M.A.P.A – Máquinas térmicas
O funcionamento de uma máquina térmica se fundamenta nas leis da termodinâmica. A primeira lei da
termodinâmica aplicada para um sistema aberto é importante para o estudo de caldeiras, compressores,
sistemas de refrigeração e muitas outras aplicações. Por outro lado, a segunda lei da termodinâmica é que
garante que o processo seja realmente possível de ser realizado. A figura a seguir apresenta um esquema do
ciclo de uma central termelétrica:
Figura 1 – Ciclo de uma central termelétrica
Fonte: FILIPPO FILHO, G. Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas: fundamentos de termodinâmica,
características operacionais e aplicações. São Paulo: Érica, 2014. p. 46.
Uma central termelétrica residencial utiliza uma caldeira flamotubular para a produção de vapor a uma
pressão de 10 kgf.cm e temperatura de 200 C. O ambiente externo se encontra a 25 C, e a água (ρ =
1000 kg.m ) é bombeada por uma bomba e entra na caldeira a 60 C, 11 kgf.cm e a uma vazão de 7
m .h . A caldeira é alimentada por óleo combustível, cujo Poder Calorifico Inferior (PCI) é igual a 9800
kcal.Kg . Na caldeira flamotubular, os gases quentes oriundos da combustão circulam pelo interior dos
múltiplos tubos imersos em um reservatório de água. Assim, os gases quentes aquecem a água do
reservatório, transformando-a em vapor.
A caldeira horizontal do tipo flamotubular em questão possui dois passes, e o primeiro passe ocorre no tubo
fornalha central (Ø 600 x 5000 mm), e o segundo, em um feixe de 200 tubos (Ø 60 x 5000 mm). O primeiro
passe é responsável apenas pela troca de calor sensível, uma vez que parte do calor gerado na fornalha é
irradiado para a coluna de água que envolve o tubo. Já no segundo passe, ocorre a troca térmica entre a
água aquecida e os gases de combustão, de forma a promover a vaporização da água.
A relação teórica (ou estequiométrica) de ar e combustível que alimenta a fornalha, em kg .Kg , é
igual a 1,38.PCI.10 . No entanto, de forma a maximizar a queima completa do combustível, o ar é injetado
na caldeira com 40% de excesso. Durante a queima, 4% do calor é perdido devido às queimas incompletas e
formação de cinzas. Dessa forma, a eficiência da fornalha é de 96%, e a quantidade de calor gerado na
-2 o o
-3 o -2
3 -1
-1
ar comb.
-1
-3
13/06/2023, 11:43 Unicesumar – Ensino a Distância
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fornalha por quantidade de combustível que alimenta a caldeira é igual a 0,96.PCI. No entanto, 30% do calor
gerado é irradiado na fornalha e utilizado para aquecer a água que envolve o tubo da fornalha na parte
inferior da caldeira. Em contrapartida, 70% do calor gerado na fornalha se encontra nos gases de queima
que seguem para os tubos da parte superior da caldeira, onde ocorrerá a geração do vapor.
No vaporizador, 6% do calor é perdido devido à condução e convecção para o ambiente. Assim, a eficiência
total da caldeira é de 90% e a quantidade de calor gerado na caldeira por quantidade de combustível que
alimenta a caldeira é igual a 0,90.PCI. O gás de queima que entra nos tubos do vaporizador possui um calor
específico médio de 0,30 kcal.kg C , entra nos tubos do vaporizador (segundo passe) a 1300 C e sai na
chaminé a 250 C e 12 m.s . Por outro lado, o vapor gerado alimenta a turbina a vapor.
A turbina a vapor é um tipo de máquina térmica motora, isto é, ela produz trabalho a partir da expansão do
vapor em seu interior. Na entrada da turbina a vapor, o vapor se encontra superaquecido e em alta pressão.
Por outro lado, na saída da turbina, o vapor se encontra saturado e em baixa pressão. No processo de
expansão, a turbina dissipa 50 kW de calor para o meio e a razão entre as pressões de operação na saída e
na entrada é igual a 10%.
O vapor saturado que sai da turbina segue para um trocador de calor que opera a pressão atmosférica e
possui um coeficiente global de transferência de calor igual a 35 kcal.h .m . C . Após a troca térmica no
trocador de calor, o vapor saturado condensa e a água a 60 C segue para a bomba e é retroalimentada na
caldeira, fechando o ciclo.
A partir do problema exposto, elabore uma ficha técnica contendo as informações a seguir e explique o que
você faria para aumentar a eficiência do ciclo termodinâmico em estudo. Como bom(a) engenheiro(a), não
deixe de demonstrar os seus cálculos e explicar todas as considerações e o passo a passo utilizado para
obter as informações.
Para auxiliá-lo(a) na execução das suas atividades, além do livro, utilize a plataforma Minha Biblioteca para
utilizar materiais complementares. Para isso, entre no Studeo e acesse a Biblioteca Digital Unicesumar ou a
plataforma Minha Biblioteca e busque pelo livro Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas (FFILIPPO
FILHO, G. Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas: fundamentos de termodinâmica, características
operacionais e aplicações. São Paulo: Érica, 2014.)