M. Sc. Fabrício Bagli Siqueira

Apresentação em tema: "M. Sc. Fabrício Bagli Siqueira"— Transcrição da apresentação:

1 M. Sc. Fabrício Bagli Siqueira
Máquinas Térmicas

2 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.

3 TRABALHO EM UM SISTEMA

4 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

5 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.

6 PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMONDINÂMICA
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.

7 PRIMEIRO PRINCÍPIO DA TERMONDINÂMICA
Parte desse calor (energia) foi utilizado para realizar um trabalho τ, e o resultante provocou um aumento na sua energia interna ΔU.

8 SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
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.

9 SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
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.

10 SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
O trabalho realizado pela máquina térmica é igual à diferença entre o calor recebido (retirado) e o calor rejeitado. τ = Q1 −Q2

11 SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
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.

12 SEGUNDO PRINCÍPIO DA TERMODINÂMICA
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 recebido de uma fonte.

13 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%)

14 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.

15 CICLO DE CARNOT

16 MÁQUINAS MOTORAS Máquinas Térmicas

17 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.

18 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.

19 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.

20 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.

21 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.

22 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.

23 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.

24 Térmicos de combustão externa

25 MÁQUINAS MOTORAS Térmicos de combustão interna: A combustão é realizada dentro do próprio motor.

26 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.

27 Ciclos termosexanicos
Ciclo motor de Otto O 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.

28 Ciclos termosexanicos
Ciclo motor de Diesel O Motor Diesel ou motor de ignição por compressão é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel ( ), em que a combustão do combustível se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compressão de ar.

29 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.

30 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.

31 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.

32 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 ambiente (4-1).

33 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)]

34 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

35 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)

36 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;

37 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;

38 CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI)
• VEICULARES - Destinados ao acionamento de veículos de transporte em geral, tais como caminhões e ônibus;

39 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)

40 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

41 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.

42 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.

43 COMO O MOTOR PRODUZ ENERGIA
Sabe-se que para haver combustão são necessários três elementos: Combustível + Comburente (O2) + Temperatura ideal de ignição.

44 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.

45 Motor dois tempos 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 começa a abrir a janela de escape. 1° Tempo: Expansão/Admissão

46 Motor dois tempos 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 faísca. 2° Tempo: Compressão/Escapa.

47 Motor quatro tempos O pistão ao descer, aspira a mistura gasolina-ar para o cilindro através da válvula de admissão aberta. 1° Tempo: Admissão.

48 Motor quatro tempos A válvula de admissão fecha-se, e o pistão sobe comprimindo a mistura e após é gerada uma faísca na vela. 2° tempo: Compressão.

49 Motor quatro tempos A mistura inflamada pela faísca da vela, explode e empurra o ´pistão para baixo. 3° Tempo: Expansão.

50 Motor quatro tempos A válvula de escape abre, e o pistão sobe expulsando do cilindro os gases de combustão. 4° Tempo: Escape.

51

52 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.

53 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.

54

55 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.

56

57 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.

58

59 COMPARAÇÃO ENTRE MOTOR OTTO E MOTOR DIESEL

60 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.

61

62 SISTEMA DE ARREFECIMENTO
Máquinas Térmicas

63 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.

64 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.

65 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).

66 ARREFECIMENTO POR MEIO DO AR

67 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.

68

69 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.

70 Bomba d’água Bomba destinada a efetuar a circulação de água pelo motor e radiador, para o arrefecimento do motor.

71 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

72 CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS DO MOTOR
V cilindrada = N . π . d2 . 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)

73 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 (voI. do cilindro + voI. da câmara} é maior que o volume da câmara, ou seja, indica em quantas vezes o volume inicial foi reduzido. Nos motores BTD33, a, taxa de compressão é de 17,3: 1. Isto significa 17,3 partes comprimidas em 1.

74

75

76 Máquinas térmicas cicloS

77 TRANSFORMAÇÃO CÍCLICA

78 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)

79 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).

80 POTÊNCIA

81 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: HP = F . d 76,04 . t Onde: HP = Potência; F = Trabalho em Kgf; d = distância em m; t = tempo em segundos

82 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).

83 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).

84 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.

85 POTÊNCIA NORMA ABNT (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS)
Adota-se como base a norma ISO - R1585, 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.

86 POTÊNCIA

87 POTÊNCIA Potência segundo a Norma SAE:
horse-power (H.P.) ou gross horse-power (grHP). A potência é expressa em (grHP) ou HP. 1 HP corresponde a força necessária para levantar libras à altura de um pé (ft), em um minuto.

88 POTÊNCIA Sendo: 1 libra = 0,4536 Kg 1 pé (ft) = 0,3 m
Temos: lb. X 0,4536 = 14968,8 Kg 1 HP = 1,014 CV e 1 CV = 0,986 HP

89 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).

90 POTÊNCIA Exemplo do motor Scania DS 14:
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 (W) : 736 =375 CV Para transformar o CV em KW, faz-se a operação

91 POTÊNCIA

92 POTÊNCIA As unidades de potência mais usadas são o cavalo vapor métrico, CV, e o cavalo vapor inglês, HP. Os valores dessas unidades são:

93 POTÊNCIA

94 Torque O torque é a força que aparece no eixo de um motor quando ele gira, conforme mostra a figura 1.

95 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)

96 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)

97 Torque T = F x D T = 60 x 0,3 T = 18 N x m