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Engenharia de Biossistemas ·
Termodinâmica 2
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ROTEIRO DO TRABALHO ESTUDO E ANÁLISE DE UMA MÁQUINA TÉRMICA Objetivo Geral O objetivo do trabalho é aplicar conhecimentos adquiridos nas disciplinas de FTCM e Elementos Mecânicos para analisar o funcionamento e a eficiência de uma máquina térmica Os alunos deverão abordar tanto os aspectos termodinâmicos quanto os componentes mecânicos envolvidos realizando cálculos e análises que integram essas duas áreas Parte 1 Fenômenos de Transporte de Calor e Massa FTCM Objetivo da Parte de FTCM Nesta seção o foco está na análise dos processos de transferência de calor e comportamento do fluido no ciclo termodinâmico de uma máquina térmica pode ser tanto de combustão interna quanto externa O objetivo é que os alunos entendam como o calor transferido entre as fontes quente e fria influencia o funcionamento do motor e como esses processos afetam a eficiência e o trabalho realizado Tarefas Específicas 1 Entender o ciclo Explicar o ciclo de operação da máquina térmica e as etapas envolvidas expansão e compressão do gás além do aquecimento e resfriamento Demonstrar como a transferência de calor ocorre tanto por condução quanto por convecção entre as superfícies da máquina e o fluido de trabalho 2 Analisar a Transferência de Calor por Condução e Convecção Estimar o calor transferido por condução nas superfícies sólidas do motor por exemplo paredes do cilindro e por convecção entre o fluido de trabalho e essas superfícies Discutir como esses mecanismos de transferência afetam a distribuição de calor no motor sua eficiência térmica e o desempenho geral 3 Estudar a Variação de Pressão Explicar como a pressão no interior do motor varia conforme o ciclo de compressão e expansão do gás relacionando essa variação à transferência de calor por condução e convecção durante o ciclo 4 Calcular a Eficiência do Motor Estimar a eficiência teórica do motor e comparála à eficiência de um motor ideal como o ciclo de Carnot 5 Força no Pistão Estimar a força gerada no pistão durante as fases de expansão e compressão com base na variação de pressão e na área do pistão Esse trabalho pode ser aplicado tanto a uma máquina de combustão interna quanto a uma de combustão externa No caso de uma máquina de combustão externa como um motor Stirling ou uma máquina a vapor a análise de transferência de calor por condução e convecção se torna ainda mais relevante Em uma máquina de combustão externa Condução O calor é transferido de uma fonte externa como uma caldeira ou queimador para o fluido de trabalho através das paredes do trocador de calor ou cilindro A condução ocorre principalmente nas superfícies sólidas que envolvem o fluido Convecção O fluido de trabalho geralmente gás ou vapor recebe ou cede calor à medida que circula entre as zonas quente e fria O processo de convecção é essencial para entender como o calor é distribuído no fluido de trabalho e como isso afeta a eficiência do ciclo Esses mecanismos podem ser modelados e analisados com base nas equações de condução como a Lei de Fourier e convecção como a Lei de Resfriamento de Newton assim como no comportamento termodinâmico do fluido de trabalho Parte 2 Elementos Mecânicos Objetivo da Parte de Elementos Mecânicos Nesta seção o foco será a análise cinemática e dinâmica do motor especificamente dos mecanismos que convertem o movimento alternado gerado pelo ciclo térmico em potência mecânica Os alunos devem analisar como o movimento linear do pistão é transformado em movimento rotativo por exemplo avaliar as forças e momentos gerados no sistema e determinar como esses fatores contribuem para a geração de potência Tarefas Específicas 1 Análise Cinemática do Mecanismo Explicar o funcionamento do mecanismo biela manivela virabrequim responsável por transformar o movimento alternado do pistão linear em movimento rotativo Trajetória do Pistão Analisar o deslocamento a velocidade e a aceleração do pistão ao longo do ciclo Isso inclui o estudo do movimento alternado causado pela expansão e compressão do gás no motor Posição e Movimento Angular Relacionar o movimento linear do pistão à rotação do virabrequim Determinar a relação entre o deslocamento linear do pistão e o ângulo de rotação da manivela levando em consideração o comprimento da biela e o raio da manivela 2 Transmissão de Movimento e Forças Força Transmitida pelo Pistão à Biela Analisar as forças atuantes no pistão ao longo do ciclo e como essas forças são transmitidas para a biela Estudar o efeito da variação de pressão sobre a força aplicada no pistão e como essa força se transmite ao longo do mecanismo biela manivela Momento de Torque no Virabrequim Estudar como o movimento linear do pistão gera um torque no virabrequim Calcular o torque gerado ao longo do ciclo e como ele varia conforme a posição angular da manivela Essa análise é crucial para determinar a potência gerada pelo motor 4 Análise Dinâmica do Mecanismo Forças Inerciais Estudar as forças inerciais que surgem devido à aceleração e desaceleração do pistão e da biela A força inercial deve ser considerada ao calcular o esforço total no sistema especialmente em altas velocidades de operação Equilíbrio Dinâmico Verificar como o volante contribui para o equilíbrio dinâmico do motor O volante tem a função de armazenar energia cinética e suavizar as variações de torque mantendo o motor funcionando de maneira regular Os alunos devem dimensionar o volante de forma que ele compense as oscilações de energia ao longo do ciclo Potência Mecânica Calcular a potência gerada pelo motor com base no torque médio gerado pelo virabrequim ao longo do ciclo Relacionar o torque gerado ao número de rotações por minuto RPM do motor para obter a potência de saída 5 Projeto e Dimensionamento dos Componentes Críticos Pistão e Bielas Dimensionar o pistão e a biela considerando os esforços que esses componentes sofrem durante o ciclo Analisar os esforços de compressão e tração na biela ao longo do ciclo garantindo que os materiais e o dimensionamento sejam adequados para suportar as forças aplicadas Virabrequim Dimensionar o virabrequim levando em consideração os momentos torcionais gerados pelo movimento alternado do pistão Avaliar as tensões que o virabrequim deve suportar durante o ciclo completo do motor Volante Determinar a massa e o momento de inércia adequados para o volante O volante deve ser capaz de armazenar e liberar energia de maneira eficiente para suavizar as variações no torque garantindo que o motor funcione de forma contínua e estável Análise do Funcionamento da Locomotiva de uma Maria Fumaça 1 Visão Geral da Caldeira Flamotubular As locomotivas a vapor como a Maria Fumaça estudada pelo grupo utilizam predominantemente caldeiras flamotubulares ou seja os gases quentes resultantes da combustão circulam pelo interior de tubos imersos em água costumase dizer que a água banha os tubos transferindo calor para esta que se transforma em vapor Essa configuração a mais comum para locomotivas devido à sua construção mais simples em relação a caldeiras aquotubulartes além de proporcionar uma resposta rápida na geração de vapor a qual geralmente se usa Carvão Mineral como combustível essencial para as variações de demanda durante a operação ferroviária Abaixo segue um modelo de locomotive selecionado para o trabalho O funcionamento da locomotive ser da em algumas etapas primeiramente o combustível é inserido na fornalha da caldeira a qual gerará energia térmica através da combustão do combustível Este calor por sua vez passa pelas tubulaçoes internas da flamotubular trocando calor com o fluido água que banha os tubos Até essa etapa temos principalmente o calor trocado por condução uma vez que água entra em contato com a superfície externa dos tubos Contudo temos uma parcela mais baixa de troca de calor que ocorre também por convecção O excesso de vapor criado cria uma pressão na caldeira esta pressão quando liberada é responsável por movimentar o pistão da locomotiva que por sua vez movimenta o eixo das rodas da locomotiva proporcionando seu funcionamento Outros detalhes interessantes O movimento do pistão quando este chega a parte final do cilindro faz com que se abra a valvula de escape de vapor em seguida o movimento do eixo Eleva o pistão novamente ao ponto inicial onde o ciclo se repete Condução A transferência por condução ocorre através do contato da água com os tubos flamotubulares Convecção Ocorre majoritariamente pelo atráves da chama da fornalha com a água externa a ela e aos tubos 2 Ciclo de Operação da Máquina Térmica e Transferência de Calor O ciclo de operação de uma locomotiva a vapor pode ser comparado ao ciclo de Rankine composto pelas seguintes etapas a Aquecimento Caldeira A água é aquecida na caldeira flamotubular onde os gases quentes da combustão transferem calor por condução através das paredes dos tubos e por convecção para a água circundante transformandoa em vapor b Expansão Cilindro O vapor superaquecido é direcionado aos cilindros onde se expande empurrando os pistões e convertendo energia térmica em trabalho mecânico movimentando as rodas da locomotiva c Exaustão Após realizar trabalho o vapor é liberado para a atmosfera ou direcionado a um condensador dependendo do design da locomotiva d Reabastecimento A água consumida é reposta no sistema para reiniciar o ciclo A transferência de calor na caldeira flamotubular ocorre principalmente por condução através das paredes dos tubos e por convecção entre os gases quentes da fornalha e a água O vapor superaquecido gerado move os pistões ao entrar nos cilindros onde sua expansão empurra os pistões convertendo energia térmica em movimento mecânico fonte httpswwwcoladawebcomfisicamecanicamaquinaavapor httpsfepifuspbrprofisarquivogrefblocostermo4pdf Impacto de uma condução eficiente Garante que o calor seja transferido rapidamente para a água elevando a temperatura e gerando vapor de forma contínua e uniforme fonte Apostila Professor Waldir Unifei Qualquer resistência térmica nas paredes como espessuras inadequadas ou materiais com baixa condutividade pode prejudicar essa distribuição de calor causando aquecimento irregular e menor disponibilidade de vapor Impacto de uma convecção eficiente Papel de manter as temperaturas das superfícies internas e do vapor elevadas otimizando a transmissão de energia para o pistão Uma taxa insuficiente de convecção reduziria a quantidade de energia transferida o que afeta diretamente o desempenho do motor 3 Variação de Pressão e Transferência de Calor A pressão dentro da caldeira aumenta conforme a combustão eleva a temperatura dos gases transferindo calor para a água e gerando vapor Essa pressão é crucial para o funcionamento da locomotiva pois o vapor em alta pressão é o que fornece a força necessária para acionar os pistões Durante a transição de água líquida para vapor a água absorve calor calor latente de vaporização aumentando sua energia interna até mudar de fase O vapor superaquecido com pressão elevada é então direcionado aos cilindros para realizar trabalho mecânico Após a realização deste trabalho ocorre uma diminuição da pressão e consequentemente um expansão do vapor o qual gera trabalho do sistema 4 Cálculo da Eficiência da Locomotiva A eficiência teórica de uma locomotiva a vapor pode ser estimada pela relação entre o trabalho mecânico realizado e a energia fornecida pelo combustível Considerando o poder calorífico inferior PCI do carvão mineral de 6200 kcalkg a eficiência pode ser calculada como Eficiência Trabalho Mecânico Energia do Combustível Na prática as locomotivas a vapor apresentam eficiência entre 9 e 30 devido a perdas térmicas e mecânicas e levando em conta diferentes combustíveis sendo que ciclos com uso de diesel são mais eficientes enquanto ciclos a carvão mineral são menos eficientes Comparando com o ciclo de Carnot o qual representa a eficiência máxima teórica para uma máquina térmica operando entre duas temperaturas a eficiência real é significativamente menor evidenciando as limitações práticas e irreversibilidades presentes no sistema Steam Locomotive Fuel and Energy Efficiency disponível em Site da Steam Locomotive dot Com Análise do Funcionamento da Locomotiva de uma Maria Fumaça 1 Visão Geral da Caldeira Flamotubular As locomotivas a vapor como a Maria Fumaça estudada pelo grupo utilizam predominantemente caldeiras flamotubulares ou seja os gases quentes resultantes da combustão circulam pelo interior de tubos imersos em água costumase dizer que a água banha os tubos transferindo calor para esta que se transforma em vapor Essa configuração a mais comum para locomotivas devido à sua construção mais simples em relação a caldeiras aquotubulartes além de proporcionar uma resposta rápida na geração de vapor a qual geralmente se usa Carvão Mineral como combustível essencial para as variações de demanda durante a operação ferroviária Abaixo segue um modelo de locomotive selecionado para o trabalho O funcionamento da locomotive ser da em algumas etapas primeiramente o combustível é inserido na fornalha da caldeira a qual gerará energia térmica através da combustão do combustível Este calor por sua vez passa pelas tubulaçoes internas da flamotubular trocando calor com o fluido água que banha os tubos Até essa etapa temos principalmente o calor trocado por condução uma vez que água entra em contato com a superfície externa dos tubos Contudo temos uma parcela mais baixa de troca de calor que ocorre também por convecção O excesso de vapor criado cria uma pressão na caldeira esta pressão quando liberada é responsável por movimentar o pistão da locomotiva que por sua vez movimenta o eixo das rodas da locomotiva proporcionando seu funcionamento Outros detalhes interessantes O movimento do pistão quando este chega a parte final do cilindro faz com que se abra a valvula de escape de vapor em seguida o movimento do eixo Eleva o pistão novamente ao ponto inicial onde o ciclo se repete Condução A transferência por condução ocorre através do contato da água com os tubos flamotubulares Convecção Ocorre majoritariamente pelo atráves da chama da fornalha com a água externa a ela e aos tubos 2 Ciclo de Operação da Máquina Térmica e Transferência de Calor O ciclo de operação de uma locomotiva a vapor pode ser comparado ao ciclo de Rankine composto pelas seguintes etapas a Aquecimento Caldeira A água é aquecida na caldeira flamotubular onde os gases quentes da combustão transferem calor por condução através das paredes dos tubos e por convecção para a água circundante transformandoa em vapor b Expansão Cilindro O vapor superaquecido é direcionado aos cilindros onde se expande empurrando os pistões e convertendo energia térmica em trabalho mecânico movimentando as rodas da locomotiva c Exaustão Após realizar trabalho o vapor é liberado para a atmosfera ou direcionado a um condensador dependendo do design da locomotiva d Reabastecimento A água consumida é reposta no sistema para reiniciar o ciclo A transferência de calor na caldeira flamotubular ocorre principalmente por condução através das paredes dos tubos e por convecção entre os gases quentes da fornalha e a água O vapor superaquecido gerado move os pistões ao entrar nos cilindros onde sua expansão empurra os pistões convertendo energia térmica em movimento mecânico fonte httpswwwcoladawebcomfisicamecanicamaquinaavapor httpsfepifuspbrprofisarquivogrefblocostermo4pdf Impacto de uma condução eficiente Garante que o calor seja transferido rapidamente para a água elevando a temperatura e gerando vapor de forma contínua e uniforme fonte Apostila Professor Waldir Unifei Qualquer resistência térmica nas paredes como espessuras inadequadas ou materiais com baixa condutividade pode prejudicar essa distribuição de calor causando aquecimento irregular e menor disponibilidade de vapor Impacto de uma convecção eficiente Papel de manter as temperaturas das superfícies internas e do vapor elevadas otimizando a transmissão de energia para o pistão Uma taxa insuficiente de convecção reduziria a quantidade de energia transferida o que afeta diretamente o desempenho do motor 3 Variação de Pressão e Transferência de Calor A pressão dentro da caldeira aumenta conforme a combustão eleva a temperatura dos gases transferindo calor para a água e gerando vapor Essa pressão é crucial para o funcionamento da locomotiva pois o vapor em alta pressão é o que fornece a força necessária para acionar os pistões Durante a transição de água líquida para vapor a água absorve calor calor latente de vaporização aumentando sua energia interna até mudar de fase O vapor superaquecido com pressão elevada é então direcionado aos cilindros para realizar trabalho mecânico Após a realização deste trabalho ocorre uma diminuição da pressão e consequentemente um expansão do vapor o qual gera trabalho do sistema 4 Cálculo da Eficiência da Locomotiva A eficiência teórica de uma locomotiva a vapor pode ser estimada pela relação entre o trabalho mecânico realizado e a energia fornecida pelo combustível Considerando o poder calorífico inferior PCI do carvão mineral de 6200 kcalkg a eficiência pode ser calculada como Eficiência Trabalho Mecânico Energia do Combustível Na prática as locomotivas a vapor apresentam eficiência entre 9 e 30 devido a perdas térmicas e mecânicas e levando em conta diferentes combustíveis sendo que ciclos com uso de diesel são mais eficientes enquanto ciclos a carvão mineral são menos eficientes Comparando com o ciclo de Carnot o qual representa a eficiência máxima teórica para uma máquina térmica operando entre duas temperaturas a eficiência real é significativamente menor evidenciando as limitações práticas e irreversibilidades presentes no sistema Steam Locomotive Fuel and Energy Efficiency disponível em Site da Steam Locomotive dot Com
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ROTEIRO DO TRABALHO ESTUDO E ANÁLISE DE UMA MÁQUINA TÉRMICA Objetivo Geral O objetivo do trabalho é aplicar conhecimentos adquiridos nas disciplinas de FTCM e Elementos Mecânicos para analisar o funcionamento e a eficiência de uma máquina térmica Os alunos deverão abordar tanto os aspectos termodinâmicos quanto os componentes mecânicos envolvidos realizando cálculos e análises que integram essas duas áreas Parte 1 Fenômenos de Transporte de Calor e Massa FTCM Objetivo da Parte de FTCM Nesta seção o foco está na análise dos processos de transferência de calor e comportamento do fluido no ciclo termodinâmico de uma máquina térmica pode ser tanto de combustão interna quanto externa O objetivo é que os alunos entendam como o calor transferido entre as fontes quente e fria influencia o funcionamento do motor e como esses processos afetam a eficiência e o trabalho realizado Tarefas Específicas 1 Entender o ciclo Explicar o ciclo de operação da máquina térmica e as etapas envolvidas expansão e compressão do gás além do aquecimento e resfriamento Demonstrar como a transferência de calor ocorre tanto por condução quanto por convecção entre as superfícies da máquina e o fluido de trabalho 2 Analisar a Transferência de Calor por Condução e Convecção Estimar o calor transferido por condução nas superfícies sólidas do motor por exemplo paredes do cilindro e por convecção entre o fluido de trabalho e essas superfícies Discutir como esses mecanismos de transferência afetam a distribuição de calor no motor sua eficiência térmica e o desempenho geral 3 Estudar a Variação de Pressão Explicar como a pressão no interior do motor varia conforme o ciclo de compressão e expansão do gás relacionando essa variação à transferência de calor por condução e convecção durante o ciclo 4 Calcular a Eficiência do Motor Estimar a eficiência teórica do motor e comparála à eficiência de um motor ideal como o ciclo de Carnot 5 Força no Pistão Estimar a força gerada no pistão durante as fases de expansão e compressão com base na variação de pressão e na área do pistão Esse trabalho pode ser aplicado tanto a uma máquina de combustão interna quanto a uma de combustão externa No caso de uma máquina de combustão externa como um motor Stirling ou uma máquina a vapor a análise de transferência de calor por condução e convecção se torna ainda mais relevante Em uma máquina de combustão externa Condução O calor é transferido de uma fonte externa como uma caldeira ou queimador para o fluido de trabalho através das paredes do trocador de calor ou cilindro A condução ocorre principalmente nas superfícies sólidas que envolvem o fluido Convecção O fluido de trabalho geralmente gás ou vapor recebe ou cede calor à medida que circula entre as zonas quente e fria O processo de convecção é essencial para entender como o calor é distribuído no fluido de trabalho e como isso afeta a eficiência do ciclo Esses mecanismos podem ser modelados e analisados com base nas equações de condução como a Lei de Fourier e convecção como a Lei de Resfriamento de Newton assim como no comportamento termodinâmico do fluido de trabalho Parte 2 Elementos Mecânicos Objetivo da Parte de Elementos Mecânicos Nesta seção o foco será a análise cinemática e dinâmica do motor especificamente dos mecanismos que convertem o movimento alternado gerado pelo ciclo térmico em potência mecânica Os alunos devem analisar como o movimento linear do pistão é transformado em movimento rotativo por exemplo avaliar as forças e momentos gerados no sistema e determinar como esses fatores contribuem para a geração de potência Tarefas Específicas 1 Análise Cinemática do Mecanismo Explicar o funcionamento do mecanismo biela manivela virabrequim responsável por transformar o movimento alternado do pistão linear em movimento rotativo Trajetória do Pistão Analisar o deslocamento a velocidade e a aceleração do pistão ao longo do ciclo Isso inclui o estudo do movimento alternado causado pela expansão e compressão do gás no motor Posição e Movimento Angular Relacionar o movimento linear do pistão à rotação do virabrequim Determinar a relação entre o deslocamento linear do pistão e o ângulo de rotação da manivela levando em consideração o comprimento da biela e o raio da manivela 2 Transmissão de Movimento e Forças Força Transmitida pelo Pistão à Biela Analisar as forças atuantes no pistão ao longo do ciclo e como essas forças são transmitidas para a biela Estudar o efeito da variação de pressão sobre a força aplicada no pistão e como essa força se transmite ao longo do mecanismo biela manivela Momento de Torque no Virabrequim Estudar como o movimento linear do pistão gera um torque no virabrequim Calcular o torque gerado ao longo do ciclo e como ele varia conforme a posição angular da manivela Essa análise é crucial para determinar a potência gerada pelo motor 4 Análise Dinâmica do Mecanismo Forças Inerciais Estudar as forças inerciais que surgem devido à aceleração e desaceleração do pistão e da biela A força inercial deve ser considerada ao calcular o esforço total no sistema especialmente em altas velocidades de operação Equilíbrio Dinâmico Verificar como o volante contribui para o equilíbrio dinâmico do motor O volante tem a função de armazenar energia cinética e suavizar as variações de torque mantendo o motor funcionando de maneira regular Os alunos devem dimensionar o volante de forma que ele compense as oscilações de energia ao longo do ciclo Potência Mecânica Calcular a potência gerada pelo motor com base no torque médio gerado pelo virabrequim ao longo do ciclo Relacionar o torque gerado ao número de rotações por minuto RPM do motor para obter a potência de saída 5 Projeto e Dimensionamento dos Componentes Críticos Pistão e Bielas Dimensionar o pistão e a biela considerando os esforços que esses componentes sofrem durante o ciclo Analisar os esforços de compressão e tração na biela ao longo do ciclo garantindo que os materiais e o dimensionamento sejam adequados para suportar as forças aplicadas Virabrequim Dimensionar o virabrequim levando em consideração os momentos torcionais gerados pelo movimento alternado do pistão Avaliar as tensões que o virabrequim deve suportar durante o ciclo completo do motor Volante Determinar a massa e o momento de inércia adequados para o volante O volante deve ser capaz de armazenar e liberar energia de maneira eficiente para suavizar as variações no torque garantindo que o motor funcione de forma contínua e estável Análise do Funcionamento da Locomotiva de uma Maria Fumaça 1 Visão Geral da Caldeira Flamotubular As locomotivas a vapor como a Maria Fumaça estudada pelo grupo utilizam predominantemente caldeiras flamotubulares ou seja os gases quentes resultantes da combustão circulam pelo interior de tubos imersos em água costumase dizer que a água banha os tubos transferindo calor para esta que se transforma em vapor Essa configuração a mais comum para locomotivas devido à sua construção mais simples em relação a caldeiras aquotubulartes além de proporcionar uma resposta rápida na geração de vapor a qual geralmente se usa Carvão Mineral como combustível essencial para as variações de demanda durante a operação ferroviária Abaixo segue um modelo de locomotive selecionado para o trabalho O funcionamento da locomotive ser da em algumas etapas primeiramente o combustível é inserido na fornalha da caldeira a qual gerará energia térmica através da combustão do combustível Este calor por sua vez passa pelas tubulaçoes internas da flamotubular trocando calor com o fluido água que banha os tubos Até essa etapa temos principalmente o calor trocado por condução uma vez que água entra em contato com a superfície externa dos tubos Contudo temos uma parcela mais baixa de troca de calor que ocorre também por convecção O excesso de vapor criado cria uma pressão na caldeira esta pressão quando liberada é responsável por movimentar o pistão da locomotiva que por sua vez movimenta o eixo das rodas da locomotiva proporcionando seu funcionamento Outros detalhes interessantes O movimento do pistão quando este chega a parte final do cilindro faz com que se abra a valvula de escape de vapor em seguida o movimento do eixo Eleva o pistão novamente ao ponto inicial onde o ciclo se repete Condução A transferência por condução ocorre através do contato da água com os tubos flamotubulares Convecção Ocorre majoritariamente pelo atráves da chama da fornalha com a água externa a ela e aos tubos 2 Ciclo de Operação da Máquina Térmica e Transferência de Calor O ciclo de operação de uma locomotiva a vapor pode ser comparado ao ciclo de Rankine composto pelas seguintes etapas a Aquecimento Caldeira A água é aquecida na caldeira flamotubular onde os gases quentes da combustão transferem calor por condução através das paredes dos tubos e por convecção para a água circundante transformandoa em vapor b Expansão Cilindro O vapor superaquecido é direcionado aos cilindros onde se expande empurrando os pistões e convertendo energia térmica em trabalho mecânico movimentando as rodas da locomotiva c Exaustão Após realizar trabalho o vapor é liberado para a atmosfera ou direcionado a um condensador dependendo do design da locomotiva d Reabastecimento A água consumida é reposta no sistema para reiniciar o ciclo A transferência de calor na caldeira flamotubular ocorre principalmente por condução através das paredes dos tubos e por convecção entre os gases quentes da fornalha e a água O vapor superaquecido gerado move os pistões ao entrar nos cilindros onde sua expansão empurra os pistões convertendo energia térmica em movimento mecânico fonte httpswwwcoladawebcomfisicamecanicamaquinaavapor httpsfepifuspbrprofisarquivogrefblocostermo4pdf Impacto de uma condução eficiente Garante que o calor seja transferido rapidamente para a água elevando a temperatura e gerando vapor de forma contínua e uniforme fonte Apostila Professor Waldir Unifei Qualquer resistência térmica nas paredes como espessuras inadequadas ou materiais com baixa condutividade pode prejudicar essa distribuição de calor causando aquecimento irregular e menor disponibilidade de vapor Impacto de uma convecção eficiente Papel de manter as temperaturas das superfícies internas e do vapor elevadas otimizando a transmissão de energia para o pistão Uma taxa insuficiente de convecção reduziria a quantidade de energia transferida o que afeta diretamente o desempenho do motor 3 Variação de Pressão e Transferência de Calor A pressão dentro da caldeira aumenta conforme a combustão eleva a temperatura dos gases transferindo calor para a água e gerando vapor Essa pressão é crucial para o funcionamento da locomotiva pois o vapor em alta pressão é o que fornece a força necessária para acionar os pistões Durante a transição de água líquida para vapor a água absorve calor calor latente de vaporização aumentando sua energia interna até mudar de fase O vapor superaquecido com pressão elevada é então direcionado aos cilindros para realizar trabalho mecânico Após a realização deste trabalho ocorre uma diminuição da pressão e consequentemente um expansão do vapor o qual gera trabalho do sistema 4 Cálculo da Eficiência da Locomotiva A eficiência teórica de uma locomotiva a vapor pode ser estimada pela relação entre o trabalho mecânico realizado e a energia fornecida pelo combustível Considerando o poder calorífico inferior PCI do carvão mineral de 6200 kcalkg a eficiência pode ser calculada como Eficiência Trabalho Mecânico Energia do Combustível Na prática as locomotivas a vapor apresentam eficiência entre 9 e 30 devido a perdas térmicas e mecânicas e levando em conta diferentes combustíveis sendo que ciclos com uso de diesel são mais eficientes enquanto ciclos a carvão mineral são menos eficientes Comparando com o ciclo de Carnot o qual representa a eficiência máxima teórica para uma máquina térmica operando entre duas temperaturas a eficiência real é significativamente menor evidenciando as limitações práticas e irreversibilidades presentes no sistema Steam Locomotive Fuel and Energy Efficiency disponível em Site da Steam Locomotive dot Com Análise do Funcionamento da Locomotiva de uma Maria Fumaça 1 Visão Geral da Caldeira Flamotubular As locomotivas a vapor como a Maria Fumaça estudada pelo grupo utilizam predominantemente caldeiras flamotubulares ou seja os gases quentes resultantes da combustão circulam pelo interior de tubos imersos em água costumase dizer que a água banha os tubos transferindo calor para esta que se transforma em vapor Essa configuração a mais comum para locomotivas devido à sua construção mais simples em relação a caldeiras aquotubulartes além de proporcionar uma resposta rápida na geração de vapor a qual geralmente se usa Carvão Mineral como combustível essencial para as variações de demanda durante a operação ferroviária Abaixo segue um modelo de locomotive selecionado para o trabalho O funcionamento da locomotive ser da em algumas etapas primeiramente o combustível é inserido na fornalha da caldeira a qual gerará energia térmica através da combustão do combustível Este calor por sua vez passa pelas tubulaçoes internas da flamotubular trocando calor com o fluido água que banha os tubos Até essa etapa temos principalmente o calor trocado por condução uma vez que água entra em contato com a superfície externa dos tubos Contudo temos uma parcela mais baixa de troca de calor que ocorre também por convecção O excesso de vapor criado cria uma pressão na caldeira esta pressão quando liberada é responsável por movimentar o pistão da locomotiva que por sua vez movimenta o eixo das rodas da locomotiva proporcionando seu funcionamento Outros detalhes interessantes O movimento do pistão quando este chega a parte final do cilindro faz com que se abra a valvula de escape de vapor em seguida o movimento do eixo Eleva o pistão novamente ao ponto inicial onde o ciclo se repete Condução A transferência por condução ocorre através do contato da água com os tubos flamotubulares Convecção Ocorre majoritariamente pelo atráves da chama da fornalha com a água externa a ela e aos tubos 2 Ciclo de Operação da Máquina Térmica e Transferência de Calor O ciclo de operação de uma locomotiva a vapor pode ser comparado ao ciclo de Rankine composto pelas seguintes etapas a Aquecimento Caldeira A água é aquecida na caldeira flamotubular onde os gases quentes da combustão transferem calor por condução através das paredes dos tubos e por convecção para a água circundante transformandoa em vapor b Expansão Cilindro O vapor superaquecido é direcionado aos cilindros onde se expande empurrando os pistões e convertendo energia térmica em trabalho mecânico movimentando as rodas da locomotiva c Exaustão Após realizar trabalho o vapor é liberado para a atmosfera ou direcionado a um condensador dependendo do design da locomotiva d Reabastecimento A água consumida é reposta no sistema para reiniciar o ciclo A transferência de calor na caldeira flamotubular ocorre principalmente por condução através das paredes dos tubos e por convecção entre os gases quentes da fornalha e a água O vapor superaquecido gerado move os pistões ao entrar nos cilindros onde sua expansão empurra os pistões convertendo energia térmica em movimento mecânico fonte httpswwwcoladawebcomfisicamecanicamaquinaavapor httpsfepifuspbrprofisarquivogrefblocostermo4pdf Impacto de uma condução eficiente Garante que o calor seja transferido rapidamente para a água elevando a temperatura e gerando vapor de forma contínua e uniforme fonte Apostila Professor Waldir Unifei Qualquer resistência térmica nas paredes como espessuras inadequadas ou materiais com baixa condutividade pode prejudicar essa distribuição de calor causando aquecimento irregular e menor disponibilidade de vapor Impacto de uma convecção eficiente Papel de manter as temperaturas das superfícies internas e do vapor elevadas otimizando a transmissão de energia para o pistão Uma taxa insuficiente de convecção reduziria a quantidade de energia transferida o que afeta diretamente o desempenho do motor 3 Variação de Pressão e Transferência de Calor A pressão dentro da caldeira aumenta conforme a combustão eleva a temperatura dos gases transferindo calor para a água e gerando vapor Essa pressão é crucial para o funcionamento da locomotiva pois o vapor em alta pressão é o que fornece a força necessária para acionar os pistões Durante a transição de água líquida para vapor a água absorve calor calor latente de vaporização aumentando sua energia interna até mudar de fase O vapor superaquecido com pressão elevada é então direcionado aos cilindros para realizar trabalho mecânico Após a realização deste trabalho ocorre uma diminuição da pressão e consequentemente um expansão do vapor o qual gera trabalho do sistema 4 Cálculo da Eficiência da Locomotiva A eficiência teórica de uma locomotiva a vapor pode ser estimada pela relação entre o trabalho mecânico realizado e a energia fornecida pelo combustível Considerando o poder calorífico inferior PCI do carvão mineral de 6200 kcalkg a eficiência pode ser calculada como Eficiência Trabalho Mecânico Energia do Combustível Na prática as locomotivas a vapor apresentam eficiência entre 9 e 30 devido a perdas térmicas e mecânicas e levando em conta diferentes combustíveis sendo que ciclos com uso de diesel são mais eficientes enquanto ciclos a carvão mineral são menos eficientes Comparando com o ciclo de Carnot o qual representa a eficiência máxima teórica para uma máquina térmica operando entre duas temperaturas a eficiência real é significativamente menor evidenciando as limitações práticas e irreversibilidades presentes no sistema Steam Locomotive Fuel and Energy Efficiency disponível em Site da Steam Locomotive dot Com