Aula 02: Dispositivos de Engenharia com Escoamento em Regime Permanente

Aula 02 Dispositivos de engenharia com escoamento em regime permanente Prof Marcelo Ferreira Dispositivos de engenharia com escoamento em regime permanente Muitos dispositivos de engenharia operam essencialmente sob as mesmas condições por longos períodos de tempo Os componentes de uma usina de potência a vapor turbinas compressores trocadores de calor e bombas por exemplo operam ininterruptamente durante meses até que o sistema seja paralisado para manutenção Portanto esses dispositivos podem ser convenientemente analisados como dispositivos com escoamento em regime permanente 1 Bocais e Difusores Bocal dispositivo que aumenta a velocidade de um fluido à custa da pressão Difusor dispositivo que aumenta a pressão de um fluido pela sua desaceleração 1 Bocais e Difusores A taxa de transferência de calor do fluido que escoa em bocais e difusores e sua vizinhança é desprezível ሶ𝑄 0 Não envolvem trabalho ሶ𝑊 0 A variação da energia potencial é desprezível ሶ𝐸𝑝 0 Como ocorrem grandes variações de velocidade as variações de energia cinética são altamente significativas ሶ𝐸𝑐 0 2 Turbinas e Compressores Nas usinas a vapor a gás ou hidrelétricas o dispositivo que aciona o gerador elétrico é a turbina À medida que o fluido escoa através da turbina trabalho é realizado nas pás que estão presas ao eixo O eixo gira e a turbina produz trabalho 2 Turbinas e Compressores Os compressores assim como as bombas e os ventiladores são dispositivos utilizados para aumentar a pressão de um fluido O trabalho é fornecido a esses dispositivos por uma fonte externa por meio de um eixo girante Os compressores envolvem consumo de trabalho 2 Turbinas e Compressores As turbinas produzem potência enquanto os compressores as bombas e os ventiladores consomem potência A taxa de transferência de calor em turbinas compressores bombas e ventiladores é desprezível ሶ𝑄 0 A variação da energia potencial é desprezível ሶ𝐸𝑝 0 As velocidades encontradas nesses dispositivos com exceção das turbinas e dos ventiladores são em geral muito baixas para causar variações significativas de energia cinética ሶ𝐸𝑐 0 As velocidades dos escoamentos na maioria das turbinas são muito altas e o fluido sofre uma variação significativa em sua energia cinética porém essa variação em geral é muito pequena com relação à variação da entalpia e pode ser desprezada 3 Válvulas de Estrangulamento São dispositivos que restringem o escoamento e que causam uma queda significativa na pressão do fluido Produzem uma queda de pressão sem envolver qualquer trabalho A queda de pressão no fluido quase sempre é acompanhada por uma grande queda na temperatura Por esse motivo os dispositivos de estrangulamento normalmente são usados em aplicações de refrigeração e condicionamento de ar 3 Válvulas de Estrangulamento As válvulas de estrangulamento podem ser consideradas adiabáticas ሶ𝑄 0 não realizam trabalho ሶ𝑊 0 e a variação da energia potencial é desprezível ሶ𝐸𝑝 0 e na maioria dos casos a variação da energia cinética também é desprezível ሶ𝐸𝑐 0 A equação de conservação da energia para esse dispositivo com escoamento em regime permanente e corrente única se reduz a ℎ2 ℎ1 Uma válvula de estrangulamento também pode ser chamada de dispositivo isentálpico 4 Câmaras de Mistura É o dispositivo em que duas ou mais correntes de fluidos se misturam Uma conexão em T ou em Y de um chuveiro serve como câmara de mistura para as correntes de água quente e fria As câmaras de mistura são muito bem isoladas ሶ𝑄 0 e não envolvem nenhum tipo de trabalho ሶ𝑊 0 As energias cinética e potencial das correntes de fluidos em geral também podem ser desprezadas 5 Trocadores de Calor São dispositivos nos quais duas correntes de fluido em movimento trocam calor sem se misturarem O princípio da conservação da massa aplicado a um trocador de calor operando em regime permanente exige que a soma dos fluxos de massa que entram seja igual à soma dos fluxos de massa que saem Trocadores de calor não envolvem interações de trabalho e nem variações de energias cinética e potencial 5 Trocadores de Calor A taxa de transferência de calor associada aos trocadores de calor depende do modo como o volume de controle é selecionado Os trocadores de calor destinamse à transferência de calor entre dois fluidos dentro do dispositivo e a carcaça externa em geral é bem isolada para evitar qualquer perda de calor para a vizinhança 6 Escoamento em dutos e tubos O escoamento através de um tubo ou duto em geral atende às condições de regime permanente e portanto pode ser analisado como um processo com escoamento em regime permanente Em condições normais de operação a quantidade de calor ganha ou perdida pelo fluido pode ser bastante significativa particularmente se o tubo ou duto for longo Situações em que a transferência de calor é desejável O escoamento de água através dos tubos da caldeira de uma usina de potência O escoamento do refrigerante em um congelador O escoamento nos trocadores de calor 6 Escoamento em dutos e tubos Nas situações em que a transferência de calor não é desejável os tubos e dutos são isolados para evitar qualquer perda ou ganho de calor particularmente quando a diferença de temperatura entre o fluido que escoa e a vizinhança for grande Para dutos de diâmetro constante as velocidades encontradas nos escoamentos em tubos e dutos são relativamente baixas e as variações de energia cinética em geral são insignificantes As variações de energia cinética podem ser significativas para o escoamento de gás em dutos com seções de áreas transversais variáveis especialmente quando efeitos de compressibilidade forem significativos A quantidade de energia potencial também pode ser significativa quando o fluido experimenta uma variação de altura considerável ao escoar em um tubo ou um duto