M Sc Fabrcio Bagli Siqueira MQUINAS TRMICAS ENERGIA
M. Sc. Fabrício Bagli Siqueira MÁQUINAS TÉRMICAS
ENERGIA INTERNA �É a soma das energias cinéticas médias de todas as suas moléculas. � Se ΔT > O ΔU > O: energia interna aumenta. � Se ΔT < O ΔU < O: energia interna diminui. � Se ΔT = O ΔU = O: energia interna não varia.
TRABALHO EM UM SISTEMA
TRABALHO EM UM SISTEMA � ΔV>0 => Δ τ > 0 : O gás realiza trabalho sobre o meio � ΔV< 0 => Δ τ < : O meio realiza trabalho sobre o gás � ΔV = 0 => Δ τ = 0 : O sistema não troca trabalho
TRABALHO EM UM SISTEMA � Expansão: O gás realiza trabalho positivo sobre o meio exterior � Compressão: O deslocamento do êmbolo têm sentido oposto ao da força que o gás exerce sobre o êmbolo. O trabalho é resistente.
PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMONDIN MICA � De acordo com o princípio da conservação da energia, a energia não pode ser criada nem destruída, mas somente transformada de uma espécie em outra. O primeiro princípio da Termodinâmica estabelece uma equivalência entre o trabalho e o calor trocados entre um sistema e meio exterior. � Consideremos um sistema recebendo uma certa quantidade de calor (energia) Q.
PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMONDIN MICA � Parte desse calor (energia) foi utilizado para realizar um trabalho τ, e o resultante provocou um aumento na sua energia interna ΔU.
SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODIN MICA �O segundo princípio da Termodinâmica estabelece as condições em que é possível a transformação de calor em trabalho, completando, dessa forma, o primeiro princípio, que trata apenas da equivalência entre o calor e o trabalho. � A conversão de calor (energia térmica) em energia mecânica é conseguida por meio de uma máquina térmica.
SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODIN MICA � As máquinas térmicas funcionam dentro dos mesmos princípios. � A máquina térmica operando em ciclos absorve ou recebe uma determinada quantidade de energia térmica (calor) da fonte quente, transformando parte dessa energia em trabalho. A quantidade de energia restante, não transformada em trabalho, é rejeitada sob forma de calor à fonte fria.
SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODIN MICA �O trabalho realizado pela máquina térmica é igual à diferença entre o calor recebido (retirado) e o calor rejeitado. �τ = Q 1 −Q 2
SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODIN MICA �O rendimento de uma máquina térmica é definido como a razão entre a energia útil, isto é, o trabalho por ela produzido e a quantidade de calor (energia disponível) recebido da fonte quente.
SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODIN MICA � Sabe-se que o calor (energia térmica) absorvida ou recebida da fonte quente não é totalmente transformado em trabalho, desse modo o rendimento de uma máquina térmica nunca pode ser 100% (11=1); daí o enunciado de Kelvin e Planck para o Segundo Principio da Termodinâmica. � É impossível construir uma máquina térmica que, operando em ciclo, transforme em trabalho todo o calor
CICLO DE CARNOT � Uma máquina térmica que opera segundo o ciclo de Carnot é considerada ideal para ter o maior rendimento entre as máquinas térmicas. � O rendimento da Máquina de Carnot é o máximo que uma máquina térmica trabalhando entre dadas temperaturas da fonte quente e da fonte fria pode ter (mas nunca chega a 100%)
CICLO DE CARNOT � Para o ciclo de Carnot, em particular, foi demonstrado que o rendimento máximo depende exclusivamente das temperaturas absolutas das fontes quente e fria.
CICLO DE CARNOT
MÁQUINAS MOTORAS MÁQUINAS TÉRMICAS
MOTORES � CONCEITO � Motor: máquina destinada a transformar qualquer tipo de energia em energia mecânica. � Os motores térmicos � São máquinas cuja finalidade é transformar a energia calorifica em energia mecânica diretamente utilizável.
MOTORES �A energia calorífica pode ser proveniente de diversas fontes, tais como energia química, energia elétrica, energia hidráulica, etc. � No caso dos motores de combustão interna, endotérmicos, a energia pode ser proveniente de combustíveis líquidos, gasosos ou sólidos pulverizados.
MÁQUINAS MOTORAS � 1. Eólicos: Utilizam-se do movimento do ar. Nestes motores hélices são impulsionadas por fluxo de ar. São destinados normalmente ao bombeamento de água, moinhos e, atualmente também para geração de energia elétrica.
MÁQUINAS MOTORAS � 2. Hidráulicos: direcionamento do fluxo hidráulico através de uma turbina hidráulica, impulsionando um eixo produzindo movimento de rotação. Destinado tradicionalmente ao acionamento de máquinas estacionárias.
MÁQUINAS MOTORAS � 3. Elétricos: utiliza as propriedades magnéticas da corrente elétrica para acionamento de um eixo. Aplicações inúmeras. Possibilidade de atingir uma grande gama de potências, desde motores elétricos minúsculos a motores de porte elevado.
MÁQUINAS MOTORAS � 4. Térmicos: baseado nas propriedades térmicas das substâncias. Aumento do volume e pressão para produzir movimento linear transformado em movimento de rotação através do conjunto biela-manivela.
MÁQUINAS MOTORAS � 4. 1. Térmicos de combustão externa: A combustão é realizada externamente ao motor, isto é, o calor é produzido fora do motor em local denominado de caldeira (Figura 8. 1). Em geral utiliza-se vapor d’água proveniente da elevação de pressão no processo de ebulição. Nesta categoria se enquadram os motores das locomotivas a vapor. Atualmente o princípio é utilizado nas Usinas Termoelétricas, podendo utilizar combustível fóssil ou nuclear.
TÉRMICOS DE COMBUSTÃO EXTERNA
MÁQUINAS MOTORAS � Térmicos de combustão interna: A combustão é realizada dentro do próprio motor.
MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) OU ENDOTÉRMICOS �O processo de conversão se dá através de ciclos termosexanicos que envolvem expansão, compressão e mudança de temperatura de gases.
CICLOS TERMOSEXANICOS � Ciclo �O motor de Otto Ciclo de Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento de motores de combustão interna de ignição por centelha. Foi definido por Beau de Rochas e implementado com sucesso pelo engenheiro alemão Nikolaus Otto em 1876, e posteriormente por Étienne Lenoir e Rudolf Diesel.
CICLOS TERMOSEXANICOS � Ciclo �O motor de Diesel Motor Diesel ou motor de ignição por compressão é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858 -1913), em que a combustão do combustível se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compressão de ar.
CICLO MOTOR DE OTTO ≠ CICLO MOTOR DE DIESEL � Enquanto o motor a gasolina funciona com a taxa de compressão que varia de 8: 1 a 12: 1, no motor diesel esta varia de 15: 1 a 25: 1. Daí a robustez de um relativamente a outro. � - Enquanto o motor a gasolina admite (admissão - 1º tempo) a mistura ar/combustível para o cilindro, o motor Diesel aspira (aspiração 1º tempo) apenas ar.
CICLO MOTOR DE OTTO ≠ CICLO MOTOR DE DIESEL �A ignição dos motores a gasolina dá-se a partir de uma faísca elétrica fornecida pela vela de ignição antes da máxima compressão na câmara de explosão (> a 400ºC). Já no motor Diesel a combustão ocorre quando o combustível é injetado e imediatamente inflamado pelas elevadas temperaturas (> a 600ºC) devido ao ar fortemente comprimido na câmara de combustão. O Engenheiro Rudolf Diesel, chegou a esse método quando aperfeiçoava máquinas a vapor.
CICLOS TERMOSEXANICOS �O � ciclo Brayton é um ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre à pressão constante, utilizado no estudo das turbinas a gás.
CICLOS TERMOSEXANICOS � Primeiramente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática e isentrópica, com aumento de temperatura e consequente aumento de entalpia (1 -2). Comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde se mistura com o combustível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante (2 -3). Ao sair da câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia (3 -4). Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) � Os MCI podem ser classificados em: � a) Quanto a propriedade do gás na admissão: � • ar (Diesel) � • mistura ar-combustível (Otto) � b) Quanto à ignição � • por centelha (ICE) [spark ignition (SI)] � • por compressão (ICO) [compression ignition (CI)]
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) � c) Quanto ao movimento do pistão � • Alternativo (Otto, Diesel) � • Rotativo (Wankel, Quasiturbine) � d) Quanto ao ciclo de trabalho � • 2 tempos � • 4 tempos
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) � e) Quanto ao número de cilindros � • monocilíndricos � • policilíndricos � f) Quanto à disposição dos cilindros � • em linha à opostos (boxer) � • em V à em estrela (radial)
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) � g) Quanto à utilização � • ESTACIONÁRIOS - Destinados ao acionamento de máquinas estacionárias, tais como • Geradores, máquinas de solda, bombas ou outras máquinas que operam em rotação constante;
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) � • INDUSTRIAIS - Destinados ao acionamento de máquinas de construção civil, tais como tratores, carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, veículos de operação fora-de -estrada, acionamento de sistemas hidrostáticos e outras aplicações onde se exijam características especiais específicas do acionador;
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) � • VEICULARES - Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões e ônibus;
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) � • MARÍTIMOS - Destinados à propulsão de barcos e máquinas de uso naval. Conforme o tipo de serviço e o regime de trabalho da embarcação, existe uma vasta gama de modelos com características apropriadas, conforme o uso. (Laser, trabalho comercial leve, pesado, médiocontínuo e contínuo)
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) � Classificam-se segundo o combustível empregado em: � - Motores a gás � - Motores a gasolina � - Motores a álcool � - Motores a óleo Diesel
COMO O MOTOR PRODUZ ENERGIA �O motor é a fonte de energia, de energia mecânica. � Converte energia calorifica produzida pela combustão do carburante em energia mecânica, capaz de imprimir movimento às rodas ou a um gerador, convertendo-a em elétrica.
COMO O MOTOR PRODUZ ENERGIA �O carburante, normalmente constituído por uma mistura de combustível e ar (a mistura gasosa), é queimado no interior dos cilindros.
COMO O MOTOR PRODUZ ENERGIA � Sabe-se que para haver combustão são necessários três elementos: � Combustível + Comburente (O 2) + Temperatura ideal de ignição.
MOTOR ALTERNATIVO � realizam movimentos repetitivos de translação �A sequência de operações – admissão, compressão, expansão e escape – realiza-se num ciclo de 4 movimentos do pistão – motor de 4 tempos. � Num ciclo de 2 movimentos do pistão – motor de 2 tempos.
MOTOR DOIS TEMPOS 1° Tempo: Expansão/Admissão A mistura gasolina-ar explode e empurra o pistão para baixo, uma nova mistura entra no cárter pela janela de admissão. O pistão empurra a mistura nova para a janela de transferência e
MOTOR DOIS TEMPOS 2° Tempo: Compressão/Escapa. A janela de transferência é aberta, passando a mistura para a parte superior do cilindro o que ajuda a expulsar os gases. O pistão sobe, fechando a janela de escape e comprimindo a mistura. Na vela ocorre a
MOTOR QUATRO TEMPOS O pistão ao descer, aspira a mistura gasolina-ar para o cilindro através da válvula de admissão aberta. 1° Tempo: Admissão.
MOTOR QUATRO TEMPOS A válvula de admissão fechase, e o pistão sobe comprimindo a mistura e após é gerada uma faísca na vela. 2° tempo: Compressão.
MOTOR QUATRO TEMPOS A mistura inflamada pela faísca da vela, explode e empurra o ´pistão para baixo. 3° Tempo: Expansão.
MOTOR QUATRO TEMPOS A válvula de escape abre, e o pistão sobe expulsando do cilindro os gases de combustão. 4° Tempo: Escape.
MOTOR ROTATIVO � Um motor rotativo é um motor de combustão interna que não utiliza pistões como um motor convencional, mas pode fazer uso de rotores, às vezes chamados de pistões rotativos.
MOTOR ROTATIVO � Turbina a gás � As turbinas a gás (Figura 8. 8) são máquinas puramente rotativas, existem em diversas formas construtivas, sempre contendo três sistemas básicos: compressor, câmara de combustão e turbina propriamente dita.
MOTOR ROTATIVO � Motor Wankel � É uma variação de motor de combustão interna que combina características de turbinas a gás às de motores a pistão. Apesar de operar com velas de ignição ao invés de combustão contínua como uma turbina, não há peças alternativas.
MOTOR ROTATIVO � Quasiturbine � Este motor corrige deficiências dos motores de pistões. � Recebeu este nome pelo fato de seu funcionamento ser quase igual ao de uma turbina.
COMPARAÇÃO ENTRE MOTOR OTTO E MOTOR DIESEL
CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES QUANTO À COMBUSTÃO � b) Motores à combustão externa: � O motor é considerado à combustão externa, quando esta se processa fora do fluido operante.
SISTEMA DE ARREFECIMENTO MÁQUINAS TÉRMICAS
SISTEMA DE ARREFECIMENTO �É encarregado de manter a temperatura de funcionamento do motor dentro de um valor preestabelecido. � A queima do combustível na câmara de combustão acarreta altas temperaturas no cabeçote; pistão, camisa, e para que não haja dilatação excessiva, ou mesmo a fusão dos materiais, fazemos o arrefecimento do motor.
TIPOS DE ARREFECIMENTO A água (forçada): � » radiador; � » bomba d’água (circulação forçada d’água); � » válvula termostática; � » mangueiras. � À ar: � » Ventoinha; � » Aletas. � O arrefecimento do motor é de extrema importância porque trata da absorção do excesso de calor desenvolvido durante a combustão, mantendo a temperatura do motor equalizada. Sem ser arrefecido, o motor não poderia funcionar nem pôr um curto período de tempo sem se danificar.
ARREFECIMENTO POR MEIO DO AR �É um método simples e largamente empregado hoje em dia. Normalmente, este sistema é dotado de uma ventoinha (ventilador), que força o ar entre as aletas que circundam os cilindros e cabeçotes absorvendo o calor (as aletas servem para aumentar a superfície de contato com o ar).
ARREFECIMENTO POR MEIO DO AR
ARREFECIMENTO A ÁGUA �A água é utilizada como condutor de calor entre o motor e o ar atmosférico. O forte calor específico da água permite obter uma excelente refrigeração pelo simples contato com o exterior dos cilindros e do cabeçote. Deste fato, resulta uma maior estabilização da temperatura do motor e, consequentemente, condições de funcionamento mais regulares.
VÁLVULA TERMOSTÁTICA �É na realidade uma válvula térmica que impede que o liquido circule pelo radiador, até que o motor atinja a temperatura de funcionamento. Permitindo desta forma, o aquecimento rápido do motor, reduzindo o desgaste, a corrosão e a formação de depósitos nos cilindros, pistões e camisas d’água.
BOMBA D’ÁGUA � Bomba destinada a efetuar a circulação de água pelo motor e radiador, para o arrefecimento do motor.
CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS DO MOTOR � • Cilindrada do MCI: � É a soma dos volumes de ar admitido nos cilindros durante cada ciclo de trabalho. � » Cálculo da cilindrada da um cilindro
CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS DO MOTOR V cilindrada = N. π. d 2 . c 4 Onde: N = Número de cilindros do motor π = 3, 14 d = diâmetro do cilindro (cm) C = curso do pistão no interior do cilindro (cm)
RELAÇÃO DE COMPRESSÃO (TAXA DE COMPRESSÃO) �É a relação entre o volume total de ar admitido e o volume final de ar comprimido. A taxa de compressão mostra quantas vezes o volume total (vo. I. do cilindro + vo. I. da câmara} é maior que o volume da câmara, ou seja, indica em quantas vezes o volume inicial foi reduzido. Nos motores BTD 33, a, taxa de compressão é de 17, 3: 1. Isto significa 17, 3 partes comprimidas em 1.
Máquinas térmicas CICLOS
TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA
POTÊNCIA � É o conceito físico que relaciona o trabalho mecânico com o tempo em que o mesmo é produzido. P = Potência (J/s ou W)
POTÊNCIA � No sistema Internacional de unidades: � » A unidade de potência é o watt (W); � » Unidade de tempo em segundos (s); � » P se mede em Joules por segundo (J/s).
POTÊNCIA
POTÊNCIA � Em HP define-se a potência necessária para realizar um trabalho T à razão de 76, 04 Kgf. m/s. A potência em HP, correspondente ao sistema métrico decimal, pode ser calculada mediante a equação: Onde: � HP = F. d HP = Potência; F = Trabalho em Kgf; d = distância em m; 76, 04. t t = tempo em segundos
POTÊNCIA � No Brasil foi adotado expressar a potência em cavalo-vapor (CV). � A potência dos motores é medida, normalmente, através e duas normas: � A alemã (DIN) ou a americana (SAE).
POTÊNCIA NORMA DIN (DEUTSCHE INDUSTRIE NORMEN) � Nesta norma, a medição da potência é comumente feita em motor de série, com filtro de ar, sistema de escapamento, carburado, ignição ou bomba de injeção com o ajuste de série e empregando o combustível indicado nas instruções de serviço. � Durante o teste, o ventilador, a bomba de água, a bomba injetora e o alternador devem ser acionados pelo motor. Em suma, todos os equipamentos mencionados são necessários ao rotineiro funcionamento d motor. Com essa medição, obtém-se a potência líquida, isto é, deduzida a potência consumida pelos acessórios. É a potência efetivamente disponível no volante do motor (Braki horse-power ou potência de freio). �
POTÊNCIA NORMA SAE (SOCIETIVO, AUTOMOTIVE, ENGINEERS) � Nesta norma, a medição da potência de um motor se realiza geralmente sem filtro de ar, sistema de escapamento, e sem os equipamentos auxiliares do motor, como ventilador, bomba de água, bomba injetora e volante do motor. Esses equipamentos consomem aproximadamente de 10 a 15 % da potência. Motivo pelo qual, a potência SAE é maior que a DIN em valores absolutos. � Essa norma demonstra a potência bruta e não a efetivamente disponível no volante, isto é, não deduzida a potência consumida pelos acessórios acoplados ao motor. �
POTÊNCIA � NORMA ABNT (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS) � Adota-se como base a norma ISO - R 1585, de 1970, que apresenta a potência líquida. � Potência, segundo a norma DIN: � Cheval-Vapor (C. V. ), ou cavalo vapor. � 1 CV é a força necessária para elevar 76 kgf a altura de 1 metro, em um segundo.
POTÊNCIA
POTÊNCIA � Potência segundo a Norma SAE: � horse-power (H. P. ) ou gross horse-power (gr. HP). � A potência é expressa em (gr. HP) ou HP. � 1 HP corresponde a força necessária para levantar 33. 000 libras à altura de um pé (ft), em um minuto.
POTÊNCIA � Sendo: 1 libra = 0, 4536 Kg � 1 pé (ft) = 0, 3 m � Temos: 33000 lb. X 0, 4536 = 14968, 8 Kg � 1 HP = 1, 014 CV e 1 CV = 0, 986 HP
POTÊNCIA � POTÊNCIA EM QUILOWATT (KW) � No Sistema Internacional de Unidades (SI), a potência de um motor é expres sa em watts (W) ou em quilowatts (KW). � Watt é a potência desenvolvida quando se efetua, contínua e uniformemente, um trabalho igual a 1 joule (J), em um segundo (s). � O Joule é à energia necessária para deslocar o ponto de aplicação de uma força constante e igual a 1 Newton (N), numa distancia igual a 1 metro (m).
POTÊNCIA O quilowatt (KW) equivale a 1000 watts (W). 1 KW equivale a 1, 358 CV 1 CV = 736 W 1 HP = 746 W Exemplo do motor Scania DS 14: 276 KW x 1, 358 = 375 CV ou 276000 (W) : 736 =375 CV Para transformar o CV em KW, faz-se a operação
POTÊNCIA
POTÊNCIA � As unidades de potência mais usadas são o cavalo vapor métrico, CV, e o cavalo vapor inglês, HP. � Os valores dessas unidades são:
POTÊNCIA
TORQUE � O torque é a força que aparece no eixo de um motor quando ele gira, conforme mostra a figura 1.
TORQUE � O torque é uma força atuando a uma distância, sendo medido em N x m. Diferentemente do trabalho, o torque existe mesmo quando não há movimento. � Para calcular o torque devemos usar a seguinte fórmula: � T = F x D � T = torque (N x m) � F = força (N) � D = distância (m)
TORQUE � Exemplo de aplicação: � Qual é torque de um motor que produz uma força de 60 N a uma distância de 0, 3 m do centro do seu eixo (figura 2)
TORQUE � T = F x D � T = 60 x 0, 3 � T = 18 N x m
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