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    Mod 5 transferencia-de-calor-vs 2013-2014 Mod 5 transferencia-de-calor-vs 2013-2014 Presentation Transcript

    • Curso de Química Tecnológica . Técnico de Análise Laboratorial . Técnico Fabril Disciplina: . Tecnologia Química, 2º ano . Módulo 5 1 Prof Fernando Sayal Vs 2013/2014
    • Instalação da apresentação no computador 1. Criar a pasta no disco C C:transferencia-de-calor 2. Fazer o download do ficheiro Mod 5-TRANSFERENCIA-DE-CALOR-vs 2013-2014.7z 3. Guardar e descompactar o ficheiro nessa pasta (solicite a password) 4. Para visualizar as simulações , instalar Adobe Flash Player (http://aihdownload.adobe.com/bin/live/install_flashplayer11x32_mssd_aaa_aih.exe) 5. Para visualizar algumas animações , instalar ( Adobe Macromedia Shockwave Player 12.0.3.133 ) 2
    • Conteúdos Introdução A Calor e temperatura. B Expansão térmica C Instrumentos de medição de temperatura. D Termodinâmica - lei zero E Capacidade calorífica F Mudanças de fase. G Equação de um gás ideal. H 1ª Lei da Termodinâmica. I Mecanismo de transferência de calor. Coeficiente de transferência de calor. J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot. K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas. L Isolamentos térmicos – necessidade e tipos. M Permutadores de calor. N Torres de arrefecimento. O Fornos. 3 tema
    • Objetivos da aprendizagem • Compreender os conceitos básicos relativos à transferência de calor; • Explicar os mecanismos de transferência de calor; • Descrever o funcionamento dos Permutadores de Calor; • Explicar o conceito de balanço energético; • Identificar, nas áreas Industriais, a necessidade da utilização de permutadores térmicos; • Identificar os parâmetros necessários à avaliação de eficiência de um permutador de calor. 4
    • Introdução Na fase inicial deste módulo estudaremos a termodinâmica, que envolve situações nas quais, a temperatura ou o estado físico (sólido, líquido, gasoso) de um sistema muda, devido a transferências de energia. Por que a energia flui? • Sempre que um corpo está a uma temperatura maior que a de outro ou, inclusive, no mesmo corpo existam zonas a temperaturas diferentes, ocorre uma transferência de energia da região de temperatura mais elevada para a mais baixa. • As leis e os princípios que regem a transmissão de calor e as suas aplicações, são de fundamental importância para os diferentes ramos de Engenharia e suas áreas, nomea- damente: 5
    • Metalúrgica processos pirometalúrgicos, hidrometalúrgicos, fornos … Química evaporação, condensação, refinação, reatores … Eletrotécnica cálculo de geradores e transformadores … Naval caldeiras, máquinas térmicas… Civil aquecimento ambiental, isolamento nas habitações … Engenharia Mecânica refrigeração de motores, ventilação, ar condicionado … Introdução 6
    • Introdução 7 • Importa assim ter conhecimento inicial de alguns  conceitos,  grandezas  condições associadas aos fenómenos de transferência de calor entre corpos. • Como em qualquer estudo, é importante delimitar e caracterizar o que estamos realmente a estudar. • Temos assim o conceito de sistema físico que é precisamente uma região macroscópica do Universo, com uma determinada dimensão e sobre a qual recai o nosso estudo.
    • SISTEMA UNIVERSO VIZINHANÇA Sistema: Parte do Universo que está em estudo Vizinhança : Região do espaço exterior ao sistema Universo: União sistema com a vizinhança Introdução 8
    • Vizinhança (exterior) Sistema ISOLADO Sistema ABERTO Sistema FECHADO Sistema Aberto: “ Há trocas de energia e matéria com o meio exterior” Sistema Fechado: “Há troca de energia, mas não de matéria” Sistema Isolado: “ Não há trocas nem de energia nem de matéria. 9 Introdução energia matéria
    • SIntetizando Sistema: Parte do Universo que está em estudo e que se encontre numa dada região do espaço rodeada por uma superfície real ou conceptual (fronteira). Vizinhança do sistema: Região do espaço exterior ao sistema, que pode influenciar o comportamento ou condição do sistema (pode ser isolado do sistema). Universo: União do sistema com a vizinhança Sistema Aberto: Há trocas de energia e matéria com o meio exterior (lata de refrigerante aberta Sistema Fechado: Há troca de energia, mas não de matéria (lata de refrigerante fechada Sistema Isolado: Não há trocas nem de energia nem de matéria (garrafa térmica perfeita) 10 Introdução
    • • Condições normais de pressão e temperatura: Temperatura de 0ºC e pressão de 1 atmosfera (101 325 Pa). • Condições ambientais de pressãoe temperatura: Temperatura de 25ºC e pressão de 1 atmosfera (101 325 Pa). • Energia: Capacidade de produzir trabalho. Pode ser imaginada como a moeda de troca para o trabalho. • Trabalho: um dos mecanismos de transferência de energia, sendo o produto da força aplicada pelo deslocamento provocado na sua direção • Potência: Relação entre o trabalho executado (ou variação correspondente de energia) e o tempo gasto 11 Introdução Outros conceitos
    • A: Calor e Temperatura Muitas vezes associamos o conceito de temperatura com a sensação de quão quente ou frio está um corpo quando lhe tocamos. Desta maneira, os nossos sentidos dão-nos uma indicação qualitativa da temperatura. No entanto, eles podem enganar-nos. Se estivermos descalços, com pé na carpete e outro na tijoleira, esta parece-nos mais fria que a carpete, embora estejam à mesma temperatura. Isto acontece porque a tijoleira transfere energia como calor (dissipa-a) a uma taxa maior que a carpete. (mais adiante) Então precisamos de aparelhos que meçam o estado térmico de um corpo com precisão e que não se baseiem na taxa de transferência de energia, os Termómetros. As temperaturas dos corpos A e B são iguais: 12 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19
    • Temperatura Calor Energia Interna Equilíbrio Térmico Medida da energia cinética interna média das partículas de um corpo Energia transferida entre dois corpos que estão a temperaturas diferentes Soma da energia cinética interna das partículas (movimento ) com a energia potencial resultante das interações entre elas Estado em que dois corpos estão à mesma temperatura, não se transferindo energia como calor entre eles. A: Calor e Temperatura 13 Portanto define-se:
    • calor Temperatura A > Temperatura B  Quando dois corpos a temperaturas diferentes são colocados em contacto térmico, ocorre transferência de energia como calor, do corpo a temperatura mais alta (A) para o corpo a temperatura mais baixa (B). A B  O corpo A arrefece e o corpo B aquece  Os dois corpos vão atingir o equilíbrio térmico, logo, a mesma temperatura.  O tempo necessário para se atingir o equilíbrio térmico depende das propriedades dos corpos e das vias disponíveis para a troca de energia 14 A: Calor e Temperatura
    • Unidades de Energia 252 4,186 British Thermal Unit (BTU) Caloria (cal) Joule (J) 1055 A: Calor e Temperatura 15
    • Vejamos algumas animações relativas aos seguintes conceitos: Caloria BTU Zero absoluto 16 A: Calor e Temperatura
    • B Expansão térmica Por que alguém desenhou um pipeline com estas estranhas curvas? 17 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 Expansão e consequente deformação dos carris devido a altas temperaturas num dia de Julho em Asbury Park, New Jersey, (AP/Wide World Photos) http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=1335 Porque, transportando fluidos, as curvas permitem a expansão e a retração da tubagem com as mudanças de temperatura e evitam-se assim roturas na tubagem.
    • Expansão (dilatação) térmica  A dilatação térmica ocorre em corpos em que as suas dimensões (comprimento, área ou volume) sofrem variações devido a variações de temperatura. • O fenómeno assume especial importância em aplicações de engenharia. Por exemplo: as juntas de expansão térmica em edifícios , auto-estradas de cimento, caminhos de ferro, paredes e pontes, para compensar as mudanças dimensionais que ocorrem com o aumento da temperatura. • Esta dilatação de um corpo é uma consequência do aumento da distância de separação média entre os seus átomos ou moléculas constituintes. • A temperaturas ambientes, os átomos num sólido oscilam em torno da sua posição de equilíbrio, com uma amplitude de ~ 10-11 m e uma frequência de 1013 Hz. • A distância média de separação dos átomos é de ~10-10 m. 18 B: Expansão Térmica
    • 19 No termómetro de líquido quando a temperatura aumenta, o volume aumenta Juntas de expansão térmica devem ser incluídas em edifícios, estradas, trilhos de estrada de ferro e pontes para compensar a mudanças nas dimensões que ocorrem com as variações da temperatura Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 Junta de dilatação em pontes Junta de dilatação vertical numa parede B: Expansão Térmica
    • Expansão (dilatação) térmica linear  A dilatação térmica linear, ou simplesmente dilatação linear, ocorre em corpos em que o comprimento é a dimensão mais importante, como por exemplo, em cabos e vigas metálicas.  Por esse motivo, quando sujeitos a variações de temperatura, os corpos sofrerão, principalmente, variações no comprimento.  Essas variações estão diretamente relacionadas com três fatores:  o comprimento inicial do objeto;  o material de que ele é feito;  a variação de temperatura sofrida. 20 http://blogdoprofessorcarlao.blogspot.com/ 2008_09_01_archive.html B: Expansão Térmica Vamos exercitar
    • 21 Li , Ti Lf , Tf Um corpo tem um comprimento inicial Li à temperatura Ti iLE tem um comprimento final Lf à temperatura Tf > Ti TLL i ou ifiif TTLLL α - coeficiente médio de expansão linear para um determinado material com unidade o C -1 Esta equação tanto pode ser usada na expansão térmica quando a temperatura aumenta como na contração térrmica quando a temperatura diminui. Se a expansão térmica for suficientemente pequena comparada com as dimensões iniciais do objecto, para uma variação de temperatura ΔT, o comprimento aumenta Δ L numa relação de proporcionalidade direta. Expansão térmica linear B: Expansão Térmica
    • 22 substância Coeficiente de expansão linear (α) em o C-1 aço 1,1 x 10-5 alumínio 2,4 x 10-5 chumbo 2,9 x 10-5 cobre 1,7 x 10-5 ferro 1,2 x 10-5 latão 2,0 x 10-5 ouro 1,4 x 10-5 Zinco 6,4 x 10-5 prata 1,9 x 10-5 vidro comum 0,9 x 10-5 vidro pirex 0,3 x 10-5 granito 0,8 x 10-5 plástico PVC 70 x 10-5 coeficiente médio de expansão linear de vários materiais Para esses materiais, é positivo. Significa um acréscimo no comprimento com o aumento da temperatura Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 Algumas substâncias como a calcite, CaCO3 expandem-se ao longo de uma direção, α>0 e contraem-se ao longo de outra α<0 B: Expansão Térmica
    • Expansão térmica não linear (superficial e volumétrica)  As dilatações superficial e volumétrica são aquelas em que prevalecem, respectivamente, variações de área e de volume.  Os fatores que influenciam a dilatação térmica nesses casos são os mesmos da dilatação linear, ou seja: a dimensão inicial do material e a variação de temperatura. • Assim, as equações que determinam essas dilatações são muito semelhantes à equação da dilatação linear, como se pode ver no quadro. • É importante assinalar que os três coeficientes apresentados se relacionam quando se trata de um único material. 23 http://blogdoprofessorcarlao.blogspot.com/2008_09_01_archive.html B: Expansão Térmica
    • Expansão térmica superficial 24 TAAAA iif Área Coeficiente médio de expansão da área β=2 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 O aumento da temperatura do disco provoca aumento das duas dimensões, incluindo o raio do orifício central B: Expansão Térmica
    • Expansão térmica volumétrica 25 substância Coeficiente de dilatação volumétrica (γ) em ºC-1 álcool 11,2 x 10-5 gases 3,67 x 10-3 gasolina 9,6 x 10-4 mercúrio 18,2 x 10-5 TVVVV iif Volume Ɣ=3Coeficiente médio de expansão do volume Coeficiente médio de expansão volúmica de várias substâncias a) a barra bimetálica deforma em curva à medida que a temperatura muda pois os dois metais têm diferentes coeficientes lineares de expansão. b) O sistema pode ser usado como termóstato para ligar/desligar circuitos elétricos Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 B: Expansão Térmica
    • 26 O Comportamento Invulgar da Água Quando a temperatura aumenta de 0 C para 4 C, a água contrai-se e a sua densidade aumenta Acima de 4 C, a água expande-se como com o aumento da temperatura diminuindo a sua densidade A densidade de água alcança um valor máximo de 1000 kg m-3 a 4 C • Quando a água da superfície de um lago congela, T=0 C,o gelo permanece na superfície porque é menos denso do que a água líquida. • O gelo continua formar-se na superfície, enquanto a água mais próxima do fundo do lago permanece a 4 C http://trabalhodagua.blogspot.com/ Serway/Jewett,“PhysicsforScientistsand Engineers”,7thedition,Part3,cap19 Vamos confirmar: B: Expansão Térmica
    • Exercícios: Dilatação Térmica 1. Explique porque razão a coluna de mercúrio inicialmente desce e depois sobe, quando um termómetro é aquecido. 2. O espelho de pirex de um telescópio tem 200 polegadas de diâmetro. A temperatura no local onde está instalado varia de -10 ºC até 50 ºC. Determine a variação máxima do diâmetro do espelho. R= 0,00384 polegadas 3. Uma barra tem coeficiente de dilatação linear constante. Qual o gráfico que representa o comprimento da barra em função da temperatura. 4. O comprimento de uma haste de alumínio é de 150 cm a 0ºC. Determine o seu valor a 250ºC α(Al)= 0,0001 ºC-1 R= 150,09 cm 5. Sobre um anel de zinco de 5 cm de raio repousa uma esfera de aço de raio 5,005 cm, ambos à temperatura de 0 ºC. Determine a que temperatura é necessário aquecer o conjunto para que a esfera passe pelo anel. R: T~ 100ºC 6. α(Zn)= 22x10-6 ºC-1 α(aço)= 12x10-6 ºC-1 27
    • 7- A variação do comprimento de uma barra metálica em função da temperatura é mostrada no gráfico. Calcule o coeficiente de dilatação linear R= 0,0001 8- Uma régua de aço foi graduada a 20ºC. Utilizando-se esta régua a 80 ºC na medida de um comprimento, leu-se o valor de 60,00 cm. Qual o valor real do comprimento medido. R: L=60,04 cm 9- Considere duas barras metálicas de comprimentos diferentes, á mesma temperatura e coeficientes de dilatação linear iguais. Qual dos gráficos está correto? L L L T T T 10- Considere os valores β (vidro comum)= 0,000027 ºC-1 β (vidro pirex)= 0,0000096 ºC-1 A- qual o significado do valor 0,000027 B- qual o valor do coeficiente de dilatação linear do vidro C- a temperatura de um corpo de vidro com 10 cm3 foi elevada de 100 ºC. Determine o aumento de volume do corpo 28 L(m) 56 50 100 1300 T(ºc)
    • D- se em vez de vidro comum o corpo fosse de pirex, qual a dilatação. E- explique a razão por que o vidro pirex é mais resistente ao calor que o vidro comum. 11- Uma chapa de aço de dimensões 1,5x2 m é aquecida de 20 ºC até 90 ºC. Qual a área final da placa . α(aço)= 12x10-6 ºC-1 12- Um dispositivo eletrónico tem dois parafusos que quase se tocam, como mostra a figura, sendo um de aço e outro de latão. A distância inicial de separação entre eles é de 5,0 µm a 27ºC. A que temperatura se tocarão os parafusos? Assuma que a distância entre as paredes do dispositivo não é afetada pela alteração de temperatura. Resolução: 29
    • 30
    • 31
    • C: Instrumentos de medição de temperatura 32 http://www.cursodefisica.com.br /termofisica/13-temperatura- termometros.pdf Termómetro Celsius Anders Celsius
    • • A Temperatura é sem dúvida a variável mais importante nos processos industriais • A sua medição e controlo, embora difíceis, são vitais para a qualidade do produto e a segurança de máquinas e pessoas. • Note-se que todas as características físico-químicas de qualquer substância se alteram de forma bem definida com a temperatura. • Assim sendo, uma determinada substância pode ter as suas dimensões, estado físico (sólido, líquido, gasoso), densidade, condutividade, etc, alteradas pela mudança do seu estado térmico. • Então, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seu comportamento provocando, por exemplo:  maior ou menor ritmo na produção  uma mudança na qualidade do produto  um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou do pessoal  um maior ou menor consumo de energia  um maior ou menor custo de produção. 33 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • C: Instrumentos de medição de temperatura • Os termómetros são dispositivos usados para medir a temperatura de um sistema. • Baseiam-se no princípio de que algumas propriedades físicas de um sistema se alteram quando a temperatura do sistema se altera. • Algumas propriedades físicas que se alteram:  O volume de um líquido  As dimensões de um sólido  A pressão de um gás a volume constante  O volume de um gás a pressão constante  A resistência elétrica de um condutor  A cor de um objecto. 34
    • Termómetro comum (álcool ou mercúrio) 35 Propriedade física alterada: volume Calibração: 0 ºC – numa mistura de água e gelo em equilíbrio térmico à pressão atmosférica 100 ºC – em água em ebulição à pressão atmosférica O nível do mercúrio sobe à medida que é aquecido pela água no tubo Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Termómetro de Gás a Volume constante Propriedade física alterada: pressão de um volume constante de gás Calibração: 0 ºC – numa mistura de água e gelo em equilíbrio térmico à pressão atmosférica, movimenta-se a coluna B até que o topo do mercúrio na coluna A esteja no zero da escala. A altura h indica a pressão do gás P=Po+ ρgh 100 ºC – em água em ebulição à pressão atmosférica, reajusta-se a coluna B até que o topo da coluna A esteja no zero. (O volume do gás é assim constante). Determina-se P. Traça-se uma curva de calibração 36 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 O volume de gás no balão é mantido constante subindo ou descendo o reservatório B de modo a manter constante o nível de mercúrio na coluna A Os dois pontos representam temperaturas de referência conhecidas (pontos de fusão e ebulição da água) C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Escalas de Temperatura mais comuns 37 • Escala Fahreinheit é utilizada nos Estados Unidos e em parte da Europa. Porém, a tendência é de se usar exclusivamente nos processos industriais de todo o mundo a Escala Celsius. • Escala Rankine e a escala Kelvin, que são as escalas absolutas, são mais usadas nos meios científicos, sendo que atualmente usa-se quase que exclusivamente a escala Kelvin. http://www.automacaoindustrial.com/instrumentacao/temperatura/introducao.php C: Instrumentos de medição de temperatura http://www.eletrodomesticosforum. com/videos.htm
    • Correspondência entre escalas de temperatura 38 http://www.guia.heu.nom.br/escalas_de_temperatura.htm http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap3/cap3-2.html http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/light_lessons/thermal/measure.html C: Instrumentos de medição de temperatura
    • C 5 F-32 9 K-273,15 5 F-32 9 === Celsius Fahreinheit RankineKelvin Com menos esforço: Conversão de valores de temperatura C: Instrumentos de medição de temperatura C,F,K R representam os valores da temperatura na respetiva unidade R-491,67 9 39
    • Questão: "em que temperatura o valor das escalas Celsius e Fahrenheit coincidem?" Sugestão: resolver primeiro analiticamente. Solução geométrica do exercício Ajuda: 1. botão dirº do rato 2. reproduzir 40 http://www.stefanelli.eng.br/webpage/noindex/temperatura-escalas-celsius-fahrenheit.html C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Curiosidades 41 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA IPTS-68 42 • O Comité Internacional de Pesos e Medidas adotou uma Escala Internacional de Temperatura, a IPTS (Escala Prática Internacional de Temperatura) • A IPTS-68 foi definida em 1968, e substituída pela ITS-90 (Escala Internacional de Temperatura, de 1990) • Baseia-se em alguns pontos fixos facilmente reprodutíveis, que correspondem a temperaturas de mudança de estado física de algumas substâncias puras. IPTS-68 Pontos Fixos Temperatura / ºC Ponto triplo do hidrogénio -259.34 Ponto de ebulição do hidrogénio -252.87 Ponto de ebulição do néon -246.048 Ponto triplo do oxigénio -218,789 Ponto de ebulição do oxigénio -182,962 Ponto triplo da água 0,01 Ponto de ebulição da água 100,00 Ponto de solidificação do zinco 419,58 Ponto de solidificação da prata 916.93 Ponto de solidificação do ouro 1064.43 Fonte http://pt.scribd.com/doc/60501864/9/Escala-Internacional-de-Temperatura C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Medição de Temperatura • Existem vários meios e instrumentos de medição de temperatura, tais como: • Termómetros de dilatação de líquido, • Termómetros de pressão de gás e de vapor, • Termómetros de dilatação de sólidos, • Termopares, • Termorresistores, • Termistores, • Pirómetros de radiação, • Pirómetros ópticos. 43 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Termómetros: Termopar • Constituição: Um termopar é constituído por dois fios eléctricos de diferentes materiais que são ligados um ao outro numa extremidade (ponto de medição). As duas extremidades abertas formam o ponto de compensação ou referência • A tensão termoelétrica que ocorre no ponto de compensação depende do material dos fios termoelétricos e da diferença da temperatura entre o ponto de medição e o ponto de compensação. • Para medições da temperatura, a temperatura do ponto de compensação deve manter-se constante (p. ex. 0 °C) ou deve ser bem conhecida, no sentido de efectuar uma correcção adequada em mV 44 http://www2.emersonprocess.com/siteadmi ncenter/PM%20Rosemount%20Document s/00809-0313-2654.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Quando dois metais de natureza diferente têm as suas extremidades unidas e submetidas a temperaturas distintas, ocorre uma força eletromotriz devido aos metais distintos possuírem densidades de electrões livres específicos Como estão unidos nas suas extremidades permitem a migração desses electrões do lado de maior densidade para o de menor densidade ocasionando uma diferença de potencial entre os dois fios metálicos. 45 http://www.dem.feis.unesp.br/maprotec/educ/mcm1/termopares- dispositivos%20utilizados%20para%20medir%20temperatura.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • 46
    • 47 http://www.dem.feis.unesp.br/maprotec/educ/mcm1/termopares- dispositivos%20utilizados%20para%20medir%20temperatura.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Amplitude de utilização  de -200 °C a 1000 °C Vantagens dos termopares: • Elevadas amplitudes de temperatura • Tempos de resposta rápidos • Design compacto • Elevada resistência à vibração • Estabilidade duradoura • Elevada robustez Setores de aplicação: • Indústria química • Indústria petroquímica • Indústria farmacêutica • Indústria da energia elétrica • Engenharia mecânica • Indústria de produtos alimentares e bebidas • Indústria mineira • Indústria metalúrgica e siderúrgica • Indústria de cerâmica e vidro 48 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Termómetro de Resistência (Termoresistências) Princípio de funcionamento • A medição da temperatura com termómetros de resistência assenta na propriedade de todos os condutores e semicondutores alterarem a sua resistência eléctrica em função da temperatura Estrutura • A resistência sensível à temperatura – geralmente, platina – é aplicada na forma de uma bobina de medição sobre um suporte adequado. • Esta bobina de medição é ou fundida em vidro ou embebida numa massa cerâmica. • No sentido de satisfazer as exigências modernas para dimensões mais reduzidas e valores de resistência mais elevados, são aplicadas sobre um substrato de cerâmica camadas finas de platina em vez de fios 49 http://www2.emersonprocess.com/siteadmi ncenter/PM%20Rosemount%20Document s/00809-0313-2654.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Amplitude de utilização – de -220 °C a +900 °C (depende do tipo de material) Vantagens • Elevadas amplitudes de temperatura • Resistência à vibração • Elevada imunidade ás interferências electricas • Estabilidade duradoura • Elevada robustez • Elevada precisão  Mais preciso que o termopar Sectores de aplicação: • Indústria química • Indústria petroquímica • Indústria farmacêutica • Indústria energia electrica • Engenharia mecânica • Indústria de produtos alimentares e bebidas • Indústria mineira 50 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • termoresistências 51 http://www.alutal.com.br/industria/produtos/pdf/05-termoresistencias.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Termómetro: Pirómetro de Radiação • O pirómetro de radiação insere-se na classe dos medidores de temperatura de não-contacto, mais especificamente, é um termómetro de radiação • O termo “não-contacto” refere-se ao facto do sensor não necessitar de estar em contacto físico directo como o objecto cuja temperatura se pretende medir, utilizando a radiação emitida por esses meios/corpos • Os corpos incandescentes emitem radiação, infravermelha, luminosa ou ultravioleta, dependendo da sua temperatura. • Mesmo à temperatura ambiente os corpos radiam energia não visível, mas infravermelha. • Aplicam se quando a temperatura ultrapassa o limite de utilização dos termopares ou quando outros fatores tornam a medição remota conveniente. • Podem ser fixos, dedicados à medição de um processo, ou portáteis. Distinguem se dois tipos de pirómetros: 52 http://www.esac.pt/rnabais/InstEquip/INSTEQUIP080 9/Instrumenta-Temperatura.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Tipos de pirómetros: Pirómetros ópticos Operam a temperaturas acima de 500 / 600 °C, nas quais o material começa a emitir radiação no espectro visível (incandescência), até uns 5000 °C Pirómetros infra vermelhos Cobrem a faixa aproximada de 0 °C até 4000 °C, captando a energia radiante no espectro infra vermelho. Eventualmente abrangem também o espectro visível e o início do espectro ultra violeta Princípio de funcionamento A lei de Stefan-Boltzman e o corpo negro • Esta lei resulta das experiências de Josef Stefan e das deduções de Ludwig Boltzman, e estabelece a relação entre a temperatura de um corpo e a energia térmica irradiada. 53 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • • Uma das formas de apresentar a lei I = Intensidade da radiação emitida (energia irradiada ou emitida por unidade de tempo e por unidade de área) (W m-2 ) ε= emissividade do corpo σ = constante de Stefan-Boltzman = 5,6704 x 10 -8 W m-2 k-4 T = temperatura do corpo (°K ) • A emissividade é definida como a relação entre a energia irradiada pelo corpo num determinado comprimento de onda e a energia que seria irradiada por um corpo negro neste comprimento de onda, à mesma temperatura. Assim 0 ≤ ε ≤1 • O corpo negro é aquele que apresenta ε = 1, e é considerado padrão de emissão. • Na prática alguns corpos têm comportamento muito próximo ao do corpo negro. Quando isto não ocorre, as medições de temperatura baseadas na lei de Stefan- Boltzman devem ser corrigidas em função da emissividade. 54 I= εσT4 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • • O corpo negro é um conceito ideal, que serve de padrão, em relação ao qual as propriedades radiativas das superfícies reais são comparadas • Por definição, as suas propriedades são:  Absorve toda a radiação que nele incide (qualquer comprimento de onda)  Emite toda a radiação permitida em função da sua temperatura T.  Para uma dada temperatura T e comprimento de onda , nenhum corpo pode radiar mais energia que um corpo negro. • O corpo cinzento é semelhante a um corpo negro mas tem inferior capacidade de emissão e absorção de radiação, estando assim mais próximo de um corpo real 55 C: Instrumentos de medição de temperatura http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html
    • • A radiação térmica emitida pelos corpos é desprezível fora da faixa de 300 a 2000 nanómetros, dentro da qual a radiação entre 400 e 700 nanometros corresponde ao espectro visível. • Esta radiação não apresenta a mesma intensidade (I) em todos os comprimentos de onda (λ), o que pode ser observado nas curvas de emissão espectral. • A energia total emitida, para fins de determinação da temperatura, é dada pela área delimitada pela curva 56 Espectro Visível frequência: 400 THz a 750 THz Comprimento de onda: 700 nm a 400 nm http://www.notapositiva.com/resumos/fisicoqui mica/dosolaoaquecimento.htm C: Instrumentos de medição de temperatura
    • O gráfico da figura abaixo é uma ampliação logarítmica do gráfico à direita, na região visível do espectro, indicada pelo círculo de linha tracejada. - O resultado confirma, de forma fiel, o que se observa na prática. -No caso de um metal, a radiação emitida começa a ser visível por volta de 500ºC com um vermelho escuro, significando que a maior parte da radiação visível está na faixa inferior (vermelho) do espectro visível. -A curva correspondente mostra isso claramente. -Com o aumento da temperatura, além da maior potência, as curvas ficam cada vez mais "horizontais", ou seja, o espectro emitido tende para uma distribuição mais uniforme de cores, correspondendo à tendência para o branco na observação. prática. -Entretanto, a simples observação visual não permite uma determinação precisa da temperatura. No máximo, uma avaliação aproximada sujeita a erros grosseiros. 57http://www.mspc.eng.br/fldetc/temperat_130.shtml C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Algumas condições de escolha de pirómetros de radiação: • O objecto a medir a temperatura está em movimento • Está sob o efeito de campos magnéticos fortes (ex. aquecimento por indução) • Ocorrem mudanças de temperaturas muito rápidas (ex. fundição, incineradora) • Localização em posição inacessível (dentro de um recipiente) • Temperaturas demasiado elevadas para um termómetro de contacto, i.e., superiores a 1400ºC (p.ex. está dentro de um forno ou de uma fundição) • Fisicamente inacessível para um termómetro de contacto • Tem uma aparência translúcida ou encontra-se na fase gasosa (ex. gases de • combustão) • Requer medições de temperatura rápidas e frequentes. 58 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Esquema genérico de um pirómetro de radiação • Detetor de fotões: pode efectuar algumas centenas de milhar de leituras por segundo controlados por microprocessador • A radiação emitida pelo objeto atinge o sistema óptico do instrumento, que a conduz para um ou mais detectores fotossensíveis. • O detector converte a energia IV em um sinal elétrico que, por sua vez é convertido em um valor de temperatura, que se baseia na equação de calibração do sensor e na emissividade do alvo. Gama de Temperaturas: 50 a 2000ºC 59 http://www.esac.pt/rnabais/InstEquip/INSTEQUIP0809/I nstrumenta-Temperatura.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Pirómetros de Radiação 60 http://www.esac.pt/rnabais/InstEquip/INSTEQUIP0809/Instrumenta-Temperatura.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Pirómetros de radiação Vantagens • Não há contacto físico directo • Banda larga • Medição relativamente independente da distância • Tempo de resposta é excelente • Elevado tempo de vida • São de fácil manuseamento Desvantagens • Mais frágeis que os sensores eléctricos • Escala não linear • Não são adequados para temperaturas baixas • Tem erro por absorção • É necessário corrigir a emissividade 61 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Pirómetro Ótico Uma aplicação típica do pirómetro é a medição da temperatura de metais incandescentes. Olhando pelo visor do pirómetro observa-se o metal, ajustando-se depois manualmente a corrente eléctrica que percorre um filamento que está no interior do pirómetro e aparece no visor. Quando a cor do filamento é idêntica à do metal, pode-se ler a temperatura numa escala disposta junto ao elemento de ajuste da cor do filamento. No instrumento acima a comparação é visual, e a precisão depende em parte da prática do operador, sendo possível erro inferior a ± 5 °C. A comparação também pode ser electrónica. Encontram se modelos sofisticados, nos quais o olho do operador é substituído por um detetor e a lâmpada padrão é empregada na calibração automática. O sistema incorpora um ajuste de emissividade e é comandado por um microprocessador. O foco pode ser automático e a objetiva pode permitir a variação do ângulo de captação 62 http://pt.scribd.com/doc/27141610/45/VIII-%E2%80%93-PIROMETROS-DE-RADIACAO C: Instrumentos de medição de temperatura
    • O pirómetro óptico é formado por um telescópio que contém um filtro, uma ocular e uma lâmpada. Através do telescópio é possível observar o filamento da lâmpada e comparar com a cor emitida pelo sistema que estamos medindo. Isto é possível porque o filamento da lâmpada está ligado a uma bateria, a um amperímetro e a um reóstato que permite variar a corrente elétrica através do filamento e, portanto, a sua luminosidade até igualá-la à do sistema Assim teremos o valor da temperatura que está associada a valores da corrente elétrica. 63 http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/termo.htmhttp://www.mspc.eng.br/fldetc/temperat_130.shtml C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Termómetro: Termistor Um termístor, também designado por termocondutor ou termistância, consiste num material semicondutor sensível à temperatura Existem dois tipos de termistores • NTC (Negative Temperature Coefficient) – termistores cujo coeficiente de variação da resistência é negativo, isto é, a resistência diminui com o aumento da temperatura. • PTC (Positive Temperature Coefficient) – termistores cujo coeficiente de variação da resistência é positivo, isto é, a resistência aumenta com o aumento da temperatura. • Um termístor é constituído por uma haste ou disco de vários óxidos de manganésio, níquel, cobalto, cobre, ferro e outros metais. • Permite variações de temperatura compreendidas entre -40 ºC e 100 ºC. 64 ftp://ftp.cefetes.br/Cursos/EngenhariaEletrica/Salomao /Instrum_Industrial/Aulas_2010_2/Termistor.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Termistor 65 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/NTC_bead.jpg http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20061/Cesar/SENSORES-Termistor.html http://www.ge-mcs.com/pt/temperature/ntc-thermistors/epoxy.html C: Instrumentos de medição de temperatura
    • aplicações • Proteção contra sobreaquecimento, limitando a corrente eléctrica quando determinada temperatura é ultrapassada. • Medição de temperatura (em motores por exemplo), pois podemos com o termístor obter uma variação de uma grandeza eléctrica em função da temperatura a que este se encontra. • Controlar / alterar a temperatura em dispositivos eletro-eletrónicos , como: alarmes, termómetros, "relógios", circuitos electrónicos de compensação térmica, dissipadores de calor, ar-condicionado. 66 http://www.tecwaybr.com/prod04.htm http://www.ge-mcs.com/pt/temperature/ntc- thermistors/epoxy.html C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Termómetro Bimetálico • Os mais conhecidos termómetros bimetálicos baseiam-se no efeito de dilatação . • A dilatação/contração ocorre quando duas barras ligadas, de metais diferentes são aquecidas ou arrefecidas, ou quando uma corrente eléctrica as atravessar. • O conjunto aquecerá de forma desigual, o que resultará em diferentes dilatações que irá produzir um arqueamento da barra. • Para isso, constroem-se lâminas bimetálicas de forma espiralada que se curvam conforme aumenta ou diminui a temperatura. • Nesse movimento, a lâmina arrasta um ponteiro que percorre uma escala graduada. • Se o registo for gráfico (rolo de papel em movimento), designa-se por termógrafo. 67http://eng.powsys.com.br/index.php?option=com_content&view=ar ticle&id=76:termometros-bimetalicos&catid=52:ii&Itemid=68 C: Instrumentos de medição de temperatura
    • • A lâmina biimetálica consiste numa chapa composta de duas folhas de metais diferentes passadas no laminador a temperatura bastante elevada que faz com que elas adiram fortemente uma à outra. Também podem as duas folhas ser justapostas e soldadas . • Ao unirmos as duas lâminas metálicas que têm coeficientes de dilatação lineares a1,a2 muito diferente, a deformação provocada pelos diferentes alongamentos, ou contrações, das partes sob a ação de uma variação de temperatura, pode ser usada para diversas aplicações. • À temperatura de repouso o conjunto está na posição (1) • Um aumento de temperatura provoca a flexão uniforme no sentido do comprimento de modo que o metal A, menos sensível às variações térmicas, permanece no interior da concavidade (posição 2), ou seja, na face côncava. • Uma diminuição de temperatura provoca a deformação inversa (posição 3) ficando o material A (menor coeficiente de dilatação linear) na face convexa. 68 http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_35.asp C: Instrumentos de medição de temperatura
    • • Os materiais usados correntemente são ligas de ferro e níquel cujos coeficientes de dilatação linear dependem da percentagem de níquel; • se esta percentagem é de 36% obtém-se a liga INVAR com valor de α extremamente pequeno (daí seu nome, invariável). • O latão e o invar constituem um bom par para a lâmina bimetálica. 69 http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_35.asp C: Instrumentos de medição de temperatura
    • • As dimensões das lâminas bimetálicas dependem das características de robustez, de sensibilidade e de rapidez requeridas para as suas diversas aplicações; a espessura é geralmente compreendida entre 0,05 a 5 mm. • Nos dispositivos com lâmina bimetálica uma extremidade da lâmina é mantida fixa e é usado o deslocamento da extremidade livre para efetuar alguma ação. • Tal deslocamento, eventualmente ampliado, pode ser transmitido a um indicador móvel sobre uma escala graduada: o dispositivo, uma vez calibrado, constitui um termómetro bimetálico (muito comum em tampas de fornos dos fogões a gás). • É também frequente o uso de lâminas bimetálicas em aparelhos que efetuam automaticamente a abertura e o fecho de um circuito elétrico, onde a comutação pode ocorrer para valores preestabelecidos de temperatura. Eis uma ilustração para um alarme contra incêndio: 70 http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_35.asp C: Instrumentos de medição de temperatura
    • • Aplicações típicas são constituídas pelos interruptores de pulsação automática (intermitentes) nos quais o ligar e desligar de uma ou mais lâmpadas é comandado por uma lâmina bimetálica aquecida por um resistor de resistência R em série com a lâmpada. • Nas decorações de árvores de natal, uma das lâmpadas usa o próprio calor dissipado em funcionamento para acionar um interruptor bimetálico, em série . • Os termo-reguladores ou termostatos e os interruptores automáticos de sobrecarga funcionam sob este princípio das lâminas bimetálicas 71http://www.feiradeciencias.com.br/sala08/08_35.asp C: Instrumentos de medição de temperatura
    • Termómetro Bimetálico 72 http://en-co.wika.de/upload/OI_53_54_55_Bimetal_Thermo_pt_13881.pdf C: Instrumentos de medição de temperatura
    • D Termodinâmica - lei zero 73 A lei zero da termodinâmica trata do equilíbrio térmico http://hortaaporta.blogspot.com/2011/07/transferencias-de-energia.html
    • 74 A termodinâmica trata das transformações da matéria nos seus estados físicos mais comuns, sólido, líquido e gasoso D: Termodinâmica e a lei zero http://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/ estados-fisicos-materia.htm http://www.novafisica.net/conteudo/cont-2-4.htm
    • 75 Plasma (~0 K -108 K) Matéria degenerada Gasoso Líquido Sólido Superfluidos (< 2,17 K) Condensado Fermiónico (~0 K) Condensado de Bose Einstein (~0 K) Afinal, quantos estados físicos há? D: Termodinâmica e a lei zero
    • 76 Estado gasoso • As partículas que constituem os gases são consideradas esféricas e os diâmetros são muito pequenos quando comparados com as distâncias entre elas. • As forças de interação mútuas entre as partículas têm intensidades muito pequenas, pois as partículas estão muito afastadas umas das outras e movendo-se ao acaso em todas as direções (a distância entre duas partículas é, à escala humana, equivalente a duas pessoas distanciadas 300 km). • Este movimento caótico mantém o gás “espalhado” e distribuido uniformemente pelo volume do recipiente onde está contido. • Daniel Bernoulii (1700-1782) admitiu que a pressão exercida por um gás, podia ser interpretada como sendo o resultados dos choques das partículas que o constituem contra as paredes do recipiente onde está contido. • Num recipiente fechado, se aumentarmos a temperatura, aumenta a energia cinética das partículas, a sua velocidade, o número de choques e a pressão do mesmo. • Os gases não têm forma nem volume próprios. D: Termodinâmica e a lei zero
    • 77 Estado líquido • Nos líquidos, a agitação molecular é menor que nos gases, mas as forças de atrção mútuas são maiores. • As distâncias médias entre as moléculas mantém-se constantes. • As moléculas mantêm-se ligadas mas deslizam umas sobre as outras o que permite que os líquidos tomem a forma do recipiente onde estão contidos. • Não têm forma própria mas têm volume constante (a uma dada temperatura) D: Termodinâmica e a lei zero
    • 78 Estado sólido • Nos sólidos, as moléculas, átomos ou iões podem vibrar em torno de posições fixas de equilíbrio e rodar em torno do seu centro de massa, mas não podem abandonar essas posições. • Alguns sólidos passam diretamente ao estado gasoso, como a cânfora, naftalina e iodo quando aquecido. • A sublimação mostra que, em alguns sólidos, as forças atrativas não são suficientemente fortes para impedir que algumas moléculas se escapem. • Têm forma própria e têm volume constante (a uma dada temperatura) D: Termodinâmica e a lei zero
    • • A termodinâmica explica as principais propriedades da matéria e a correlação entre estas propriedades e a mecânica dos átomos e moléculas • O estudo da termodinâmica envolve Conceitos de transferências de energia, entre um sistema e seu ambiente As variações resultantes na temperatura ou mudanças de estados. • Questões práticas tratadas pela termodinâmica Como um refrigerador arrefece ? Que tipos de transformações ocorrem num motor de carro? Porque uma bomba de bicicleta se aquece enquanto alguém enche o pneu? 79 D: Termodinâmica e a lei zero
    • lei zero: 80 Se os corpos estiverem a temperaturas diferentes, a energia pode ser trocada entre eles por meio de, por exemplo, calor ou radiação eletromagnética No equilíbrio térmico os corpos em contato térmico trocam energia à mesma taxa temporal, daí que nenhum dos corpos varie a sua temperatura Diz-se que estão em contato térmico os corpos que podem trocar energia uns com os outros desta maneira Frequentemente associamos o conceito de temperatura com a sensação de quente ou de frio de um corpo em que tocamos A nossa pele é sensível à taxa de transferência de energia e não à temperatura do corpo D: Termodinâmica e a lei zero
    • 81 Se forem colocados em contacto térmico um com o outro, como na figura, não há nenhuma transferência de energia entre eles A Lei Zero da Termodinâmica (a lei do equilíbrio) Se os corpos A e B estiverem separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si A temperatura é a propriedade que determina se um corpo está em equilíbrio térmico com outros corpos Dois corpos em equilíbrio térmico entre si estão na mesma temperatura Se as duas leituras forem as mesmas, então A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro Considere dois corpos A e B que não estão em contacto térmico e um terceiro corpo C que será o nosso termómetro D: Termodinâmica e a lei zero
    • E Capacidade Calorífica 82 http://www.infoescola.com/fisica/calorimetria/
    • • Quando se fornece energia a um sistema, normalmente a sua temperatura aumenta. • Como exceção temos os casos em que ocorre uma mudança de estado físico. • Se o sistema consiste numa amostra de uma substância, a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de uma dada massa, varia de substância para substância. • Por exemplo: a energia necessária para aumentar a temperatura de 1 kg de água de 1°C é de 4186 J a energia necessária para aumentar a temperatura de 1 kg de cobre de 1°C é de 387 J • Na matéria a seguir vamos designar a energia transferida como calor , embora haja outros métodos para aumentar a temperatura de um sistema. Define-se : Capacidade Térmica de um corpo como o calor necessário para aumentar a temperatura desse corpo de 1 °C Q= calor fornecido (J) C= Capacidade térmica do corpo (J °C-1) ΔT= variação de temperatura (°C) 83 Q=CΔT E Capacidade Calorífica
    • Capacidade Térmica Mássica (ou calor específico) de uma substância como o calor necessário para aumentar a temperatura da unidade de massa dessa substância de 1 °C Q= calor fornecido (J) m= massa da substância (kg) c= Capacidade térmica mássica da substância (J kg-1 °K-1) ΔT= variação de temperatura (°K) ou (°C) O calor específico indica-nos essencialmente a maior ou menor sensibilidade térmica (variação de temperatura) de uma substância perante a adição ou perca de calor. Calor específico alto significa que é necessário mais calor para uma determinada subida de temperatura C (água)= 4180 J kg-1 °K-1 significa que é necessário fornecer 4180 J de calor a 1 kg de água para que a sua temperatura se eleve de 1 °C, ou, o que é equivalente, há libertação de 4180 J de calor quando 1 kg de água diminui a sua temperatura de 1 °K ou 1 °C 84 Q=mcΔT E Capacidade Calorífica
    • Calor específico de substâncias a 25 °C e Pressão atmosférica 85 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 120 E Capacidade Calorífica
    • Calorimetria • Uma técnica para medir o calor específico envolve o aquecimento de uma amostra a uma temperatura Tx, colocando-a num recipiente contendo água de massa conhecida e temperatura Tw < Tx, e depois medir a temperatura da água após o equilíbrio térmico ter sido atingido Tf. Esta técnica denomina-se de calorimetria, e dispositivos utilizados para esta transferência de energia são os calorímetros. • Se o sistema formado pela amostra e água for isolado, o princípio da conservação da energia implica que a quantidade de energia cedida pela amostra (de calor específico desconhecido) é igual, em módulo, à quantidade de energia recebida pela água. | Q fornecido |= |Q recebido | - Q fornecido = Q recebido - mx cx (Tf – Tx) = mw cw (Tf – Tw) Tf = temperatura final de equilíbrio 86 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 20 E Capacidade Calorífica
    • F Mudanças de Fase (estado físico) • Calor latente (ou entalpia) de fusão/vaporização • Quando se fornece calor a um bloco de gelo a 0 °C , este funde mas a sua temperatura não se altera permanecendo a 0 °C . Ocorre apenas uma mudança de estado físico ou de fase Calor Latente de fusão Lf ou ΔHf é a quantidade de calor necessária para fundir a unidade de massa da substância sem alteração de temperatura Calor Latente de vaporização Lvou ΔHv é a quantidade de calor necessária para vaporizar a unidade de massa da substância sem alteração de temperatura Q= calor fornecido (J) m= massa da substância (kg) L f / Lv = calor latente de fusão/vaporização de uma substância (J kg-1) 87 Q=mLf Q=mLv
    • Calores latente de Fusão e de Vaporização 88 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 20 F Mudanças de Fase (estado físico)
    • 89 F Mudanças de Fase (estado físico)
    • Gráfico da Temperatura em função da energia fornecida quando 1,00 g de gelo a -30 °C é convertida em vapor a 120°C • Parte A: aumento de temperatura do gelo até 0 °C, • Parte B: fusão da massa de gelo a 0 ° C • Parte C : aumento da temperatura da água até 100 °C • Parte D: vaporização da água à temperatura de 100 °C • Parte E: aumento da temperatura do vapor até 120 °C 90 Serway/Jewett,“PhysicsforScientistsand Engineers”,7thedition,Part3,cap20 F Mudanças de Fase (estado físico)
    • Estados físicos 91 F Mudanças de Fase (estado físico)
    • Exercícios: Calor específico, Condutividade térmica 1. A sensação de frio ou quente, quando se toca em vários objetos situados na mesma sala, depende da capacidade térmica de cada um? Explique a causa dessa sensação, lembrando que pbjetos metálicos nos parecem frios enquanto madeira ou tecido não. 2. Dois sólidos de massas diferentes, recebem iguais quantidades de calor a partir de uma mesma temperatura inicial. A temperatura final dos sólidos é igual. Que se pode dizer acerca das suas capacidades térmicas e dos seus calores específicos. 3. Aquece-se um líquido num recipiente. Para que haja economia na energia térmica consumida e rapidez no aquecimento, a. quais devem ser as principais características do material do recipiente? b. As suas superfícies, laterais, superior e inferior, devem ter o mesmo polimento? 4. Dois corpos A e B, de massas iguais a 100 g, são aquecidos numa estufa. O gráfico mostra o calor absorvido por cada um função da temperatura atingida. a. O que representam as inclinações dos gráficos. Calcule o valor de cada uma. a. Qual o calor específico de cada corpo. b. Se deixarmos os dois corpos arrefecerem a partir da mesma temperatura até à temperatura ambiente, qual dos dois liberta mais calor. R: a- capacidades térmicas; CA=20 cal/ºC CB=40 cal/ºC b- 0,20 e 0,40 cal/g ºC c- o corpo B 92 Q(cal) 800 20 40 T(ºc)
    • Exercícios: Calor específico, Condutividade térmica 5. Tendo em conta que o calor específico da areia é pequeno, explique porque os desertos são muito quentes durante o dia e muito frios à noite. 6. Um corpo à temperatura de 25 ºC e com a massa de 200 g e calor específico de 0,25 cal/g ºC é colocado dentro de 500 cm3 de água á temperatura de 25 ºC. Qual a temperatura de equilíbrio atingida. R= 15,9 ºC 7. Calcule o calor específico de um líquido a partir dos seguintes dados: 120 g do líquido são colocados num copo de capacidade térmica 2,0 cal/ºC e o conjunto é aquecido a 100 ºC. Colocou-se depois tudo dentro de um calorímetro de capacidade térmica 8 ,0 cal/ºC, que continha 300 g de água a 13 ºC, resultando numa temperatura final de equilíbrio de 27,5 ºC R: 0,5 0 cal/g ºC 8. Quando pegamos num bloco de gelo, algumas pessoas dizem que “passa frio do gelo para a mão”. Comente esta afirmação 9. Os esquimós usam abrigos de gelo, os iglôs, para se protegerem do frio. Explique esta situação, aparentemente ilógica. 10. Num frigorífico, o congelador fica na parte superior. Porquê? A temperatura nos compartimentos inferiores é maior ou menor? 93
    • Atalhos: A Calor e temperatura. B Expansão térmica C Instrumentos de medição de temperatura. D Lei zero da Termodinâmica E Capacidade calorífica F Mudanças de fase. G Equação de um gás ideal. H 1ª Lei da Termodinâmica. I Mecanismo de transferência de calor. Coeficiente de transferência de calor. J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot. K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas. L Isolamentos térmicos – necessidade e tipos. M Permutadores de calor. N Torres de arrefecimento. O Fornos. 94
    • G Equação de estado de um Gás Ideal 95http://www.geomeca.com/engidealgas.asp Superfície PVT de um gás ideal
    • Gás ideal (perfeito) • O modelo mais simples que se possa imaginar para um gás é o de ele ser constituído por um grande número de moléculas que se encontram em movimento permanente e desordenado, chocando entre si e com as paredes do recipiente. • Existe um número muito grande de moléculas num volume macroscópico de gás. • O volume ocupado pelas moléculas é negligenciável quando comparado com o volume do recipiente. • As moléculas estão separadas por distâncias médias grandes se comparadas com suas próprias dimensões e estão em constante estado de movimento. Este movimento explica a capacidade ilimitada de expansão de um gás. • As moléculas são tratadas como partículas, semelhantes a bolas de bilhar rígidas, que interagem elasticamente quando colidem. • A velocidade do movimento das moléculas é considerada constante em módulo. • A pressão de um gás resulta das forças de colisão exercidas pelas moléculas nas paredes do recipiente por unidade de área da superfície do recipiente. 96 G: Equação de Estado de um Gás Ideal
    • Equação de estado de um gás ideal • Verifica-se para este gás uma relação entre a pressão, o volume, a temperatura e a quantidade de substância. A relação entre as grandezas, PV=nRT não depende da natureza química das moléculas que constituem o gás, isto é, gases diferentes como, oxigénio, O2, cloro, Cl2, metano CH4, obedecem à mesma equação. Se a densidade do gás for suficientemente baixa, todos os gases reais obedecem à equação de estado dos gases ideais. A maioria dos gases à temperatura ambiente e pressão atmosférica comporta-se aproximadamente como um gás ideal 97 P Pressão Pa (Nm-2) atm V Volume m3 l N Quantidade de substância mol mol R Constante dos gases ideais 8,314 J mol-1 K-1 0,082 atm l mol-1 K-1 T Temperatura absoluta K K G: Equação de Estado de um Gás Ideal
    • 98 Vamos confirmar a equação dos gases ideais 1 desloque o êmbolo 2-clique na botija clicar http://www.zazzle.pt/lei_de_gas_ideal_t _shirt-235165329835227320 Vamos treinar a fórmula, os valores e as unidades. G: Equação de Estado de um Gás Ideal
    • Lei de Boyle-Mariotte 99 A uma temperatura constante a pressão de um gás é inversamente proporcional ao volume. • A temperatura do sistema permanece constante (repare que o indicador de temperatura não se move) e uma força externa exerce um trabalho sobre o gás (aumenta o número de massas sobre o pistão). • Assim, enquanto o volume diminui a pressão aumenta proporcionalmente. A massa do gás no interior do cilindro permanece constante e na mesma temperatura. • Considerando um gás ideal, utiliza-se a equação PV=nRT para esta descrição. • Repare que o termo nRT não se modifica quando a temperatura é constante (o número de moles (n) não varia e R é, por definição, constante). • Assim, para que o produto da pressão pelo volume permaneça constante é necessário que a diminuição do volume seja compensado pelo aumento da pressão. G: Equação de Estado de um Gás Ideal
    • Lei de Gay-Lussac A uma pressão constante o volume de um gás é diretamente proporcional à temperatura. • A um aumento na temperatura (repare o tamanho da chama e no indicador de temperatura) corresponde um aumento proporcional no volume. • Como a massa do gás permanece constante, isto é, não há entrada ou saída de gás do interior do cilindro (partículas), a pressão também permanece constante. O aumento do volume é consequência do aumento da agitação das moléculas do gás devido à transferência de energia. • Se for um gás ideal: PV=nRT e se a temperatura aumentar e a pressão permanecer constante então o volume deverá aumentar proporcionalmente. 100 G: Equação de Estado de um Gás Ideal
    • Simulador de Transformações Termodinâmicas varie o volume, a quantidade química ou a temperatura de um sistema termodinâmico e veja como as variáveis interferem umas nas outras e na pressão e trace a curva correspondente num diagrama ajustável – clique no X 101 OBS: no slide seguinte encontra a ajuda da simulação G: Equação de Estado de um Gás Ideal
    • • AJUDA AO SIMULADOR • Neste simulador, poderá investigar a relação entre as variáveis termodinâmicas de um gás ideal durante as transformações termodinâmicas, arrastando os atuadores e clicando nos cadeados. • Clique no ícone ? e uma ajuda mostrará como pode interagir. • Esta janela (transformações Termodinâmicas) contém explicações dos fenómenos que produzir e ajudará a compreender os resultados. Ela pode ser movida, redimensionada e fechada. • Há também cadeados que tornam as variáveis constantes (invariável) para que compreenda como elas interagem com as outras. • O ponto no diagrama percorrerá o espaço cartesiano; dica: é possível alterar as variáveis dos eixos. O bloco abaixo do diagrama faz o ponto traçar o caminho que percorreu, para que compare os resultados etc. • Os marcadores indicam a temperatura e a pressão do gás ideal no interior do cilindro grande. • Com o cilindro pequeno pode variar a massa do cilindro grande. • O dial aumenta ou diminui a intensidade da chama, adicionando energia às partículas do cilindro grande. • São quatro as variáveis termodinâmicas que podem ser controladas: • 1) volume: arrastando e soltando verticalmente o anel da haste do êmbolo do cilindro grande, alterando a altura da câmara onde as partículas estão confinadas. • 2) massa: arrastando e soltando verticalmente o anel da haste do êmbolo do cilindro pequeno altera-se o número de partículas do cilindro grande • 3) pressão: a força que o choque das partículas exerce nas paredes do cilindro varia em função do número de partículas que atingem as paredes numa determinada unidade de tempo. Varia também e em função da velocidade das partículas. • 4) temperatura: é a medida da energia cinética média nas partículas de uma substância. Quando aumentamos a temperatura, as partículas aumentam de velocidade, transportando mais energia, que é parcialmente transferida quando atingem as fronteiras do cilindro. • O autor: Eduardo J. Stefanelli 102 G: Equação de Estado de um Gás Ideal
    • 103 G: Equação de Estado de um Gás Ideal
    • H 1ª Lei da Termodinâmica 104 TERMODINÂMICA www.batista.xpg.com.br/listas/Termodinamica2%20.pps
    • Os construtores da Termodinâmica Qual o contributo de cada um? E que tal investigar um pouco? 105 Sadi Carnot 1796 - 1832 James Joule 1818 - 1889 Rudolf Clausius 1822 - 1888 Wiliam Thomson Lord Kelvin 1824 - 1907 Emile Claupeyron 1799 - 1864 H: 1ª Lei da termodinâmica
    • A Primeira Lei  A essência da Primeira Lei da Termodinâmica pode ser formulada, de forma simples, nos seguintes termos : “Em todo o processo natural, a energia do universo conserva-se.“ • A variação de energia de um sistema é igual à soma de todas as transferências de energia que ocorrem através da fronteira do sistema 106 H: 1ª Lei da termodinâmica
    • A primeira lei descreve processos onde apenas ocorre variação da energia interna e as únicas energias transferidas são na forma de calor e trabalho W=P ΔV W= trabalho realizado (J) P= pressão exterior a vencer (Pa) ΔV= variação de volume do sistema (m3) W>0 trabalho realizado pelo exterior sobre o sistema (compressão) W<0 trabalho realizado pelo sistema sobre o exterior (descompressão) Q>0 calor fornecido ao sistema Q<0 calor cedido pelo sistema ao meio exterior Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 20 www.batista.xpg.com.br/listas /Termodinamica2%20.pps 107 H: 1ª Lei da termodinâmica
    • “Caminho” descrito pelo sistema na transformação . Processos (Transformações) Termodinâmicas P1 V1 T1 U1 P2 V2 T2 U2 Processos Durante a transformação Isotérmico temperatura invariável Isobárico Pressão invariável Isovolumétrico volume constante Adiabático É nula a troca de calor com a vizinhança. P – pressão T – temperatura V – volume U – energia interna 108 H: 1ª Lei da termodinâmica Variáveis de estado
    • Transformação cíclica 109 H: 1ª Lei da termodinâmica
    • Transformação adiabática 110 H: 1ª Lei da termodinâmica
    • Transformação isobárica 111 H: 1ª Lei da termodinâmica
    • Transformação isotérmica 112 H: 1ª Lei da termodinâmica
    • • Diagrama de um sistema termodinâmico típico: uma máquina térmica cíclica. • Parte da energia admitida - oriunda de uma fonte quente (em vermelho, à esquerda) - é convertida em trabalho (movimento) - neste caso, por uma série de pistões. • Contudo, nas máquinas cíclicas não se pode converter toda a energia oriunda da fonte quente em trabalho, havendo necessariamente uma quantidade mínima de energia rejeitada a uma fonte fria (em azul, à direita). 113 H: 1ª Lei da termodinâmica
    • I Mecanismos de transferência de energia Modos de transferência de calor: radiação nas mãos, condução na tenaz convecção no ar, o qual aquece ao percorrer o interior do tubo do recuperador de calor. 114 http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=248&Itemid=422
    • I: Mecanismos de transferência de energia • O calor pode ser transferido entre sistemas por três mecanismos: Condução Convecção Radiação Condução: • Mecanismo à escala atómica envolvendo partículas microscópicas (átomos, moléculas, electrões) • A transferência de energia dentro do corpo ocorre quando partículas mais energéticas, com maior grau de vibração, colidem com partículas de menor energia. • Ocorre normalmente em sólidos, mas também em líquidos e gases • Imagine a seguinte situação: segure uma barra metálica e coloque uma das extremidades numa fonte de calor (uma chama, por exemplo). Em pouco tempo a outra extremidade da barra estará quente e não a conseguirá segurar. 115 http://www.colegioweb.com.br/fisica/transmissao-de-calor-e-conveccao.html
    • • A taxa temporal de energia ou potência térmica (P) depende das propriedades do corpo e é expressa pela Lei de Fourier Q= calor transferido entre as extremidades (J) Δ t= tempo em que decorre a transferência (s) P= potência térmica (W) K= condutividade térmica da substância (W m-1 °C -1 ) A= área da secção reta do corpo (m2) L= comprimento ou espessura do corpo (m) Tq; Tf = temperaturas da face quente e da face fria (°C) 116 Tq A Tf L Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 20 I: Mecanismos de transferência de energia http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/mef008_02/Berenice/aula3.html
    • • Condutividade térmica • K sólidos > K líquidos > k gases - uma vez que as ligações atómicas são mais fortes nos sólidos e a proximidade das partículas é maior que nos líquidos e, as destes, mais fortes que as dos gases 117 I: Mecanismos de transferência de energia http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html
    • Outras situações 118 Condução através de dois painéis diferentes em contacto. Em regime estacionário, a taxa de transferência através do painel 1 é igual à que atravessa o painel 2 Condução de calor através de uma barra uniforme e Isolada de comprimento L. Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 20 I: Mecanismos de transferência de energia
    • 119  Outra grandeza interessante relacionada com a condutividade térmica é o Coeficiente de transferência de calor U  A relação entre a condutividade térmica e o coeficiente de transferência de calor é dada por U=K/L  Ela traduz uma relação da espessura do sistema com a característica térmica do material.  É normalmente utilizada quando se tem um sistema composto por diversas camadas de diferentes materiais e espessuras, permitindo assim a obtenção de um coeficiente global de transferência de calor do sistema.  O valor de U corresponde à quantidade de energia, sob a forma de calor, que passa num segundo através de 1m² de superfície, quando a diferença de temperatura entre o interior e o exterior do sistema é de 1 K P = UAΔT P= Potência térmica (fluxo térmico) (W) U= coeficiente global de transferência de calor (W m-2 C-1 ) ΔT= diferença de temperaturas entre as faces exteriores ( C) I: Mecanismos de transferência de energia
    • Material K (W/(m.K) Diamante 2300 Prata 426 Cobre 398 Alumínio 237 Tungstênio 178 Ferro 80,3 Vidro 0,72 - 0,86 Água 0,61 Tijolo 0,4 - 0,8 Madeira (pinho) 0,11 - 0,14 Fibra de vidro 0,046 Espuma de poliestireno 0,033 Ar 0,026 Espuma de poliuretano 0,020 120 http://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_t%C3%A9rmica Material U (W/(m2ºC) Blocos de vidro 6,4 Vidro duplo 2,3 a 2,6 Vidro simples comum 6,2 a 6,4 Blocos cerâmicos 2 2,45 Cimento esp 12 cm, cerâmica 0,5 cm 3,58 Cimento simples esp 5 cm 5,5 Cimento simples esp 10 cm 4,4 a 4,7 Cimento simples esp 20 cm 3,7 Tijolos 2 furos circulares 2,43 Tijolos maciços 10x6x22 cm, esp total 10 cm 3,7 Telhas de barro esp 1 cm c/ forro de cimento esp 3 cm 2,24 Telhas de barro esp 1 cm sem forro 4,55 Telhas de fibrocimento esp 0,7 cm c/forro de cimento esp 3 cm 2,25 http://www.mspc.eng.br/termo/trc_01E0.shtml I: Mecanismos de transferência de energia
    • Convecção • A convecção é o mecanismo da transferência de calor que se observa nos fluidos, gases e líquidos. • Ocorre devido a uma diferença de densidades no fluido. • Este mecanismo de transferência de calor pode ser observado quando se usam – Aparelhos de ar condicionado – Aquecedores a óleo – Frigoríficos – Recuperadores de calor – Aquecimento de água, etc 121 http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Convection.gif I: Mecanismos de transferência de energia
    • • Alguma vez, provavelmente aqueceu as mãos colocando-as por cima de uma chama. • Nesta situação, o ar diretamente acima da chama é aquecido e expande. Como resultado, a densidade do ar diminui e ele sobre. Este ar aquecido irá aquecendo as mãos à medida que sobre. • A energia é transferida por convecção quando é transferida pelo movimento de uma substância quente. O processo denomina-se: Convecção natural quando este movimento resulta da diferença de densidades, como o ar circundante de um aquecedor, de um fogo ou o vento entre o mar e a terra. Convecção forçada quando a substância aquecida é forçada a mover-se por meio de uma bomba ou ventoinha, como nos sistemas de aquecimento a ar ou água. 122 I: Mecanismos de transferência de energia
    • • Se não se verificassem as correntes de convecção seria muito difícil aquecer, por exemplo, água. • Quando água é aquecida num recipiente, as camadas inferiores são aquecidas primeiro. Esta água expande- se e sobe para o topo devido à diminuição da densidade • Ao mesmo tempo, a água mais densa da superfície desloca-se para o fundo do recipiente onde é aquecida. • O mesmo processo ocorre quando uma sala é aquecida por um aquecedor. • Este movimento de fluido é denominado uma corrente de convecção. 123 http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Convection.gif I: Mecanismos de transferência de energia
    • Radiação Considere a situação: • Um corpo quente é colocado dentro de um recipiente de vidro fechado a vácuo. Com um termómetro colocado do lado de fora desse recipiente percebe-se que acontece variação da temperatura do ambiente. • É de se concluir que a transferência de calor, nesse caso, não aconteceu por condução ou por convecção, pois esses processos só acontecem quando há meio material. • Neste caso a transmissão do calor foi feita por meio de outro processo que se chama radiação térmica. O calor que aquece a Terra todos os dias, chega até nós através do mesmo processo. Rever capítulo C: Instrumentos de medição de temperatura, Item: Pirómetros de radiação 124 I: Mecanismos de transferência de energia
    • OPERAÇÃO DO PROCESSAMENTO TÉRMICO EM ALIMENTOS OPERAÇÃO DO PROCESSAMENTO TÉRMICO EM ALIMENTOS A historia da eliminação dos microrganismos nos alimentos preparados iniciou-se com Nicholas Appert, um confeiteiro francês que colocou alimentos em garrafas de vidro, tapou-as com rolha e aqueceu-as em água fervente. A maioria dos alimentos assim tratados não se deteriorou e ele anunciou esta descoberta em 1810. Naquela época a microbiologia era desconhecida e Appert foi incapaz de explicar por que o seu método era eficaz. Ele acreditava que com a combinação do calor e a remoção do ar prevenia a tendência a decomposição dos alimentos. Cinquenta anos depois, Louis Pasteur demonstrou que certos microrganismos são responsáveis pela fermentação e decomposição dos alimentos. OBJETIVOS DO PROCESSAMENTO TÉRMICO NOS ALIMENTOS O tratamento térmico dos alimentos é necessário a fim de: • Reduzir a flora microbiológica presentes nos alimentos, • Evitar as alterações produzidas por microrganismos patogénicos. Os quatro principais objetivos da aplicação dos tratamentos térmicos são: • Destruir os microrganismos que podem afetar a saúde do consumidor, • Destruir os microrganismos que possam alterar as propriedades dos alimentos, • Desativar qualquer ação enzimática, • Otimizar a retenção dos fatores de qualidade a um custo mínimo. 125 I: Mecanismos de transferência de energia
    • O tratamento térmico depende de: • A resistência térmica dos microrganismos e enzimas presentes no alimento, • O conteúdo inicial microbiano presente no alimento antes do tratamento, • O pH dos alimentos, • O estado físico do alimento (líquido, pastoso, pó, etc.). A designação de tratamento térmico pode englobar todos os processos que têm como objetivo a destruição dos microrganismos através da aplicação de calor. Estamos a referir a pasteurização e esterilização, utilizados para a destruição microbiana presente nos alimentos. • Pasteurização: implica a destruição, por meio da aplicação de calor, de todos os organismos em estado vegetativo, que iriam provocar doenças, ou a destruição / redução do número daqueles organismos que iriam produzir alterações em determinados alimentos, com um pH inferior a 4,6. Nestes alimentos apenas os microrganismos que se desenvolvem são os que alteram os alimentos, mas que não são patogénicos ao homem. 126 I: Mecanismos de transferência de energia
    • • Esterilização: significa a destruição de todos os microrganismos e seus esporos viáveis, e que podem causar doenças ao homem. Para isto, utilizam-se técnicas apropriadas por meio da aplicação de temperaturas superiores a 100°C. • A figura mostra o tipo de tratamento térmico nos diversos tipos de alimentos embalados. Alimento 1 e 2: aquecimento por convecção Alimento 3: aquecimento por convecção e também por condução Alimentos 4 e 5: aquecimento por convecção 127 I: Mecanismos de transferência de energia http://abgtecalim.yolasite.com/resources/Processamento%20T%C3 %A9rmico%20e%20Trocadores%20de%20Calor.pdf
    • J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot. 128 http://www.uff.br/fisicoquimica/docentes/raphael/didatico/maquinaavapor.htm
    • Ciclo de Carnot • Define-se ciclo de Carnot como um processo cíclico reversível que utiliza um gás perfeito, e que consta de duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas, tal como é mostrado na figura. • Ciclo de Carnot é o ciclo executado pela máquina de Carnot, idealizada pelo engenheiro francês e que tem funcionamento apenas teórico (ainda não foi possível criar uma Máquina de Carnot). • Funcionando entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente, permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria). 129 SADI CARNOT French engineer (1796–1832) http://www.slideshare.net/dougbr/05-termodinamica J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • • O rendimento da Máquina de Carnot é o máximo que uma máquina térmica pode ter trabalhando entre duas dadas temperaturas, da fonte quente e da fonte fria ( o rendimento nunca chega a 100%). • Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um sistema deve realizar ciclos entre fontes quentes e frias, continuamente. Em cada ciclo, é retirada uma certa quantidade de calor da fonte quente (energia útil), que é parcialmente convertida em trabalho, sendo o restante rejeitado para a fonte fria (energia dissipada) • Por exemplo, numa locomotiva a vapor, a caldeira representa a fonte quente, de onde é retirada uma certa quantidade de calor. Parte dessa energia térmica, denominada energia útil, é convertida em trabalho mecânico. A outra parte dessa energia, chamada energia dissipada, é libertada para a atmosfera, que, representa neste caso a fonte fria 130 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 22 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • O ciclo de Carnot (a) No processo A a B, o gás expande-se isotermicamente quando em contacto com o reservatório à temperatura Th. (b) No processo B a C, o gás expande-se adiabaticamente (Q=0). (c) No process C a D, o gás é comprimido isotermicamente quando em contacto com o reservatório à temperatura Tc < Th. (d) No process D a A, o gás é comprimido adiabaticamente. A seta no pistão indica a direção do seu movimento durante cada processo 131 Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 22 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • 132 Detalhando os processos do ciclo http://www.slideshare.net/dougbr/05-termodinamica J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • 133 http://www.slideshare.net/dougbr/05-termodinamica J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • 134 http://www.slideshare.net/dougbr/05-termodinamica J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • 135 http://www.slideshare.net/dougbr/05-termodinamica J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • • O rendimento térmico de um ciclo de Carnot pode ser expresso em função das temperaturas absolutas • Admite-se que uma máquina térmica funciona segundo um ciclo, no qual todos os processos são reversíveis. • Revertendo o ciclo, a máquina térmica transforma-se numa máquina frigorífica. • Obs: no capítulo seguinte estudaremos melhor os conceitos de rendimento e eficiência das máquinas 136 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot. quente fria T T 1η
    • Máquinas frigoríficas • Segundo o postulado de Clausius, é impossível transferir energia sob a forma de calor de forma espontânea, de uma fonte fria para uma fonte quente. Para que tal aconteça, é necessário fornecer trabalho ao sistema, e, nesse caso, temos uma máquina frigorífica. • As máquinas frigoríficas, como um frigorífico ou uma arca congeladora, recebem trabalho (através da energia eléctrica proveniente da rede eléctrica), e usam-no de modo a retirarem energia sob a forma de calor do seu interior, transferindo-a por condução para o exterior. • Deste modo, o interior de um frigorífico encontra-se a uma temperatura baixa, próxima de 0 ºC, enquanto que a parte de trás de um frigorífico está normalmente a uma temperatura superior à do meio ambiente onde se encontra. • O princípio de funcionamento de uma máquina frigorífica encontra-se esquematizado na figura 137 http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=576&ordem=3 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • Rendimento/Eficiência fria quente sai entra T T |Q| |Q| friaquente fria entrasai entra ciclo entra TT T QQ Q W Q quente fria entra sai entra saientra T T 1 Q Q 1 Q Q-Q| η | 138 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot. W ciclo= |Qentra |−|Qsai | W ciclo= |Qsai |−|Qentra | η– rendimento (<1) ε – eficiência (pode ser >1)
    • Exercício a) Se TH = 1200 K e TC = 300 K, qual a eficiência térmica? b) Se TH = 500 °C e TC = 20 °C e W ciclo = 1000 kJ, quanto é QH e QC em kJ? c) Se η=60% e TC=4,4 °C, quanto é TH? d) Se η=40% e TH=727 °C, quanto é TC? Respostas: a) 75% b) b) QH=1610 kJ e QC= 610 kJ c) 420,73 °C d) 327 °C 139 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot. http://www.slideshare.net/dougbr/05-termodinamica
    • Ciclo de Otto (motor a gasolina) 1 → 2 calor é transferido a volume constante 2 → 3 expansão adiabática; trabalho é realizado 3 → 4 calor é rejeitado a volume constante 4 → 1 o gás é comprimido adiabaticamente %25gasolina http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems/ closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html 140 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • Ciclo de Otto (motor a gasolina) 1 → 2 o gás é comprimido adiabaticamente 2 → 3 calor é transferido a volume constante 3 → 4 expansão adiabática; trabalho é realizado 4 → 1 calor é rejeitado a volume constante http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems/ closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html 141 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • Nesta animação um cilindro dotado de êmbolo é carregado e descarregado com massa, variando a força, volume e pressão. Um bico de gás fornece energia térmica ao sistema, fazendo a função da explosão nos motores de combustão interna. A curva característica do ciclo termodinâmico de Otto é traçada no diagrama PV (Pressão x Volume). Este ciclo termodinâmico está presente, por exemplo, em motores a combustão interna, que utilizam combustíveis com alto poder calorífico e que queimam rapidamente (explosão), elevando a pressão no interior do cilindro enquanto o volume permanece constante. Um motor de automóvel movido a gasolina ou álcool funciona sob este ciclo. 142 http://www.stefanelli.eng.br/webpage/p_otto.html Ciclo de Otto (motor a gasolina) J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • Ciclo de Diesel 1 → 2 calor é transferido a pressão constante 2 → 3 expansão adiabática; trabalho é realizado 3 → 4 calor é rejeitado a volume constante 4 → 1 o gás é comprimido adiabaticamente %40diesel http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems /closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html 143 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • Ciclo de Diesel 1 → 2 o gás é comprimido adiabaticamente 2 → 3 calor é transferido a pressão constante 3 → 4 expansão adiabática; trabalho é realizado 4 → 1 calor é rejeitado a volume constante http://www.ulb.ac.be/sma/testcenter/Test/solve/systems/ closed/process/specific/closedcycle/closedcycle.html 144 J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • Nesta animação um cilindro dotado de êmbolo é carregado e descarregado com massa, variando a força exercida no gás em seu interior, o volume e a pressão. Um bico de gás fornece energia térmica a este sistema, fazendo a função da explosão nos motores de combustão interna. A curva característica do ciclo termodinâmico Diesel é traçada no diagrama PV (Pressão x Volume). Este ciclo termodinâmico está presente, por exemplo, em motores a combustão interna, que utilizam combustíveis que queimam vagarosamente, empurrando o êmbolo e expandindo seu volume, enquanto a pressão no interior do cilindro permanece constante. Motores estacionários movidos a gasóleo funcionam sob este ciclo 145http://www.stefanelli.eng.br/webpage/p_diesel.html Ciclo de Diesel J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot.
    • Atalhos A Calor e temperatura. B Expansão térmica C Instrumentos de medição de temperatura. D Lei zero da Termodinâmica E Capacidade calorífica F Mudanças de fase. G Equação de um gás ideal. H 1ª Lei da Termodinâmica. I Mecanismo de transferência de calor. Coeficiente de transferência de calor. J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot. K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas. L Isolamentos térmicos – necessidade e tipos. M Permutadores de calor. N Torres de arrefecimento. O Fornos. 146
    • K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna 147 Motor de automóvel, de 8 cilindros Motor de automóvel, de 4 cilindros
    • • Máquinas térmicas são máquinas que realizam trabalho e lidam com a variação de temperatura. Normalmente, as máquinas térmicas retiram calor da fonte quente e transferem-no para a fonte fria, o que define sua eficiência. • Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor na fonte fria. • As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor (gás ou vapor em expansão térmica) para provocar a realização de um trabalho mecânico. • Por isso o cilindro com pistão móvel é um dos principais componentes dessas máquinas: o gás preso dentro do cilindro sob pressão, quando aquecido, expande-se, deslocando o pistão e realizando trabalho. • Apesar dos diferentes tipos de máquinas térmicas, todas recebem calor de uma fonte quente (reator nuclear, coletor de energia solar, fornalha a combustível, etc), rejeitam o calor que não foi usado para um reservatório chamado fonte fria e funcionam por ciclos. • As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam normalmente um fluido para receber e ceder calor ao qual se dá o nome de fluido de trabalho. 148 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Um pouco de história • 530 AC: Teodoros (Grécia) - criou o aquecimento central do templo de Diana usando o pode de expansão do ar quente. • 280 AC: o engenheiro Philon de Bizâncio descreveu um aparelho que demonstrava a relação entre a expansão do ar e a variação de temperatura, que é considerado como o precursor do termómetro. • 20 DC: engenheiro grego Heron de Alexandria descreve num livro seu um dispositivo semelhante ao de Philon, bem como apresenta, também, a descrição de uma máquina a vapor – a Eolípila (do latim Aeolipyla, que significa “porta de Eola”) -, isto é, uma esfera oca com dois tubos recurvados e presos na mesma. Fervendo então a água contida na esfera, o vapor de água resultante, ao escapar pelos tubos, fazia a mesma girar. • 1615: o engenheiro francês Salomon de Caus (1576-1626) publicou o livro intitulado Les Raisons des Forces Mouvantes (“As Razões das Forças Moventes”) no qual descreveu um sistema, baseado nas ideias de Heron, que poderia ser usado para elevar água por meio do fogo. • 1679: o médico e físico francês Denis Papin (1647-1712) inventou o digestor de calor (hoje conhecida como panela de pressão) que era constituído por um tubo com uma tampa apropriada que confinava vapor de água no interior do mesmo, até que uma alta pressão fosse conseguida e, com isso, o ponto de ebulição da água aumentava consideravelmente 149 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas http://www.cursodefisica.com.br/curiosidades/206-uma-breve-historia-das-maquinas-termicas
    • Um pouco de história • 1689: Papin inventou uma bomba centrífuga, que era uma máquina a vapor destinada a elevar água de um canal entre as cidades alemãs de Kassel e Karlshaven • 1698: o inventor e engenheiro inglês Thomas Savery (1650-1715) desenvolveu um tipo de máquina a vapor, que era um dispositivo que produzia vácuo pela condensação de vapor de água. Tal dispositivo, ao ser ligado com um tubo longo e mergulhado no interior de uma mina de carvão alagada, aspirava água devido à formação do vácuo. Por essa razão, esse dispositivo (que foi patenteado) ficou conhecido como o amigo do mineiro. • 1705: o inventor e engenheiro inglês Thomas Newcomen (1663-1729), aperfeiçoou a máquina de Savery ao construir cilindros polidos nos quais pistões (êmbulos) se ajustavam. O movimento de vaivém desses pistões devia-se, respectivamente, à expansão do vapor, já que, por causa do resfriamento decorrente dessa expansão, havia a formação de vácuo e, consequentemente, a pressão atmosférica baixava o pistão. No entanto, como a água destinada a condensar o vapor esfriava também o cilindro, desse modo, grande quantidade de calor era desperdiçada. Apesar dessa limitação, a máquina de Newcomen foi utilizada por vários anos. • 1763: A primeira máquina a vapor com dois cilindros foi projetada pelo mecânico e inventor russo Ivan Ivanovich Polzunov (1728-1766), em 1763. Ela foi construída no dia 30 de maio de 1766, três dias antes de ele morrer. Registe-se que um modelo da máquina de Polzunov se encontra no Museu de Barnaul, na Rússia, e que ainda hoje é colocada em funcionamento (en.wikipedia.org/wiki/Ivan_Polzunov). 150 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Um pouco de história • 1765: o engenheiro escocês James Watt (1736-1819), contornou o problema da máquina de Newcomen ao inventar o condensador – um dispositivo isolado para arrefecer o vapor de água – e adaptá-lo à máquina de Newcomen. Em 1769, Watt patenteou a sua invenção e começou a comercializá-la. Além disso, continuou o seu aperfeiçoamento. • 1782: Watt abandonou o uso da pressão atmosférica para baixar os pistões, e passou, então, a utilizar o próprio vapor para realizar essa tarefa. Desse modo, o vapor entrava alternativamente nas duas extremidades do pistão, e este, portanto, tanto empurrava como aspirava o vapor. Em vista disso, esse seu novo invento ficou conhecido como máquina de ação dupla • 1783; Watt introduziu a definição de cavalo-vapor (CV) *“horse-power” (HP)], ao usar um robusto cavalo e mostrar que ele poderia elevar à altura aproximada de 1,20 m, um peso de 68 kg num segundo. Hoje, essa unidade de potência, no sistema Internacional recebe o nome de watt, em sua homenagem. • 1803: o general e engenheiro militar francês Lazare Nicolas Marguerite Carnot (1753- 1823) estudou o baixo rendimento das máquinas a vapor (5-7%) usando o conceito de energia potencial. 151 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Um pouco de história • 1824: O estudo do rendimento da máquina a vapor iniciado por Lazare Carnot, em 1803, foi retomado por seu filho, o físico francês Nicolau Léonard Sadi Carnot (1796-1832. Carnot descreve uma máquina ideal, sem atrito, que realiza um ciclo completo, de modo que a substância usada – vapor, gás ou outra qualquer – é levada de volta a seu estado inicial. Desse modo, Carnot afirmou: - A potência motriz do fogo (calor) é independente dos agentes utilizados para a produzir; a sua quantidade é determinada somente pelas temperaturas dos corpos entre os quais, no resultado final, ocorre a transferência de calor. Nesse ciclo, mais tarde conhecido como ciclo de Carnot, o calor era transformado em “força mecânica” e essa transformação dependia apenas da diferença de temperatura absoluta entre a da fonte quente (caldeira: TQ) e a da fonte fria (condensador: TF). • 1825: uma aplicação prática da máquina a vapor, foi a locomotiva a vapor – a Active - construída pelo engenheiro e inventor inglês George Stephenson (1781-1848). Com essa locomotiva ele transportou, em 17 de setembro de 1825, pela primeira vez, 450 pessoas no trajeto Darlington-Stockton, na Inglaterra, com uma velocidade de 24 km/h. Em 15 de setembro de 1830, construiu uma nova locomotiva a vapor - a Rocket -, que desenvolvia uma velocidade de 58 km/h, usada no trajeto Liverpool-Manchester. • 1794: o engenheiro inglês Robert Street patenteou o primeiro motor de combustão interna (MCI) que consistia num pistão ligado a um braço articulado que operava uma bomba de água. 152 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Um pouco de história • 1826: o engenheiro inglês Samuel Brown patenteou o motor a gás • 1838: o engenheiro inglês William Barnett construiu o primeiro motor de dois tempos (MCI- 2T) (“two-stroke”) usando uma bomba externa de ar e combustíve. • 1860: o engenheiro francês Jean Joseph Étienne Lenoir (1822-1900) patenteou MCI-2T que utilizava válvulas tubulares deslizantes e tendo o gás de iluminação como seu principal combustível . • 1862: o engenheiro francês Alphonse Eugène Beau de Rochas (1815-1893) patenteou o princípio do MCI com um “ciclo de quatro tempos” (MCI-4T) • 1876: o engenheiro alemão Nikolaus August Otto (1832-1891) construiu o MCI-4T proposto por Beau de Rochas. Nesse tipo de motor, uma mistura de gás de carvão (usados nas cidades) com ar era queimada formando gases quentes, que se expandem rapidamente e empurram os pistões do motor, levando-os a mover-se em quatro tempos – o famoso ciclo Otto. • 1879: o engenheiro russo Ogneslav Stefanovich Kostovich (1851-1916) começou a construir um motor Otto que funcionaria com combustível líquido leve, e que foi concluído em 1883. • 1883: Um outro tipo de máquina térmica foi construído pelo engenheiro sueco Carl Gustav Patrik de Laval (1845-1913). Trata-se da turbina a vapor (de impulsão e de reação), que atingia a velocidade de 42.000 rotações por minuto (rpm), e usada como desnatadeira (máquina para tirar nata ou gordura do leite) 153 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Um pouco de história • 1885: o engenheiro alemão Gottlieb Wilhelm Daimler (1834-1900) patenteou o primeiro MCI no qual usou vapor de gasolina em lugar de gás de carvão, cuja ignição, diferente da chama permanente como Otto fizera, em 1876, era feita com um sistema de ignição elétrica. • 1892: o engenheiro alemão Rudolf Christian Karl Diesel (1858-1913) patenteou o hoje famoso ciclo Diesel, no qual a temperatura e a pressão no cilindro de um motor Otto eram mantidas constantes durante a combustão; desse modo, muito mais calor era assim criado e que se transformava em energia. Um ano depois, em 1893, Diesel construiu o primeiro MCI usando o ciclo que havia idealizado, usando, no entanto, óleo pesado em vez de gasolina. • Como conclusão, é interessante destacar que a fissão nuclear descoberta em 1938 substituiu o combustível (inicialmente sólido e depois líquido) para vaporizar a água nas máquinas térmicas, resultando nas atuais centrais nucleares. 154 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • A primeira máquina a vapor 155 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas http://www.feiradeciencias.com.br/cientistas/watt.asp James Watt (1736 - 1819)
    • A máquina de Watt 156 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas http://viktor-aeradasmaquinas.blogspot.com/2010/09/o-escoces-james-watt.html
    • O vapor proveniente da caldeira entra (A) pela extremidade esquerda do cilindro, empurrando-o para a direita. O vapor que estava à direita escapa pela saída €. Uma válvula deslizante desloca-se então para a esquerda, fechando a entrada de vapor e abrindo a entrada da direita. Nesse instante o pistão recebe a pressão dessa nova entrada de vapor e desloca-se para a esquerda. Um novo movimento da válvula deslizante permite a entrada de vapor à esquerda e o ciclo se repete. 157 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas A máquina térmica de Watt deu origem a novos modelos mais aperfeiçoados, onde se destaca aquele usado nas locomotivas a vapor.
    • Vídeos de motor a vapor (clique na foto) 158http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fa/Steam_engine_operating.ogv http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cc/St eam_engine_in_Science_Museum_Power_gallery.ogvhttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_t%C3%A9rmica K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 159 http://ciencia.hsw.uol.com.br/motor-a-vapor1.htm K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/rankine.html 160 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 161 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 162
    • 163 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas http://www.uff.br/fisicoquimica/docentes/raphael/didatico/maquinaavapor.htm Funcionamento da locomotiva a vapor segundo um Ciclo de Carnot:. A cor rosa o "vapor vivo", procedente da caldeira, entrando no cilindro. A cor azul o vapor exausto que escapa do cilindro.
    • Motor de combustão interna O motor baseado no ciclo ideal Otto caracteriza-se por ter uma ignição por faísca. Este tipo é o mais comum em automóveis de passeio e motocicletas. Existem processos alternativos em motores experimentais para iniciar a queima como o uso de microondas ou uma injeção piloto. http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna 164 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Motor a Explosão 165 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 166 •Etapa de O para A: o pistão move-se para baixo, a mistura gasosa de ar e gasolina entra para o cilindro, à pressão atmosférica, e o volume aumenta de V2 para V1. Assim, entrou energia para o sistema (interior do cilindro) sob a forma de energia potencial química das moléculas de gasolina. •Etapa de A para B: o pistão move-se para cima e comprime adiabaticamente (sem que hajam trocas de energia sob a forma de calor) a mistura gasosa, do volume V1 para o volume V2. Deste modo, a temperatura da mistura aumenta de TA para TB, e há a realização de trabalho sobre o gás. •Etapa de B para C: a mistura gasosa está muito comprimida e encontra-se a uma temperatura superior à inicial, ocorrendo então uma pequena descarga eléctrica que provoca a combustão da mistura gasosa . Durante o curto espaço de tempo que dura esta etapa, a pressão e a temperatura no interior do cilindro aumentam rapidamente, com a temperatura a aumentar de TB para TC. No entanto, o volume permanece praticamente constante devido ao intervalo de tempo ser muito curto, logo, não existe trabalho realizado pelo sistema, ou sobre o sistema. http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=578 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 167 • Etapa de C para D: os gases resultantes da combustão expandem adiabaticamente do volume V2 para o volume V1. Esta expansão adiabática provoca a descida de temperatura de TC para TD, sendo realizado trabalho pelo gás, ao empurrar o pistão para baixo. • Etapa de D a A: a válvula de saída dos gases do interior do cilindro é aberta e a pressão diminui num curtíssimo intervalo de tempo. Durante esse tempo, o pistão encontra-se praticamente parado na posição mais baixa do cilindro, logo, o volume é constante e por isso não há a realização de trabalho. • Etapa de A a O: o pistão move-se para cima, enquanto que a válvula permanece aberta, permitindo, assim, a saída dos gases resultantes da combustão. O volume diminui de V1 para V2, e a partir desse momento o ciclo volta a repetir-se. http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=578 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 168
    • 169
    • http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-carros.htm 170 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • http://carros.hsw.uol.com.br/motores-de-carros1.htm 171 4 cilindros em linha 6 cilindros em V 4 cilindros opostos K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 172 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • • O Ponto morto superior (PMS): é a posição do pistão onde se alcança o ponto máximo de altura antes de começar a baixar. • O Ponto morto inferior (PMI): é a posição mais baixa do pistão antes de começar a subir. http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/motors.html 173 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 174 http://techni.tachemie.uni-leipzig.de/otto/index_e.html Clicar na figura
    • Motor a 2 tempos http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/dos_t.html 175 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Arbeitsweise_Zweitakt.gif
    • Motor a 2 tempos http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/dos_t.html 176 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • http://videos.howstuffworks.com/howstuffworks/40346- the-stuff-of-genius-diesel-engine-video.htm Vídeo Motor a diesel http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna Os motores Diesel caracterizam-se pela ignição por compressão. O fluido de trabalho (normalmente ar) é comprimido sem ser misturado ao combustível e quando o combustível é injetado no fluido comprimido e quente, inflama-se. As máquinas que impulsionam veículos pesados como camiões, comboios e navios, usualmente são baseadas no ciclo ideal de Diesel, o que não se refere ao combustível utilizado e sim ao ciclo termodinâmico em que operam. 177 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 178 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 179
    • As turbinas a gás são máquinas puramente rotativas, existem em diversas formas construtivas, sempre contendo três sistemas básicos: compressor, câmara de combustão e turbina propriamente dita. As características de cada projeto são funções do meio de transmissão de potência (por eixo ou jato de gases), dos combustíveis utilizados, do porte, das temperaturas de trabalho entre outras variáveis. Em relação às demais máquinas as turbinas tem característica de ter a maior densidade de potência, ou seja capacidade por peso. Devido a isso, são frequentemente empregues nos aviões. Turbina a gás http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_g%C3%A1s 180 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Este conjunto opera em ciclo aberto, ou seja, o fluido de trabalho (ar) é admitido à pressão atmosférica e os gases de escape, após passarem pela turbina, são descarregados para a atmosfera sem que retornem à admissão A denominação turbina a gás pode ser erroneamente associada ao combustível utilizado. A palavra gás não se refere à queima de gases combustíveis, mas, sim ao fluido de trabalho da turbina, que é neste caso a mistura de gases resultante da combustão. O combustível em si pode ser gasoso, como gás natural, gás liquefeito de petróleo (GLP), gás de síntese ou líquido, como querosene, óleo diesel e até mesmo óleos mais pesados. http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_g%C3%A1s Compressor de 17 estágios Câmaras de combustão 181 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 182 Descrição do funcionamento de uma turbina Turbofan. admissão: azul compressão: rosa combustão: amarelo escape: vermelho http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbinas_aeron%C3%A1uticas O ar admitido na turbina passa pelo compressor onde sofre um aumento de temperatura e pressão. Este ar comprimido é admitido numa câmara de combustão, onde a sua temperatura aumenta rapidamente num processo isobárico. À saída da câmara de combustão, os gases quentes e a grande pressão são direcionados para uma turbina, normalmente de múltiplos estágios e ligada ao compressor por um eixo. Nela, parte da energia dos gases é extraída para mover o compressor. Os gases ainda saem com elevada temperatura e velocidade de modo a impulsionar o avião. K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 183
    • 184 Interior da Turbina de um avião de passageiros K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 185 Fábrica Siemens – Berlim Turbina a gás Siemens SGT5-8000H Vídeos de turbinas (clicar na figura) http://www.energy.siemens.com/br/en/power-generation/gas-turbines/sgt5-8000h.htm K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Turbina industrial a gás 186 http://www.energy.siemens.com/br/pool/hq/energy- topics/videos/Siemens_SGT100_Animation.swf K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas Turbina industrial a gás Siemens SGT-100, de 4,35 a 5,7 MW, para produção de energia, por exemplo em plataformas petrolíferas offshore Siemens SGT-100 : animação com som real (atenção ao volume) de turbina ( necessário Adobe Media Player) Vários vídeos
    • TURBINA A VAPOR 187 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Turbina a vapor A Turbina a vapor é um equipamento que aproveita a energia térmica do vapor e a transforma em energia mecânica; É um equipamento com boa eficiência quando utilizado em condições de projeto.; Essa energia mecânica pode ser utilizada para mover equipamentos diversos; Quando acoplada a um gerador, a turbina permite a transformação da energia mecânica em energia elétrica. http://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina 188 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Turbina a vapor • Vapor a alta pressão e a alta velocidade incide sobre as palhetas móveis • Conversão de energia cinética em mecânica • Queda da pressão de vapor implica diminuição da entalpia associada • Transformação da variação de entalpia em energia cinética http://www.metodoeventos.com.br/4eficienciaenergetica/downloads/2 3-05-2007/sala2/jay_milhomens.pdf 189 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 190 • Utilizam a Pressão de Vapor e a sua expansão nas rodas móveis • O Vapor expande-se nas Palhetas fixas e nas rodas móveis http://www.metodoeventos.com.br/4eficienciaenergetica/downloads/23-05- 2007/sala2/jay_milhomens.pdf http://fabioferrazdr.files.wordpress.com/2008/08/turbinas-a-vapor.pdf Aro de consolidação, Disco rotor, e Coroa de palhetas Foto de uma secção de palhetas K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • O 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 numa turbina não há peças alternativas. Motores do tipo Wankel oferecem, em relação aos motores a pistão, as vantagens de produzir menos vibrações, já que são puramente rotativos. Possuem maior densidade de potência, ou seja, mais potência do que um motor a pistão de mesma cilindrada e necessitam de menos peças na sua construção. Como desvantagem, eles aquecem mais, geram mais gases poluentes, têm maior manutenção dos elementos de vedação e são de manufactura mais complexa do que um motor a pistão. http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_3/frigo.html 191 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 192 http://www.youtube.com/watch?v=6BCgl2u umlI&feature=related
    • 193
    • http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combust%C3%A3o_interna O motor Quasiturbine foi patenteado em 1996 e é uma variação do motor Wankel. Recebeu este nome pelo fato de seu funcionamento contínuo ser quase igual ao de uma turbina. 194 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Máquina Frigorífica Uma máquina frigorífica é um tipo de máquina térmica geradora que transforma algum tipo de energia, habitualmente mecânica, em energia térmica para obter e manter num recinto uma temperatura menor que a temperatura exterior. A energia mecânica necessária pode ser obtida previamente a partir de outro tipo de energia, como a energia elétrica mediante um motor elétrico http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_frigor%C3%ADfica 195 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • A serpentina onde é libertado o calor que é retirado do frigorífico, está situada na parte posterior do aparelho. 196 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 197 http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_frigor%C3%ADfica http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bac h/tecind2/Tema_3/frigo.html Uma máquina frigorífica deve conter, no mínimo, os seguintes 4 elementos: Compressor – é o elemento que fornece energia ao sistema. O Fluido refrigerante chega no estado gasoso ao compressor e é comprimido. Condensador – é um permutador de calor onde se dissipa o calor absorvido no evaporador (mais adiante) e a energia do compressor. No condensador o fluido refrigerante muda de fase passando de gasoso a líquido. Válvula de expansão – o refrigerante líquido entra na válvula de expansão onde reduz a pressão. Esta redução de pressão é acompanhada por uma diminuição de temperatura. Evaporador – o fluido a baixa pressão e temperatura passa pelo evaporador, que, tal como o condensador, é um permutador de calor e absorve o calor do meio ambiente onde está situado. O refrigerante líquido que entra no evaporador transforma-se em gás ao absorver o calor. Tanto no condensador como no evaporador a transferência energética realiza-se na forma de calor latente. Resumindo: o evaporador absorve o calor do meio que queremos arrefecer, o compressor aumenta a pressão do refrigerante para facilitar a condensação posterior e possibilitar a circulação do fluido. A válvula de expansão reduz a pressão provocando o arrefecimento do fluido K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas Clicar em cada etapa
    • 198 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas Sistema de Refrigeração Iniciar e Parar (botão dir. rato > reproduzir
    • 199 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Rendimento/Eficiência fria quente sai entra T T |Q| |Q| friaquente fria entrasai entra ciclo entra TT T QQ Q W Q quente fria entra sai entra saientra T T 1 Q Q 1 Q Q-Q| η | 200 W ciclo= |Qentra |−|Qsai | W ciclo= |Qsai |−|Qentra | η– rendimento (<1) ε – eficiência ( >0) K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • bomba de alimentação Fonte quente T1 Fonte fria T2 água condensador Wcaldeira válvula expansão adiabática vapor superaquecido |Q1| |Q2| vapor frio Máquina térmica http://www.ifi.unicamp.br/~grad/f228/1S2011/aulas/F228_1S2011_Aula06.pdf 201 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Fonte fria T2 Fonte quente T1 Motor térmico |Q1| |Q2| W Máquina térmica O diagrama ao lado representa o processo cíclico de uma máquina térmica e T1>T2 210 QQWU Como Q1> 0, Q2< 0 e W > 0 |||| 21 QQW 202 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • 203 Fonte fria T2 Fonte quente T1 Motor térmico |Q1| |Q2| W O rendimento de uma máquima térmica absorvidocalor executadotrabalho Q W 1 || || 1 1 2 Q Q )1( K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas Máquina térmica
    • válvula Fonte quente T1 Fonte fria T2 Gás a alta pressão Gás a baixa pressão Compressor W Líquido a alta pressão Líquido a baixa pressão Condensador Evaporador |Q2| |Q1| válvulas Máquina Frigorífica 204 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Fonte fria T2 Fonte quente T1 Refrige- rador |Q1| |Q2| W Máquina Frigorífica O diagrama ao lado representa o processo cíclico de uma máquina térmica e T1>T2 210 QQWU Como Q1< 0, Q2> 0 e W < 0 |||||| 21 QQW 205 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Fonte fria T2 Fonte quente T1 Refrige- rador |Q1| |Q2| W O coeficiente de desempenho de um refrigerador ou eficiência, K ou ε fornecidotrabalho absorvidocalor W Q || || 2 |||| || 21 2 QQ Q )0( 206 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas Máquina Frigorífica
    • Exercício a) Se TH = 1200 K e TC = 300 K, qual a eficiência térmica? b) Se TH = 500 °C e TC = 20 °C e W ciclo = 1000 kJ, quanto é QH e QC em kJ? c) Se η=60% e TC=4,4 °C, quanto é TH? d) Se η=40% e TH=727 °C, quanto é TC? Respostas: a) 75% b) b) QH=1610 kJ e QC= 610 kJ c) 420,73 °C d) 327 °C 207 http://www.slideshare.net/dougbr/05-termodinamica K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • Rendimentos típicos de algumas máquinas térmicas 208http://www.slideshare.net/dougbr/termodinmica-aula-1 K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas
    • L Isolamentos térmicos – necessidade e tipos. 209 http://www.greentime.pt/obras-em-casa/2011/08/isolamento- termico-de-paredes/ http://www.prefal.com.pt
    • 0- Introdução • O isolamento térmico consiste em proteger as superfícies aquecidas, como a parede de um forno, ou arrefecidas, como a parede de um refrigerador, através da aplicação de materiais de baixa condutividade térmica (k). • OBJETIVO: minimizar os fluxos de calor, quer por problemas técnicos (segurança, evitar condensação), quer por problemas económicos (economizar energia), ou ainda por critério de conforto térmico. • FUNDAMENTO : normalmente, os materiais isolantes são porosos, e aprisionam o ar ( k = 0,02 kcal/h.m.ºC, quando parado) nas pequenas cavidades do material sólido, evitando sua movimentação, e impedindo a convecção. Por isto, materiais porosos com poros pequenos e paredes finas de materiais de baixo valor de k, ilustrados na Figura 1, resultam em bons isolantes térmicos. 210 http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL _Vol_II_-_Isolamento_Termico.pdf L Isolamentos Térmicos http://www.dem.uminho.pt/UCs/MEC/Energia_Amb_2/Reserv adoEnergia_Amb_2/Textos/IsolamentoT%C3%A9rmico.pdf
    • 211 1- Razões para fazer o Isolamento O uso de isolamento não só limita o fluxo de energia. Várias razões podem ser apontadas para se usar o isolamento, nomeadamente: · conservação de energia; · protecção pessoal e conforto; · manutenção da temperatura a um valor constante; · redução das variações de temperatura e flutuações; · prevenção da condensação e da corrosão; · protecção ao fogo; · protecção ao congelamento; · redução do ruído e vibração, · estética. L Isolamentos Térmicos
    • 212 2- Classificação dos Isolamentos Térmicos L Isolamentos Térmicos Existem diversos tipos de isolamento disponíveis no mercado e, por vezes, a seleção do tipo de isolamento mais adequado pode tornar-se um trabalho difícil. Contudo, é de grande ajuda classificá-los em grupos para ter uma melhor perspectiva dos mesmos. Os isolamentos exibem variações consideráveis na sua estrutura, mas podem ser classificados em quatro principais grupos: isolamento fibroso, isolamento celular, isolamento granular e isolamento reflectivo. Isolamento Fibroso Tal como o nome indica, o isolamento fibroso é composto por fibras de pequeno diâmetro que preenchem um espaço de ar. As fibras podem ser orgânicas (lã ou pêlo de animal, algodão, madeira, tecido, cana e fibras vegetais) ou inorgânicas (lã de rocha, fibra de vidro e fibras cerâmicas). Lã de rocha é muito usada em aplicações a altas temperaturas (até 1100 ºC). Fibra de vidro é relativamente barata e é possível usar desde –30 até 450 ºC, dependendo da estrutura interna e sua ligação. Fibra cerâmica é um composto sílica-alumínio e pode ser usado para altas temperaturas como 1750 ºC.
    • 213 2- Classificação dos Isolamentos Térmicos L Isolamentos Térmicos Isolamento celular O isolamento celular é caracterizada por uma estrutura celular, feita de matérias celulares, tais como: cortiça, espuma de plástico, vidro, poliestireno, poliuretano e outros polímeros. Vidro celular é impermeável e não combustível e pode ser usado em interiores, exteriores e subterrâneos numa gama de temperaturas de –180 a 650 ºC. As espumas de plástico comuns, incluindo poliuretano, poliestireno e poli-isocianurato têm temperaturas de serviço de 105 ºC, 135 ºC e 150 ºC, respetivamente. Isolamento granular Os isolamentos granulares são caracterizados por pequenos nódulos com vazios. Silicato de cálcio, vermiculate e perlite são os melhores isolamentos celulares conhecidos e não são combustíveis. Perlite é um vidro de rocha vulcânica e pode ser usado para temperaturas na gama de 15 a 815 ºC. Silicato de cálcio reforçado com fibras orgânicas e inorgânicas é moldado na forma rígida e pode ser usado para temperaturas na gama de 15 a 815 ºC. O silicato de cálcio pode absorver água quando molhado mas seca facilmente sem qualquer prejuízo no seu desempenho.
    • 214 2- Classificação dos Isolamentos Térmicos L Isolamentos Térmicos Isolamento refletivo Os isolamentos refletivos são baseados na reflexão da radiação térmica incidente numa superfície através do uso de superfícies altamente reflectivas (baixa emissividade). O isolamento reflectivo pode ser usado para minimizar o fluxo de calor por radiação, ou pode ser usado como cobertura em superfícies expostas à radiação para combater tanto a radiação como a condução.
    • 3- Características de um bom isolante • Baixo valor de k Quanto menor o k, menor será a espessura necessária para uma mesma capacidade isolante. Apenas a título ilustrativo, a figura mostra algumas espessuras (em mm) de alguns materiais, baseados na mesma capacidade de isolamento. • Baixa capacidade higroscópica Capacidade higroscópica é a propriedade do material relacionada com a absorção de água. A água, ao penetrar nos poros, substitui o ar, aumentando o valor de K. (K da água é 25 vezes maior que o do ar) Além disto, quando se tratar de isolamento de ambientes cuja temperatura seja inferior a 10ºC, existe a possibilidade da água absorvida passar para o estado sólido com consequente aumento de volume, o que causará ruptura das paredes isolantes. 215 L Isolamentos Térmicos http://www.dem.uminho.pt/UCs/MEC/Energia_Amb_2/Reserv adoEnergia_Amb_2/Textos/IsolamentoT%C3%A9rmico.pdf
    • 3- Características de um bom isolante • Baixa massa específica Em certas aplicações, um bom isolante precisa ser leve, de modo a não sobrecarregar desnecessariamente o aparelho isolado, principalmente no caso de aviões, barcos, automóveis, ou ainda no caso de forros ou outras partes de fábricas e edifícios onde o material terá de ficar suspenso. • Resistência mecânica compatível com o uso De maneira geral, quanto maior a resistência mecânica do material isolante, maior será o número de casos que ele poderá resolver, além do que apresentará menor fragilidade, o que é conveniente nos processos de transportes e no tocante à facilidade de montagem. • Incombustibilidade, estabilidade química, outros Uma série de outras características serão necessárias, dependendo da aplicação a que o material isolante se destina. 216 L Isolamentos Térmicos
    • 3- Características de um bom isolante • Refletividade e Emissividade da superfície Quando existe uma grande diferença de temperatura entre a superfície exposta do isolamento e as superfícies vizinhas, a transferência de calor por radiação torna-se importante. Nestes casos, a radiação pode ser minimizada usando um isolamento revestido com uma superfície que tem alta reflectividade e baixa emissividade.. • Saúde e Segurança Os isolamentos não devem colocar as pessoas em sérios riscos de saúde e segurança quando expostos a eles durante o transporte, armazenamento, instalação ou utilização. Saliente-se a toxicidade e a resistência ao desenvolvimento de fungos e bactérias. • Acústica Os materiais isolantes têm vários graus de capacidade de absorção do som, dependendo da sua massa específica, estrutura física e porosidade da superfície. 217 L Isolamentos Térmicos
    • 3- Características de um bom isolante • Corrosão Alguns materiais são corrosivos e podem provocar a corrosão das superfícies metálicas nas quais estão instalados. • Outras propriedades que podem ser importantes  resistência à montagem;  permanência;  facilidade de montagem;  acabamento;  uniformidade dimensional;  contracção;  resistência a reacções químicas;  resistência à combustão;  retardamento ao fogo;  carga de ruptura;  força de compressão;  capilaridade;  reutilização;  tamanhos e espessuras disponíveis,  custo. 218 L Isolamentos Térmicos
    • 4. Materiais isolantes básicos • O amianto é um mineral que possui uma estrutura fibrosa, do qual se obtém fibras individuais. O amianto de boa qualidade deve possuir fibras longas e finas e além disto, infusibilidade, resistência e flexibilidade. • O carbonato de magnésio é obtido do mineral "dolomita", e deve a sua baixa condutividade ao grande número de microscópicas células de ar que contém. • A sílica diatomácea é formada por pequenos animais marinhos cuja carapaça se depositou no fundo dos lagos e mares. • A vermiculite é uma "mica" que possui a propriedade de se dilatar em um só sentido durante o aquecimento. O ar aprisionado em bolsas entre as camadas de mica torna este material um bom isolante térmico. 219 http://www.ff.up.pt/toxicologia/monografias/ano0 304/Amianto/index.htm http://www.calorisol.com/silica_diatomacea.htm http://www.epa.gov/asbestos/pubs/verm.html A maioria dos isolantes usados industrialmente são feitos de amianto, carbonato de magnésio, sílica diatomácea, vermiculite, lã de rocha, lã de vidro, cortiça, plásticos expandidos, aglomerados de fibras vegetais, silicato de cálcio. L Isolamentos Térmicos
    • • A lã de rocha ou lã mineral, assim como a lã de vidro, são obtidas fundindo minerais de sílica num forno e vertendo a massa fundida num jato de vapor a grande velocidade. O produto resultante, parecido com a lã, é quimicamente inerte e incombustível, e apresenta baixa condutividade térmica devido aos espaços com ar entre as fibras. • A cortiça é proveniente da casca de uma árvore e apresenta uma estrutura celular com ar encerrado entre as células. • Os plásticos expandidos e extrudidos (essencialmente poliestireno e poliuretano). Durante a fase de fabrico dos expandidos, sofrem uma expansão por ação de um gás ou vapor, com formação de bolhas internas microscópicas. 220 http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?opti on=com_content&task=view&id=248&Itemid=422 http://www.apcor.pt/artigo/235.htm http://www.oms-mat.com/index.php?abrir=poliestireno_extrudido http://www.cm- santiagocacem.pt/Actualidade/galeriamultime dia/Freguesia%20de%20S%20Francisco%20 da%20Serra/Forms/DispForm.aspx?ID=11 L Isolamentos Térmicos
    • Quadro resumo Material Forma Aplicação Massa volúmica kg m-3 Condutividade térmica Wm-1K-1 Tempertura utilização ºC Lã de Vidro Manta, feltro, placa, tubos Construção civil, ar condicionado, tubagens industriais 13 – 85 0.033 – 0.042 (0ºC a 50ºC) -30 a +750 Lã de Rocha “ “ 21 - 180 0.030 – 0.220 (10ºC a 700ºC) -200 a +800 Poliestireno Extrudido placa Paredes, coberturas, telhados < 85 0.028 - 0.044 (-40ºC a +40ºC) -45 a +175 Poliestireno Expandido Placa, cilindro, perlas “ 10 – 25 0.033 – 0.047 (20ºC) -45 a +175 Poliuretano Placas, spray Câmara frigorifica portas, janelas, 200 – 100 0.016 – 0.026 -200 a +130 Silicato de cálcio Reforçado com fibras Tubagens, equipamentos 200 0.052 – 0.067 (150ºc a 300ºC) < 800 L Isolamentos Térmicos
    • 5- Formas dos isolantes • Os isolantes térmicos podem ser adquiridos em diversas formas, dependendo da constituição e da finalidade à qual se destinam. Alguns exemplos comuns encontrados são: • Calhas São aplicadas sobre paredes cilíndricas, e fabricadas a partir de cortiça, plásticos expandidos, fibra de vidro impregnadas de resinas fenólicas, etc. • Mantas São aplicadas no isolamento de superfícies planas, curvas ou irregulares, como é o caso de fornos, tubulações de grande diâmetro, etc. 222 http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL_Vol_II_-_Isolamento_Termico.pdf L Isolamentos Térmicos
    • • Placas São normalmente aplicadas no isolamento de superfícies planas, como é o caso de câmaras frigoríficas, estufas, fogões, etc. • Segmentos São normalmente aplicados em tubulações de grande diâmetro, tanques e equipamentos cilíndricos de grandes dimensões, onde é difícil aplicar calhas pré-moldadas. Em geral, são feitos a partir de silicato de cálcio ou lã de vidro. Oferecem grande durabilidade e podem ser utilizados tanto em ambientes internos quanto externos. • Flocos São normalmente aplicados para isolar locais de difícil acesso, ou ainda na fabricação de mantas costuradas com telas metálicas. São fabricados a partir de lãs de vidro e de rocha. 223 http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL_Vol_II_-_Isolamento_Termico.pdf L Isolamentos Térmicos
    • • Cordas São aplicadas no isolamento de registros, válvulas, juntas, cabeçotes, etc, principalmente em locais sujeitos a desmontagem para manutenção periódica. • Papel O papel de fibra de cerâmica é refratário, apresenta baixo peso, e é processado a partir de uma mistura de fibras de sílica e alumina de alta pureza em uma folha uniforme, altamente flexível. É fácil de manusear e pode ser cortado rapidamente por uma faca, tesourão ou matrizes de corte de aço comum. Sua flexibilidade permite que seja dobrado e enrolado para adaptar- se às configurações mais complexas. • Pulverizados São aplicados no isolamento de superfícies com configurações irregulares, ou ainda no preenchimento de vãos de difícil acesso. • Pré-formados (moldados) São peças especiais fabricadas conforme especificações e desenhos solicitados pelo cliente, podendo apresentar uma variedade de formatos. 224 http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL_Vol_II_-_Isolamento_Termico.pdf L Isolamentos Térmicos
    • 6- Cálculo de espessuras de isolamentos O cálculo leva em conta as limitações de temperatura e questões económicas: • Limitação da Temperatura Tanto externamente (caso de um forno no qual a temperatura externa não deve ser maior do aquela que causa queimaduras nos trabalhadores) quanto interiormente (como em um recinto onde devemos ter a temperatura superior a de orvalho, de modo a evitar a condensação e gotejamento de água), o cálculo da espessura isolante poderá ser feito fixando as temperaturas envolvidas e calculando a espessura isolante necessária. Como exemplo, o cálculo da espessura isolante Li de um forno, pode ser feito considerando que a temperatura T4 da superfície é fixada por razões de segurança. Conhecendo-se as temperaturas dos ambientes e os coeficiente de película dos ambientes interno e externo e ainda as condutividades térmicas dos materiais das paredes, o cálculo pode ser feito considerando as resistências térmicas entre T1 e T4 e entre T4 e T5, obtemos as seguintes expressões para o fluxo de calor 225http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL_Vol_II_-_Isolamento_Termico.pdf L Isolamentos Térmicos
    • • espessura isolante mais económica A medida que se aumenta a espessura de isolante de qualquer superfície, o regime de perda de calor da superfície diminui, porém, aumenta o custo do isolamento. A espessura mais económica do isolamento é aquela para a qual a soma do custo anual da perda de calor e do custo anual do isolamento seja mínimo. O processo de cálculo consiste em determinar as quantidades de calor perdidas considerando a aplicação de várias espessuras de isolamento, obtendo-se a quantidade de calor anual, considerando o tempo de utilização do equipamento. O valor do calor perdido deve ser convertido em custo financeiro, considerando o custo da produção do calor. A seguir, considerando o custo do isolamento nas várias espessuras calculadas, determinam- se os custos anuais do isolamento desde que se considere o tempo de amortização em anos para a instalação. 226 L Isolamentos Térmicos
    • • Colocando num gráfico em abcissa a espessura do isolamento e em ordenadas o custo anual, obtém-se uma curva decrescente para o custo do calor perdido, e uma curva ascendente para o custo do isolamento. Evidentemente a soma dos custos (custo do calor perdido mais custo do isolamento) resultará numa curva que deverá passar por um mínimo, ou seja, para determinada espessura de isolante haverá um custo mínimo anual. • A espessura ótima do isolante é aquela que apresenta um custo total ( custo do calor perdido + custo do isolante ) mínimo, como pode ser observado na Figura 227 http://wiki.sj.cefetsc.edu.br/wiki/images/e/ee/TCL_Vol_II _-_Isolamento_Termico.pdf L Isolamentos Térmicos
    • M Permutadores de calor 228 http://zpi.ptfos.hr/proj_proc/lect3%5B1%5D.ppt
    • Permutadores de calor são equipamentos em que dois fluidos com temperaturas diferentes trocam calor através de uma interface metálica. Esta troca térmica permite aquecer ou arrefecer fluidos de acordo com as necessidades do processo industrial e/ou recuperar energia que seria perdida para o meio ambiente. Neste processo de permuta térmica, pode haver ou não mudança de fase (condensação ou vaporização) dos fluidos envolvidos São designados de várias maneiras: Caldeiras, condensadores, evaporadores, permutadores carcaça-tubos, etc Têm diversas aplicações: Ar condicionado, refrigeração, criogenia, centrais térmicas, indústria química, indústria automóvel, energia solar, etc. 229 http://www.slideshare.net/dougbr/04-termodinmica http://knol.google.com/k/orlando-costa/treinamento-para-inspetores- de/12pcr2403lwd/2# M Permutadores de Calor
    • Classificação geral dos permutadores quanto à Finalidade 230 Permutadores (Finalidade) Aquecimento Aquecedor (Heater) Aquece um fluido recebendo calor de vapor de água ou fluido quente Reebulidor (Reboiler) Vaporiza um líquido recebendo calor, normalmente de vapor de água Gerador de Vapor (Steam generator) Gera vapor de água Arrefecimento Arrefecedor (Cooler) Arrefece fluidos do processo cedendo calor para a água de arrefecimento Condensador (Condenser) Condensa vapores cedendo calor para a água de arrefecimento Permuta Intercambiador (Exchanger) Permuta calor entre dois fluidos do processo. Aproveita energia de um fluido que precisa de ser arrefecido e transfere para outro que necessita de ser aquecido M Permutadores de Calor
    • Permutadores (construção) 1 Casco eTubos 2 Tubo Duplo ou Bitubulares 3 Arrefecedor a ar 4 Placas 5 Espiral Classificação geral dos permutadores quanto à Construção 231 M Permutadores de Calor
    • Na escolha do tipo de permutador deve-se atender a alguns aspetos: Características dos fluidos: caudais, pressões, temperaturas dos fluidos Custo do equipamento Transferência de calor pretendida Facilidade de manutenção Facilidade de limpeza Corrosão 232 M Permutadores de Calor
    • Permutadores de Casco e Tubos (Shell and Tube) Descrição geral resumidamente, consiste num casco que contém no seu interior um feixe de tubos. Um dos fluidos passa pelo casco (fluido do lado casco) e o outro passa pelo feixe de tubos (fluido do lado tubos), sendo a troca térmica realizada através das paredes dos tubos do feixe. 233 http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4AC/1-5-permutadores-calor Partes principais Feixe de Tubos - é um conjunto de tubos presos pelas suas extremidades a duas placas, denominadas espelhos. O feixe atravessa chapas metálicas denominadas chicanas, colocadas espaçadamente entre os espelhos, que permitem melhorar a troca térmica pois aumentam o tempo de residência e a turbulência do fluido que passa no casco. http://www.slideshare.net/dougbr/04-termodinmica M Permutadores de Calor 1
    • • Os tubos são fabricados de diversas ligas de materiais metálicos ferrosos e não ferrosos. • O tipo de cabeça pode ser boleado (como o da figura), fixo ou flutuante. • O tipo de casco pode ser de uma ou duas passagens, fluxo dividido por defletor, etc 234 Saída entrada dos tubos no casco chicanas Cabeça espelho casco saída entrada nos do casco tubos M Permutadores de Calor
    • Tubos dobrados em U Para uso com cabeçotes de retorno. Deseja-se obter o maior número possível de tubos na secção do casco e, ao mesmo tempo, prover espaço para a passagem do fluido no casco. As chicanas podem ser de três tipos: De orifícios anulares Tipo disco e anel Segmentadas 235 J. Carlos Lopes da Costa http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856- heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5 M Permutadores de Calor
    • Casco e Cabeça (cabeçotes) O casco, normalmente cilíndrico, é o invólucro do permutador, envolvendo o feixe de tubos e o fluido que passa por fora destes (do lado casco). O casco é fechado nas extremidades pelos cabeçotes, que formam com os espelhos câmaras de entrada e saída do fluido do lado tubos. Os cabeçotes são denominados de estacionário e de retorno, pois o fluido do lado tubos pode ter mais de uma passagem, indo e voltando pelo feixe, e um dos cabeçotes teria a função de promover o retorno do fluido. Quando os dois fluidos percorrem o permutador na mesma direção, diz-se que estão em cocorrente e, quando em direções opostas, diz-se que estão em contracorrente. Este último é o fluxo normalmente utilizado. No fluxo em contracorrente, a temperatura do fluido frio pode ultrapassar a menor temperatura do fluido quente, o que não pode ocorrer no fluxo em paralelo. O casco pode ser construído a partir de tubos até 24” de diâmetro nominal, ou de chapas calandradas e soldadas a partir de 13” de diâmetro. Fabricados normalmente em aço-carbono, também podem ser feitos em aço-liga e ligas de alumínio, quando de tubo, e em aço-liga, ligas de níquel e ligas de cobre, quando de chapa. O casco possui dois ou mais bocais para entrada e saída do fluido do lado casco, e os cabeçotes têm bocais para entrada e saída do fluido do lado tubos. Se um dos cabeçotes é de retorno, então este não possui bocal. Os bocais de entrada e saída ficam no cabeçote estacionário. 236 M Permutadores de Calor
    • 237 http://www.essel.com.br/cursos/material/03/CAP2.pdf M Permutadores de Calor
    • Escolha do fluido não há regras fixas que estabeleçam que tipo de fluido deve passar pelos tubos. Deve-se atender às melhores condições para o processo, ao menor custo e facilidade de manutenção e limpeza. De uma maneira geral, passam pelos tubos: Fluidos mais sujos, com depósitos, sedimentos, catalisadores, etc. pois é mais fácil a limpeze e remoção destes. Fluidos mais corrosivos, pois é mais económico usar tubos resistentes à corrosão do que um casco com a mesma característica e além disso, é mais fácil a substituição de tubos furados que do casco. Fluidos com maior pressão, pois o casco é menos resistente devido às suas maiores dimensões. Água de arrefecimento, pela facilidade de limpeza Fluidos de menor caudal, pois o casco é maior permitindo maiores caudais 238 M Permutadores de Calor
    • Permutador de Calor Casco e Tubo (líquido-líquido; vapor/líquido-líquido) 239 http://www.fem.unicamp.br/~em524/Textos_Transparencias/CAP_7/aula-22.pdf http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4A C/1-5-permutadores-calor M Permutadores de Calor
    • Permutador de Calor com Aletas (Compacto) (líquido-gás; vapor/líquido-gás) evaporador ciclo de refrigeração 240 http://www.fem.unicamp.br/~em524/Textos_Tran sparencias/CAP_7/aula-22.pdf M Permutadores de Calor
    • 241 J. Carlos Lopes da Costa http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html M Permutadores de Calor
    • Permutadores de Tubo Duplo ou Bitubulares Descrição geral São formados por dois tubos concêntricos. Um fluido passa pelo tubo interno e o outro pelo anel formado entre os dois tubos, em co-corrente ou contra-corrente. É o mais simples dos permutadores pela fácil manutenção que envolve. É usado em aplicações de pequena capacidade, para caudais não muito grandes. 242 http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4AC/ 1-5-permutadores-calor http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield- 101/1856-heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5 M Permutadores de Calor 2
    • Arrefecedores a Ar Descrição geral Consistem em serpentinas de tubos com aletas transversais e coletores nas duas extremidades dos tubos. O ar de refrigeração é fornecido por um ou mais ventiladores, soprado (forçado) ou aspirado (induzido) no sentido ascendente, passando pelo feixe montado na horizontal. O conjunto é instalado numa estrutura como se vê na figura. Tubos com aletas 243 http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4AC/1-5-permutadores-calor http://www.nei.com.br/produto/2006/10/tubos+aletados+endesa+industria+mecanica+ltda.html http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856- heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5 M Permutadores de Calor 3
    • • Um tubo de calor com aletas, além de retirar calor como um tubo comum, ainda possui um sistema de convecção forçada que otimiza o sistema de retirada de calor, devido à grande área provocada pelas aletas 244 http://www.slideshare.net/dougbr/04-termodinmica M Permutadores de Calor
    • Permutadores de Placas Descrição geral Consistem em um conjunto de placas planas lisas ou com alguma forma de ondulações, montadas em série. Geralmente, este trocador não pode suportar pressões muito altas, comparado ao trocador tubular equivalente. 245 http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4AC/1-5-permutadores-calor M Permutadores de Calor 4
    • Os fluidos trocam calor, passando em contracorrente, alternadamente, pela sequência de placas. Têm grande eficiência na troca térmica. 246 http://www.enq.ufsc.br/muller/operacoes_unitarias_a/TrocadoresdeCalor.pdf M Permutadores de Calor
    • Permutadores em espiral Descrição geral 1- Consistem em duas longas chapas lisas enroladas em torno de canais centrais, criando dois canais espirais concêntricos. O fluido quente entra por um canal central, percorrendo um dos canais elípticos até a saída na periferia do casco. O fluido frio entra pela periferia do casco, percorrendo o outro canal elíptico até a saída no último canal central, trocando calor em contracorrente. Muito usados para fluidos viscosos ou sujos, como asfalto. 2- Consistem em uma ou mais serpentinas (de tubos circulares) ordenadas numa carcaça. A transferência de calor associada a um tubo espiral é mais alta que para um tubo duplo. Além disto, uma grande superfície pode ser acomodada num determinado espaço utilizando as serpentinas. As expansões térmicas não são nenhum problema, mas a limpeza é muito problemática. 247 http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAKg4AC/1 -5-permutadores-calor M Permutadores de Calor 5
    • Reebulidor • São usados para vaporizar fluidos, normalmente em colunas de destilação de indústrias química e refinarias, usando vapor de água. • Vaporiza o líquido do fundo da coluna de destilção, o qual retorna à coluna para posterior separação 248 http://en.citizendium.org/wiki/Reboiler http://hidrowell.com/ http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/reboil.htm http://lorien.ncl.ac.uk/ming/distil/reboil.htm M Permutadores de Calor
    • Modelos de reebulidores e permutadores em acrílico 249 http://www.bayporttechnical.com/static_models.htm http://www.shellandtube.com/ourwork M Permutadores de Calor
    • 250 http://www.shellandtube.com/ourwork M Permutadores de Calor
    • 251 http://www.shellandtube.com/ourwork M Permutadores de Calor
    • 252 http://www.shellandtube.com/ourwork M Permutadores de Calor
    • Operação de um permutador • No arranque, entra primeiro o fluido mais frio. Se o fluido mais frio está ligeiramente quente, deixa-se o mesmo, então, entrar de forma lenta. Quanto mais quente o fluido, mais lenta deve ser a sua entrada no permutador de calor. • Na paragem, bloqueia-se primeiramente a entrada do fluido mais quente. Se isto não for observado, podem ocorrer vazamentos nos tubos. • Tanto no arranque como na paragem, os permutadores de calor devem ser aquecidos ou arrefecidos lentamente. Isto é particularmente importante quando as temperaturas de operação são elevadas. A rápida entrada de um líquido a alta temperatura pode provocar desigualdades de expansão nos tubos, causando vazamentos nos mesmos e deformação do feixe. • Falhas no fornecimento de água de refrigeração podem trazer sérias consequências. Quando o fluido a arrefecer é muito quente, a interrupção da água provoca um grande aquecimento do equipamento. • Se a água voltar então a circular, haverá um arrefecimento brusco do permutador. Esta mudança rápida de temperatura afrouxa parafusos e abre as juntas. 253 M Permutadores de Calor
    • • Deve-se sempre drenar a água de um reebulidor ou aquecedor para evitar o fenómeno denominado “martelo hidráulico” • Este ocorre quando há água acumulada nos tubos do reebulidor. Abrindo-se a válvula do vapor de água, este vai empurrar a água a uma grande velocidade até encontrar um obstáculo, onde provoca um violento choque. Este impacto severo, o martelo hidráulico, pode causar ruptura do material. 254 M Permutadores de Calor
    • Manutenção/Limpeza do permutador • A eficiência do permutador de calor depende da limpeza dos tubos. Durante a operação são acumulados, dentro e fora dos tubos, depósitos de sais (calcário), material oxidado, areias, fibras vegetais, gorduras, micro organismos etc., prejudicando grandemente a troca de calor e a perda de carga do fluido. • O permutador de calor que durante a operação diminui sua eficiência deve ser inspecionado e limpo quando for oportuno, durante a paragem da unidade, ou mesmo imediatamente, caso seja necessário. 255 http://pt.wikipedia.org/wiki/Trocador_de_calor Permutador de calor de uma central termoelétrica contaminado com incrustações Clique na fig. para aumentar M Permutadores de Calor
    • Tipos de limpeza A Limpeza Química B Limpeza Mecânica C Limpeza por Vapor D Limpeza por Água em contracorrente 256 M Permutadores de Calor
    • A. Limpeza química Consiste na circulação, em circuito fechado, de uma solução ácida com um inibidor de corrosão. A solução desagrega os resíduos, e o inibidor impede o ataque do metal pela solução. Após a limpeza, é feita a neutralização mediante tratamento com uma solução alcalina fraca, seguido de abundante circulação de água. B. Limpeza mecânica com o permutador aberto, as camadas de gordura, lama e sedimentos podem ser removidos dos tubos por meio de arames, escovas ou jatos de água a alta pressão. Se os tubos estão entupidos por sedimentos muito agregados, então são usadas máquinas com capacidade perfurante. C. Limpeza por vapor O permutador de calor é retirado de operação sem ser desmontado. Alimenta-se vapor pelo casco e pelos tubos, de forma a entrar por um respirador e levar o material depositado por um dreno. Este método é eficiente para remover camadas de gordura ou depósitos nos tubos e no casco do permutador. D. Limpeza por água em contracorrente Para condensadores e arrefecedores que utilizam água salgada não tratada como fluido refrigerante. O processo consiste em inverter o fluxo da água nos tubos, com o equipamento em operação, possibilitando a remoção dos detritos presos aos tubos, através de dreno apropriado. 257 M Permutadores de Calor
    • Permutador (escoamento)Contra-corrente Co-corrente Correntes cruzadas Classificação geral dos permutadores quanto à configuração de escoamento 258 M Permutadores de Calor
    • • Consoante a forma como se processam os escoamentos dos 2 fluidos os permutadores podem ser divididos, conceptualmente, em: ► co-corrente - o escoamento dos fluidos faz-se na mesma direcção e no mesmo sentido; ► contracorrente - o escoamento dos fluidos faz-se na mesma direcção e em sentidos opostos; ► correntes cruzadas - o escoamento dos fluidos faz-se em direcções perpendiculares. • A posição das entradas e saídas num permutador influencia muito a troca de calor. Em dois permutadores com entradas no corpo geometricamente semelhantes mas distintas em relação ao sentido dos fluxos, a evolução de temperatura ao longo do trajeto do fluido nos tubos é bastante distinta em cada um deles. 259 http://web.ist.utl.pt/luis.roriz/MyPage/permutadores.htm Classificação geral dos permutadores quanto à configuração de escoamento M Permutadores de Calor
    • 260 http://www.slideshare.net/dougbr/04-termodinmica M Permutadores de Calor
    • 261 http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856- heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5 M Permutadores de Calor
    • 262 http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856- heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5 M Permutadores de Calor
    • Tubo duplo ou Bitubular 263 J. Carlos Lopes da Costa http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html M Permutadores de Calor
    • Trocadores de calor com escoamentos cruzados Aletado com ambos os fluídos não misturados Não-aletado com um fluído Misturado e outro não-misturado  A movimentação do fluído ocorre perpendicularmente ao outro. Se for aletada, as aletas impedem a movimentação do fluído na direção (y) que é transversal à direção (x) do escoamento principal, fazendo com que a temperatura varia em função de x e y  A natureza da condição de mistura pode influenciar significativamente o desempenho do trocador de calor. http://www.ewp.rpi.edu/hartford/~ernesto/F2008/EP/Mater ials4Students/Halko/HeatExchangerDesign.ppt 264 M Permutadores de Calor
    • Perfil de temperaturas • O perfil de temperaturas é diferente para os fluxos em co-corrente e contra-corrente. • Num permutador em contra-corrente, pode conseguir-se que a temperatura do fluido frio à saída seja superior à do fluido quente à saída 265 J. Carlos Lopes da Costa http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html M Permutadores de Calor
    • Classificação quanto ao arranjo do lado casco e lado tubos 266 Permutador 1x1 Um passo no corpo - uma passagem do fluido no corpo Um passo nos tubos – uma passagem do fluido pelos tubos http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856- heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5 M Permutadores de Calor
    • 267 http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856- heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5 Permutador 2x2 Dois passos no corpo – duas passagens do fluido no corpo Dois passos nos tubos – duas passagens do fluido pelos tubos M Permutadores de Calor
    • 268 http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856- heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5 Permutador 1x4 Um passo no corpo - uma passagem do fluido no corpo Quatro passos nos tubos – quatro passagens do fluido pelos tubos M Permutadores de Calor
    • Responda: Permutador ? X ? 269 http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856- heat-exchangers-boilers-furnaces?start=5 M Permutadores de Calor
    • Princípio de dimensionamento dos permutadores 270 http://pt.scribd.com/doc/43924483/TCfichT06PC20-23 M Permutadores de Calor M: caudal mássico (kg s-1 ) T: temperatura (°C ou K) Q: taxa de transferência de calor (W) U: coeficiente global de transferência de calor ( W m-2 K-1) A: área total de transferência (m2 ) ΔTm : diferença de temperatura média logarítmica Q = UA ΔTm 2 1 21 ln T T TT Tm
    • Alguns valores do coeficiente global de transferência de calor 271 J. Carlos Lopes da Costa http://www.dem.isep.ipp.pt/docentes/loc/tc.html M Permutadores de Calor
    • Um desafio: construção de um permutador 272 M Permutadores de Calor
    • Limpeza química de permutador 273 M Permutadores de Calor
    • Corrosão de permutador 274 M Permutadores de Calor
    • Animação da construção de um permutador 275 M Permutadores de Calor
    • Atalhos A Calor e temperatura. B Expansão térmica C Instrumentos de medição de temperatura. D Lei zero da Termodinâmica E Capacidade calorífica F Mudanças de fase. G Equação de um gás ideal. H 1ª Lei da Termodinâmica. I Mecanismo de transferência de calor. Coeficiente de transferência de calor. J Transformações Térmicas. Ciclo de Carnot. K Máquinas térmicas e frigoríficas. Rendimento de máquinas térmicas. L Isolamentos térmicos – necessidade e tipos. M Permutadores de calor. N Torres de arrefecimento. O Fornos. 276
    • N Torres de Arrefecimento • http://www.freefoto.com/preview/13-09-4/Cooling-Towers--2000MW-coal- fired-Cottam-Power-Station--Nottinghamshire 277 http://cooling-tower.blogspot.com/
    • • http://www.armacan.com/evapco.html 278 WDC: Condensadores Evaporativos Híbridos com Ventiladores Axiais de Tiragem Induzida ESWA: Torres de Arrefecimento em Circuito Fechado com Ventiladores Axiais de Tiragem Induzida AT: Torres de Arrefecimento Abertas com Ventiladores Axiais de Tiragem Induzida LSWA: Torres de Arrefecimento em Circuito Fechado com Ventiladores Centrífugos Tiragem Forçada PMWA: Torres de Arrefecimento em Circuito Fechado com Ventiladores Axiais de Tiragem Forçada N Torres de Arrefecimento
    • Torres de arrefecimento • As torres de resfriamento são equipamentos utilizados para o arrefecimento de água industrial, como aquela proveniente de permutadores de calor, condensadores de centrais elétricas , de instalações de refrigeração, etc. • A água aquecida é gotejada na parte superior da torre e desce lentamente através de “enchimentos” de diferentes tipos, em contracorrente com uma corrente de ar frio (normalmente à temperatura ambiente). • No contato direto das correntes de água e ar ocorre a evaporação da água, principal fenómeno que produz o seu arrefecimento. • São unidades de arrefecimento em circuito aberto ou fechado. 279 N Torres de Arrefecimento http://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower
    • 280 N Torres de Arrefecimento A água é um meio bastante eficaz e utilizado por grandes indústrias para absorver o calor produzido nos processos industriais e retirá-lo dos mesmos. Os sistemas utilizados , sendo a água o meio refrigerante são: Sistema aberto Sistema semi aberto ou de recirculação Sistema fechado Sistema aberto: é utilizado quando existe uma grande disponibilidade de água e a baixa temperatura. A água é bombada da fonte (rio, lago, oceano) diretamente para os permutadores, voltando novamente à sua fonte original (exemplo da central térmica EDP de S. torpes) Sistema semi aberto: é utlizado quando se necessita de um grande caudal de água mas há limitações na sua disponibilidade (exemplo da Repsol) Sistema fechado: é utilizado quando de pretende água a temperaturas menores ou maiores que as conseguidas com os sistemas anteriores. A água é arrefecida ou aquecida previamente antes de ser enviada para os permutadores de calor do processo (exemplo de arrefecimento/aquecimento de máquinas)
    • 281 http://web.ist.utl.pt/luis.roriz/MyPage/Equips_08.pdf A classificação mais difundida e de maior importância é baseada na forma de movimentação do ar no seu interior: Tiragem natural Tiragem mecânica forçada induzida em contracorrente – água e ar escoam em correntes paralelas e em sentidos opostos de correntes cruzadas – água e ar escoam em correntes perpendiculares N Torres de Arrefecimento Comparação entre os sistemas de tiragem mecânica forçada: Nas torres de fluxo em contracorrente a água mais fria entra em contato com o ar mais seco alcançando a máxima eficiência;  Nas torres de fluxo cruzado o acesso aos elementos mecânicos e ao sistema de distribuição é mais fácil;  Nas torres de fluxo cruzado a entrada de ar pode abranger toda a altura da torre, tendo como consequência torres mais baixas, reduzindo assim a potência de bombagem da água a maior altura;  Nas torres de fluxo em contracorrente existe menor risco de recirculação de ar.
    • 282 Fluxo em Contra-corrente Fluxo cruzado N Torres de Arrefecimento http://en.wikipedia.org/wiki/Cooling_tower
    • 283 Tiragem Natural (Torres atmosféricas) Nesse tipo de torre a água cai em fluxo cruzado em relação ao movimento horizontal do ar, produzindo certo efeito de contracorrente devido as correntes de convecção produzidas pela água quente. O movimento do ar depende principalmente do vento. Principais características:  Alto tempo de vida com baixos custos de manutenção;  Não se produz recirculação do ar utilizado;  A torre precisa ser localizada num espaço amplo;  Devido a sua altura é preciso uma ancoragem segura contra o vento;  A torre deve ser orientada na direção dos ventos dominantes;  A temperatura da água varia com a direção e a velocidade do vento;  Não é possível atingir uma pequena temperatura de aproximação;  O custo é quase tão alto quanto o de uma torre com elementos mecânicos. Em relação a esse tipo de torre, pode-se distinguir entre as que não possuem enchimento e as que possuem enchimento de respingo . Estas últimas possuem um comportamento muito melhor que as anteriores, porém, em qualquer caso, as torres atmosféricas estão ultrapassadas e constituem uma mínima parte das torres existentes. N Torres de Arrefecimento
    • 284 Torres de tiragem natural N Torres de Arrefecimento
    • 285 Torres de Tiragem Mecânica A utilização de ventiladores para mover o ar através da torre proporciona um controle total da entrada de ar. Podem ser de tiragem mecânica ou Induzida. Principais características:  Compactas, necessitam de pouca superfície;  Controle fino da temperatura da água fria;  Menor altura de bombeamento;  A orientação da torre não é determinada pelos ventos dominantes;  As falhas mecânicas reduzem bastante a confiabilidade;  A potência de ventilação pode ser importante, aumentando os gastos de operação;  A recirculação do ar usado deve ser evitada, pois a eficiência é afetada;  Os custos de operação e manutenção são maiores que os das torres de tiragem natural;  Os ruídos e vibrações produzidos pelos ventiladores podem constituir um problema, dependendo da localização. N Torres de Arrefecimento
    • 286 Torres de tiragem mecânica forçada São torres nas quais os ventiladores são posicionados na entrada de ar, de tal forma que forçam o ar através do enchimento. Principais características :  O equipamento mecânico encontra-se no nível do solo;  É mais eficiente que a corrente induzida (apresentada a seguir), já que a velocidade da corrente de ar é convertida em pressão estática, realizando um trabalho útil, além disso, o ventilador trabalha com ar frio com densidade maior que no caso da tiragem induzida;  Os equipamentos mecânicos encontram-se situados numa corrente de ar relativamente seca e são de fácil acesso para manutenção.  O tamanho do ventilador é limitado, necessitando de um grande número de ventiladores pequenos e de maior velocidade, comparado com uma instalação de tiragem induzida. Consequentemente, o nível de ruído é maior;  Existe tendência de formação de gelo nos ventiladores durante as épocas frias com consequente obstrução da entrada de ar; http://fabioferrazdr.files.wordpress.com/20 08/08/torres-de-resfriamento2.pdf N Torres de Arrefecimento
    • 287 Torres de tiragem mecânica induzida São torres nas quais os ventiladores são posicionados na saída de ar, geralmente na parte superior da torre. Principais características:  É possível instalar grandes ventiladores, de forma que podem ser mantidas velocidades e níveis de ruído baixos;  O ar entra a uma velocidade considerável, podendo arrastar consigo corpos estranhos.  Podem ser instalados filtros de ar;  Devido às altas velocidades de saída do ar, os problemas de recirculação são bastante reduzidos;  Tendência a produzir vibrações devido a montagem do ventilador sobre a estrutura;  Os elementos mecânicos são de difícil acesso e encontram-se submergidos numa corrente de ar úmido e quente;  Menor superfície ocupada que no sistema mecânico forçado, devido à ausência de ventiladores em volta da torre N Torres de Arrefecimento http://fabioferrazdr.files.wordpress.com/20 08/08/torres-de-resfriamento2.pdf
    • 288 Enchimento A função do enchimento de uma torre é acelerar a dissipação de calor aumentando o tempo de contato entre a água e o ar. Esta função realiza-se devido ao aumento da área molhada, à exposição contínua da superfície da água ao ar e à formação de gotas e filmes na torre. O enchimento de uma torre deve ser de baixo custo e de fácil instalação, devendo ainda promover uma quantidade adequada de transferência de calor, apresentar baixa resistência ao fluxo do ar e manter uma distribuição uniforme da água e do ar durante a sua operação. Os enchimentos de torre são classificados em dois tipos,  De gotejamento ou respingo  De película ou laminar O enchimento do tipo respingo é usado quase que exclusivamente em torre industrial. O enchimento do tipo filme é mais indicada para unidades compactas ou pequenas torres comerciais. N Torres de Arrefecimento
    • 289 N Torres de Arrefecimento Enchimento tipo “respingo” O enchimento tipo respingo consiste em vários diferentes arranjos, dependendo do projeto da torre e do fabricante. No entanto, a sua finalidade em qualquer instalação é misturar a água com ar movendo- se na direção horizontal (corrente cruzada), ou vertical (contra-corrente). A máxima exposição da superfície da água ao fluxo de ar é, portanto, obtida pela repetição da interrupção da queda da água, respingando-se sobre tábuas de respingo individuais. É muito importante que o enchimento do tipo respingo seja suportado adequadamente, pois as tábuas de respingo devem estar na posição horizontal, caso contrário à água e o ar serão canalizados através do enchimento da torre e sua capacidade diminuirá sensivelmente http://www.omnigrupo.com.br/pdf/apostila_omni.pdf
    • 290 N Torres de Arrefecimento Enchimento tipo “filme” Este tipo de enchimento está sendo usado à medida que novos materiais e novas configurações são desenvolvidos, permanecendo, no entanto, mais custoso que o enchimento tipo “respingo”. A eficiência deste tipo de enchimento depende de sua habilidade de espalhar a água em um fino filme, escorregando sobre áreas grandes, ocasionando a máxima exposição da água à corrente de ar. Como ele é mais sensível à irregularidade do fluxo de ar e da distribuição de água do que o tipo respingo, o projeto da torre deve assegurar um fluxo uniforme, tanto do ar como da água em todo o volume de enchimento também precisa ser adequadamente suportado e espaçado uniformemente. http://www.omnigrupo.com.br/pdf/apostila_omni.pdf
    • 291 N Torres de Arrefecimento Venezianas As venezianas de entrada do ar são projetadas para evitar perda de água através das superfícies de entrada do ar e para uma eficiente admissão deste ar na torre. O ar deve ser uniformemente distribuído com uma perda mínima de pressão. Para prevenir perda de água, as venezianas devem ser projetadas com inclinação, largura e espaçamento apropriado.
    • 292 http://powerwash.ms/industrial-projects/ N Torres de Arrefecimento
    • 293 http://www.harrisoncoolingtower.com/frp_circle_cooling_tower.html N Torres de Arrefecimento
    • Componentes das Torres de arrefecimento • Ventilador • Distribuidor/aspersor de água • Enchimento • Venezianas • Tanque de água VENTILADOR AXIAL RETENTORES DE GOTAS BACIA COLETORA ENCHIMENTO DE CONTATO VENEZIANA PARA ENTRADA DE AR DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA 294 N Torres de Arrefecimento www.sj.cefetsc.edu.br/~jesue/torres%20arrefecimento.ppt
    • Ventilador 295 N Torres de Arrefecimento http://cooling-tower-online.com/page/2/ http://www.abctorres.com.br/5.html
    • Distribuidor/aspersor de água 296 N Torres de Arrefecimento http://www.towertechinc.com/TowerTechPortuguese.php www.sj.cefetsc.edu.br/~jesue/torres%20arrefecimento.ppt
    • Enchimento 297 N Torres de Arrefecimento www.sj.cefetsc.edu.br/~jesue/torres%20arrefecimento.ppt
    • Capacidade de arrefecimento de uma Torre A capacidade de arrefecimento de uma torre é dada pela equação P torre = ρ Qv c (Te-Ts) Onde: • P torre - potência térmica de arrfecimento (W) • - massa específica da água (kg m-3 ) • Qv - caudal volumétrico da água circulada pela torre (m3 s-1 ) • C - calor específico da água (J kg-1 °C-1 ) • Te - temperatura de entrada da água na torre (° C) • Ts - temperatura de saída da água ( ° C) 298 N Torres de Arrefecimento
    • 299 http://www.nucleartourist.com/systems/ct.htm Torre de arrefecimento de circulação natural Têm cerca de 120 m de altura, dependendo da pressão diferencial entre o ar frio do exterior e o ar quente e húmido no interior da torre, pois esta cria a força motora para a circulação do mesmo. Ao não usar ventiladores, as condições ambientais no local de implantação são de muita importância N Torres de Arrefecimento
    • 300 Torre de arrefecimento de circulação natural As correntes a verde mostram como a água quente deixa a central, é bombeada para a torre e é distribuida. A água fria, incluindo a água de reposição vinda do lago para suprir as perdas por evaporação retorna para os condensadores da central N Torres de Arrefecimento http://www.nucleartourist.com/systems/ct.htm
    • Vídeos N Torres de Arrefecimento 301
    • O : Fornos Industriais (fornalhas) 302 http://coolingtower-design.com/wp-content/uploads/2011/01/furnace.jpg
    • • Um Forno é um equipamento que se destina a produzir calor e a fazer a sua transferência para os produtos que dele necessitam como, por exemplo:  Extração de metais do minério,  Aquecimento de fluidos para as colunas de destilação fraccionada nas refinerias e outras indústrias químicas,  Obtenção de vapor para processos como o “steam cracking” da nafta. • Órgãos principais de um forno Ventilador Queimadores Câmara de combustão Tubos de radiação Tubos intermédios Tubos de convecção Chaminé 303 O : Fornos http://en.wikipedia.org/wiki/Furnace Constituição
    • 304 O : Fornos  Ventilador : fornece o ar necessário para a combustão  Queimadores: são instalados na soleira ou nas paredes laterais e aí se queima o combustível.  Câmara de combustão: é o espaço livre por cima dos queimadores.  Tubos de radiação: os tubos que se encontram colocados ao longo das paredes da câmara de combustão e que recebem calor por radiação.  Tubos intermédios: tubos colocados acima dos de radiação e que recebem calor tanto por radiação como por convecção.  Tubos de convecção: tubos colocados na parte superior e que recebem calor dos gases quentes da queima.  Chaminé: local por onde se faz a extração dos gases de combustão
    • • O combustível misturado com o ar inflama-se nos queimadores e produz calor • As paredes e o teto são revestidos com material isolante, refratário, que reduz as perdas de calor e irradiam este calor para os tubos. • Os gases e vapores resultantes do combustível queimado e do ar são designados por produtos de combustão. • Os gases das chaminés são constituídos por produtos de combustão e por ar não consumido na reação de queima. • A carga (água) é normalmente introduzida na zona de convecção saindo pelos tubos de radiação. • Num forno que trabalhe com caudais elevados o tubular pode ser constituído por secções individuais. • Os fornos são projetados para diferente limites de temperatura de funcionamento. • As temperaturas de funcionamento mais elevadas exigem mais espaço, de forma a permitir a dilatação e deslocamento dos tubulares ou serpentinas. 305 O : Fornos
    • Tiragem • Os fornos devem ser estanques ao ar, todo o ar entra pelos queimadores • A tiragem é o processo que garante a introdução de ar no forno, a circulação dos gases de combustão e a sua saída para a atmosfera. Há 4 tipos de tiragem • Tiragem natural: a saída dos gases processa-se naturalmente pela chaminé, devido à diferença de pressão criada, por uma pressão ligeiramente inferior á atmosférica. • Tiragem forçada: o ventilador que fornece ar aos queimadores fornece também a energia necessária para a movimentação dos gases através do forno. Por este motivo, a chaminé não precisa de ser de grandes dimensões. • Tiragem induzida: tiragem produzida pela descarga de gases através de um exaustor situado ente o forno e a chaminé. • Tiragem equilibrada: utiliza simultaneamente um ventilador e um exaustor. 306 O : Fornos http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAUy4AF/tiragem
    • 307 O : Fornos http://www.google.pt/url?sa=t&source=web&cd=3&sqi=2&ved=0CCkQFjAC&url=http%3A%2F%2Fxa.yimg.com %2Fkq%2Fgroups%2F24788554%2F1695746707%2Fname%2FCaldeiras- %2BT5831.ppt&rct=j&q=tiragem%20natural&ei=HZ1oTu6UM42p8APy3YS8Cw&usg=AFQjCNG7CK98niAS24p ccOmb45ggaloCew&cad=rja
    • Combustão 308 O : Fornos • Para se ter a certeza que há oxigénio suficiente para queimar todo o combustível, é admitida no forno uma quantidade de ar ligeiramente superior á necessária; essa quantidade denomina-se “excesso de ar”. • Esse excesso não pode ser elevado pois, dada a proporção azoto/oxigénio no ar (4/5 , 1/5), um excesso de azoto absorveria muito calor, o que penalizava a rentabilidade económica pois seria necessário gastar mais combustível. • Se houver deficiência de oxigénio formar-se-á monóxido de carbono (tóxico) • Reação química completa C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3 H2O • Reação química incompleta (deficiência de O2) C + 1/2 O2 CO • A fim de rentabilizar o processo utilizam-se pré aquecedores de ar, onde é recuperada parte da energia contida nos gases de combustão com economia de combustível na altura da queima.
    • Gases de combustão • Os gases de combustão têm de ser analisados, não só para avaliar a quantidade de ar que se está a fornecer como também, ao conhecer a sua composição, contribuir para uma política de Controlo Ambiental. O : Fornos Gases de combust ão Monóxido de carbono CO Óxidos de enxofre SO2 SO3 Óxidos de azoto NOx Fumo Partículas Hidro carbonetos Fumo Materiais sólidos e gasosos produzidos pela queima incompleta (cor do cinza claro ao preto) Partículas Partículas sólidas de carbono e óleo parcialmente queimadas Hidrocarbonetos Combustível parcialmente queimado
    • Indicadores de temperatura • Para a condução eficiente dos fornos é essencial ter uma informação correta das temperaturas em diversas partes do forno. • São utilizados termopares e termoresistências. • No exterior dos tubos podem ser instalados termopares, nos pontos de maior aquecimento, pra medir a temperatura do metal. • Uma diferença de temperatura acentuada entre a carga (água) e o metal, pode indicar a formação de coque (depósitos carbonizados na superfície) 310 O : Fornos
    • Vídeos (clicar na figura) 311 O : Fornos
    • Fornalha para aquecimento doméstico 312 http://www.onehourairconditioningcharlotte.com/furnaces.html O : Fornos
    • 313 O : Fornos http://articles.compressionjobs.com/articles/oilfield-101/1856-heat-exchangers-boilers- furnaces?start=5
    • 314 façam bom uso do não se esqueçam dos até breve clica Fim
    • 315
    • Bibliografia Além dos sites já referenciados ao longo da apresentação, • Serway/Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, 7 th edition, Part 3, cap 19 a 22 • Raymond A. Serway and John W. Jewett, Jr., “Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics”, 8 th Edition, Part 3, cap 19 – 22 • Paul A. Tipler, Gene Mosca, “Física”, vol1, cap 17 – 20 • Halliday, Resnick, Krane; “Física 2”, 5ª edição, LTC editora, cap. 22,23,24 • Yunus A. Çengel; “Transferencia de Calor”, segunda edición, Mc Graw Hill • J. P. Holman; “Transferencia de calor”. 1999, Compañia Editorial Continental S.A. México 316