Trabalho Avaliativo sobre Termodinamica

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA INSTITUTO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS E EXATAS UNIVERSIDADE FEDERAL DO TRIÂNGULO MINEIRO Trabalho 2 Máquinas Térmicas 20232 INSTRUÇÕES Trabalho em grupo de 4 a 5 alunos conforme relação de nomes enviados para o professor Data máxima de entrega 19022024 Turbinas a vapor e turbinas a gás Cada grupo abordará um dos tipos de turbina Pesquisar e descrever o ciclo ideal em função dos componentes Fazer um desenho esquemático Traçar diagramas pv e Ts para ciclo ideal e real Pesquisar o modelo real para mostrar cálculo de calores trabalhos e força de propulsão se for o caso Analisar brevemente cada componente de acordo com a 1ª e 2ª lei da termodinâmica Apresentar uma turbina real para cada caso com os dados de projeto principais Apresentar na forma de relatório em pdf até 6 páginas Tipos Turbojato com afterburner e Turbofan com afterburner Turbohélice Turbina a gás industrial regenerativa Turbina a vapor de condensação e extração automática Turbina a vapor não condensante de fluxo direto Turbina a gás industrial com intercooler e interresfriador ciclo aberto e ciclo fechado Turbina a vapor não condensante Turbina a vapor não condensante de fluxo direto A turbina a vapor é um equipamento que permite transformar a energia térmica do vapor em energia elétrica Consiste ainda em um sistema sofisticado e eficiente em sua operação Um tipo que será abordado aqui é a turbina a vapor não condensante de fluxo direto Esse tipo específico tem por estrutura não reaproveitar o fluxo de vapor após o uso para produção de energia elétrica Embora esse fluxo de vapor chega à atmosfera em pressão e temperaturas superiores às da mesma Podem ser listadas as vantagens do uso e operação de turbinas a vapor como Fazer uso de vapor em pressão elevada e temperatura Nesse caso o fluxo de vapor que sai no final do processo ainda possui temperatura elevada e energia térmica considerável que pode ser aproveitada Não faz uso de lubrificação interna Com isso além de não existir custo com lubrificação o vapor que é descartado no processo não fica poluído por lubrificantes É versátil no que diz respeito Às potencias disponíveis o que permite que o sistema pode ser dimensionado para atender as mais diversas necessidades de clientes Dentre as desvantagens podem ser enumeradas a impossibilidade de reversibilidade no processo ou seja após se utilizar bagaço de cana que é queimado não se pode inverter o processo e ter novamente o bagaço de cana Além disso o uso dessa biomassa apesar de ser renovável necessita de grandes volumes o que é em si uma desvantagem A turbina a vapor é um sistema que envolve temperatura pressão e volume Naturalmente os processos que ocorrem nas turbinas podem ser representados com a ajuda de diagramas termodinâmicos Com ajuda desses diagramas e conhecendo grandezas como massa do fluxo de vapor entalpia de vapor e entrada e entalpia de vapor de saída temse condições de determinar o rendimento da turbina e por sua vez a sua viabilidade técnica É importante terse em mente que dentro os ciclos termodinâmicos o que se obtém o maio rendimento é denominado ciclo de Carnot Consiste em um ciclo que opera entre duas isotermas e duas adiabáticas de tal forma que um isoterma se tem em uma temperatura T1 fonte quente e a outra isoterma se dá à temperatura T2fonte fria Por óbvio T1T2 e o rendimento do ciclo é dado por η1 T2 T1 Notase que o rendimento não pode atingir 100 salvo o caso extraordinário em que a temperatura da fonte fria fosse o zero absoluto uma vez que as temperaturas são dadas em Kelvin Embora o ciclo de Carnot seja o de maior rendimento ele não traz aplicações práticas uma vez que a potência oferecida pelo ciclo é baixa Deve se notar que a potência é a razão entre o trabalho pelo tempo Assim mesmo que o ciclo ofereça um valor em trabalho alto o tempo necessário para que o ciclo ocorra é absurdamente elevado tornando a potência desprezível Adaptado dehttpsconhecimentocientificor7comciclodecarnotmaquinadecarnot acessado em 19022024 É bom notar que o ciclo de Carnot não sobre variação de entropia em 12 e 34 e as trocas de calor ocorrem em temperaturas fixas portanto uma idealização Dessa forma o ciclo de Rankine mostrado abaixo é uma modificação e sofisticação à partir do Ciclo de Carnot Em observação ao diagrama PV o condensador e a caldeira operam em pressões fixas É importante ter em mente que embora o ciclo de Rankine tenha rendimento menor que o ciclo de Carnot a potência que ele produz é muito maior que a potência de um ciclo ideal de Carnot Por essa razão a aplicabilidade do ciclo de Rankine se espalha por diversas áreas da indústria Ainda assim é bom ter em mente que o ciclo de Carnot embora sem aplicação prática permite o entendimento profundo das leis da Termodinâmica Extraído e adaptado de httpswwwrespondeaicombrconteudotermodinamicaciclosdepotenciasegundaleierelacoestermodinamicasciclode rankine1748acessado em 19022024 Extraído de httpswwwfemunicampbrfranklin acessado em 19022024 Porém para o ciclo real temse uma leve modificação no ciclo de Rankine anterior Abaixo essa modificação fica evidenciada No ciclo real pressão e temperatura sofrem leves oscilações Extraído de httpswwwresearchgatenetfigureFigura1CiclodeRankinerealFonteCENGELBOLES2013fig1321954296 acessado em 19022024 O ciclo de Rankine é composto de 4 processos internos e reversíveis Ocorre compressão adiabática na bomba 12 de 23 ocorre aquecimento na caldeira à pressão fixa de 34 temse expansão adiabática reversível que ocorre na turbina e 41 é a rejeição de calor à pressão fixa no condensador É bom salientar que uma turbina à vapor que converte energia térmica em energia elétrica o vapor é concebido pelo acionamento da caldeira que aquece a água devido a queima uso de biomassa gerando o vapor que por sua vez é lançado às pás na turbina Ali a energia térmica do vapor que foi convertida em energia cinética aciona as pás e temse a conversão de para energia mecânica Acionando o gerador que por meio da indução de FaradayLenz converte a energia mecânica em energia elétrica O rendimento pode ser calculado pela razão entre a energia elétrica produzida dividido pelo calor que vem da caldeira Abaixo é mostrado um exemplo de turbina a vapor como o que estamos estudando Essa turbina é característica de usina termoelétrica Extraído dehttpswwwresearchgatenetfigureFIGURA20TurbinaavaporParaotestefoiconstruidoumprototipoOconjunto foifig3299485072 acessado em 19022024 Os rendimentos térmicos podem variar de 38 a 49 dependendo das faixas de temperaturas durante a operação Contudo com uso de sistemas de reaproveitamento de vapor esse rendimento pode subir para próximo dos 90