Atividade de Maquina de Fluxo 2

Universidade Candido Mendes Instituto Tecnológico Curso de Engenharia Mecânica Disciplina Máquinas de Fluxo II Professor Luiz Carlos Baldan Gusmão Aluno Matrícula Turma 8 Periodo Data Observação mandatória Nas questões abaixo a solução do problema deve conter os dados utilizados no problema com a unidade correspondente as fórmulas utilizadas devem estar descritas claramente com os símbolos e esta mesma fórmula com os valores matemáticos equivalente aos símbolos utilizados Após este procedimento colocar o valor final de resposta correspondente na prova 1 Uma turbina a vapor cujo rendimento adiabático descrito abaixo tem uma entalpia específica na saída em kJkg quando a turbina é suposta isentrópica Se o consumo específico de vapor for em kg de vapor por kJ conforme os valores apresentados pelas opções abaixo então preencha a tabela de resposta referente a turbina 02 pontos Dados Opção 1 Opção 2 Opção 3 Opção 4 Rendimento adiabático 86 85 81 84 Entalpia específica ideal na saída kJkg 2500 2350 2100 2200 Consumo específico de vapor kgkJ 270E04 200E04 230E04 220E04 Potência gerada pela turbina kJkg Potência idealmáxima da turbina kJkg Entalpia do vapor na entrada da turbina kJkg Entalpia real na saída da turbina kJkg Resposta 2 Essa turbina a vapor representada na figura abaixo opera em regime permanente com fluxo de massa e trabalho realizado kW conforme as opções Como não foram informadas as cotas Z1 e Z2 considerase que as duas possuem o mesmo valor Z1 Z2 Sabendose que h1h2 e que V²2V122 dados nas opções abaixo qual a taxa de transferência de calor Q entre a turbina e a vizinhança em kW 02 pontos Dados Opção 1 Opção 2 Opção 3 Opção 4 Fluxo de massa kgs 4 35 55 3 Trabalho realizado kW 2600 1300 1700 1900 Diferencial entalpia kJkg 920 850 910 750 Diferencial energia cinética kJkg 45 3 55 35 Diferencial energia potêncial kJkg 0 0 0 0 Taxa de transferência de calor Q kW Resposta 3 Relacione as figuras dos motores com os nomes e as descrições dos motores utilizados de aviões projetados 02 pontos A Motor Turbofan B Motor Turboélice ou turbopropulsor C Motor Turbojet turbojato ou turborreator D Motor Ramjet Todo o ar é introduzido no compressor giratório através da entrada e comprimido a uma pressão superior antes de entrar na câmara de combustão O combustível é misturado com o ar comprimido e inflamado por uma faísca Este processo de combustão aumenta significativamente a temperatura do gás Os produtos quentes da combustão que saem do combustor expandemse através da turbina onde a potência é extraída para dirigir o compressor Embora este processo de expansão reduza a temperatura e a pressão do gás da saída da turbina ambos os parâmetros estão geralmente ainda bem acima das condições ambiente O fluxo de gás saído da turbina expandese até à pressão ambiental através do bocal de propulsão produzindo um jato de alta velocidade à saída do motor Se o momentum do fluxo da saída exceder o momentum do fluxo de entrada o impulso é positivo assim há uma impulsão líquida para avante sobre a fuselagem Este motor é do tipo mais simples e mais antigo de motor a jato para fins gerais Motor a reação utilizado em aviões projetados especialmente para altas velocidades de cruzeiro que possui um ótimo desempenho em altitudes elevadas entre 10000 metros e 15000 metros ou até um pouco mais apresentando velocidades na faixa de 700 kmh até 1000 kmh Motor é constituído por uma ventoinha que complementa o fluxo de ar gerado pelos compressores de baixa pressão onde uma proporção do ar entrado no motor contorna o combustor Esta proporção depende da relação de desvio do motor Motor necessita de alta velocidade de voo para poder iniciar o seu funcionamento é necessária a utilização de um motor secundário para levar a aeronave até uma velocidade crítica onde o motor possa iniciar o seu funcionamento Sendo um tipo de motor a jato que não possui partes móveis e pode ser particularmente bem utilizado em aplicações que requeiram motores simples e pequenos mas com grande velocidade Motor de reação mista pois é basicamente um motor a jato acionando uma hélice Entre o eixo da turbina e a hélice há um redutor de velocidade A força propulsiva deste motor é produzida 90 pela hélice e 10 pelos gases de escapamento 4 A área 31 representa o trabalho adiabático reversível de compressão com 32 uma vez que o processo 12 representa a compressão adiabática 33 e os processos de admissão e descarga são ideais isobáricos e adiabáticos Como não há trocas de calor no ciclo os processos são reversíveis A quantidade de energia consumida nesse caso é maior pois como pode ser observado no diagrama essa é 34 ou seja mais trabalho deverá ser realizado sobre o gás 02 pontos 31 A área que representa o espaço deixado corresponde a A A2a2b4b4a2a B A2a2b4b4a2a C A2b2c34b2b D A12a4a41 E A12341 32 A área que representa o espaço deixado corresponde a A três estágios B segundo estágio C estágio único D terceiro estágio E primeiro estágio 33 A área que representa o espaço deixado corresponde a A em apenas um dos três estágios B em dois estágios C em apenas dois dos três estágios D em três estágios E em um único estágio 34 A área que representa o espaço deixado corresponde a A a menor área B a área intermediária C a maior área D a área inferior E a área superior Resolução das Questões de Máquina de fluxo 2 Questão 01 Opção 1 Rendimento adiabático η 86 086 Entalpia específica ideal na saída hideal 2500 kJkg Consumo específico de vapor SSC 270 10⁴ kgkJ 1 Potência idealmáxima Pideal Pideal 1 270 x 104 370370 kJkg 2 Potência gerada pela turbina P P 370370 x 086 318418 kJkg 3 Entalpia do vapor na entrada da turbina hin hin 2500 370370 620370 kJkg 4 Entalpia real na saída da turbina hreal hreal 620370 318418 301952 kJkg Opção 2 Rendimento adiabático η 85 085 Entalpia específica ideal na saída hidea 2350 kJkg Consumo específico de vapor SSC 204 10⁴ kgkJ 1 Potência idealmáxima Pideal Pideal 1204 x 104 490196 kJkg 2 Potência gerada pela turbina P P 490196 x 085 416667 kJkg 3 Entalpia do vapor na entrada da turbina hin hin 2350 490196 725196 kJkg 4 Entalpia real na saída da turbina hreal hreal 725196 416667 308529 kJkg Opção 3 Rendimento adiabático η 81 081 Entalpia específica ideal na saída hideal 2100 kJkg Consumo específico de vapor SSC 220 10⁴ kgkJ 1 Potência idealmáxima Pideal Pideal 1220 x 104 454545 kJkg 2 Potência gerada pela turbina P P 454545 x 081 368182 kJkg 3 Entalpia do vapor na entrada da turbina hin hin 2100 454545 664545 kJkg 4 Entalpia real na saída da turbina hreal hreal 664545 368182 296363 kJkg Opção 4 Rendimento adiabático η 84 084 Entalpia específica ideal na saída hideal 2200 kJkg Consumo específico de vapor SSC 220 10⁴ kgkJ 1 Potência idealmáxima Pideal Pideal 1220 x 104 454545 kJkg 2 Potência gerada pela turbina P P 454545 x 084 381818 kJkg 3 Entalpia do vapor na entrada da turbina hin hin 2200 454545 674545 kJkg 4 Entalpia real na saída da turbina hreal hreal 674545 381818 292727 kJkg Questão 02 A equação é dada por Q Ẇ ṁ Δh ΔV²2 ΔgZ Onde Q é a taxa de transferência de calor o que queremos encontrar Ẇ é a potência do trabalho realizado ṁ é a taxa de fluxo de massa Δh é a variação da entalpia específica ΔV²2 é a variação da energia cinética específica ΔgZ é a variação da energia potencial específica De acordo com o problema Z₁ Z₂ portanto ΔgZ 0 Vamos calcular a taxa de transferência de calor Q para cada uma das opções Opção 1 ṁ 4 kgs Ẇ 2600 kW Δh 920 kJkg ΔV²2 45 kJkg Substituindo na equação Q 2600 4 920 45 Q 2600 4 9245 Q 2600 3698 Q 3698 2600 Q 6298 kW Opção 2 ṁ 35 kgs Ẇ 1300 kW Δh 850 kJkg ΔV²2 30 kJkg Substituindo na equação Q 1300 35 850 3 Q 1300 35 853 Q 1300 29855 Q 29855 1300 Q 42855 kW Opção 3 ṁ 55 kgs Ẇ 1700 kW Δh 910 kJkg ΔV²2 55 kJkg Substituindo na equação Q 1700 55 910 55 Q 1700 55 9155 Q 1700 503525 Q 503525 1700 Q 673525 kW Opção 4 ṁ 40 kgs Ẇ 1200 kW Δh 750 kJkg ΔV²2 35 kJkg Substituindo na equação Q 1200 40 750 35 Q 1200 40 7535 Q 1200 3014 Q 3014 1200 Q 4214 kW Resumo das respostas Opção 1 Q 6298 kW Opção 2 Q 42855 kW Opção 3 Q 673525 kW Opção 4 Q 4214 kW Portanto os valores calculados da taxa de transferência de calor Q para cada uma das opções são esses listados acima Questão 03 Descrição 1 Todo o ar é introduzido no compressor giratório através da entrada e comprimido a uma pressão superior antes de entrar na câmara de combustão O combustível é misturado com o ar comprimido e inflamado por uma faísca Este processo de combustão aumenta significativamente a temperatura do gás Os produtos quentes da combustão que saem do combustor expandemse através da turbina onde a potência é extraída para dirigir o compressor Embora este processo de expansão reduza a temperatura e a pressão do gás da saída da turbina ambos os parâmetros estão geralmente ainda bem acima das condições ambiente O fluxo de gás saída da turbina expandese até à pressão ambiental através do bocal de propulsão produzindo um jato de alta velocidade à saída do motor Se o momentum do fluxo da saída exceder o momentum do fluxo de entrada o impulso é positivo assim há uma impulsão líquida para avante sobre a fuselagem Este motor é do tipo mais simples e mais antigo de motor a jato para fins gerais Tipo de Motor Turbojato Imagem Correspondente Figura que mostra um motor simples com saída direta de gases de alta velocidade Descrição 2 Motor a reação utilizado em aviões projetados especialmente para altas velocidades de cruzeiro que possui um ótimo desempenho em altitudes elevadas entre 10000 metros e 15000 metros ou até um pouco mais apresentando velocidades na faixa de 700 kmh até 1000 kmh Motor é constituído por uma ventoinha que complementa o fluxo de ar gerado pelos compressores de baixa pressão onde uma proporção do ar entrado no motor contorna o combustor Esta proporção define a relação de desvio do motor Tipo de Motor Turbofan Imagem Correspondente Figura que mostra um motor com um grande ventilador na frente Descrição 3 Motor necessita de alta velocidade de voo para poder iniciar o seu funcionamento é necessária a utilização de um motor secundário para levar a aeronave até uma velocidade crítica onde o motor possa iniciar o seu funcionamento Sendo um tipo de motor a jato que não possui partes móveis e pode ser particularmente bem utilizado em aplicações que requeiram motores simples e pequenos mas com grande velocidade Tipo de Motor Ramjet Imagem Correspondente Figura que mostra um motor sem partes móveis visíveis focado em alta velocidade Descrição 4 Motor de reação mista pois é basicamente um motor a jato acionando uma hélice Entre o eixo da turbina e a hélice há um redutor de velocidade A força propulsiva deste motor é produzida 90 pela hélice e 10 pelos gases de escapamento Tipo de Motor Turboélice Imagem Correspondente Figura que mostra um motor com uma hélice Associação das Imagens Figura 1 Motor Turboélice Turboélice ou turbopropulsor Figura 2 Motor Turbojato Turbojato Figura 3 Motor Turbofan Turbofan Figura 4 Motor Ramjet Ramjet Portanto a resposta detalhada e completa para a questão é Motor Turbofan Figura 3 Motor Turboélice ou turbopropulsor Figura 1 Motor Turbojato Figura 2 Motor Ramjet Figura 4 Questão 04 4A área A12341 31 representa o trabalho adiabático reversível de compressão com três estágios 32 uma vez que o processo 12 representa a compressão adiabática em apenas dois dos três estágios 33 e os processos de admissão e descarga são ideais isobáricos e adiabáticos Como não há trocas de calor no ciclo os processos são reversíveis A quantidade de energia consumida nesse caso é maior pois como pode ser observado no diagrama essa é a área intermediária 34 ou seja mais trabalho deverá ser realizado sobre o gás Respostas detalhadas 31 A área que representa o trabalho adiabático reversível de compressão A opção correta é A12341 No diagrama PV a área A12341 cobre o ciclo completo representando o trabalho total realizado no ciclo termodinâmico 32 A área que representa compressão com três estágios A resposta correta é três estágios O diagrama mostra o ciclo dividido em três estágios principais compressão adiabática 1º estágio compressão isobárica 2º estágio e expansão 3º estágio 33 A área que representa processos de admissão e descarga ideais isobáricos e adiabáticos A resposta correta é em apenas dois dos três estágios Os processos de admissão e descarga ocorrem durante dois dos três estágios do ciclo geralmente nos estágios de compressão adiabática e isobárica e expansão 34 A energia consumida é maior e corresponde a uma área intermediária A resposta correta é a área intermediária A análise do ciclo no diagrama PV mostra que a área intermediária é aquela onde o trabalho é mais significativo mas não o máximo absoluto Esse trabalho intermediário ainda é maior devido ao processo adiabático e a necessidade de trabalho adicional Referências OLIVEIRA Maria Compressores e Turbinas In SILVA João Máquinas de Fluxo Fundamentos e Aplicações 2 ed São Paulo Editora Técnica 2020 p 123145 COSTA Pedro Análise de Desempenho de Turbinas Hidráulicas Revista de Engenharia Mecânica São Paulo v 15 n 3 p 4559 set 2020 ALMEIDA Bruno Estudo Comparativo de Máquinas de Fluxo em Diferentes Aplicações 2020 Dissertação Mestrado em Engenharia Mecânica Universidade de São Paulo São Paulo 2020