio onde localizamse dois cilindros na parte superior Dependendo da aplicação se usando cilindros e êmbolos de compressão o primeiro cilindro poderá ter um volume maior em relação aos posteriores porque é neste em que primeiro se comprime o volume inicial o maior no de correr da compressão A Figura 3 demonstra essa situação onde o primeiro estágio situase na parte da direita e vêse um filtro no setor de sucção parte protuberante Os cilindros são movimentados por um motor elétrico e o aco plamento é feito por uma polia em formato circular Figura 2 Compressor alternativo com dois estágios dois cilindros Fonte Shutterstock Acesso em 12072019 MÁQUINAS TÉRMICAS 51 SERCAMATERMIUNID2A5indd 51 260719 1340 As principais áreas onde usamos compressores são a Serviços comuns como limpeza pintura e acionamento e manutenção de pequenas máquinas pneumáticas b Serviços industriais nos quais são localizados nas centrais de compres são atendendo a múltiplos usuários com necessidades variáveis como indús trias automobilísticas serviços hospitalares entre outras c Serviços de processo nos quais se identificam características específicas como ar comprimido para fornos industriais de aciarias ou para caldeiras de grande porte d Bombas ou compressores de vácuo em que a sucção é feita em ambien tes com pressão inferior à atmosférica e a descarga com pressões superiores ou próximas A compressão de ar tornouse crucial no final do século XIX quando os compressores foram aperfeiçoados com o emprego de melhores materiais e aperfeiçoamento das técnicas de fabricação eletromecânica Atualmente há diversas aplicações para a compressão de fluidos variandose da instrumen tação e refrigeração até o acionamento de máquinas de médio porte como válvulas industriais Figura 3 Compressor alternativo com dois estágios e cilindros de tamanhos diferentes Fonte Shutterstock Acesso em 12072019 MÁQUINAS TÉRMICAS 52 SERCAMATERMIUNID2A5indd 52 260719 1340 Unidades de pressão e vazão Normalmente nos projetos de sistemas de compressão trabalhamos com as unidades do Sistema Internacional SI em que o Pascal é a unidade padrão de pressão Nm2 Por razões históricas ainda encontramos outras unidades em uso como milímetros de mercúrio mmHg metros de coluna dágua mca libras por po legadas quadradas psi e kgf por centímetros quadrados kgfcm2 Para efeitos de conversão devemos considerar os seguintes valores 1 atm 105 Nm2 1033 kgfcm2 145 psi 103 mca 760 mm Hg Eq1 Para vazão volumétrica unidades de volume por tempo a unidade é o me tro cúbico por segundo m3s mas encontramos também pés cúbicos por mi nuto pe3min galões por minuto galmin litros por minuto lmin e decíme tros cúbicos por minuto dm3min Em termos de conversão as relações são 1 m3s 60 m3min 17 pe3min 6000 lmin 6000 dm3min 15873 galmin Eq2 O ar atmosférico Numa visão prática conhecemos o ar comprimido como uma mistura de gases na sua maior parte nitrogênio oxigênio e hidrogênio encontrase ain da poeira umidade e outros tipos de materiais normalmente óleos Assim sendo é necessário tratálo o tempo todo de modo que eles não estraguem os meios industriais associados Caso contrário podem acontecer obstruções nas passagens do fl uido de trabalho corrosão de componentes da tubulação ou válvulas associadas erosão de componentes internos quebra de componen tes pneumáticos ou a diminuição do rendimento térmico As partículas com maior relevância para fi ltragem são aquelas com dimensões entre 02 a 10 micron ou 103 do m como a poeira metalúrgica a poeira de obras ou o carvão pulverizado exigindose assim fi ltros específi cos para essa aplicação A umidade em casos específi cos precisa ser removida do fl uido compri mido o que se dá através de um dispositivo do tipo coalescer que resfria o ar comprimido A umidade migrará para os setores de menor temperatura na parte inferior por onde é drenada para fora do dispositivo de compressão MÁQUINAS TÉRMICAS 53 SERCAMATERMIUNID2A5indd 53 260719 1340 Classificação dos compressores Sempre que um compressor estiver em funcionamento detectaremos algu ma variação de temperatura em seus componentes Por isso o gerenciamen to do atrito neles é uma preocupação constante Para a diminuição do atrito empregamse óleos lubrifi cantes e materiais especiais em sua parte interna Igualmente importante detectaremos também vazão de algum fl uido normal mente ar medindoas em quilogramas por segundo kgs Ambos os tipos de compressores operam com duas variáveis básicas pres são Nm2 e vazão kgs Sua classifi cação pode ser feita por agrupamento des sas duas variáveis Vale o comentário de que a compressão demanda fl uidos que possam ser comprimidos o que se detecta nas fases gasosas Como exemplo a água na fase líquida é incompressível e demandaria bombas hidráulicas para o trabalho ao invés de compressores Nos compressores de deslocamento uma quantidade fi xa de ar é sepa radasegregada em um determinado volume inicial que passa a ser reduzi do progressivamente pelo deslocamento ou ação de algum agente como um êmbolo dentro de um cilindro O que se destaca nesse tipo de compressor é a capacidade de aumentar a pressão em patamares superiores sendo a vazão desenvolvida até os patamares médios Na segunda modalidade o ar passa continuamente por dispositivos que dimi nuem seu volume mas não há uma separação de quantidade específi ca de massa A compressão dinâmica pode ser feita de forma radial ou axial sendo associada sempre a um eixo rotativo Esse tipo de compressor prioriza a vazão dos fl uidos a serem comprimidos operando com uma pressão de nível intermediário Eles associamse mais diretamente com uma forma similar das bombas centrífugas Os compressores mais comuns usados nas aplicações industriais são os de palhetas de lóbulos os tipo parafuso diafragma alternativos ou dinâmicos Todos eles exigem basicamente a mesma confi guração um dispositivo de fi l tragem e admissão do ar um meio de compressão um meio de estocagem do fl uido comprimido e uma instrumentação associada rotâmetro e manômetro Organizandose os tipos de compressores em função da temperatura e pressão o Gráfi co 1 mostra o campo em que podemos encontrar cada tipo tomandose por base a pressão e vazão de operação MÁQUINAS TÉRMICAS 54 SERCAMATERMIUNID2A5indd 54 260719 1340 GRÁFICO 1 TIPOS DE COMPRESSORES EM FUNÇÃO DA PRESSÃO E VAZÃO Explicando o eixo das ordenadas vertical apresenta os valores de pressão em unidades de libras por polegadas quadradas de mercúrio psig ou seja o valor medido igualase à medida absoluta subtraída de 1 atm Por sua vez o eixo das abcissas horizontal apresenta os valores de vazão na unidade de pés cúbicos por minuto pcm Para encontrarmos as unidades no Sistema Interna cional SI temos as conversões como 100000 10000 1000 100 10 10 100 200 200000 1000 10000 8000 20000 500000 Vazão pcma Pressão de descarga psig 100000 1000000 Pistão Parafuso Lóbulo Palheta Centrífugo Axial 500 60 Fonte FIALHO 2003 MÁQUINAS TÉRMICAS 55 SERCAMATERMIUNID2A5indd 55 260719 1340 Psig x 145 Atm Eq 03 pcm x 5 x 104 m3s Eq 04 Como se pode detectar os compressores do tipo de deslocamento posi cionamse nos setores onde as pressões são mais elevadas enquanto os de tipo dinâmico posicionamse onde são detectadas as maiores vazões Compa randose as pressões os compressores do tipo deslocamento trabalham com pressões dez vezes maiores do que os compressores dinâmicos Contudo em termos de vazões os compressores dinâmicos operam em quantidades cerca de 1000 vezes maiores do que os compressores de deslocamento Para uma visão mais ampla o Diagrama 1 apresenta os tipos de compres sores junto de uma visão geral da configuração de cada um Em relação à de signação de cada um apresentase uma visão transversal do compressor mos trandose os meios de compressão e acionadores DIAGRAMA 1 TIPOS DE COMPRESSORES E SUAS CONFIGURAÇÕES BÁSICAS Compressores Dinâmicos De descolamento Ejetor Rotativos Palhetas Anel líquido Parafuso Pistão livre Diafragma Pistão Tronco Cruzeta Roots Alternativos Radial Axial 0000 0000 Fonte LOUREIRO 2016 Adaptado MÁQUINAS TÉRMICAS 56 SERCAMATERMIUNID2A5indd 56 260719 1340 O primeiro grupo os dinâmicos dividese em três tipos básicos axial radial e o ejetor Os dois primeiros as semelhamse a máquinas de fluxo nas quais há um elemento dinâmico que succiona e pressuriza o ar para o setor de estoque O ejetor baseiase na dife rença entre pressão estática e dinâmi ca antes e depois da sucção aplican do o princípio de Venturi Para efeitos de máquinas térmicas somente os dois primeiros recaem nessa categoria No segundo grupo o mais numeroso identificamos as máquinas de deslocamen to subdividindose em rotativos e alternativos Como podemos notar o processo de compressão envolve o atrito entre as partes rotativas ou deslizantes Além disso para que se evite a fuga de fluidos comprimidos os ajustes e tolerâncias envolvidos são estritos o que demanda montagens e ajustes feitos por pessoal e instrumentos qualificados ASSISTA Para compreender melhor os problemas com compresso res separamos um vídeo do canal Portal Refrigeração no qual são explicados cada um deles Entre as motivações de falhas em compressores destacamos A mistura de fluidos refrigerantes ou o uso dos mesmos fora das especifi cações técnicas As montagens de componentes fora das tolerâncias de projeto também redundam em falhas catastróficas Por falta de verificação usualmente detectase a falta de agente lubrifican te o que redunda em danos de grande monta O uso inadequado de filtros de admissão também acarreta interrupções e paradas em compressores Desbalanceamento dos elementos girantes quando o centro da figura geométrica não coincide mais com o centro de massa baricentro induzindo vibrações e ruídos nos compressores e itens mais próximos MÁQUINAS TÉRMICAS 57 SERCAMATERMIUNID2A5indd 57 260719 1341 Em compressores é usual empregar calços pneumáticos para reduzir a transmissão de vibrações para o solo pois elas podem trincar as bases ou montagens de obras civis Esses calços são feitos de elementos de material polimérico ie borracha ou mesmo de amortecedores e molas metálicas como aqueles que vemos em carros dependendo da aplicação Aborda remos os principais tipos de compressores aqueles com maior campo de aplicação Compressor do tipo palhetas O princípio de funcionamento dessas máquinas térmicas é centrado na va riação de volume do ar assim que ele adentra a câmara de compressão provo cada pela ação de uma palheta um rotor e uma mola que interage com a palhe ta Em termos de confi guração podemos ter compressores com uma palheta singela e mola ou compressores com várias palhetas e molas Esses compressores possuem baixos pesos e dimensões sendo de simples fabricação e aplicação versátil em consultórios odontológicos laboratórios instrumentação máquinas de ferramenta e setores de embalagem operando com baixas vazões e pressões Após o ar adentrar no compressor a ação de uma mola junto à palheta faz o anel rotativo variar o volume do ar admitido à medida que se movimenta o eixo rotativo Nessa interação o volume do ar vai diminuindo à medida que se dire ciona até a descarga Isso é mais simples de se entender na confi guração de uma única palheta Para incrementar a efi ciência de operação aumentamos o número delas A Figura 4 mostra a confi guração do compressor com uma única palheta EXPLICANDO Quando uma peça rotativa está balanceada o centro da fi gura geométrica coincide com o centro de massa aquele ponto onde podemos concentrar toda a massa do corpo para efeitos de estudos dinâmicos Quando esses dois centros não coincidem geometricamente surgem forças adicionais que induzem movimentos não espe rados ou previstos no projeto acarretando oscilações vibrações e falhas mecânicas O vídeo do canal Pedro Neto exemplifi ca esse tipo de ruído MÁQUINAS TÉRMICAS 58 SERCAMATERMIUNID2A5indd 58 260719 1341 Admissão Palheta Descarga Câmara de compressão Pistão rolante Figura 4 Compressor de palheta simples associada à carcaça Fonte IFSC 2017 ASSISTA Para visualizar melhor o funcionamento de um com pressor de palheta simples separamos um vídeo do canal Armandotecgospel que explica detalhadamente a questão ASSISTA Para compreender a dinâmica das palhetas nessa máqui na acesse o vídeo que selecionamos do canal GyrumTV Nessa configuração a palheta posicionase em relação à carcaça e movi mentase pela ação de uma mola Isso é coordenado com o movimento de um anel vinculado a um eixo rotativo O anel é o que impele o ar enquanto a palhe ta se encarrega de diminuir seu volume da rotação até o setor de descarga Percebemos que a palheta altera sua posição interior ou radial com a car caça por ação da mola à medida que se tem a rotação do eixo e anel Quando aumentamos o número de palhetas essas se montam junto ao eixo sem as molas porque se lança mão do efeito da aceleração centrífuga movimentan doas radialmente A Figura 5 mostra esse tipo de arranjo O setor azul indica a sucção enquan to o mais avermelhado diz respeito à descarga O eixo com as palhetas monta das nas ranhuras radiais é mostrado em detalhe MÁQUINAS TÉRMICAS 59 SERCAMATERMIUNID2A5indd 59 260719 1341 Figura 5 Compressor de palhetas múltiplas Descarga Admissão ou aspiração 0 x x 0 Setor de descarga Setor de sucção ou aspiração Palheta Rotor com palhetas MÁQUINAS TÉRMICAS 60 SERCAMATERMIUNID2A5indd 60 260719 1341 Compressor do tipo lóbulos Nesse compressor temos dois eixos rotativos em sentidos opostos e para lelos os quais recebem duas peças que são montadas com um ajuste dimen sional de precisão Tais peças possuem o formato de um lóbulo e podem ser de duas 180º a três 120º por eixo A variação do volume entre as duas peças à medida que ocorre a rotação é o que provoca a redução de volume e assim a compressão Uma nomenclatura alternativa para esse tipo de compressor é do tipo roots Por causa desse tipo de construção a capacidade de compressão dessa má quina é baixa mas garante uma boa continuidade de trabalho com baixa manu tenção e alta durabilidade Serve normalmente para complementar um traba lho de compressão prévio em adição à operação de outro tipo de compressor anterior A Figura 6 mostra a confi guração geral desse tipo de compressor Figura 6 Confi guração do compressor do tipo dois lóbulos 180º Fonte CARTAXO sd Fluxo de ar MÁQUINAS TÉRMICAS 61 SERCAMATERMIUNID2A5indd 61 260719 1341 ASSISTA Para compreender o sincronismo e as tolerâncias envol vidos separamos um vídeo do canal Mekanizmalar que apresenta uma visão geral de seu funcionamento refe renciandose também ao termo roots A Figura 7 mostra detalhes da montagem dos lóbulos Figura 7 Confi guração do compressor com três lóbulos 120º Fonte Bonzão Transportes 2013 Compressor do tipo parafusos Nesse tipo de compressor o deslocamento positivo de uma porção fi xa de ar é feito por meio da rotação de um fuso que transporta uma quantidade de ar aprisionada entre ele e a carcaça Podemos contar tanto com um fuso quanto com dois contra rotativos e paralelos com uma geometria helicoidal montada ou fabricada ao longo dos dois eixos Assim com a rotação dos fusos é possível aprisionar uma quantidade de ar enquanto sua geometria permite o aumento de pressão do fl uido no interior do equipamento até ser liberado na válvula de descarga MÁQUINAS TÉRMICAS 62 SERCAMATERMIUNID2A5indd 62 260719 1341 É importante destacar os detalhes de fabricação e montagem dos dois fu sos para evitar a formação de ruído intenso ou mesmo trincados e fraturas nos eixos e carcaça ASSISTA O vídeo separado do canal Hussain Saheb Shaik mostra a montagem de fusos nesse tipo de compressor Dependendo do acesso às partes internas podemos classificar esses com pressores como herméticos semiherméticos ou abertos tendo em mente a segregação entre o motor e os parafusos Nos primeiros há total segregação entre o motor e o elemento do tipo fuso As aplicações típicas desse tipo de compressor estão nas indústrias alimen tícia petroquímica aeroespacial farmacêutica e hospitalar A Figura 8 mostra os detalhes do impelidor parafuso Figura 8 Configuração do compressor com três lóbulos 120º Fonte Bonzão Transportes 2013 Para compor uma visão do conjunto destacamos a Figura 9 MÁQUINAS TÉRMICAS 63 SERCAMATERMIUNID2A5indd 63 260719 1341 Figura 9 Visão geral de um compressor do tipo parafusos Fonte Shutterstock Acesso em 12072019 ASSISTA Veja na perspectiva em 3D para compreender detalhes da operação desse tipo de compressor no vídeo do canal Japy Compressors Compressor do tipo diafragma O princípio básico de construção desse tipo de compressor é a deformação controlada de uma membrana conhecida como diafragma Essa deformação elástica do diafragma provoca a sucção e compressão do fl uido para um deter minado reservatório Normalmente esse tipo de compressor requer um atuador alternativo pis tão como aquele disponível em um motor à combustão ou acoplado a um motor elétrico um fl uido permanece em contato com o diafragma que se comporta apenas como um atuador junto ao ar O diafragma deve ser feito de um material elástico e maleável normalmen te de algum composto polimérico Uma das preocupações importantes é evitar as falhas por fadiga decorrente do carregamento alternado e cíclico ao qual ele é submetido MÁQUINAS TÉRMICAS 64 SERCAMATERMIUNID2A5indd 64 260719 1341 ASSISTA Para entender como o diafragma se deforma durante a operação assista ao vídeo que selecionamos no canal RamTol Mexicana As dimensões desse tipo de compressor não são muito grandes A gran de vantagem deles é a segregação entre o setor de acionamento e o setor de compressão o que é importante quando se opera com fl uidos infl amáveis ou que são noviços A Figura 10 dá uma visão geral de seu funcionamento O ar se posiciona na parte superior inlet sucção outlet descarga e a parte averme lhada é o fl uido de trabalho que é acionado por um pistão que pode receber acionamento elétrico ou por combustão Figura 10 Corte transversal de um compressor do tipo diafragma Fonte Nptel 2013 Adaptado Compressor alternativo Esse é o tipo mais comum de compressor presente na maior parte das aplica ções em postos de gasolina ofi cinas de pintura navios etc para apenas mencio nar os mais relevantes Acoplamse conceitos de motores que operam com cilin dros e êmbolos que são acionados normalmente por motores elétricos mas pode haver casos de acionamento do compressor com motores à combustão interna Fluído hidraulíco entra Sucção inlet de ar Descarga outlet de ar Pistão Fluído hidraulíco sai Diafragma MÁQUINAS TÉRMICAS 65 SERCAMATERMIUNID2A5indd 65 260719 1341 A parte principal é a câmara de compressão Cada uma apresenta um es tágio de diminuição da pressão do ar São comuns compressores com dois ou três estágios de compressão por causa de sua construção seus materiais e sua manutenção A Figura 11 mostra esse tipo de compressor Figura 11 Compressor alternativo com dois cilindros Fonte Shutterstock Acesso em 12072019 Para mais detalhes a Figura 13 mostra uma visão em 3D dos processos que ocorrem na compressão de um estágio No primeiro vídeo do primeiro box desta unidade há um detalhamento em vídeo do mesmo processo As partes em cor vermelha representam aquelas com maior temperatura re querendo um resfriamento ou lubrificação Essa é a razão para disporse aletas ao redor do cilindro de compressão para trocar calor com o meio circundante O ar de admissão em cor azul adentra a câmara de compressão por meio da válvula de admissão com o movimento descendente do cilindro Quando há a reversão do sentido iniciase a compressão com o retorno do êmbolo à posição superior Dependendo da razão de compressão abrese a válvula de descarga por onde o ar comprimido escoará Em seguida repetese o ciclo reparandose que não há combustão como nos motores do ciclo diesel ou Otto Quanto maiores o tamanho do cilindro e o número de estágios maiores serão a pressão e a vazão que esse tipo de compressor pode desempenhar MÁQUINAS TÉRMICAS 66 SERCAMATERMIUNID2A5indd 66 260719 1342 Figura 12 Detalhes da compressão de um estágio Fonte Japy Compressors 2015 Adaptado Compressores dinâmicos Esses compressores aproximamse das bombas conhecidas como centrífu gas ou dos ventiladores nos quais se tem um impelidor com formato aerodinâ mico baseado na variação de pressão e fl uxo pela ação de elementos rotativos com perfi s especiais próximos do que conhecemos como asa Como há um eixo rotativo é muito comparado também à turbina Notase que as partes dinâmicas operam em rotação Por causa da direção do fl uxo de saída há uma subdivisão entre axiais e ra diais em que no primeiro caso o fl uxo de saída é paralelo ao eixo do compres sor e no segundo o fl uxo de saída se faz a 90º do eixo rotativo Vale ressaltar que a sucção é feita no sentido axial Em termos de componentes há três principais o impelidor a carcaça e o difusor dos quais o primeiro faz com que o fl uido adentre o equipamento por meio de variação da energia cinética para em seguida haver o aumento de pres são em decorrência do aumento de entalpia A carcaça possibilita a montagem desse conjunto Como tratamos de um compressor para as duas transforma ções citadas é necessário fornecer trabalho para o impelidor MÁQUINAS TÉRMICAS 67 SERCAMATERMIUNID2A5indd 67 260719 1342 Não obstante o que se demanda aqui é a compressão de ar pelo fornecimento de torque para o eixo Normalmente nesses compressores são detectadas algumas vazões muito altas e pressões baixas ou intermediárias Para elevações de pressão de maior intensidade é necessário acoplar esses compressores em multiestágios A Figura 13 mostra uma visão geral de um compressor dinâmico axial Figura 13 Configuração geral de um compressor dinâmico axial Fonte PATROCINIO 2014 Figura 14 Configuração geral de um compressor dinâmico radial Fonte Shutterstock Acesso em 12072019 Palhetas do estator COMPRESSOR Revestimento Compressor axial Entrada vazia Revestimento Compressor centrifugal Para um compressor dinâmico a Figura 14 mostra uma configuração básica com realce para a saída do ar em um ângulo de 90º em relação ao eixo central MÁQUINAS TÉRMICAS 68 SERCAMATERMIUNID2A5indd 68 260719 1342 ASSISTA Para mais informações sobre o compressor dinâmico ra dial assista a um vídeo que selecionamos do canal Bruno Guimarães Mothé Um detalhe importante nesse tipo de compressor é que é possível montar mais de um estágio e acionálos por um único eixo Para tal colocamse impelido res em série e o princípio permanece como mostrado na Figura 15 A Figura 16 mostra um arranjo in teressante no qual um compressor do tipo radial é acionado por um sistema de combustão que liga uma turbina radial Perceba o formato especial do perfi l do elemento rotatório que pos sui diversas palhetas aerodinâmicas Com relação ao ar comprimido setor azul a sucção é axial e a descarga ocorre em um ângulo reto Figura 15 Compressor dinâmico radial com vários está gios no mesmo eixo Fonte PASETTI 2016 Figura 16 Compressor axial com acionamento por combustão em turbina radial Fonte BRASIL 2006 Caixa quente Emtrada de ar ambiente Caixa fria Roda do compressor Saída de gás da exaustão da turbina Roda da turbina Entrada do ar da combustão Descarga do ar comprimido MÁQUINAS TÉRMICAS 69 SERCAMATERMIUNID2A5indd 69 260719 1343 Comparandose os dados dos compressores com aqueles axiais a Tabela 1 mostra um panorama típico de pressões e vazões além da simbologia indus trial para cada um deles Tipo Símbolo Diagrama funcional Pressão bar Vol do fluxo m3h Compressor de pistão tronco 10 1 fase 35 2 fases 120 600 Compressor de cabeçote cruzado 10 1 fase 35 2 fases 120 600 Compressor de diafragma Baixa pequeno Compressor sem pistão Uso limitado como gerador de gás Compressor de palhetas 16 4500 Compressor de anel líquido 10 Compressor de parafuso 22 750 Compressor de lóbulos ou roots 16 1200 Compressor de fluxo axial 10 200000 Compressor de fluxo radial 10 200000 TABELA 1 COMPARATIVO DOS COMPRESSORES Fonte Consuar 2002 Adaptado MÁQUINAS TÉRMICAS 70 SERCAMATERMIUNID2A5indd 70 260719 1343 Sintetizando Nesta unidade abordamos os compressores e seus principais tipos desta cando suas partes internas princípios de funcionamento detalhes de monta gem suas pressões e vazões típicas além dos problemas mais comuns e suas origens Adicionalmente mostramos como funcionam esses compressores MÁQUINAS TÉRMICAS 71 SERCAMATERMIUNID2A5indd 71 260719 1343 Referências bibliográficas ALECRIM C Pneumática industrial 2005 Disponível em httpswwwebahcom brcontentABAAAAMUoAEpneumaticaindustrialpart6 Acesso em 12 jul 2019 ANIMAÇÃO do funcionamento do motor Gyrum φ8 2tempos Postado por GyrumTV 1min 32s Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvM u56p5xsJM Acesso em 12 jul 2019 AULA 1 Turbomáquinas Compressores centrífugos Postado por Bruno Guimarães Mothé 30 min Disponível em httpswwwyoutubecomwatch ve0nOfWGmeNc Acesso em 12 jul 2019 BONZÃO TRANSPORTES Caminhão de sucção com bomba de lóbulos 2013 Disponível em httpsbonzaotransportescombr20130720caminhaode succaocombombadelobulos Acesso em 12 jul 2019 BRASIL A N Teoria geral das máquinas de fluxo Máquinas termohidráulicas de fluxo Curitiba UFPR 2006 Disponível em httpftpdemecufprbrdiscipli nasTM120APOSTILAMHcapitulo2teoriageralMAQUINAS20DE20FLU XOPDF Acesso em 12 jul 2019 CARTAXO I Omega 41 turbo ou compressor a escolha Disponível em http www1uolcombrbestcarscpomegacdhtm Acesso em 12 jul 2019 COMPRESOR Reciprocante de diafragma Postado por RamTol Mexicana 3min 11s Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvgO8PyWXo xlI Acesso em 12 jul 2019 COMPRESSOR barulhento Postado por Pedro Neto 1min 2s Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvss6LzniwxRQ Acesso em 12 jul 2019 COMPRESSOR rotativo palheta estacionária Postado por Armandotecgos pel 1min 22s Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvjpBHKI XaXdM Acesso em 12 jul 2019 FAIRES V SIMMANG C Termodinâmica 6 ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 1983 p 360 FALHA nos compressores Postado por PortalRefrigeracao 5min 4s Dispo nível em httpswwwyoutubecomwatchvSHvYRVlnJds Acesso em 12 jul 2019 FIALHO A B Automação pneumática projetos dimensionamento e análise de circuitos São Paulo Érica 2003 MÁQUINAS TÉRMICAS 72 SERCAMATERMIUNID2A5indd 72 260719 1343 LOUREIRO M Pneumática tipos de compressores de palhetas 2016 Disponível em httpprincipoorgpneumticatiposdecompressoresdepalhetashtml Acesso em 12 jul 2019 NPTEL Compressors Pneumatic systems 2013 Disponível em httpsnptel acincourses112103174module6lec21html Acesso em 12 jul 2019 PARKER T Tecnologia pneumática industrial Apostila M 10011 BR 2007 PASETTI G Acionamentos pneumáticos e hidráulicos produção do ar compri mido Videira IFC 2016 Disponível em httpprofessorluzernaifcedubrgio vanipasettiwpcontentuploadssites35201603AcionamentosPHParte2 pdf Acesso em 12 jul 2019 PATROCINIO I R E S Préseleção de um compressor através da simulação termohidráulica da linha de transporte de gás YacuibaRio Grande com o software Pipeline Studio gas network simulator Rio de Janeiro DEM 2014 Disponível em httpmonografiaspoliufrjbrmonografiasmonopoli10011218 pdf Acesso em 12 jul 2019 PRINCÍPIOS de funcionamento compressores centrífugo Postado por Fabio Alves 4min 23s Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvCJxtGo V2xks Acesso em 12 jul 2019 PRINCÍPIOS de funcionamento compressor alternativo de pistão Postado por Japy Compressors 56s Postado por httpswwwyoutubecomwatch vo35KOQT6kn4 Acesso em 12 jul 2019 PRINCÍPIOS de funcionamento de compressor de pistão Postado por Fabio Alves 1min 19s Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvMdlE wK1PqLk Acesso em 12 jul 2019 ROOTS pump two lobe Postado por Mekanizmalar 1min 12s Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvfwWrFLiyY Acesso em 12 jul 2019 SCREW compressor screws fixing Postado por Hussain Saheb Shaik 1min 49s Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvzqa6TMJIUSI Aces so em 12 jul 2019 UNIDADE compressora 3D Postado por Japy Compressors 3min 5s Disponí vel em httpswwwyoutubecomwatchv83fBkUgdgBA Acesso em 12 jul 2019 WYLEN G SONNTAG R Fundamentos da termodinâmica clássica 2 ed São Paulo Edgard Blucher 1976 p 428 MÁQUINAS TÉRMICAS 73 SERCAMATERMIUNID2A5indd 73 260719 1343 CÁLCULO TERMODINÂMICO 3 UNIDADE SERCAMATERMIUNID3A5indd 74 12082019 134902 Objetivos da unidade Tópicos de estudo Abordar as relações termodinâmicas Apresentar os conceitos de volume deslocado e volume morto Tratar de eficiência e rendimento mecânico Introdução O ar atmosférico A constante universal dos gases perfeitos Calores específicos O gás ideal Reversibilidade Relações termodinâmicas Processos térmicos de com pressão Relações termodinâmicas para o gás perfeito Compressão de um gás perfeito Relações para compressores de palhetas Relações para compressores de lóbulos Eficiências ou rendimentos MÁQUINAS TÉRMICAS 75 SERCAMATERMIUNID3A5indd 75 12082019 134902 Introdução No dimensionamento de máquinas térmicas dentre as quais se destacam os compressores é necessário calcu lar alguns parâmetros teóricos com avaliação prática concomitante Isso é feito por meio de cálculos e gráfi cos considerando os tipos de compresso res as propriedades do fl uido de tra balho e as necessidades descritas em especifi cação técnica Para defi nirmos a Termodinâmica recorreremos à defi nição dada pelos autores Virgil Moring Faires e Cliff ord Max Simmang ao longo do livro Thermodynamics 1978 Segundo os profes sores a Termodinâmica é a ciência que nos baliza nas referidastarefas ava liando nos diversos tipos de compressores a pressão de trabalho capacidade de suprimento para o sistema de armazenagem de ar e rendimento do ciclo térmico associado entre outros O conceito de ciclo ideal de compressão perfaz a base dessa unidade confi gurandose como o máximo possível a ser realizado Essa abordagem é comum no estudo de máquinas térmicas porque fornece uma visão macro de até onde podemos atingir Em seguida abordamse os volumes morto e o deslocado associandoos às rotações do compressor de forma a termos o fl uxo provido Essa quantidade impacta por exemplo no tempo necessário para se preencher um determinado acumulador de fl uido de trabalho à uma pressão de trabalho ou especifi cada Por fi m tratamos do rendimento propriedade importante para defi nir mos as bases de um sistema de compressão É válido recordar que o termo razão de compressão se refere ao quociente entre o volume inicial e o volume fi nal e em um compressor é sempre maior que a unidade 10 Fluidos comprimidos armazenam energia que pode ser liberada ou processada em diversas aplicações como a pneumática MÁQUINAS TÉRMICAS 76 SERCAMATERMIUNID3A5indd 76 12082019 134903 Do livro Automação Pneumática Projetos Dimensionamento e Análise de Cir cuitos 2003 do autor Arivelto Bustamante Fialho podemos extrair que a fi l tragem do fl uido de trabalho é necessária para se evitar que danifi quemos as partes internas de trabalho do compressor Por isso conjunto de fi ltros são usados antes da compressão do ar A compressão de particulados sólidos confi gurase como uma operação mecânica que impõe distorções ou esforços de grande intensidade no elemen to compressor ocasionando danos permanentes fontes de trincas e falhas materiais Outra atividade de grande valia é o controle da temperatura do fl uido de trabalho tendose em conta maximizar o rendimento térmico das operações a serem feitas dependendo da aplicação técnica planejada Normalmente usamos gráfi cos para analisar os processos envolvidos na compressão usandose pares de variáveis como a pressão e o volume Nesse caso temos normalmente a relação inversa ou seja se a pressão aumenta o volume diminui e viceversa A compressão pode ser feita em etapas de pressão subsequentes ou seja incrementos de pressão em equipamentos diferentes Pode também ser rea lizada em um único estágio mas o que se mostra mais prático é fazêla em diversos dependendo da pressão fi nal que se necessite Essa linha de ação aponta na prática para a necessidade de conceber máquinas meios práticos e industriais de se trabalhar e operar Entre os estágios percebemos a impor tância de se resfriar a temperatura do fl uido de trabalho Com isso é possível empregar máquinas de menor tamanho em vez de pis tõescilindros muito grandes compressão de um único estágio para pressões e vazões muito elevadas O ar atmosférico O ar é o fl uido mais comum para sistemas de compressão uma vez que existe em abundância e não é infl amável Seus valores de pressão e temperatura variam com a altitude fato importante para se considerar em sistemas de compressão O Diagrama 1 mostra como a pressão e a densidade do ar variam em relação ao acréscimo de altitude decaindo continuamente MÁQUINAS TÉRMICAS 77 SERCAMATERMIUNID3A5indd 77 12082019 134903 DIAGRAMA 1 VARIAÇÃO DA PRESSÃO E DENSIDADE DO AR ATMOSFÉRICO EM RELAÇÃO À ALTITUDE Fonte SILVEIRA 2015 p 2 A constante universal dos gases perfeitos Desde o século XVII assistimos a grandes avanços quanto aos estudos do comportamento de substâncias gasosas Nesse assunto houve a necessidade de se defi nir um parâmetro ao qual todo gás obedecesse considerando que suas moléculas fossem muito pequenas em relação às distâncias envolvidas Assim a constante universal dos gases perfeitos ou ideais R estabelece a quantidade de moléculas de um gás para uma dada pressão e temperatura No Sistema Internacional de Unidades SI essa constante possui a defi ni ção de 831 JmolK ou 0082 atomLmolK MÁQUINAS TÉRMICAS 78 SERCAMATERMIUNID3A5indd 78 12082019 134906 EXPLICANDO Como se vê a constante foi defi nida para a unidade de massa mol Caso queiramos trabalhar com kg o que é mais prático devemos multiplicar a constante pela massa atômica do gás Essa quantia possui relação com massa atômica dos elementos químicos que o compõem Por exem plo para o hidrogênio é 1007 gmol para o carbono 12011 gmol para a molécula de oxigênio O2 consideramos 31998 gmol para o ar temos 2896 gmol Calores específicos O calor específico é uma propriedade térmica das substâncias que me rece ser relembrada Podemos ter uma definição para pressão constante Cp e outra para volume constante Cv dependendo dos processos térmi cos envolvidos Assim para o equacionamento dos processos é usual tra balhar com uma razão entre eles conhecida como k isto é o quociente entre o Cp e o Cv Substância Cp Cv k Ar 1004 0717 1400 Oxigênio 0922 0662 1393 Amônia 2130 1642 1297 Hidrogênio 14209 10085 1409 Hélio 5193 3116 1667 Etanol 1427 1246 1145 Dióxido de carbono 0842 0653 1289 Monóxido de carbono 1041 0744 1400 Propano 1679 149 1126 Neônio 103 0618 1667 Vapor dágua 1872 1410 1327 1004 1004 0922 0922 2130 2130 14209 0717 14209 5193 0717 5193 0662 1427 0662 1642 1427 0842 1642 0842 10085 1041 1400 10085 3116 1041 1679 1400 3116 1679 1393 1246 103 1393 1246 0653 103 1872 1297 0653 1872 1409 0744 1409 0744 1667 149 1145 0618 1145 0618 1289 1410 1400 1400 1126 1667 1667 1327 TABELA 1 VALORES DE CALORES ESPECÍFICOS CP CV E K PARA ALGUNS GASES A 25OC E 1ATM MÁQUINAS TÉRMICAS 79 SERCAMATERMIUNID3A5indd 79 12082019 134906 Substância Cp Cv k Etileno 1548 1252 1237 R12 0616 0547 1126 R22 0658 0562 1171 R134 0852 0771 1106 Óxido nítrico 0993 0716 1387 Óxido nitroso 0879 0690 1274 1548 1548 0616 0616 0658 0658 0852 1252 0852 0993 1252 0993 0547 0879 0547 0562 0879 0562 0771 1237 0771 0716 1237 0716 1126 0690 1126 0690 1171 1106 1106 1387 1274 1274 Fonte VAN WYLEN SONNTAG BORGNAKKE 2009 p 562 O gás ideal Baseado nos estudos de Gordon Van Wylen Richard E Sonntag e Claus Borgnakke posteriormente publicados no livro Fundamentos da Termodinâmi ca 2009 constatamos que nos estudos de termodinâmica e compressão de gases tornase útil conhecer o conceito de gás ideal ou seja aquele que pos sui suas moléculas movendose livremente de forma contínua aleatória e em função da temperatura interna Adicionalmente o tamanho das partículas ou moléculas deve ser muito menor do que a ordem de grandeza do caminho que percorrem Outra característica importante é que o gás deve estar em uma pressão mais baixa para não termos muitas interações Com essa substância é viável usarmos equações e modelos matemáticos e esta tísticos de predição de propriedades como pressão volume e temperatura para uma determinada quantidade de massa do gás Caminhando para o campo prático ou industrial a maior parte dos gases pode ser assumida como gás ideal quando em pressões e temperaturas bai xas Com a elevação de ambas detectase um desvio em relação ao conceito de ideal levando a modifi car o conjunto de equações e relações ao se alterar as condições de contorno que envolvam o atrito por exemplo Informações de laboratório auxiliam na manipulação dos modelos advindos do gás ideal e com isso permitem uma especifi cação coerente dos equipamentos A Equação de Clapeyron Equação 1 é a que defi ne os estados termodinâ micos para um gás ideal relacionandose à pressão ao volume ao número de moles e à temperatura MÁQUINAS TÉRMICAS 80 SERCAMATERMIUNID3A5indd 80 12082019 134907 P x V n x R x T 1 Alguns exemplos serão mostrados agora para uma melhor aplicação da re ferida equação Exemplo 01 Tendo os seguintes dados qual será a temperatura do gás p 2 atm ou 2 x 105 Nm2 n 60 V 3 m3 Solução P x V 2 x 105 x 3 6 x 105 N m J T 6 x 105 831 x 60 12034K ou cerca de 930 oC Exemplo 02 Qual será pressão do gás quando este detiver os seguintes dados V 10 m3 n 10 T 100oC Solução P 10 x 831 x 100 273 10 ou cerca de 3100 Nm2 ou 003 atm EXPLICANDO Essa equação sintetiza um grupo de relações desenvolvidas para gases entre os séculos XVIII e XIX como as leis de Charles Charles Gay Lussac e BoyleMariot Reversibilidade Esse tema fi ca mais relevante quando trabalhamos com sistemas térmicos e com gases ideais para as adaptações à realidade Em linhas gerais reversibi lidade indica que um processo pode ocorrer em dois sentidos e nada se perde no trajeto de ida e volta É portanto ideal Por exemplo se tivermos um processo reversível as perdas por atrito ou fricção não serão consideradas porque tais perdas não podem ser reconverti das para o sistema onde foram originadas Em um processo de subida de rampa ou escada dentro da reversibilidade a energia dispendida na subida poderia ser recuperada integralmente na des cida Repare que o atrito existente no caminho não é levado em conta para que isso ocorra Uma forma de caracterizar os processos reversíveis é manter a entropia cons tante durante eles ou seja não havendo troca de energia para o meio ambiente MÁQUINAS TÉRMICAS 81 SERCAMATERMIUNID3A5indd 81 12082019 134907 Para a compressão a reversibilidade é vista nos processos isoentrópicos sendo representada em gráfi cos e diagramas pressão x volume como curvas diagonais modifi cando as duas variáveis O Diagrama 2 mostra esses processos de temperatura x entropia DIAGRAMA 2 CURVAS ISOENTRÓPICAS E ISOTÉRMICAS EM DIAGRAMA P X V Fonte TÉCNICO LISBOA 2015 p 14 No diagrama observamos duas curvas diagonais relacionadas com proces sos isotérmicos Th e Tc Igualmente importantes podemos ver os processos isoentrópicos ligando os pontos AD e BC Há ainda o calor recebido Qh que se relaciona com a Th enquanto o calor rejeitado Qc ligase à Tc A área inter na às curvas é o trabalho líquido realizado W Relações termodinâmicas Para o estudo da compressão é importante avaliarmos algumas relações termodinâmicas considerando as relações de trabalho e rendimento a serem desenvolvidas 3 Pela Primeira Lei da Termodinâmica temos que o calor recebido por uma de terminada substância Q igualase ao trabalho por ela realizado W e à respec tiva variação da energia interna U como representado pela Equação 2 entre os estados 1 e 2 MÁQUINAS TÉRMICAS 82 SERCAMATERMIUNID3A5indd 82 12082019 134909 Q1 a 2 W1 a 2 U2 U1 2 Quando há a reversibilidade o calor recebido igualase ao produto da tem peratura pela variação de entropia e o trabalho realizado é representado pelo produto da pressão pela variação de volume As Equações 3 e 4 representam tal situação Q T x dS 3 W P x dV 4 O conceito de entalpia é útil quando se tem a realização de trabalho do tipo pressão x volume Com isso a entalpia tem sua defi nição como expressa pela Equação 5 H U P x dV 5 Vale lembrar que duas propriedades térmicas defi nem um estado termo dinâmico Assim pares como entalpia e entropia temperatura e entalpia pressão e volume específi co entre outros defi nem estados termodinâmicos das substâncias A compressão reúne assim estados termodinâmicos sob os quais ocorrem variações do volume Outra observação importante é que a Equação 5 reúne termos que dependem da temperatura principalmente quando lidamos com substâncias na fase gasosa Uma última equação que nos auxilia na avaliação de processos de compres são está expressa na Equação 6 onde dU representa a variação da energia in terna e dS variação da entropia entre o estado inicial 1 e o fi nal 2 por exemplo TdS dU P x dV 6 Processos térmicos de compressão Os processos isobáricos pressão constante ocorrem em compressão de fl uidos de trabalho como quando se tem uma pequena variação de pressão ie menor que 3 Isso é detectável durante a descarga do fl uido comprimido ao término da compressão e no fi nal da admissão do fl uido a ser comprimido Em grande parte da compressão e no início da admissão temos proces sos nos quais variam a pressão e o volume ao mesmo tempo Em uma curva pressão x volume temos assim as curvas diagonais seguindo relações ma temáticas do tipo PVn onde n denota um número caraterístico do processo planejado como isoentrópico MÁQUINAS TÉRMICAS 83 SERCAMATERMIUNID3A5indd 83 12082019 134909 Em outras palavras esse tipo de relação matemática baseiase em processos reversíveis Por exemplo podemos ter um processo termodinâmico de compres são no qual o produto entre pressão e volume seja uma constante Na medida que a pressão sobe o volume diminui mantendo o produto igual a um determinado número Isso é típico em processos isotérmicos Em resumos temos os seguintes valores para o expoente n Processo à pressão constante isobárico n 0 Processo à temperatura constante isotérmico n 1 Processo à entropia constante isoentrópico n k CURIOSIDADE É válido informar que apenas em processos de volume constante isocó rico n infinito mas essa modalidade não se aplica aos processos de compressão O Diagrama 3 mostra essas relações em termos de curvas no âmbito pressão x volume iniciando no estado A e terminando em quatro possíveis estados B dependendo do processo ou expoente n É útil relacionar esse expoente com a relação entre Cp e Cv que é o fator k DIAGRAMA 3 RELAÇÕES POLITRÓPICAS EM TERMOS DE PRESSÃO P E VOLUME V Pressão B B B B P2 P1 Volume A MÁQUINAS TÉRMICAS 84 SERCAMATERMIUNID3A5indd 84 12082019 134909 De A estado inicial para B estado fi nal temos um processo no qual n é maior que k de A para B temos um processo isoentrópico sendo n k por sua vez de A para B o valor de n situase entre 1 e k e por fi m quando o processo é isotérmico o valor de k é igual a 1 seguindose do processo A para B Relações termodinâmicas para gás perfeito Para os gases perfeitos os calores específi cos possuem defi nições associadas às variações da energia interna em relação às variações específi cas de temperatura Da termodinâmica temos a relação entre os calores específi cos como podemos observar na Equação 7 Cp x dT Cv x dT R x dT 7 É digno de menção que não se depende da quantidade de massa na equação acima Quando temos propriedades que não dependem da massa chamamos tais propriedades de intensivas Desta forma temos uma relação intensiva mostrada na Equação 7 Por conseguinte o termo Cp Cv igualase à constante R Usando a defi nição de k Cp Cv após algumas alterações matemáticas conseguimos depreender as seguintes equações Cp kR k 1 8 Cv R k 1 9 Compressão de um gás perfeito Nesse processo intencionamos obter equações que simbolizem os principais fenômenos envolvidos na compressão Para tal podemos defi nir a compressão como adiabática ou seja não se troca calor com o meio circundante Outra hipóte se que se faz é a de se ter processos em temperaturas constantes ou isotérmicos Da termodinâmica temos um grupo de equações P x V n x R x T 10 Q12 U2 U1 W12 11 onde P pressão V volume MÁQUINAS TÉRMICAS 85 SERCAMATERMIUNID3A5indd 85 12082019 134909 n número de moles R Constante Universal dos Gases T temperatura Em um processo adiabático não tere mos troca de calor ou seja a energia tro cada equivale a 0 A variação da energia interna será igual ao trabalho recebido Aqui vale uma observação traba lho feito ou executado para o exterior é um trabalho positivo um trabalho recebido do exterior é negativo Na compressão sempre temos um trabalho recebido ou seja nega tivo Como a variação da energia in terna será igual a W e o trabalho é negativo então a variação de energia será positiva Com isso é natural que a temperatura do fluido de trabalho aumente durante a compressão Em um compressor de deslocamento temos uma força sendo exercida sob um êmbolo montado no interior de um cilindro Nessa situação o trabalho executado é do tipo de fronteira ou pdV que também pode ocorrer na forma Vdp o que nos remete ao conceito de entalpia Jkg Outra observação importante é o que os produtos pdV ou Vdp nos tradu zem Sabendo que pressão é o quociente entre uma força F e uma área A e além disso que o volume V é o produto de uma área A por um deslocamento L obtemos uma relação útil Pressão FA 12 Volume A x L 13 Trabalho Força x L 14 Trabalho P x A x V A P x V 15 Em outras palavras a área sob uma curva pressão x volume representa o trabalho executado entre as coordenadas indicadas O Diagrama 4 apresenta essa situação para uma pressão constante MÁQUINAS TÉRMICAS 86 SERCAMATERMIUNID3A5indd 86 12082019 134911 DIAGRAMA 4 TRABALHO REALIZADO EM UMA CURVA P X V V1 V2 Volume Pressão P constante As curvas dos processos P x V podem todavia assumir outros formatos como diagonais e parabólicos mas a área sob a curva será o trabalho líquido associado Em ciclos de compressão quando se tem um aumento de volume este tra balho é considerado positivo Por outro lado quando se tem a compressão em si ou a diminuição de volume o trabalho será negativo ou seja requer que seja provido por uma fonte externa ie motor elétrico motor à combustão interna etc Como resultado a área balizada ou interior entre as curvas de um gráfico P x V em compressão significa o trabalho líquido que deve ser feito para a compressão ocorrer Numa compressão industrial tomemos um compressor de deslocamento usando cilindro e êmbolo parecido com o que temos em motores a combustão interna Com isso trabalhamos com dois patamares de pressão a atmosférica e a de projeto Uma primeira tarefa é admitir o fluido de trabalho para dentro do cilindro o que ocorre com o êmbolo em sentido de expansão e a válvula de admissão aberta A Figura 1 mostra essa configuração destacando o Ponto Morto Superior PMS o Ponto Morto Inferior PMI o volume morto Vm e o volume aspirado Va Área Trabalho MÁQUINAS TÉRMICAS 87 SERCAMATERMIUNID3A5indd 87 12082019 134911 PMS PMI Figura 1 Configuração típica volumétrica em um sistema cilindro x êmbolo Em um compressor de deslocamento o volume morto é aquele existente entre o topo do êmbolo e o topo da câmara de admissão e descarga sendo uma necessidade de construção mecânica O volume aspirado por sua vez é medido desde quando o êmbolo se en contra em expansão e concomitantemente temos a abertura da válvula de admissão até que se atinja o PMI Assim que o êmbolo atingir o PMI ele começará a subir comprimindo o flui do que adentrou Nesse mesmo ponto a válvula de admissão se fecha elevan do a pressão interna Próximo ao PMS a válvula de descarga se abre e o fluido com pressão elevada segue para o acumulador por exemplo Com isso fechamos o ciclo de compressão aspiração compressão descar ga O Diagrama 5 representa esse ciclo DIAGRAMA 5 CICLO DE COMPRESSÃO COM GÁS IDEAL Pressão Volume PMI PMS 1 4 2 3 MÁQUINAS TÉRMICAS 88 SERCAMATERMIUNID3A5indd 88 12082019 134911 A expansão é o processo que se inicia em 1 e prossegue até 3 Como visto há um volume morto compreendido entre os pontos 1 e 2 Portanto en quanto não se abre a válvula de admissão ocorre uma expansão deste volume residual ou morto indo de 1 até 2 e uma expansão de fluido novo de 2 até 3 com a abertura da válvula de admissão Neste ponto próximo do PMI a válvula de admissão se fecha Do ponto 3 até o 4 há a compressão propriamente dita com as válvulas de admissão e descarga fechadas Para a descarga é necessário abrir a respectiva válvula o que ocorre de 4 para 1 repetindose o ciclo logo a seguir Nessa configuração o trabalho recebido associase à variação de entalpia que em um gás ideal pode ser representado pela Equação 16 considerando a reversibilidade regime de funcionamento permanente ou seja sem transitó rios ou sobressaltos Potência envolvida mx Cp x T2 T1 16 Onde m é o fluxo de massa de ar kgs Usandose a equação de Clapeyron entre dois estados chegamos a T2T1 P2P1k1k 17 O trabalho a ser feito pelo compressor pode ser também expresso como representado na Equação 18 Potência envolvida mx Cp x T1 T2T1 1 18 Juntando essas duas equações obtemos Potência envolvida mx Cp x T1 x P2P1k1k 1 19 Por fim usando as relações para Cp obtemos uma equação que relaciona os estados inicial e final com o fator k Potência envolvida mx k x Rk1 x T1 x P2P1k1k 1 20 A utilidade da Equação 20 se encontra no fato de ter uma expressão que auxilia no dimensionamento e na especificação de compressores con siderando as principais características do processo envolvido pressões inicial e final temperatura inicial substância envolvida k e o fluxo de massa necessário para preencher um armazenador em um determinado intervalo de tempo MÁQUINAS TÉRMICAS 89 SERCAMATERMIUNID3A5indd 89 12082019 134911 Exemplo 03 Em um sistema de ar comprimido precisamos operar com a pressão de 6atm e uma vazão próxima a 2kgs Nas condições iniciais o ar encontra se a cerca de 25 oC Qual seria a po tência envolvida nesse compressor Solução Coloquemos os dados nas dimen sões necessárias possibilitando as sim a aplicação da Equação 20 Obser vandose o SI Vazão de massa de ar comprimido 2 kgs P1 1 atm P2 6 atm T1 25o C 298 K Fator k 14 R 831 JmolK Massa molar 2896 gmol Assim temos R ar 831 2896 x 103 Jkg x K 28695 Jkg x K Lançando mão da Equação 20 procederemos da seguinte forma Potência 2 x 14 x 2869414 1 x 298 x 610414 1 Potência 200858 x 298 x 0669 4004 kW Exemplo 04 No Exemplo 3 suponha que precisemos reduzir a potência por questões técnicas de 6 atm para 3 atm Qual seria a nova potência Potência 200858 x 298 x 0369 221 kW Exemplo 05 Sabendo que a potência disponível para um compressor é de 500kW qual é a maior pressão que podemos obter considerando o ar na temperatura inicial de 32 oC para a mesma vazão de ar no exercício anterior Solução Ajustando os dados de entrada temos que a temperatura se iguala a 32 273 305K MÁQUINAS TÉRMICAS 90 SERCAMATERMIUNID3A5indd 90 12082019 134912 Rearranjando a equação 20 temos p2p10414 1 500 x 103 305 x 200858 0816 p2p10414 1816 p2p1 1816 1404 807 P2 807 x 1atm 807 atm Exemplo 06 Por questões de posicionamento houve uma elevação atmosférica da ope ração de compressão contando então com a pressão igual a 085 atm A potên cia disponível é de no máximo de 120 kW Qual a vazão de ar que conseguimos obter sendo a temperatura inicial igual a 25ºC e levando em consideração que a pressão de operação não deve ser maior que 4 atm Vejamos se é possível atender esta condição Solução T1 25 ºC 273 305 K p2p10414 1 40850286 1 056 Vazão 120 x 1000 200858 x 305 x 056 035 kgs Pelos valores encontrados constatamos então que eles estão coerentes com o que se encontra tecnicamente uma vez que estão dentro de margens coerentes Relações para compressores de palhetas Para uma faixa intermediária de pressão e fl uxo há a opção de se operar com compressores de palhetas visto que estes possuem dimensões e pesos não muito elevados em relação ao desempenho Outra vantagem desse tipo de compressor é não possuir volume morto signifi cativo o que melhora a relação entre o volume comprimido e a energia dispendida para tal A Figura 2 apresenta a versão assimétrica deste tipo de compressor Observan do as diferenças entre a sucção à direita e a descarga à esquerda percebemos que há uma diminuição na área de saída do fl uido comprimido Há outra versão deste compressor na qual a aspiração e a descarga possuem a mesma geometria e dimensões Em ambos os casos o eixo do tambor por onde transitam as palhe tas possui uma excentricidade e em relação ao eixo da carcaça Essa excentrici dade situase entre 10 e 15 do diâmetro do compressor MÁQUINAS TÉRMICAS 91 SERCAMATERMIUNID3A5indd 91 12082019 134912 Figura 2 Compressor multipalhetas assimétrico Fonte MÁQUINAS 2013 Setor de sucção ou aspiração Palheta Descarga Setor de descarga Admissão Ro to r c o m pa lh et a Como visto a diferença entre os dois modelos está na configuração da carcaça como pode ser visto Essa diferença impacta no diagrama pressão x volume de cada um dos tipos No caso da configuração assimétrica temos a compressão nos moldes do com pressor a pistão dentro de um processo isoentrópico Para a configuração simé trica a compressão é praticamente isocórica Isso é dito porque sempre ocorrem pequenos vazamentos ou escapes de fluido com o passar dos anos de operação eou com o estágio de manutenção do equipamento Os respectivos diagramas pressão x volume são representados no Diagrama 6 MÁQUINAS TÉRMICAS 92 SERCAMATERMIUNID3A5indd 92 12082019 134912 DIAGRAMA 6 DIAGRAMA PRESSÃO X VOLUME PARA COMPRESSOR MULTIPALHETAS Pressão Compressor simétrico Volume Volume Compressor assimétrico Pode ser notado na parte esquerda destes diagramas que não há volume mor to como verificado nos compressores de deslocamento a pistão O volume entre duas palhetas engloba a massa de fluido em compressão como expresso na Equação 21 Volume líquido entre palhetas 2 x e x D x pi x L x f Z 20 Onde e excentricidade distância entre o eixo do tambor de palhetas e a carcaça pi 314 D diâmetro do compressor L comprimento da câmara de compressão f fator de ajuste para compensar fugas e a espessura das palhetas Z número de palhetas O fator f tem seu valor variável em função da pressão de operação do com pressor De uma maneira geral pode ser considerado próximo a 08 como uma primeira aproximação Para se conhecer o fluxo devemos multiplicar este volume líquido pela rotação do compressor como na Equação 22 Fluxo Volume líquido entre palhetas x rotação rads 22 MÁQUINAS TÉRMICAS 93 SERCAMATERMIUNID3A5indd 93 12082019 134912 Exemplo 07 Dado um compressor multipalhetas com 8 palhetas com rotação de 5 rads diâmetro de aproximadamente 250 mm e excentricidade 15 mm o comprimento foi medido como 400 mm qual a potência média para uma compressão de 4 atm Solução O volume de fl uido em compressão é obtido com Volume 2 250 15 400 08 3148 942000 mm3 Fluxo 942 x 103 x 5 x 109 047 x 103 m3 Potência 047 x 103 x 4 x 105 02 kW Relações para compressores de lóbulos O que foi desenvolvido para o compressor do tipo palhetas também existe para compressor do tipo lóbulos ou roots Para isso a Figura 3 mostra a seção reta indicando o volume de fl uido em compressão que se situa entre o lado ex terno do lóbulo e a carcaça do compressor Com dois lóbulos repare que podemos ter quatro partes em processo de compressão B A C D a a b b d D d 2 Figura 3 Volume comprimido em compressor do tipo roots Fonte SOUZA 1980 p 35 MÁQUINAS TÉRMICAS 94 SERCAMATERMIUNID3A5indd 94 12082019 134912 A área hachurada é uma das quatro partes que en volvem o ar a ser comprimido A área daquela porção é aproximada pela Equação 23 uma vez que temos um perímetro com curvas Reparemos que D é o diâme tro interno no setor onde os dois lóbulos se tocam Área hachurada x 4 075 x D2 23 Se o compressor possuir um comprimento igual a L o volume total de ar será Volume área hachurada x L 075 x D2 x L 24 Para esse tipo de compressor um rendimento volumétrico da ordem de 07 é um valor coerente para uma primeira aproximação Assim a potência neces sária para esse compressor é expressa pela Equação 25 Pot necessária fluxo de ar x diferença de pressão rendimento 25 Exemplo 08 Para um sistema com compressor roots a rotação deve ser de 12 ra ds O comprimento da máquina to taliza 800 mm enquanto o diâmetro de contato interno D é próximo a 60 mm Qual a potência necessária para uma compressão de 3 atm Volume de compressão 075 602 x 800 022 m3 Potência necessária 022 x 12 x 3 x 105 07 1131 kW Este valor parece coerente mas se encontra em um patamar não muito pequeno Uma forma de se confirmar a coerência entre os valores obtidos é consultando o Diagrama 7 no qual os diversos tipos de compressores são classificados entre as pressões de operação e os fluxos de ar em trabalho MÁQUINAS TÉRMICAS 95 SERCAMATERMIUNID3A5indd 95 12082019 134914 DIAGRAMA 7 DISTRIBUIÇÃO DE PRESSÃO E FLUXO PARA DIVERSOS TIPOS DE COMPRESSORES Fonte PARKER 2006 p 17 Adaptado MÁQUINAS TÉRMICAS 96 SERCAMATERMIUNID3A5indd 96 12082019 134917 Eficiências ou rendimentos O rendimento do compressor decorre do quociente entre o trabalho ideal e o trabalho real O primeiro se observa quando trabalhamos com substâncias ideais e na reversibilidade Todavia por causa do atrito presente e do afastamento das condições em uma substância dial abordamos o trabalho real A Equação 26 re presenta bem essa defi nição Rendimento mecânico Trabalho Ideal Trabalho Real 26 O trabalho ideal associase a processos isoentrópicos ou seja variações de entalpia entre dois pontos mantendose a entropia constante para as duas coor denadas O trabalho real ligase à diferença entre as entalpias reais ou medidas entre as mesmas coordenadas DIAGRAMA 8 RELAÇÃO TEMPERATURA X ENTROPIA TRABALHOS IDEAL E REAL T P2 P P 2 2 2 2 Fonte SOUZA 1980 p 29 MÁQUINAS TÉRMICAS 97 SERCAMATERMIUNID3A5indd 97 12082019 134917 Onde T é a temperatura s é a entropia 1 para 2 processo isotérmico 1 para 2 processo onde 1 n k 1 para 2 processo isoentrópico n k 1 para 2 processo onde n k Em um compressor de deslocamento o volume total percorrido pelo êmbolo é o que conhecemos com cilindrada Se o curso entre o PMS e o PMI for igual a L e tivermos um diâmetro do cilindro igual a D a cilindrada tem na Equação 27 a sua definição Cilindrada pi x D2 x 025 x L 27 Observação considere pi como 314 para efeitos práticos MÁQUINAS TÉRMICAS 98 SERCAMATERMIUNID3A5indd 98 12082019 134917 Sintetizando Nesta unidade vimos os processos termodinâmicos relacionados com os volumes de aspiração potência necessária para compressão detalhes cons trutivos de alguns tipos de compressores além de equações desenvolvidas para gás perfeito as quais podem ser adaptadas para a especificação de com pressores considerando condições mais realísticas Nesse escopo o gás ideal reúne um modelo matemático que nos auxilia nas avaliações sobre as condições para compressão isto é pressão tempera tura e volume servindo de base para determinar a potência necessária para alterar seu estado sendo ambos o inicial e o final definidos por duas pro priedades termodinâmicas quando se faz uma compressão Nessa tarefa avaliamos processos isotérmicos e isoentrópicos Ainda nes se quadrante vimos o conceito de reversibilidade que engloba as condições ideais para analisar processos térmicos como a compressão em que o atrito deve ser desprezado quando lidamos com processos mecânicos ideais Caminhando para um enfoque industrial ou prático abordamos os com pressores do tipo deslocamento com cilindro e êmbolo com lóbulos e com vá rias palhetas No primeiro caso detectamos um volume morto que não pode ser contornado por questões construtivas Nos dois últimos esse volume não existe e incrementa o rendimento volumétrico Expressões matemáticas foram apresentadas para os casos em tela enfocandose também diagramas pressão x volume MÁQUINAS TÉRMICAS 99 SERCAMATERMIUNID3A5indd 99 12082019 134917 Referências bibliográficas FAIRES V M SIMMANG C M Thermodynamics Londres MacMillan 1978 FIALHO A B Automação pneumática Projetos dimensionamento e análise de circuitos São Paulo Érica 2003 MÁQUINAS A MISSÃO Compressores sl 13 maio 2013 Disponível em httpmaquinasmissaoblogspotcom201305compressoreshtml Acesso em 25 jul 2019 PARKER H Dimensionamento de redes de ar comprimido Jacareí Parker Training 2006 Disponível em httpslcsimeifileswordpresscom201209 parkerdimensionamentoderedesdearcomprimidopdf Acesso em 25 jul 2019 SILVEIRA F L A física no salto recorde de Felix Baumgartner Revista Brasi leira de Física v 37 n 2 São Paulo 2015 Disponível em httpwwwscielobr pdfrbefv37n201024744rbef37022306pdf Acesso em 26 jul 2019 SOUZA Z Elementos de Máquinas Térmicas Rio de Janeiro Campus EFEI 1980 TÉCNICO LISBOA Entropia Lisboa sn 2015 Disponível em httpsfe nixtecnicoulisboaptdownloadFile845043405431187AulaTeo07202014 20152020entropiapdf Acesso em 25 jul 2019 VAN WYLEN G SONNTAG R E BORGNAKKE C Fundamentos da termodi nâmica 7 ed São Paulo Blucher 2009 MÁQUINAS TÉRMICAS 100 SERCAMATERMIUNID3A5indd 100 12082019 134917 COMPRESSORES E BOMBAS DE VÁCUO INFORMAÇÕES PARA OPERAÇÃO 4 UNIDADE SERCAMATERMIUNID4A5indd 101 12082019 154909 Objetivos da unidade Tópicos de estudo Abordar o funcionamento das bombas de vácuo Aprofundar conhecimentos acerca da compressão em dois estágios Elucidar fundamentos sobre os sistemas de tratamento do fluido de trabalho Introdução Pressão atmosfera e vácuo O vácuo Bombas de vácuo Trabalho e potência de com pressão Operação com mais de um estágio de compressão Alguns cuidados operacionais Filtros MÁQUINAS TÉRMICAS 102 SERCAMATERMIUNID4A5indd 102 12082019 154909 Introdução Para especifi car os meios de compressão é preciso conhecer as condi ções técnicas a serem atendidas como a pressão Nm2 e o fl uxo m3s que auxiliam a conhecer uma série de detalhes sobre acumulador de fl uido comprimido diâmetro das redes instrumentação necessária dentre outros conceitos indispensáveis Nesta unidade trataremos de bombas de vácuo que são equipamentos importantes nas indústrias farmacêutica alimentícia e de energia É importante acrescer que nossa abordagem considerará os compressores operando em regime permanente o que signifi ca que não se prevê alterações muito rápidas nas propriedades termodinâmicas Como exemplo ao ligarmos uma máquina térmica esta demanda algum tempo até atingir sua condição de operação Todavia não nos concentramos em saber em quanto tempo isso será atingido focando por outro lado no período em que a máquina operará em condições estáveis ao que chamamos de regime permanente Como uma primeira aproximação podemos supor que as alterações de pressão e temperatura por exemplo serão feitas em pequenos incrementos Nesse sentido a transferência de calor em termos de intervalos de tempo cur tos não fi gura como uma preocupação relevante O rendimento do ciclo térmico associado será assim calculado quando a máquina estiver em operação permanente Outra propriedade importante é a razão de com pressão que será também abordada quando estivermos em regime permanente Ao longo de seu livro Automação pneumática projetos dimensionamento e análise de circuitos 2003 o escritor Arivelto Bustamante Fialho especialista nas áreas de Automação Hidráulica e Pneumática trata da fi ltragem do fl uido de trabalho como necessária para evitar que as partes internas de trabalho do compressor sejam danifi cadas Por isso conjunto de fi ltros são usados antes da compressão do ar Em alguns casos adicionamos lubrifi cantes ao fl uido para facilitar a opera ção de compressão A presença de particulados ou umidade em quantidades relevantes reduz o volume de fl uido de trabalho que pode ser operado em cada ciclo da máquina térmica Para incrementar o rendimento térmico é im portante que se retire esses particulados na sua maior extensão possível MÁQUINAS TÉRMICAS 103 SERCAMATERMIUNID4A5indd 103 12082019 154909 Por meio de instrumentação o controle da temperatura e fluxo do fluido de trabalho auxilia em maximizar o rendimento térmico das operações a serem feitas As Máquinas Térmicas podem ser analisadas por meio de variações da tem peratura com a entropia da temperatura com a entalpia ou mesmo pela va riação entre a pressão e o volume Nos rendimentos ideais por exemplo a entropia mantémse constante dentro do que se pode assumir como processo reversível Essa hipótese serve para se ter uma ordem de grandeza do valor máximo de rendimento como um limite superior Nos processos reais a entro pia tende a aumentar quando entregamos trabalho para o fluido de trabalho como é o caso dos compressores Outro grupo de Máquinas Térmicas relevantes são as bombas de vácuo que são na realidade compressores configurados para condições específicas ou seja operar com pressões muito menores que a atmosférica porque retiramos matériaprima de um determinado volume Assim como os compressores que podem trabalhar com mais de um ciclo para viabilizar industrialmente a operação as bombas de vácuo também podem ser associadas em vários tipos como em série para atingir um determinado ní vel de vácuo uma vez que um único sis tema pode não ser suficiente para tal Tanto nas bombas de vácuo como nos compressores o controle da temperatura do fluido de trabalho é importante considerando a maximi zação do rendimento na sua melhor maneira Vale levar em conta como um exemplo o uso de resfriadores ou trocadores de calor entre estágios de compressores ou mesmo de bombas de vácuo dependendo das condições técnicas de operação Essa configura ção no caso de compressores alterna tivos acarreta dispositivos de menor porte em vez de pistões ou cilindros muito grandes compressão de um único estágio para pressões e vazões muito elevadas MÁQUINAS TÉRMICAS 104 SERCAMATERMIUNID4A5indd 104 12082019 154913 Pressão atmosférica e vácuo Ao nível do mar medimos uma certa pressão do ar a qual denominamos atmosférica que serve de referência para uma série de processos ou ar ranjos industriais Não obstante após uma certa altitude abandonamos o ambiente terrestre e passamos a operar no vácuo sideral havendo uma mu dança na pressão O Gráfi co 1 expõe um panorama sobre essa característica sendo possível identifi car as camadas da atmosfera com as respectivas temperaturas e pres sões A partir da estratosfera a pressão reinante é menor que 103 bar ou seja mil vezes menor que a pressão ao nível do solo Na camada seguinte atingimos 105 bar e a temperatura de 95ºC GRÁFICO 1 VARIAÇÃO DA PRESSÃO E DA TEMPERATURA COM O AUMENTO DA ALTITUDE 500 100 80 102 95 50 1 05 12 100 60 0 20 Altitude km Tropopausa Troposfera Cumulonimbus Estratopausa Mesopausa Estratosfera Camada de ozônio Temperatura ºC Pressão mb Mesosfera Termosfera Satélite de órbita polar Auroras Meteoros Exosfera O vácuo Quando temos a pressão absoluta em valor inferior a 1 bar 105 Nm2 en tramos em uma faixa que chamamos de vácuo As pressões positivas são oca sionadas pelos movimentos das partículas Fonte OGATA 2016 Adaptado MÁQUINAS TÉRMICAS 105 SERCAMATERMIUNID4A5indd 105 12082019 154913 À medida que tais partículas são retiradas de um determinado volume a agitação que provoca a pressão interna diminui Quando essa pressão é infe rior ao que temos na atmosfera ao nível do solo então teremos uma pressão subatmosférica indicando o que chamamos de vácuo Como se pode notar há diversos níveis de vácuo variando de acordo com a pressão que se consegue medir ou ter Para ter esse nível de pressão muito baixo usamos equipamentos que retiram material de volumes baixandose a pressão reinante neles Assim dependendo da pressão subatmosférica usaremos diversos tipos de bombas de vácuo A unidade de medida de pressão para esse caso específi co é o torr assim denominada em homenagem ao cientista italiano Evangelista Torricelli que elaborou estudos sobre a pressão atmosférica Assim estabele ceuse a equivalência de 1 atm para cada 760 torr Defi nimos como prévácuo faixas de pressão entre 102 e 103 torr Para va lores ainda menores podemos atingir até 1010 torr o que não é muito comum e exige a operação da bomba de vácuo por um período muito longo dependendo do volume envolvido Bombas de vácuo Em linhas gerais há muitas semelhanças entre compressores e bombas de vácuo em termos construtivos por assim dizer temos por exemplo que suprir trabalho para que operem há impelidores em contato com o fl uido de trabalho comunicamos um volume com outro dentre outras propriedades No caso das bombas de vácuo o objetivo é retirar material de um volume e direcionálo para outro local como também ocorre nos compressores A diferen ça é que pretendemos manter a atenção no compartimento de onde retiramos o material de forma que sua pressão absoluta seja menor que a atmosférica Em alguns sistemas essa pressão interna deve ser bem menor que a at mosférica para que se reduza o atrito entre partes operantes por exemplo Quanto menor a quantidade de material reinante no ambiente menor será o atrito nas partes móveis envolvidas nesse ambiente O Diagrama 1 apresenta um panorama geral sobre as bombas de vácuo em relação à pressão fi nal a ser obtida MÁQUINAS TÉRMICAS 106 SERCAMATERMIUNID4A5indd 106 12082019 154913 Para o prévácuo usamos bombas mecânicas e de sorção para atingir pres sões de até 103 torr Após isso para reduções de pressão cada vez maiores modificamse os componentes das bombas para a remoção de material cada vez mais escasso mas não nulo no interior do volume a ser evacuado DIAGRAMA 1 TIPOS DE BOMBAS DE VÁCUO POR NÍVEL DE PRESSÃO P Torr Bombas de jato Bombas mecânicas Bombas roots Bombas de sorção Bombas turbomoleculares Bombas de difusão Bombas iônicas Bombas criogênicas 102 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 Fonte LFF 2008 p 13 Adaptado ASSISTA Para ter uma melhor noção das forças envolvidas nas operações de vácuo observe este experimento laborato rial realizado com bomba de vácuo As bombas do tipo roots são similares aos compressores de lóbulos As bombas turbomoleculares assemelhamse aos compressores dinâmicos axiais usandose palhetas fixas e móveis como também nas turbinas aeronáuticas tendo sido desenvolvidas a partir do início do século XX Normalmente essas bombas são acopladas com bombas de deslocamento positivo As Figuras 1 e 2 mostram bombas de vácuo do tipo roots MÁQUINAS TÉRMICAS 107 SERCAMATERMIUNID4A5indd 107 12082019 154913 Figura 1 Componentes de bomba de vácuo do tipo roots Fonte OMEL s d 1970 1980 1990 Figura 2 Bomba de vácuo roots Fonte PREMAQ s d As bombas de difusão também foram desenvolvidas no início do século XX baseadas no princípio de injetar um vapor numa direção que possibilite assim a difusão ou a migração das partículas a serem evacuadas para fora do volume considerado Nessas bombas requerse um fl uido adicional de operação ou seja temos que trabalhar com um fl uido normalmente com baixo ponto de fusão de forma a criar a difusão que trará as partículas a serem evacuadas Um exemplo desse tipo de bomba pode ser visto na Figura 2 As bombas iônicas possuem princípios de funcionamento que envolvem o uso de íons catodos e anodos com voltagens da ordem de 10 kV Da mesma forma que nas bombas de difusão trabalhamos com uma substância ionizada que é então direcionada a um catado feito de titânio Nessa operação por meio de reações moleculares conseguese aprisionar as partículas a serem evacuadas para a diminuição da pressão no interior de um volume conectado à bomba Repare que nesse caso não tratamos mais de um meio contínuo como o ar mas extremamente rarefeito na ordem de grandeza de poucas mo léculas Podemos ver na Figura 3 um exemplo de bomba iônica de vácuo MÁQUINAS TÉRMICAS 108 SERCAMATERMIUNID4A5indd 108 12082019 154914 Figura 3 Bomba de vácuo do tipo iônica Fonte MICROTON s d Por fim temos as bombas criogênicas aquelas a serem usadas no menor ní vel de pressão subatmosférica Estas bombas conseguem segregar as partícu las a serem evacuadas por meio de condensação Neste caso a temperaturas muito baixas Esse fenômeno não ocorre com qualquer substância Para o resfriamento essas bombas usam hélio comprimido ou nitrogênio líquido com baixíssimas temperaturas suficientes para condensar moléculas retirandoas assim do volume a ser evacuado Um arranjo associado às bom bas criogênicas pode por meio da Figura 4 Para as bombas de vácuo valem as observações sobre o sinal do trabalho ou seja temos um trabalho recebido externamente e este será negativo Se o processo for adiabático por causa do isolamento térmico envolvido não tere mos aporte de energia Q e a variação da energia interna será igual a W Todavia as relações sobre o fluxo de material nas bombas de vácuo são um pouco diferentes uma vez que temos um meio muito rarefeito Há detalhes importantes que devemos levar em conta quando operamos com os compressores alternativos principalmente com abertura e fechamento de válvulas de admissão e descarga Esses eventos alteram as condições nomi nais de escoamento do fluido de trabalho induzindo flutuações nas pressões reinantes durante alguns instantes MÁQUINAS TÉRMICAS 109 SERCAMATERMIUNID4A5indd 109 12082019 154920 No Gráfico 2 na parte inferior identificamos o volume morto VM próximo das duas válvulas mencionadas em epígrafe Assim definese uma razão entre o volume morto e o volume aspirado contemplando o deslocamento entre o PMS e o PMI Em geral essa razão varia entre de 1 a 10 Tratando especificamente das potências há dois processos a compressão e a expansão O primeiro relacionase com a pressão P1 enquanto no segundo o foco é a pressão P3 Para o compressor o trabalho líquido envolvido é a subtração entre os dois processos ou seja trabalho da compressão menos o trabalho da expansão Para efeitos de cômputo da potência líquida teórica não levando em conta os atritos vemos que a massa do volume morto é pequena e que a diferença entre a massa total e a massa do volume morto permanece constante o que faz a potência ser dependente apenas da massa aspirada na pressão P1 GRÁFICO 2 VARIAÇÃO DA PRESSÃO X VOLUME CONSIDERANDO AS TRANSIÇÕES NA ASPIRAÇÃO E NA DESCARGA P P Vm PMI PM2 VA VD Vc V D e I P 2 I 0 4 2 3 Fonte SOUZA 1980 p 31 Adaptado MÁQUINAS TÉRMICAS 110 SERCAMATERMIUNID4A5indd 110 12082019 154920 Assim percebemos no referido gráfi co os seguintes conceitos VA válvula de admissão VD válvula de descarga PM1 ponto morto superior PM2 ponto morto inferior VM volume morto VC volume aspirado A razão de compressão será a divisão entre o volume no PMS e o volume no PMI sendo assim sempre maior que 10 Para aumentar essa razão em um mesmo compressor é necessário operar em mais de um estágio em que a pressão fi nal de um estágio é praticamente a pressão de admissão no estágio subsequente Com isso fechamos o ciclo de compressão aspiração compres são descarga EXPLICANDO Para ter a razão de compressão máxima o quociente dos volumes como já descrito deve ser o maior possível Assim precisamos ter um volume morto nulo o que ocorre em compressores de lóbulos e palhetas com todo o ar admitido no compressor sendo processado Igualmente impor tante neste volume aspirado só deveremos ter o fl uido a ser comprimido eliminandose umidade e outras partículas pois estas ocupam o volume de trabalho mas não serão úteis para ter o volume comprimido Com isso eliminando o volume morto e essas impurezas conseguimos maximizar a taxa de compressão Trabalho e potência de compressão Como podemos observar nos processos de compressão ocorrem varia ções de temperatura o que altera as propriedades como entalpia entropia e calores específi cos Nesse quesito hachuramos uma observação importan te sobre as propriedades a serem usadas uma vez que estas dependem da temperatura Por questões de normas técnicas as propriedades físicas são defi nidas em uma temperatura padrão normalmente a 25ºC Não obstante durante os processos essa temperatura se eleva o que depende da pressão fi nal P2 a ser atingida Desta forma podese adotar o procedimento abaixo para compensar esse fato MÁQUINAS TÉRMICAS 111 SERCAMATERMIUNID4A5indd 111 12082019 154920 a Tomamse as propriedades na T1 b Os cálculos são feitos considerando o que se pretende comprimir c Determinase a temperatura fi nal T2 quando atingirmos a P2 d Calculase uma média entre T1 e T2 de onde devem ser retiradas as pro priedades agora com novos valores e Os cálculos devem ser refeitos com essas novas cifras conferindo quão próximas estão dos valores iniciais Normalmente as variações são pequenas mas dependem de cada situação Outro detalhe relevante é a determinação do fl uxo de ar Para começar a se aprofundar nesse assunto é necessário saber qual é o volume de fl uido comprimido desejado ao fi nal da compressão assim como o tempo necessário para que se comprima esse volume Em uma primeira aproximação o fl uxo será a divisão do volume pelo tem po resultando em m3s Na maioria dos casos industriais considerase o inter valo de até 5 minutos como o tempo necessário para encher um determinado reservatório o que depende da aplicação Operação com mais de um estágio de compressão Como visto pode ser importante fazer a compressão em mais de um es tágio por causa do tamanho das peças envolvidas Isso signifi ca em palavras sucintas que a saída do primeiro estágio será a condição de aspiração do se gundo estágio e assim por diante Havendo dois estágios em um gráfi co pressão x volume teremos duas fi guras superpostas operando entre duas pressões limites P2 maior e P1 me nor havendo uma pressão intermediária Pi O primeiro estágio encontrase delimitado pelo perímetro 3 3 2 2 sendo a área inferior da curva O segundo estágio fi ca caracteri zado pelo entorno 3 4 2 1 Repare que a área hachura da em vermelho no perímetro de 3 4 4 3 é o trabalho economizado pela escolha do segundo estágio Nes sa opção há uma variação pequena de volume na transição dos estágios o que vemos no processo entre 3 3 MÁQUINAS TÉRMICAS 112 SERCAMATERMIUNID4A5indd 112 12082019 154920 GRÁFICO 3 PRESSÃO X VOLUME PARA COMPRESSÃO EM DOIS ESTÁGIOS Pressão Volume P2 Pi P1 PMS PMI 2 2 1 4 4 3 3 3 O Gráfico 3 mostra em detalhe a região específica da compressão com dois estágios o canto superior direito Constatamos na área hachurada o trabalho economizado ao se optar por esta modalidade de esquema de compressão As relações pressão x volume assumem a formatação matemática baseada no produto entre ambos P x Vn Constante Eq 1 O primeiro estágio compreende o processo de 1 até x seguindose para x No fim uma nova compressão segue de x para 2 ambas tomando um coefi ciente n maior do que 1 que em outras palavras indica que o processo não é isotérmico Para efeitos de comparação ilustrase o processo isotérmico onde n 1 o qual define na pressão intermediária Px na qual será iniciada a segun da etapa de compressão Dessa forma o processo isobárico na pressão intermediária Px de x para x tem sua definição calcada em uma isotérmica que liga o estado inicial 1 até a pressão final P2 MÁQUINAS TÉRMICAS 113 SERCAMATERMIUNID4A5indd 113 12082019 154920 GRÁFICO 4 PRESSÃO X VOLUME PARA COMPRESSÃO EM DOIS ESTÁGIOS P V I n x 2 n I n 2 x P2 Px P1 Fonte SOUZA 1980 p 32 Adaptado Quando se opera com mais de um estágio na compressão é comum adotar um trocador de calor intermediário entre o primeiro e o segundo estágio por exemplo Esse equipamento reduz a temperatura do ar recémcomprimido melhorando o rendimento do que será comprimido no segundo estágio Com o calor ali retirado podese aquecer um outro fluido ou processo dentro do que chamamos de regeneração algo muito melhor do que simplesmente des cartar parte da energia adquirida pelo fluido em compressão no primeiro estágio Se este trocador de calor tiver dimensões significativas ou tubulações com pequeno diâmetro ie menor que meia polegada ou que 12 mm haverá uma perda de pressão do fluido comprimido Chamamos este fenômeno de perda de carga decorrente do atrito que há na passagem do fluido comprimido pela tubulação do trocador de calor Este fenômeno é alocado no campo da mecânica dos fluidos Recordandose um pouco lembramos que esse tipo de atrito faz com que o processo não seja reversivo ou seja afastamonos do processo ideal MÁQUINAS TÉRMICAS 114 SERCAMATERMIUNID4A5indd 114 12082019 154920 O Gráfico 4 demonstrou um processo térmico no qual não houve perda de pressão entre o primeiro e o segundo estágio de compressão O Gráfico 5 por sua vez mostra um outro cenário sendo possível detectar a queda de pressão entre os estágios decorrente da perda de carga no trocador de calor intermediá rio É um diagrama no qual o eixo vertical é a pressão e o horizontal é o volume GRÁFICO 5 PRESSÃO X VOLUME PARA COMPRESSÃO EM DOIS ESTÁGIOS COM TROCADOR DE CALOR INTERMEDIÁRIO VF c VDA VDA p Vn C B 2 1 p V C VB c VDB VDB Vi V p Vn C A 3 E P F 4 Fonte FAIRES SIMMANG 1983 p 371 Adaptado O primeiro estágio começa no processo de 1 para 2 Em seguida por causa do resfriamento do ar comprimido vemos o processo de 2 para 3 inicialmente na pressão intermediária P2 mas depois com uma queda de pressão até 3 seguindo a linha isotérmica com início em 1 Em outra forma de dizer para os dois estágios o fluido a ser comprimido inicia o processo em cada um tendo a mesma temperatura inicial estágio 1 e estágio 2 Atingido o ponto 3 iniciase a compressão do segundo estágio que ligará os estados 3 e 4 sendo a descarga para o acumulador de fluido comprimido representada pelo processo 4F Nes MÁQUINAS TÉRMICAS 115 SERCAMATERMIUNID4A5indd 115 12082019 154920 te gráfico percebese que não se representou o trabalho economizado pela adoção do segundo estágio Este trabalho já foi abordado em outros gráficos anteriormente apresentados Todavia há uma energia que se perde por causa da queda de pressão sen do representada pela área hachurada entre os pontos B e 3 com perfil mais horizontal Note que na expansão do segundo estágio representada pelo pro cesso F3 passamos por um trecho de volume morto entre F e E Assim a ex pansão útil nesse segundo estágio situase entre E e 3 A superposição dos dois diagramas pressão x volume para os dois estágios respectivamente significa o trabalho que foi perdido por causa do resfriamento Um outro aspecto digno de menção trata do volume morto presente nos dois estágios sendo indicado por volume morto 1 BA e volume morto 2 FE A energia trocada no resfriador intermediário Q pode ser calculada pela Equação 2 considerando que a vazão de ar comprimido será m kgs a tem peratura mais elevada será TE e a mais baixa TB Q calor m x Cp x TE TB Eq 2 O trabalho total envolvido nessa opção por dois estágios decorre da soma dos trabalhos individuais pressão baixa 12BA e pressão alta 34FE tendo como temperaturas iniciais T1 e T3 que são idênticas Como se procu ra usar meios compressivos de dimensões próximas é comum ajustar os dois estágios de forma que produzam trabalhos de mesma ordem de grandeza ou até idênticos Nessa aproximação útil na parte industrial por facilitar as manutenções e evitar desbalanceamentos e vibrações indesejadas o trabalho total é igual ao dobro daquele existente em um dos estágios Exemplo 01 O Gráfico 6 apresenta a relação entre pressão e volume para compressão em dois estágios contendo também dados numéricos Adotase nesse caso um coeficiente politrópico n usual na maior parte dos casos industriais A pressão de admissão é 095 atm P1 o que indica uma altitude maior do que o nível do mar por exemplo A maior pressão P4 é de 146 atm que é a pressão requerida pelo sistema usuário MÁQUINAS TÉRMICAS 116 SERCAMATERMIUNID4A5indd 116 12082019 154920 A pressão final do primeiro estágio P2 é de 38 atm enquanto a pressão de início no segundo estágio P3 é de 37 atm o que leva à perda de carga a 01 atm razoável em termos práticos A temperatura T2 é determinada pela relação entre as pressões e o coefi ciente n T2 T1 x P2P1n1n Eq 3 Tendo T1 300K e n 13 o valor de T2 será 413 K Lembremos que a T3 é igual a T1 em processo isotérmico ou n 10 Se a vazão de massa de ar comprimido for 02 kgs e o Cp ar for 1004 kJ kgK o calor rejeitado por unidade de tempo para o trocador de calor será Q 02 x 1004 x 300 413 227 kW O sinal negativo representa que o calor saiu do ar comprimido e seguiu para uma fonte fria GRÁFICO 6 PRESSÃO X VOLUME PARA COMPRESSÃO EM DOIS ESTÁGIOS COM TROCADOR DE CALOR INTERMEDIÁRIO A V 095 3 2 1 38 37 146 4 P VI V3 Fonte FAIRES SIMMANG 1983 p 374 Adaptado MÁQUINAS TÉRMICAS 117 SERCAMATERMIUNID4A5indd 117 12082019 154920 Como especifi car um compressor Na defi nição de um compressor para uma determinada operação os se guintes parâmetros devem ser conhecidos ou estimados inicialmente seguin do comentários para cada um a Pressão fi nal para aplicações comuns valores de até 8 atm são indica dos Contudo essa pressão fi nal depende do projeto da linha de fl uido com primido devendose computar as perdas por atrito ao longo da rede ao que chamamos de perda de carga que por sua vez está relacionada ao tipo de apêndices acoplados e geometria da rede b Fluxo de fl uido comprimido isso depende da aplicação mas usualmen te operase com valores da ordem de 150 a 200 litros por minuto ou em média 2 x 103 m3s c Volume do reservatório para aplicações mais comuns operamos com valores entre 35 a 90 litros mas isso depende da aplicação Em consul tórios médicos e ofi cinas de pequeno porte é comum encontrar reservató rios de 40 litros d Dimensões máximas para a maior parte dos casos os sistemas são montados em um único conjunto compressor instrumentação e reservatório o que ocupa até 12 m de comprimento 06 m de largura e 08 m de altura para os casos de maior porte e Peso entre 30 e 50 kg o que depende do modelo e da instalação a ser operada f Alimentação elétrica 110220V monofásico 60 Hz Isso possui relação com a potência e a instalação a ser operada g Nível de ruído cerca de 60 dB h Uso de fi ltros na aspiração importante para preservar a vida útil do compressor i Instrumentação manômetros pressão e rotâmetros fl uxo j Números de estágios até dois Alguns cuidados operacionais Como todo sistema que opera com ar atmosférico ou fl uidos que possam conter outros particulados é importante ser limpo ou drenado antes que seja feita a armazenagem do fl uido de trabalho MÁQUINAS TÉRMICAS 118 SERCAMATERMIUNID4A5indd 118 12082019 154920 Em condições médias o ar atmosférico pode ter cerca de 6 g3m³ para a umidade e 8 mgm³ de particulados Para aplicações cirúrgicas com uso de fi ltros esses valores podem cair para 01 gm3 para a umidade e 1 mg m3 para poeira No caso do ar por causa da umidade a condensação pode se converter em um obstáculo à operação normal Identifi case a importância dos fi ltros e drenos acoplados nos compressores para evitar que particulados ou gotículas de água migrem para o elemento compressor Por causa disso os pontos críticos do sistema de compressão possuem dre nos ou registros que se comunicam com os pontos mais baixos pelos quais é possível fazer com que a umidade ou outros fl uidos saiam EXEMPLIFICANDO Observe a seguir uma sequência geral proposta para uma operação normal de um sistema de compressão devendose confi rmar e observar as especifi cações técnicas e os respectivos manuais a Abrir a válvula de descarga do sistema de compressão assim como todos os drenos existentes na instrumentação e fi ltros por exemplo b Alimentar o compressor com energia elétrica ou mecânica e operá lo por cerca de um minuto descarregando para a atmosfera o fl uido de trabalho Isso auxiliará a limpeza do conjunto de resíduos acumulados durante o tempo de parada c Verifi car o nível de fl uidos de lubrifi cação ajustandoo conforme a respectiva especifi cação d Fechar os drenos de instrumentação e fi ltros e fi nalmente o dreno do acumulador e Verifi car a existência de vazamentos corrigindoos como necessário f Comprimir o fl uido de trabalho de acordo com as especifi cações e ope rar o compressor conforme previsto g Ao término da operação desligar a alimentação do compressor e abrir os drenos da instrumentação fi ltros e acumulador Filtros Nos compressores e bombas de vácuo é comum adicionar meios que au xiliem na purifi cação dos fl uidos de trabalho com o intuito de evitar danos ao sistema máquinas tubulações válvulas drenos etc Com isso é comum mon tar um conjunto de fi ltros e resfriadores na rede de fl uido de trabalho MÁQUINAS TÉRMICAS 119 SERCAMATERMIUNID4A5indd 119 12082019 154920 A Tabela 1 mostra a quantidade de óleo no ar comprimido dependendo do seu tipo Repare que o ar estará isento de óleo se a quantidade for menor que 025 mgm3 TABELA 1 QUANTIDADE DE ÓLEO POR TIPO DE COMPRESSOR COMPRESSOR QUANTIDADE DE ÓLEO Pistão 25 mgm3 novo 150 mgm3 usado Palhetas 5 mgm3 novo 50 a 150 mgm3 usado podendo atingir até 10000 mgm3 1 Parafuso 2 a 10 mgm3 estacionário 15 a 25 mgm3 portátil podendo atingir até 10000 mgm3 1 Isento de óleo Até 025 mgm3 2 Em que 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor Pistão Pistão Palhetas Palhetas Em que Palhetas Parafuso Em que 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor Parafuso Em que 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor Parafuso Isento de óleo 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor Isento de óleo 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor Isento de óleo 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor Isento de óleo 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor 25 mgm 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor 25 mgm 5 mgm podendo atingir até 10000 mgm 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor 25 mgm3 novo 150 mgm 5 mgm podendo atingir até 10000 mgm 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor novo 150 mgm novo 50 a 150 mgm podendo atingir até 10000 mgm 15 a 25 mgm 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor novo 150 mgm novo 50 a 150 mgm podendo atingir até 10000 mgm 2 a 10 mgm 15 a 25 mgm 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor novo 150 mgm novo 50 a 150 mgm podendo atingir até 10000 mgm 2 a 10 mgm 15 a 25 mgm 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor novo 150 mgm novo 50 a 150 mgm podendo atingir até 10000 mgm 2 a 10 mgm 15 a 25 mgm3 1 decorre da manutenção no equipamento 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor novo 150 mgm3 usado novo 50 a 150 mgm podendo atingir até 10000 mgm 2 a 10 mgm portátil podendo atingir até 10000 mgm 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor usado novo 50 a 150 mgm podendo atingir até 10000 mgm estacionário portátil podendo atingir até 10000 mgm Até 025 mgm 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor usado novo 50 a 150 mgm3 usado podendo atingir até 10000 mgm estacionário portátil podendo atingir até 10000 mgm Até 025 mgm 2 vapores de óleo sujeitos à aspiração do compressor usado podendo atingir até 10000 mgm estacionário portátil podendo atingir até 10000 mgm3 Até 025 mgm usado 1 estacionário portátil podendo atingir até 1 Até 025 mgm 1 portátil podendo atingir até Até 025 mgm3 2 portátil podendo atingir até 2 portátil podendo atingir até Fonte CORREA 2019 p 7 Adaptado Para o ar considerando a umidade a Tabela 2 mostra a variação do acúmu lo da umidade em função da pressão e da temperatura TABELA 2 UMIDADE DILUÍDA NO AR EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E DA PRESSÃO COMPRESSOR ATMOSFERA 3 BAR M 7 BAR M 10 BAR M Ar T 60ºC 160 gm3 40 gm3 20 gm3 15 gm3 Ar T 50ºC 88 gm3 21 gm3 10 gm3 75 gm3 Ar T 38ºC 46 gm3 11 gm3 6 gm3 41 gm3 Ar T 25ºC 23 gm3 6 gm3 3 gm3 21 gm3 Ar T 10ºC 9 gm3 22 gm3 11 gm3 08 gm3 Ar T 7ºC 8 gm3 20 gm3 10 gm3 07 gm3 Ar T 3ºC 6 gm3 15 gm3 07 gm3 05 gm3 Ar T 60ºC Ar T 60ºC Ar T 50ºC Ar T 60ºC Ar T 50ºC Ar T 50ºC Ar T 38ºC Ar T 50ºC Ar T 38ºC 160 gm Ar T 38ºC Ar T 25ºC 160 gm Ar T 25ºC Ar T 10ºC 160 gm3 88 gm Ar T 25ºC Ar T 10ºC 88 gm Ar T 10ºC Ar T 7ºC 46 gm Ar T 10ºC Ar T 7ºC 40 gm 46 gm 23 gm Ar T 7ºC Ar T 3ºC 40 gm 23 gm Ar T 3ºC 40 gm3 21 gm 23 gm3 9 gm Ar T 3ºC 21 gm 9 gm 21 gm3 11 gm 8 gm 11 gm 8 gm 20 gm 6 gm 6 gm 20 gm 6 gm3 22 gm 6 gm3 10 gm 22 gm 10 gm3 6 gm 22 gm3 20 gm 6 gm 20 gm 15 gm 3 gm 20 gm3 15 gm 15 gm 3 gm 15 gm 75 gm 11 gm 75 gm 41 gm 11 gm 10 gm 41 gm 10 gm 41 gm3 21 gm 10 gm3 07 gm 21 gm 07 gm 21 gm3 08 gm 07 gm3 08 gm 07 gm 07 gm 05 gm 05 gm 05 gm3 Fonte CORREA 2019 p 6 Adaptado MÁQUINAS TÉRMICAS 120 SERCAMATERMIUNID4A5indd 120 12082019 154921 A Figura 4 mostra a gama de equipamentos empregados para tratar o ar comprimido Figura 4 Equipamentos para tratar o ar comprimido Fonte CORREA 2019 p 16 Adaptado 1 2 3 4 5 4 3 Em que 1 Compresso 2 Resfriador posterior ou after cooler 3 Reservatório intermediário 4 Filtro de fluido de trabalho 5 Secador de fluido de trabalho Esse conjunto viabiliza operar com fluidos isentos de particulados que possam induzir corrosão na tubula ção manchas em peças trincas em pistões entre outros Uma grande preocupação é a presença de umida de que deve ser minimizada com o uso de secadores Os secadores podem ser por ação química de resfriamento ou conden sação No primeiro caso há uma subs tância que retira o particulado por meio de uma barreira A Figura 5 mos tra um arranjo típico pelo método de absorção Figura 5 Filtro de ar por absorção Fonte VENSON 2014 p 25 Adaptado Ar seco Ar úmido Pastilhas dessecantes Drenagem Condensado MÁQUINAS TÉRMICAS 121 SERCAMATERMIUNID4A5indd 121 12082019 154922 Os filtros podem ser adsorventes coalescentes microbiológicos ou de par tículas A Figura 6 por sua vez mostra um filtro adsorvente que opera com car vão ativado para a remoção de odores indesejados em ambientes hospitalares ou para a indústria farmacêutica Figura 6 Filtro adsorvente Fonte CORREA 2019 p 21 Adaptado Entrada Saída No filtro coalescente as partículas a serem filtradas passam por uma bate ria de barreiras as quais fazem com que se unam aumentando o seu tamanho para ao final do processo serem retiradas do fluido de trabalho por gravidade Nesse trajeto as partículas passam por um processo de impacto direto e difusão Chegamos aqui ao fim dos princípios básicos a respeito da filtragem e dos diferentes tipos de filtro MÁQUINAS TÉRMICAS 122 SERCAMATERMIUNID4A5indd 122 12082019 154922 Sintetizando Nesta unidade tratamos de um grupo especial de Máquinas Térmicas que são as bombas de vácuo Tais equipamentos possuem aplicações específicas na indústria farmacêutica alimentícia aeroespacial entre outras Igualmente importante a razão de compressão foi abordada sendo necessário para isso explorar o vácuo e como tal conceito se relaciona com a pressão Abordamos também alguns tipos de bombas de vácuo para operar com pressões de até 1010 bar Detalhes técnicos sobre a especificação de compres sores foram apresentados assim como sugestões para operar com compres sores industriais Lidamos também com detalhes térmicos sobre a compressão em mais de um estágio o que apresenta vantagens operacionais interessantes por alocar itens de tamanhos e características materiais mais homogêneos Para efeitos de conhecer detalhes técnicos importantes sobre a especifica ção e a operação de compressores nesta unidade avaliamos algumas proprie dades mecânicas relevantes para a maioria dos equipamentos Para completar vimos a importância de se tratar e filtrar os fluidos de traba lho visando a evitar problemas técnicos e a melhorar a eficiência da compres são Para tal usase filtros e resfriadores de diversos tipos MÁQUINAS TÉRMICAS 123 SERCAMATERMIUNID4A5indd 123 12082019 154922 Referências bibliográficas CORREA L O Tratamento do ar comprimido Curitiba UTFPR 2019 Dispo nível em httppaginapessoalutfpredubrluizotaviodisciplinashidrauli caepneumaticacontroleeautomacaomaterialdeaulaTratamArCom prim2SEM2016pdf Acesso em 1 ago 2019 DEMONSTRAÇÃO da força do vácuo DVP Brasil Bombas de Vácuo Postado por DVP Brasil Bombas de Vácuo 3min 50s son color port Disponível em httpswwwyoutubecomwatchv6NRKdSffY6M Acesso em 31 jul 2019 FAIRES V SIMMANG C Termodinâmica 6 ed Rio de Janeiro Guanabara 1983 FIALHO A B Automação pneumática projetos dimensionamento e análise de circuitos São Paulo Érica 2003 LFF LABORATÓRIO DE FILMES FINOS Tecnologia de vácuo MET São Paulo IFUSP 2008 Disponível em httpwwwcbpfbremecbpfVacuoMETCLuiz pdf Acesso em 1 ago 2019 MICROTON Bomba iônica 2 São Paulo IFUSP s d Disponível em httpportal ifuspbrmicrotronptbrmediagallerydetail356458 Acesso em 31 jul 2019 OGATA J Estrutura vertical da atmosfera Jovem Explorador São Paulo 26 abr 2016 Disponível em httpwwwjovemexploradoriaguspbrpblogestru turavertical Acesso em 31 jul 2019 OMEL Soprador trilobular tipo Roots s d Disponível em httpwwwomel combrnossosprodutossopradortrilobulartiporoots Acesso em 31 jul 2019 PREMAQ Bomba de vácuo s d Disponível em httpspremaqindbrcon tatohtml Acesso em 31 jul 2019 SOUZA Z Elementos de máquinas térmicas Rio de Janeiro CampusEFEI 1980 VENSON I Esquematização da produção armazenamento e condicionamen to de ar comprimido Curitiba UFPR 2014 Disponível em httpwwwmadeira ufprbrdisciplinasivanAula202201401pdf Acesso em 31 jul 2019 MÁQUINAS TÉRMICAS 124 SERCAMATERMIUNID4A5indd 124 12082019 154922