MÁQUINAS
TÉRMICAS
Prof. Edimilson Alves Pinto
2012
Introdução
15
Capítulo 1 - Máquinas térmicas
Objetivos 1. Máquinas térmicas
1.1. Ciclos teóricos e reais 17
19
19
1.1.1. Ciclo
de Carnot 21
1.2. Ciclos termodinâmicos reais
1.2.1. Ciclo Otto
1.2.2. Ciclo Diesel
1.2.3. Ciclo Brayton 1.2.4. Ciclo Rankine 1.2.5. Turbo-expansores
1.3. Sistemas auxiliares de um motor a combustão interna
do ciclo Otto
1.3.1 Sistema de combustível 1.3.2. Sistema de ignição
1.3.3. Sistema de arrefecimento
1.3.4. Sistema de lubrificação
1.4. Exercícios
1.5. Glossário
1.6. Bibliografia
1.7. Gabarito
22
22
24
27
28
29
29
29
33
36
37
40
44
46
47
Capítulo 2 - Refrigeração
Objetivos 2. Refrigeração
2.1. Máquinas de refrigeração
2.2. Ciclos por compressão e absorção
2.2.1. Ciclo por compressão
2.2.2. Ciclo por absorção
2.3. Frio industrial
2.3.1. Aplicações do frio industrial
2.4. Fluidos refrigerantes
2.5. Gases refrigerantes
2.6. Condensadores
2.7. Evaporadores
2.8. Normas
2.8.1. Outras normas
2.9. Exercícios
2.10. Glossário
2.11 Bibliografia
2.12. Gabarito
51
53
53
53
53
56
57
58
58
59
59
61
62
63
67
70
71
72
Introdução
O
riginária do grego mechane, a palavra “máquina” significa
qualquer dispositivo engenhoso ou invenção que possua
várias partes, cada uma com uma função.
Cerca de 130 a.C., o inventor Heron de Alexandria catalogou os
primeiros instrumentos nomeados de máquinas simples: a alavanca,
a roda e eixo, a roldana, a cunha e a rosca. Essas máquinas simples
possuíam uma turbina de reação que era responsável por converter a
energia em movimento. Esse processo é conhecido hoje pela Terceira
Lei de Newton: a lei de ação e reação.
As máquinas térmicas atuam nesse mesmo processo, convertendo
energia interna de um combustível em energia mecânica, de forma
que essa energia gere movimento necessário para transportar, acionar
outras máquinas, gerar energia elétrica, dentre outros.
Elas têm participação importante na indústria do petróleo, figurando
como componentes vitais nos processos produtivos. As turbinas a
vapor e a gás e os motores a diesel, a gasolina e a vapor são máquinas
térmicas utilizadas na indústria.
Há máquinas térmicas de combustão interna e externa. Nas primeiras,
a transformação do combustível em energia e a sua conversão
em trabalho ocorrem no mesmo espaço físico, como é o caso dos
motores a gasolina e a diesel e das turbinas a gás. Nas de combustão
externa, os processos ocorrem em espaços físicos diferentes, como
é o caso das turbinas a vapor e dos turbo-expansores, nos quais
a geração de energia térmica ocorre em caldeiras ou num outro
processo químico.
15
As máquinas térmicas operam em um ciclo repetido de aquecimento
e pressurização de um fluido operante, da transformação de parte
da energia contida no fluido em trabalho mecânico e do descarte
da energia não aproveitada. Várias substâncias podem ser usadas
como fluido operante, entretanto as mais usadas nos equipamentos
industriais são a água, o ar e os hidrocarbonetos. Esses fluidos são os
responsáveis por receber calor e liberar trabalho.
As máquinas térmicas, portanto, utilizam energia na forma de calor
(gás ou vapor em expansão térmica) para provocar a realização de um
trabalho mecânico, gerado a partir da expansão do fluido contendo
temperatura e pressão.
16
Capítulo 1
Máquinas
térmicas
18
Capítulo 1. Máquinas térmicas
1. Máquinas térmicas
A
s máquinas térmicas são dispositivos criados pelo homem para
transformar o calor, produzido a partir de uma fonte quente,
em energia mecânica utilizável, ou seja, geram trabalho (W).
Essas máquinas utilizam a energia do vapor d’água ou da mistura
gasosa produzida pela combustão de certos materiais combustíveis
ou a energia térmica de outras fontes, gerando um regime contínuo
de trabalho (W) mecânico.
Apesar dos diferentes tipos de máquinas térmicas, elas obedecem às
seguintes características:
•Recebem calor de uma fonte quente;
•Conservam apenas parte desse trabalho (W);
•Rejeitam o calor que não foi usado para um reservatório
chamado fonte fria;
•Funcionam por ciclos.
Ciclos termodinâmicos representam as transformações das condições
termodinâmicas de uma substância. Assim, nas máquinas térmicas o
trabalho é gerado por meio da aplicação dos ciclos adequados.
1.1. Ciclos teóricos e reais
A Termodinâmica estuda as relações entre calor, temperatura, energia
e trabalho (W) mecânico. Esses processos de conversão de energia são
governados por leis que definem as grandezas termodinâmicas:
•Lei zero: determina a temperatura e o equilíbrio térmico entre
os corpos;
•Primeira lei: estabelece o princípio de conservação da energia
de um sistema;
19
•Segunda lei: define os limites de eficiência e a direção do fluxo
da energia.
O ciclo teórico, considerado como ideal, serve-nos como modelo
de estudo embora não seja alcançável na realidade, ou seja,
este ciclo não existe na prática. Nesse ciclo, podemos notar as
seguintes características:
•Ausência de atrito;
•Perdas para o meio externo e;
•Equilíbrio em todos os processos.
20
Por esses motivos é considerado ideal, servindo apenas de base para
a ciência explicar grande número de fenômenos ou operações.
O ciclo real é aquele que ocorre na realidade. Ao contrário do
ciclo teórico, não é imaginário. Nesse ciclo, podemos notar que
existem perdas de energia para o meio externo, causadas por atrito.
Além disso, não há tempo suficiente para o equilíbrio nos processos.
As máquinas térmicas funcionam de acordo com ciclos. A energia
adicionada em forma de calor em uma parte do ciclo é utilizada
como trabalho (W) útil em outra. Assim, a variação interna de energia
do sistema é a diferença entre o calor adicionado e o trabalho (W)
realizado. Essa é a descrição da primeira lei da termodinâmica, que é
expressa pela relação:
∆U = Q - W
Onde:
ΔU = Variação da energia interna;
Q = Calor recebido (adicionado) pelo sistema;
W = Trabalho realizado.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
1.1.1. Ciclo de Carnot
A máquina que funciona segundo o ciclo de Carnot é uma máquina
ideal em que a perda de calor para o exterior é mínima e, portanto,
apresenta o máximo rendimento entre os ciclos, muito embora na
prática nunca tenha sido possível construí-la.
Portanto, nenhuma máquina real pode superar a eficiência da
máquina de Carnot operando entre as mesmas temperaturas.
O ciclo de Carnot pode ser representado no diagrama PV a seguir, onde:
p
Q1
A
B
21
T1
T2
Q2
C
v
AB = Expansão isotérmica do trabalho (W) realizado pelo gás;
BC = Expansão adiabática da liberação de calor para a fonte fria;
CD = Compressão isotérmica trabalho (W) adicionado ao gás;
DA = Compressão adiabática da adição de calor ao gás.
O trabalho (W) total realizado pelo gás é a área interna de ABCD.
Nesse caso, por termos um ciclo reversível, no qual o gás sempre
retorna a sua condição inicial, a eficiência pode ser dada por:
Onde:
Tc = Temperatura da fonte fria (em graus Kelvin);
Th = Temperatura da fonte quente (em graus Kelvin).
Essa relação representa o máximo rendimento térmico que uma
máquina térmica, operando entre as temperaturas Tc e Th, pode
alcançar.
?
22
VOCÊ SABIA?
Sadi Carnot (1796-1832) foi um engenheiro militar
francês que pesquisou sobre as características
básicas das máquinas térmicas, estudando o
problema de seu rendimento. Ele foi o primeiro a
demonstrar as características realmente significativas
do
funcionamento
das
máquinas
térmicas:
primeiramente, a máquina recebe de uma fonte
qualquer certa quantidade de calor a uma temperatura
elevada; depois, executa um trabalho (W) externo; e,
por fim, rejeita o calor à temperatura mais baixa do
que a correspondente ao calor recebido.
1.2. Ciclos termodinâmicos reais
Os diversos tipos de máquinas térmicas reais têm o seu princípio de
funcionamento baseado em ciclos termodinâmicos reais, sendo os
principais exemplos os ciclos de, Otto, Diesel, Brayton e Rankine.
1.2.1. Ciclo Otto
O ciclo Otto representa o funcionamento dos motores de combustão
interna cuja principal aplicação é a propulsão dos automóveis.
A máquina Otto é composta basicamente por um pistão trabalhando
em um cilindro fechado e acoplado a um eixo girante por uma biela
Capítulo 1. Máquinas térmicas
que permite a transformação do movimento alternativo em rotativo.
O cilindro possui também uma válvula de admissão da mistura
combustível + ar e uma de escape, bem com uma vela de ignição.
No esquema a seguir é apresentado o princípio de funcionamento de
um motor de ciclo Otto de quatro tempos, que são:
•Aspiração;
•Compressão;
•Combustão ou expansão;
•Descarga.
comb
ar
23
0-1
1-2
3-4
4-1
2-3
1-0
Princípio de funcionamento de um motor
Otto de quatro tempos
Na posição 0-1, o pistão se desloca para baixo admitindo a mistura
combustível – ar para o cilindro; esse é o tempo “aspiração”.
Na seqüência 1-2, as válvulas fecham e o pistão sobe, comprimindo a
mistura ar + combustível. Esse é o tempo “compressão”.
Na seqüência 2-3, com o pistão na sua posição superior (ponto morto
superior), a mistura está comprimida e uma vela de ignição produz
uma centelha elétrica que inicia a combustão.
O calor gerado pela combustão eleva a pressão no cilindro forçando
o pistão para baixo como em 3-4. Esse é o temp de “combutão/
expansão”.
Ao atingir a sua posição mais baixa (ponto morto inferior) a válvula
de descarga se abre como em 4-1.
A nova subida do pistão em 1-0 permite a expulsão do gás queimado
e já sem pressão. É o tempo de “descarga”.
24
Quando o pistão atinge novamente o seu ponto morto superior, o
ciclo se reinicia.
Esse é o ciclo dos motores a gasolina, a álcool e a Gás Natural
Veicular (GNV).
?
VOCÊ SABIA?
Em 1862, um engenheiro francês, Alphonse Beau
de Rochas idealizou o ciclo de “quatro tempos”
que, posteriormente (1876), foi implementado pelo
engenheiro alemão Nikolaus Otto, aplicando-o a um
motor térmico. Por isso, a designação de Ciclo Otto.
1.2.2. Ciclo Diesel
O ciclo Diesel representa o funcionamento dos motores de combustão
interna de mesmo nome.
Embora construtivamente tenham muitos pontos em comum com
os motores Otto, os motores movidos a diesel possuem algumas
diferenças típicas, que estão relacionadas, principalmente, com as
características do combustível utilizado.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
Nos motores Otto há necessidade de uma fonte de ignição para que
a combustão seja iniciada, já nos motores diesel, quando as condições
de temperatura e pressão geradas pela compressão do ar no cilindro
são suficientes para gerar a auto-ignição, apenas a injeção controlada
do combustível na câmara de combustão pode dar início à combustão.
O esquema a seguir descreve o seu funcionamento.
comb
ar
0-1
1-2
2-3
25
3-4
4-1
1-0
Princípio de funcionamento de um
motor Diesel
Na posição 0-1, o pistão se desloca para baixo admitindo somente ar
para o cilindro.
Na seqüência 1-2, as válvulas fecham e o pistão sobe, comprimindo o ar.
Na seqüência 2-3, com o pistão na sua posição superior (ponto morto
superior), o ar está comprimido e o combustível é injetado de forma
controlada por um bico injetor. A condição interna na câmara propicia
o início da combustão sem a necessidade de centelha elétrica.
O calor gerado pela combustão eleva a pressão no cilindro, forçando
o pistão para baixo como em 3-4.
Ao atingir a sua posição mais baixa (ponto morto inferior) a válvula
de descarga se abre como em 4-1.
A nova subida do pistão em 1-0 permite a expulsão do gás queimado
e já sem pressão.
Quando o pistão atinge novamente o seu ponto morto superior, o
ciclo se reinicia.
?
26
VOCÊ SABIA?
Em 1893, o engenheiro alemão Rudolf Diesel (18581913) criou o primeiro modelo do motor a diesel. Há
algumas diferenças com relação a outros motores de
combustão interna, como por exemplo, enquanto
os cilindros dos motores Otto aspiram uma mistura
combustível – ar, os dos motores Diesel aspiram
somente ar.
Em função dos princípios de funcionamento dos dois
tipos de motores -enquanto para a gasolina, quanto
mais resistente a auto-ignição, melhor; para o diesel,
quanto menos resistente, melhor.
Engenheiros que continuaram o trabalho de Rudolf
Diesel o substituíram por um motor de ciclo misto, em
que o funcionamento relaciona-se ao mesmo tempo
com o ciclo Diesel e com o ciclo Otto.
Devido às suas características funcionais, os motores diesel trabalham
em regimes de mais baixa rotação, bem como possuem pior relação
peso-potência do que os de ciclo Otto de mesma cilindrada.
Isso explica a sua maior aplicação onde o torque é fator mais
importante, como veículos para transporte (ônibus, caminhões e
embarcações) e larga aplicação industrial. Outra justificativa para
essas aplicações é o fato do combustível queimado nos motores diesel
ser mais seguro (características de inflamabilidade na temperatura
ambiente).
Capítulo 1. Máquinas térmicas
1.2.3. Ciclo Brayton
O ciclo Brayton utiliza um gás contendo energia térmica que se
expande em uma turbina gerando trabalho (W). Este é um exemplo
de ciclo Brayton aberto, cujo conjunto é denominado “turbina a gás”,
muito utilizadas em aviões, na geração elétrica, no acionamento de
compressores de processo e na propulsão de navios.
Nesse ciclo, o ar é admitido e ganha pressão em um compressor e,
em seguida, recebe energia pela queima de um combustível em uma
câmara de combustão, expandindo-se em uma turbina que, além
de acionar o compressor, disponibiliza trabalho (W) externo. O gás
que sai da turbina é descarregado na atmosfera. Observe a seguir o
exemplo completo desse esquema.
Combustível
27
3
Câmara de
combustão
Compressor
W
2
Turbina
Eixo
1
4
Entrada de ar
Saída de gases
Esquema do ciclo Brayton
Como mais de 2/3 da energia fornecida pela queima do combustível
é consumida internamente no acionamento do compressor que
alimenta a câmara de combustão, a turbina a gás possui um rendimento
térmico em torno dos 30%. Na ilustração a seguir estão mostrados os
componentes principais de uma turbina a gás industrial.
exaustor
Admissão
de ar
Rotor do
compressor
combustor
Combustível
Estator
do compressor
Turbina
Componentes de uma turbina a gás industrial
As turbinas a gás têm como suas maiores qualidades a compacticidade
(relação peso x potência) e a possibilidade de utilizar vários tipos de
combustíveis, como diesel, querosene de aviação (QAV), gás natural
e óleo combustível. O fator peso-potência é o que determina sua
larga aplicação na aviação. Também essa característica, associada à
flexibilidade no uso de combustíveis, determina o seu uso intensivo
em plataformas de produção de petróleo.
Como o gás da exaustão de uma turbina ainda contém uma considerável
quantidade de energia térmica (em torno de 400 ºC), freqüentemente
ele é utilizado para aquecimento ou geração de vapor.
1.2.4. Ciclo Rankine
Se a expansão ocorrer em uma turbina, por exemplo, esta pode ser
usada para acionar equipamentos rotativos, como geradores elétricos
e compressores. Nesse caso, o vapor que deixa a turbina condensase e a água é bombeada de volta à caldeira. Outro exemplo prático
do ciclo é a locomotiva a vapor, em que a turbina é substituída por
pistões a vapor. A seguir é mostrada a visão esquemática do ciclo.
3
Turbina
Caldeira
Q23
2
4
Condensador
28
O ciclo Rankine é basicamente uma adaptação do ciclo de Carnot.
É o mais usado em usinas termelétricas e nucleares. Tem como fluido
operante a água, que passa à fase de vapor quando aquecida em
uma caldeira, gerando, dessa forma, trabalho (W). Outros líquidos
podem ser usados, mas a água é o mais comum.
W12
1
Bomba
Esquema do ciclo Rankine
W34
Q41
Capítulo 1. Máquinas térmicas
As turbinas a vapor têm vasta aplicação na indústria da
energia, principalmente na área de refinarias e petroquímicas.
Em alguns FPSOs (Floating Production Storage Offloading) elas
são usadas para geração de energia elétrica e acionamento de
bombas e compressores.
1.2.5. Turbo-expansores
Os turbo-expansores são turbinas que utilizam gases provenientes
de processos químicos que ainda contenham quantidade de energia
térmica suficiente para gerar trabalho (W) mecânico quando
expandidos nestas. São largamente utilizados em refinarias,
petroquímicas e unidades de produção de gasolina natural.
1.3. Sistemas auxiliares de um motor a combustão interna do
ciclo Otto
Os sistemas de um motor a combustão interna do ciclo Otto (gasolina
ou álcool) necessitam para o seu funcionamento de sistemas auxiliares
que desempenham funções diversas, como por exemplo:
•Sistema de combustível;
•Sistema de ignição;
•Sistema de arrefecimento;
•Sistema de lubrificação.
1.3.1 Sistema de combustível
É o sistema responsável por introduzir o combustível no motor,
misturando-o com ar. Em um motor movido à gasolina, a alimentação
é feita através de um carburador ou através de injetores de gasolina
colocados diretamente no coletor de admissão do motor.
a) Carburação
Entendemos por carburação o processo no qual a mistura ar/
combustível é produzida com o objetivo de gerar uma combustão
otimizada. Cabe também à carburação suprir o motor com a vazão
29
adequada de combustível para cada regime de funcionamento do
mesmo. Para a gasolina, a relação ideal está na faixa de 15 partes de
ar para uma de combustível e para o álcool 9. Valores mais baixos que
estes indicam uma mistura rica, que provoca maior consumo e mais
poluição. Misturas pobres - muito ar - geram perda de potência.
b) Sistema de combustível a carburador
A ilustração a seguir mostra os principais componentes de um
carburador típico.
Alimentador
Afogador
Emulsionador
(compensador)
Entrada de
gasolina
Cuba
Vent
Bóia
30
Difusor (venturi)
secundário
Agulha de
entrada
Difusor (venturi)
principal
Bomba de aceleração
Mistura atomazida
Gigle principal
Circuito de baixa
(marcha lenta)
Borboleta de aceleração
Agulha de ajuste
(marcha lenta)
Componentes de um carburador típico
O combustível é recebido na cuba fornecido por uma bomba que o
movimenta a partir de um reservatório. Um sistema de bóia e agulha
mantém o nível da cuba constante. O acionamento do acelerador atua
na abertura da válvula-borboleta de controle do fluxo, permitindo
um aumento da vazão de ar que passa pelo venturi. Uma depressão é
formada no centro, arrastando o combustível e formando uma mistura
atomizada que é direcionada para a admissão do motor. Na condição
de marcha lenta, onde a válvula-borboleta de aceleração está fechada,
a alimentação se faz por um circuito alternativo. Em condições de
aceleração, um fluxo adicional de combustível é requerido, sendo este
fornecido por um dispositivo que força uma injeção por um circuito
independente. O afogador permite o enriquecimento da mistura,
requerido quando o motor está frio, facilitando a sua partida
Capítulo 1. Máquinas térmicas
c) Sistema de combustível a injeção
A evolução dos sistemas de alimentação fez com que o carburador
fosse sendo substituído por um sistema de injeção direta, controlado
eletronicamente. Esse sistema garante que o motor receba somente o
volume de combustível de que necessita para um melhor desempenho
no regime em que está sendo solicitado.
Nos sistemas de injeção eletrônica, todos os componentes são
controlados por um módulo eletrônico central, que recebe várias
informações do funcionamento do motor via sensores elétricos, tais
como: rotação, fluxo de ar, ângulo de posição do eixo, posição da
válvula-borboleta, temperaturas e pressões, entre outros. O esquema
a seguir descreve o funcionamento desse sistema.
Ar
31
Bico injetor
P
B
Controle de
Vazão
Tanque de
combustível
Mistura
Sensores
Módulo
eletrônico
de controle
Velas
Sistema de injeção eletrônica
Uma bomba elétrica de combustível mantém uma pressão constante
na entrada dos bicos injetores, que são acionados para abrir e dosar
a quantidade de combustível determinada pela central, que também
controla o sistema de ignição.
Um sistema de injeção tem como principais componentes:
•Bico injetor: controla o volume de combustível, atuando através
de comandos enviados pela “unidade comando eletrônico”;
•Regulador de pressão: atua como limitador de pressão de
combustível de 1 a 2 bar, permitindo o retorno de combustível
em excesso para o reservatório;
32
•Bomba de combustível: possui acionamento elétrico. Sua
operação independe da rotação do motor, mantendo assim o
sistema sem flutuações de pressão;
•Atuador de marcha lenta: tem a função de controlar a vazão
de ar em regime de marcha lenta, permitindo, assim, controle
da rotação em qualquer instante de funcionamento do motor;
•Unidade de comando eletrônico: é o centro de operação de
todos os componentes do sistema de alimentação de combustível.
Tem a função de monitorar e analisar os dados enviados pelos
sensores, sinalizando ao injetor, e em alguns casos ao sistema de
ignição, as condições de trabalho (W) solicitadas pelo motor.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
?
VOCÊ SABIA?
Uma forma de se aproveitar parte da energia
rejeitada por um motor de combustão interna é
acoplar turbinas acionadas pelos gases de escape.
Esse processo é chamado de turboalimentação.
Os gases que saem da câmara de explosão possuem
temperatura elevada e certa pressão e a turbina
converte parte dessa energia mecânica. A função é
aumentar a capacidade de admissão de ar no motor,
uma vez que este sendo admitido a uma pressão maior
que a atmosférica permite que uma maior massa de
ar seja admitida, gerando maior potência. A seguir,
é apresentado um esquema de funcionamento do
dispositivo. O recurso da turboalimentação pode ser
utilizado tanto em motores do ciclo Otto como nos
de ciclo Diesel.
Coletor
de admissão
Coletor
de escape
Intercooler
Regulador
Atuador
Válvula
de alívio
Rotor de compressor
Filtro de ar
Rotor de escape
Turbo
1.3.2. Sistema de ignição
O sistema de ignição é um sistema elétrico que tem a função de
gerar uma centelha no interior da câmara de combustão, que dá
início a queima da mistura combustível - ar.
33
A centelha é gerada no interior da câmara de combustão, dando
início a queima da mistura combustível - ar. Essa centelha é formada
na vela - um eletrodo que abre um arco voltaico quando submetido
à alta tensão, obtida por um circuito elétrico composto por uma
bateria, uma bobina que eleva a tensão e um distribuidor para as
velas no momento requerido.
No esquema a seguir são mostrados os componentes principais do
sistema:
+
7
1
2
RV
6
34
5
3
4
Sistema de ignição
1- bateria, 2- comutador de ignição, 3- bobina de ignição,
4- distribuidor de ignição, 5- condensador de ignição,
6- platinado, 7- velas de ignição, Rv- pré-resistor.
O momento em que o sistema de ignição dispara a centelha na
vela é de suma importância para o funcionamento de um motor
a gasolina. É o chamado ponto de ignição. Como a queima não
é instantânea, o sistema promove uma antecipação da centelha
em relação ao ponto morto superior do cilindro, ou seja, quando
a pressão interna deveria atingir o seu valor máximo requerido,
otimizando o trabalho (W) gerado. Assim, essa antecipação tem um
momento ótimo e o desvio em relação a esse valor produz efeitos
indesejáveis ao funcionamento/integridade do motor.
Quando a antecipação – medida em graus em relação ao Ponto Morto
Superior (PMS) – é excessiva, dizemos que o ponto está adiantado,
podendo provocar o fenômeno da auto-ignição ou detonação, a
comumente chamada “batida de pino”. A auto-ignição é uma queima
descontrolada que pode gerar sérios danos ao motor, como erosão nos
pistões. Por outro lado, motores atrasados – com pouca antecipação
da ignição – perdem potência e aquecem acima do normal.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
a) Octanagem
O rendimento de um motor do ciclo Otto é diretamente
proporcional à sua taxa de compressão. Isso quer dizer que
os motores devem ser construídos com a maior taxa possível.
Na prática, temos uma limitação a isso, que é a possibilidade de
ocorrer a auto-ignição da mistura “combustível - ar”, quando as
condições de “temperatura - pressão” na câmara são elevadas.
Como dito anteriormente, essa é uma condição indesejável aos
motores. Assim, o limite da taxa de compressão está vinculado à
resistência que o combustível tem em iniciar uma auto-ignição.
Esta propriedade de um combustível pode ser medida e foi
padronizada, chamada de Octanagem ou Índice de Octana, pois é
medida em comparação com uma mistura de isoctano com n-heptano.
Assim, o valor da octanagem de uma gasolina é dado pelo percentual
de isoctano da mistura equivalente, e quanto maior o valor, maior
a resistência e, portanto, melhor a gasolina. No Brasil, temos como
exemplos a gasolina comum, com 87 octanas, e a Premium Podium
Petrobras, com 95 octanas. Os motores são projetados para atender à
octanagem média da gasolina fornecida no país.
Tanto a gasolina comum quanto a aditivada tem octanagem 86. Este
índice é indicado para a maioria da frota de veículos que circulam
no Brasil. Já a gasolina Premium possui octanagem 91, podendo ser
utilizada em qualquer veículo. Embora a octanagem da gasolina
Premium seja superior a da comum e a da aditivada, não traz nenhum
benefício se o motor não exigir esse tipo de combustível (alta taxa de
compressão, com monitoramento eletrônico, injeção multiponto e
projetados para gasolinas de alta octanagem).
35
?
VOCÊ SABIA?
O teor de álcool na gasolina é objeto de Lei
Federal e de responsabilidade da Agência Nacional
de Petróleo – ANP. No Brasil, com exceção do Rio
Grande do Sul, é utilizada uma mistura de 76% de
gasolina e 24% de álcool etílico (etanol). É uma
gasolina única no mundo.
No Brasil, também se mistura etanol à gasolina, na
forma de 24% de etanol anidro, a 99,6 ºGay-Lussac (GL)
e 0,4% de água, formando uma mistura “gasohol” com
o objetivo de aumentar a octanagem da gasolina.
1.3.3. Sistema de arrefecimento
36
Menos de uma quarta parte da energia calorífica desenvolvida em
um motor do ciclo Otto é convertida em trabalho (W) útil. O calor
restante deve ser dissipado para que nenhum dos componentes do
motor aqueça a ponto de ser danificado.
Quando se pisa fundo no acelerador, cerca de 36% do calor são
descartados pelo escapamento, 7% são consumidos em atritos
internos que são absorvidos pelo óleo de lubrificação e 33%
dissipam-se no sistema de arrefecimento, antes chamado de sistema
de refrigeração. O circuito fechado de arrefecimento é composto por
uma bomba, uma válvula termostática que controla a temperatura,
mangueiras e camisas no bloco do motor para condução do líquido
de arrefecimento, e um radiador que troca calor com o ar externo.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
Os tipos de sistemas de arrefecimento são:
Sistema de
refrigeração a ar
Nesse sistema, os cilindros do motor (às vezes, também, o cárter)
possuem aletas que aumentam a superfície de contato com o ar,
permitindo uma melhor troca de calor com o meio.
Sistema de
arrefecimento a
água
Nesse sistema, a água é utilizada como condutora de calor
entre o motor e o ar atmosférico. A refrigeração é obtida pelo
forte calor da água em contato com o exterior dos cilindros e do
cabeçote. Com isso, a temperatura do motor fica estabilizada e o
seu funcionamento mais regular.
Sistema de
arrefecimento
natural –
Termossifão
Sistema de
circulação forçada
por bomba
Nesse sistema, não há uma bomba, a circulação de água é
feita naturalmente pela diferença de densidade entre a água
fria (menos densa) do motor e a água quente (mais densa) do
radiador. Esse tipo de circulação é chamado de Termossifão.
Nesse sistema, há uma bomba que agiliza a circulação, resultando
em uma menor diferença de temperatura nas extremidades do
radiador e menos riscos de congelamento no inverno. Entretanto,
quando o motor é acionado, a água fria entra imediatamente em
circulação e o aquecimento do motor é mais lento.
1.3.4. Sistema de lubrificação
A função do óleo no motor não consiste apenas em reduzir o atrito
e o desgaste dos componentes móveis, mas também exerce função
de selagem (atua nos anéis do pistão selando os gases da câmara de
combustão), de dissipar o calor, de diminuir a corrosão e absorver
alguns dos resíduos nocivos da combustão.
O óleo encontra-se no cárter, na parte inferior do motor, e é enviado
por uma bomba para os apoios principais através de um filtro.
O bloco do motor dispõe de uma série de ranhuras que conduzem o
óleo para os mancais, cilindros, conjunto de válvulas de admissão e
descarga, entre outros. O resfriamento do óleo é normalmente feito
no cárter por troca com ambiente externo, sendo que em motores de
alta performance é utilizado um radiador específico.
37
a) Lubrificantes
Os óleos lubrificantes para motores possuem, entre outras, as
seguintes propriedades:
Viscosidade: caracteriza as particularidades de escoamento do
óleo. Ela é modificada com a temperatura; nesse sentido, quanto
mais quente está o óleo, menor a viscosidade. A viscosidade ainda
deve ser suficiente para assegurar um atrito líquido a temperaturas
de funcionamento das peças do motor entre 353 °K e 423 °K (80 a
150 °C).
38
Ponto de combustão: a temperatura na qual o óleo emite vapores
suscetíveis de serem inflamados. O ponto de combustão deve ser
o mais elevado possível, evitando fugas por vaporização quando
em contato com as partes inferiores do pistão do motor quente.
A temperatura de combustão é geralmente superior a 493 °K
(220 °C) para os óleos finos, e para os óleos espessos, ela ultrapassa
253 °K (250 °C).
Ponto de congelamento: o óleo, a uma determinada temperatura,
não escorre mais de uma proveta quando esta é inclinada. O ponto
de congelamento deve ser o mais baixo possível, facilitando, assim,
que o motor entre em movimento após um tempo prolongado sob
temperaturas muito baixas.
Os lubrificantes devem possuir também características detergentes,
que contribuem para manter a limpeza interna do motor, anticorrosivos e contra formação de borras e depósitos nas partes internas
nos motores.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
Os tipos de sistemas de lubrificação são:
Lubrificação por
salpico
Nesse sistema, as cubas colocadas perto da passagem de cada
biela são alimentadas por uma bomba de óleo. As bielas possuem
uma colher (pescador) que apanha o óleo que passa pela cuba; por
inércia, o óleo penetra em seguida na biela e lubrifica o moente.
Lubrificação por
pressão
Nesse sistema, o óleo chega aos mancais sob pressão, sendo
canalizado até aos moentes para lubrificar as bielas. Tanto os
mancais quanto as bielas não possuem ranhuras de lubrificação,
com exceção de algumas câmaras de óleo curtas que não
desembocam no exterior.
Lubrificação por
projeção
Nesse sistema, a lubrificação ocorre sob pressão de todos os
mancais e a lubrificação das bielas por um jato de óleo, que
intensifica a penetração do mesmo no interior da biela.
Lubrificação por
mistura
Nesse sentido, o óleo é misturado com o combustível penetrando
no motor, proporcionalmente ao consumo do mesmo.
Lubrificação por
cárter seco
Nesse sistema, o óleo fica em um reservatório independente,
sendo introduzido sob pressão nos elementos a lubrificar. O óleo
que tende a se acumular no fundo do cárter é aspirado por uma
segunda bomba, chamada bomba de retorno, que o remete ao
reservatório.
39
1.4. Exercícios
1) Qual é a função de um sistema de ignição?
_______________________________________________________________
________________________________________________________________
2) Qual a diferença entre ciclo teórico e ciclo real?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
________________________________________________________________
3) Complete:
40
a) O ciclo _______________ caracteriza um motor térmico ideal em
que a perda de calor para o exterior é mínima e, portanto, apresenta
o máximo rendimento entre os ciclos.
b) O ciclo _____________ representa o funcionamento dos motores
de combustão interna cuja principal aplicação é a propulsão dos
automóveis.
c) O ciclo ______________ aplica-se aos motores lentos estudados
para a propulsão dos barcos.
d) O ciclo _______________ usa a água, que passa à fase vapor quando
aquecida em uma caldeira e se expande para gerar trabalho.
e) O ciclo _______________ utiliza um gás contendo energia térmica
que se expande em uma turbina, gerando trabalho.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
4) Qual a diferença entre sistema de carburação e injeção?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
________________________________________________________________
5) Relacione as características apresentadas na primeira coluna com
os tipos de sistemas de arrefecimento e lubrificação listados na
segunda coluna:
(1)
O óleo fica em um reservatório in- (
dependente, sendo introduzido sob
pressão nos elementos a lubrificar.
)
Sistema de
lubrificação
por projeção.
(2)
O óleo é misturado com o combustí- (
vel, penetrando no motor proporcionalmente ao consumo do mesmo.
)
Sistema de
lubrificação
por salpico.
(3)
O óleo chega aos mancais sob pres- (
são, sendo canalizado até aos moentes para lubrificar as bielas.
)
Sistema de
lubrificação
por mistura.
(4)
A lubrificação ocorre sob pressão (
de todos os mancais e a lubrificação das bielas por um jato de óleo.
)
Sistema de
lubrificação
por cárter
seco.
(5)
As cubas colocadas perto da passa- (
gem de cada biela são alimentadas
por uma bomba de óleo.
)
Sistema de
lubrificação
por pressão.
41
6) Marque a alternativa correta.
a) Neste sistema, a água é utilizada como condutor de calor entre
o motor e o ar atmosférico.
(
) Sistema de refrigeração a ar.
(
) Sistema de arrefecimento a água.
(
) Sistema de circulação forçada por bomba.
b) Neste sistema, os cilindros do motor (às vezes, também, o cárter)
possuem aletas que aumentam a superfície de contato com o ar.
42
(
) Sistema de refrigeração a ar.
(
) Sistema de arrefecimento a água.
(
) Sistema de circulação forçada por bomba.
c) Neste sistema, há uma bomba que agiliza a circulação, resultando em uma menor diferença de temperatura nas extremidades do
radiador e menos riscos de congelamento no inverno.
(
) Sistema de arrefecimento natural – Termossifão.
(
) Sistema de arrefecimento a água.
(
) Sistema de circulação forçada por bomba.
d) Neste sistema, não há uma bomba, a circulação de água é feita
naturalmente pela diferença de densidade entre a água fria do
motor e a água quente do radiador.
(
) Sistema de refrigeração a ar.
(
) Sistema de arrefecimento natural – Termossifão.
(
) Sistema de circulação forçada por bomba.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
7) Correlacione as colunas, identificando os principais sistemas de
um motor ciclo Otto.
A) Sistema de
combustível
(
) A função do óleo no motor não
consiste apenas em reduzir o atrito e
o desgaste dos componentes móveis,
mas também exerce função de selagem
(atua nos anéis do pistão, selando os
gases da câmara de combustão), de
dissipar o calor, de diminuir a corrosão
e absorver alguns dos resíduos nocivos
da combustão.
B) Sistema de
ignição
(
) É um sistema que tem a função de dissipar o calor restante resultante do processo de conversão de energia para que
nenhum dos componentes do motor
aqueça ao ponto de ser danificado.
C) Sistema de
(
arrefecimento
)
D) Sistema de
lubrificação
) É o sistema responsável por introduzir
o combustível no motor, misturando-o
com ar. Em um motor movido a gasolina, a alimentação é feita através de um
carburador ou através de injetores de
gasolina colocados.
(
É um sistema elétrico que tem a função
de gerar uma centelha no interior da
câmara de combustão, que dá início à
queima da mistura combustível - ar.
43
1.5. Glossário
Afogador - dispositivo no painel do veículo, o qual enriquece a mistura de ar +
combustível.
Aleta - chapa paralela, presa às carcaças dos motores com o objetivo de aumentar
a área de contato com o ar para o resfriamento.
ANP - Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis.
Biela - peça responsável pela transferência do movimento alternativo em rotativo.
Cárter - o cárter de um motor é em ferro fundido ou em alumínio fundido. Forma
a parte principal do bloco do motor e contém o virabrequim, o eixo de cames
(motor de válvulas laterais) e a bomba de óleo. As extremidades do cárter têm
freqüentemente garras destinadas à fixação do motor. As paredes extremas e as
divisórias internas suportam os mancais do virabrequim.
44
Cilindrada - medida do volume deslocado de um motor de combustão interna a
pistão. É obtido pelo produto do diâmetro pelo curso dos pistões, multiplicado
pelo número de cilindros do motor.
Combustão - reação química entre uma substância (o combustível) e um gás (o
comburente), geralmente o oxigênio, para liberar.
Fluido operante - em uma máquina térmica, tem o papel de receber o calor e liberar
o trabalho. Várias substâncias podem ser usadas como fluido operante, mas os mais
usados nos equipamentos industriais são a água, o ar e os hidrocarbonetos.
FPSO - Floating Production Storage Offloading. Sistema Flutuante de Produção,
Armazenamento e Transferência.
GL - Gay-Lussac.
Mancal - suporte do rolamento nos eixos dos motores.
Moente - pino do eixo manivela.
Pistão - peça móvel do motor responsável por movimentar o eixo manivela.
PMS - Ponto Morto Superior.
Proveta - recipiente cilíndrico de vidro encontrado em laboratórios.
QAV - querosene de aviação.
Ranhura - pequenos canais onde corre o óleo lubrificante.
Trabalho (W) - para fins da termodinâmica, trabalho é a energia que passa de um
corpo para outro devido à ação de uma força.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
Válvula-borboleta - válvula responsável por dosar a quantidade de ar na entrada
da câmara de combustão.
Venturi - estreitamento do tubo no qual é criada uma depressão onde o ar suga o
combustível.
Viscosidade - propriedade dos fluidos correspondente ao transporte microscópico
de quantidade de movimento por difusão molecular.
45
1.6. Bibliografia
ALMEIDA, Silvio Carlos Anibal de. Motores de Combustão Interna. Apostila. Rio
de Janeiro: UFRJ. Disponível em: <http://mecanica.scire.coppe.ufrj.br/util/
b2evolution/media/silvio/apmotoresMCI05_01.pdf>. Acesso em: 29 set 2008.
CARBONE, Luis. Máquinas Térmicas. Rio de Janeiro: CEFET/RJ, 1993.
RIBEIRO, Almir Francisco. Refrigeração e Ar condicionado. Apostila. Petrobras. Rio
de Janeiro: 2004.
VAN WYLEN, Gordon & SONNTAG, Richard E. Fundamentos da Termodinâmica.
São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda., 1998.
46
Capítulo 1. Máquinas térmicas
1.7. Gabarito
1) Qual é a função de um sistema de ignição?
Esse sistema elétrico tem a função de gerar uma centelha no interior da câmara de
combustão, que dá início a queima da mistura combustível - ar.
2) Qual a diferença entre ciclo teórico e ciclo real?
No ciclo teórico temos ausência de fricção, equilíbrio em todos os processos e
não há perda de energia para o meio externo. Já no ciclo real há fricção, tempo
insuficiente para equilíbrio e perdas de energia.
3) Complete:
O ciclo de Carnot caracteriza um motor térmico ideal em que a perda de calor
para o exterior é mínima e, portanto, apresenta o máximo rendimento entre
os ciclos.
O ciclo Otto representa o funcionamento dos motores de combustão interna cuja
principal aplicação é a propulsão dos automóveis.
O ciclo Diesel aplica-se aos motores lentos estudados para a propulsão dos barcos.
O ciclo Rankine usa a água, que passa à fase vapor quando aquecida em uma
caldeira e se expande para gerar trabalho.
O ciclo Brayton utiliza um gás contendo energia térmica que se expande em uma
turbina, gerando trabalho.
4) Qual a diferença entre sistema de carburação e injeção?
No sistema de carburação, a mistura ar/combustível começa no carburador e
termina no interior da câmara de combustão do motor. Já no sistema por injeção,
todos os componentes são controlados por um módulo eletrônico central, que
recebe várias informações do funcionamento do motor via sensores elétricos,
permitindo que o motor receba somente o volume necessário de combustível.
47
5) Relacione as características apresentadas na primeira coluna com os tipos de
sistemas de arrefecimento e lubrificação listados na segunda coluna:
(1)
O óleo fica em um reservatório independente,
sendo introduzido sob pressão nos elementos
a lubrificar.
(5)
Sistema de
lubrificação por
projeção.
(2)
O óleo é misturado com o combustível,
penetrando no motor proporcionalmente ao
consumo do mesmo.
(4)
Sistema de
lubrificação por
salpico.
(3)
O óleo chega aos mancais sob pressão, sendo
canalizado até aos moentes para lubrificar as
bielas.
(2)
Sistema de
lubrificação por
mistura.
(4)
A lubrificação ocorre sob pressão de todos
os mancais e a lubrificação das bielas por um
jato de óleo.
(1)
Sistema de
lubrificação por
cárter seco.
(5)
As cubas colocadas perto da passagem de
cada biela são alimentadas por uma bomba de
óleo.
(3)
Sistema de
lubrificação por
pressão.
6) Marque a alternativa correta.
48
a) Neste sistema, a água é utilizada como condutor de calor entre o motor e o ar
atmosférico.
(
) Sistema de refrigeração a ar.
( X ) Sistema de arrefecimento a água.
(
) Sistema de circulação forçada por bomba.
b) Neste sistema, os cilindros do motor (às vezes, também, o cárter) possuem aletas
que aumentam a superfície de contato com o ar.
( X ) Sistema de refrigeração a ar.
(
) Sistema de arrefecimento a água.
(
) Sistema de circulação forçada por bomba.
c) Neste sistema, há uma bomba que agiliza a circulação, resultando em uma
menor diferença de temperatura nas extremidades do radiador e menos riscos de
congelamento no inverno.
(
) Sistema de arrefecimento natural – Termossifão.
(
) Sistema de arrefecimento a água.
( X ) Sistema de circulação forçada por bomba.
d) Neste sistema, não há uma bomba, a circulação de água é feita naturalmente pela
diferença de densidade entre a água fria do motor e a água quente do radiador.
(
) Sistema de refrigeração a ar.
( X ) Sistema de arrefecimento natural – Termossifão.
(
) Sistema de circulação forçada por bomba.
Capítulo 1. Máquinas térmicas
7) Correlacione as colunas, identificando os principais sistemas de um motor
ciclo Otto.
A) Sistema de
combustível
(D)
A função do óleo no motor não consiste apenas em
reduzir o atrito e o desgaste dos componentes móveis,
mas também exerce função de selagem (atua nos anéis
do pistão, selando os gases da câmara de combustão), de
dissipar o calor, de diminuir a corrosão e absorver alguns
dos resíduos nocivos da combustão.
B) Sistema de
ignição
(C)
É um sistema que tem a função de dissipar o calor
restante resultante do processo de conversão de energia
para que nenhum dos componentes do motor aqueça ao
ponto de ser danificado.
C) Sistema de
arrefecimento
(B)
É um sistema elétrico que tem a função de gerar uma
centelha no interior da câmara de combustão, que dá
início à queima da mistura combustível - ar.
D) Sistema de
lubrificação
(A)
É o sistema responsável por introduzir o combustível no
motor, misturando-o com ar. Em um motor movido a
gasolina, a alimentação é feita através de um carburador
ou através de injetores de gasolina colocados.
49
Capítulo 2
Refrigeração
52
Capítulo 2. Refrigeração
2. Refrigeração
R
efrigeração não é um processo de adição de frio, como
normalmente se pensa, mas sim, a remoção natural ou artificial
do calor de um corpo. Esta aplicação é utilizada na preservação
de alimentos desde muito tempo. Foi importante no desenvolvimento
do comércio, pois conservava os produtos sujeitos à deterioração.
2.1. Máquinas de refrigeração
Equipamentos construídos no intuito de refrigerar ou
condicionar o ar, permitindo a troca de calor entre substâncias
e ambientes de temperaturas diferentes, são chamados de
máquinas de refrigeração.
Nas plataformas de produção de petróleo offshore da Petrobras,
situadas na Bacia de Campos, os tipos de sistemas de climatização
mais utilizados são o de expansão indireta (chiller) e o de expansão
direta (self-contained).
2.2. Ciclos por compressão e absorção
O processo de remover calor de um corpo é realizado por meio
de um ciclo termodinâmico. A partir desse ciclo, o calor é extraído
do ambiente a ser refrigerado e em seguida é enviado para o
ambiente externo.
Dentre os ciclos de refrigeração, os ciclos por compressão e por
absorção são os mais utilizados.
2.2.1. Ciclo por compressão
O ciclo de Carnot é um ciclo ideal e, portanto, pode funcionar de
forma invertida. Assim, se ao invés de retirarmos trabalho (W) de
uma fonte quente, adicionarmos trabalho (W) ao ciclo, o calor será
movido da fonte fria para a fonte quente e teremos o princípio usado
nos sistemas de refrigeração. Um ciclo de refrigeração é operado
por meio de condensador, válvula de expansão e evaporador.
Esses componentes são mostrados no esquema a seguir:
53
Trabalho
Condensador
Evaporador
Compressor
Válvula de expansão
Calor
Esquema de um ciclo de refrigeração
54
No ciclo por compressão, a elevação da pressão do refrigerante é
conseguida por meio de um compressor que requer trabalho (W),
ou seja, ao introduzir o trabalho (W) externo, por intermédio do
compressor, a pressão do fluido refrigerante é elevada à forma
de gás, que se torna liquido quando resfriado no condensador.
Convém mencionar que o fluido operante no ciclo por compressão
possui propriedades específicas que permitem maximizar o
rendimento do ciclo. Chamado de fluido ou gás de refrigeração, o
mais comumente utilizado é o Freon, nome comercial para os gases
com base nos clorofluorcarbonos, ou CFCs.
A transformação de expansão ocorre em uma válvula que, reduzindo
a pressão, faz com que o refrigerante retorne para o seu estado
gasoso removendo calor da fonte fria por intermédio do evaporador.
Entende-se por fonte fria o meio que se deseja resfriar.
Tanto o condensador quanto o evaporador são trocadores de calor
que podem ser do tipo colméia ou do tipo casco e tubos. Em sistemas
domésticos, como geladeiras e aparelhos de ar condicionado, as
trocas de calor ocorrem entre o gás refrigerante e o ar externo no
condensador e entre o gás refrigerante e o ar do meio refrigerado no
evaporador, normalmente do tipo colméia - radiadores.
Capítulo 2. Refrigeração
Nos sistemas industriais, como em plataformas, é comum o uso da
troca “gás - refrigerante - água” em condensadores e evaporadores
casco tubo, em sistemas de ar condicionado que utilizam a água
gelada como fluido secundário, os chamados chillers. Assim, a
água gelada é conduzida por tubulações isoladas aos ambientes,
onde alimenta um conjunto “radiador - ventilador” (fan-coil) que
resfria o ar.
Observe nas ilustrações a seguir alguns componentes dos sistemas de
refrigeração.
55
Chiller
Condensador com
válvula termostática
Ventoinha
Escapamento
ajustável
Tambique
Ventilador
Compressor
Painel de
controle
Grade
frontal Sensor do
Filtro
termostato
Mola do
Mola do
condensador
evaporador
Condicionador de ar doméstico
56
Fan coil
2.2.2. Ciclo por absorção
O ciclo de refrigeração por absorção é similar ao ciclo de refrigeração
a vapor, sendo que a etapa de compressão é substituída por um
processo químico. Esse ciclo é operado a calor, isto é, a maior parte
da operação está associada com o fornecimento de calor que libera o
vapor do líquido de alta pressão.
Capítulo 2. Refrigeração
No sistema de absorção, podemos citar os seguintes componentes:
•Absorvedor: onde o fluido (gás) é misturado a uma solução
líquida (ex.: água + amônia);
•Bomba: para manter o fluxo e aumentar a pressão da
mistura líquida;
•Gerador: onde o fluido (gás) é separado da mistura a alta
pressão.
A energia externa vem em forma de calor. Este é adicionado ao
gerador para liberação do fluido. A remoção do calor acontece no
absorvedor durante a mistura. Uma válvula redutora mantém a
diferença de pressão entre o gerador e o absorvedor. Assim, é possível
a geração de frio a partir do fornecimento de calor.
Qge
Ambiente
Quente
Tq
Gerador
Absorvedor
C
D
B
Wbs
Qq
A
Qab
Tf
Qf
Ambiente
Frio
Esquema de sistema de absorção
2.3. Frio industrial
Frio industrial é a utilização de equipamentos para reduzir a
temperatura ambiente a valores requeridos pelo processo onde
é aplicado.
57
2.3.1. Aplicações do frio industrial
Atualmente, são inúmeras as aplicações do frio, que é aproveitado
praticamente em todos os ramos da atividade humana. Assim,
podemos citar:
Setores
58
Aplicações
Indústria de
alimentos
Manufatura, tratamento térmico, armazenagem e transporte de
alimentos.
Fabricação de gelo
Gelo em blocos, seco, pista de patinação.
Indústria de
construção
Estruturas de concreto (barragens, fundações etc.), congelamento
do solo para abertura de poços e túneis, e consolidação de
fundações abaladas.
Metalurgia
Tratamento térmico de aços rápidos, redução do endurecimento
de certas ligas (alumínio), refrigeração de ferramentas durante o
corte, ligação de peças mecânicas por contração etc.
Indústria química
Remoção de calor em reações químicas exotérmicas, separação
de misturas de líquidos e gases, e solidificação de materiais etc.
Condicionamento
do ar
Refrigeração de residências, escritórios, fábricas, transportes,
recreação, hospitais etc., para refrigeração de minas
profundas etc.
Medicina
Congelamento de peças anatômicas, conservação de cadáveres
(morgues), elaboração do plasma sanguíneo, cultura de fungos
(antibióticos), na fabricação da insulina etc.
2.4. Fluidos refrigerantes
As substâncias químicas responsáveis pelo transporte de energia
num ciclo de refrigeração são chamadas de fluidos refrigerantes.
Essas substâncias, utilizadas em todos os equipamentos de
refrigeração por compressão têm como função absorver energia
térmica do meio.
Capítulo 2. Refrigeração
2.5. Gases refrigerantes
As substâncias que absorvem grande quantidade de calor ao passarem
do estado líquido para o gasoso são chamadas de gases refrigerantes.
Para que haja essa absorção, é necessária a presença de uma fonte
extra que efetue a troca de calor (água ou ar). A absorção ocorre
justamente com a mudança de fase do fluido.
Observe, na tabela a seguir, alguns exemplos de gases refrigerantes
e sua aplicação.
Família
Química
ODP
GWP
Lubrificante
Aplicação
R-11
CFC
1,0
1,0
-
Limpeza
(solvente)
R-141b
HCFC
0,11
0,13
-
R-12
CFC
1,0
3,06
OM
R-134a
HFC
0
0,30
POE
HCFC
-
-
AB, POE
Retrofit
HCFC
0,05
0,31
OM, AB, POE
Retrofit
Refrigerante
R-401A (MP
39)
R-409A (FX
56)
R-22
HCFC
0,055
0,37
OM
R-407C
HFC
0
-
POE
R-413A
R-417A
HFC
HFC
0
0
-
OM, AB, POE
OM, AB, POE
Limpeza
(solvente)
Frigorífico / Ar
condicionado
Novos
equipamentos
/ Retrofit
Ar
condicionado /
Frigorífico
Ar
condicionado
Retrofit
Retrofit
Exemplos de gases refrigerantes e sua aplicação
2.6. Condensadores
Tanto o condensador quanto o evaporador são trocadores de calor
que podem ser tanto do tipo colméia quanto casco tubo. Em sistemas
domésticos, como geladeiras e aparelhos de ar condicionado, as trocas
59
de calor são entre o gás refrigerante e o ar externo no condensador
e entre o gás refrigerante e o ar do meio refrigerado no evaporador,
normalmente do tipo colméia - radiadores.
Nos sistemas industriais, como em plataformas, é comum o uso da
troca gás refrigerante - água em condensadores e evaporadores
tipo casco tubos, em sistemas de ar condicionado que utilizam a
água gelada como fluido secundário, os chamados chillers. Assim, a
água gelada é conduzida por tubulações isoladas aos ambientes, onde
alimenta um conjunto radiador - ventilador (fan-coil) que resfria o ar.
60
Condensador
O condensador tem por finalidade esfriar e condensar o vapor
superaquecido, proveniente da compressão, nas unidades de
refrigeração mecânica. Esta operação é feita transferindo-se o
calor do fluido aquecido para o meio (fonte quente), usando-se,
para isto, água, ar ou mesmo ar e água em contato. A transmissão
de calor num condensador verifica-se em três fases distintas: o
dessuperaquecimento, a condensação e o sub-resfriamento.
O refrigerante sob pressão e superaquecido entra no condensador
onde, trocando calor com a água, ar ou água salgada, muda do estado
de vapor superaquecido para líquido saturado ou sub-resfriado. No
caso de condensadores a água doce ou salgada, eles são do tipo casco
tubo. O vapor superaquecido circula através do casco, enquanto a
água, através dos tubos.
Capítulo 2. Refrigeração
Condensador casco e tubo
O condensador evaporativo constitui-se em uma combinação de uma
serpentina condensadora com uma torre de arrefecimento de água
com ar forçado, isto é, um dispositivo onde um fluido frigorígeno é
condensado e, ao mesmo tempo, a água usada para a sua condensação
é esfriada.
61
Um condensador evaporativo é constituído de um circuito de água
com borrifadores e bomba, um circuito de ar com eliminadores
de gotas e ventilador, e uma serpentina condensadora para o
fluido frigorígeno.
Condensador casco e tubo
2.7. Evaporadores
A troca térmica entre o refrigerante e o meio a ser resfriado, seja ele o
ar ambiente (expansão direta) ou água, salmoura (expansão indireta)
é feita por meio do evaporador. Uma mistura formada de líquido
+ vapor circula dentro do evaporador. O refrigerante responsável
pela absorção de calor do meio a ser climatizado, vaporiza-se até se
transformar em vapor superaquecido na saída do evaporador.
O efeito refrigerante ocorre dentro do evaporador, conforme o
refrigerante muda de fase (calor latente de vaporização). A partir
do momento em que todo refrigerante se transforma em vapor, a
quantidade de calor absorvido será bem menor, o que ocasionará um
aumento da temperatura do gás (calor sensível).
62
Evaporador
2.8. Normas
O Ministério da Saúde publicou algumas normas para garantir a
qualidade do ar em ambientes climatizados, em interiores, bem como
os procedimentos mínimos para executar os serviços de higienização
corretiva de sistemas, de tratamento e distribuição de ar contaminado
microbiologicamente. Seguem as principais:
Resolução ANVISA –
RE Nº 176, de 24 de
outubro de 2000.
Estabelece procedimentos e diretrizes mínimas para
execução dos serviços de higienização corretiva de
sistemas, de tratamento e distribuição de ar contaminado
microbiologicamente.
NBR 14.679, de abril de
2001.
Estabelece o cumprimento de padrões adequados de
manutenção, limpeza, operação e controle de modo
garantir a qualidade do ar para todos os sistemas de
climatização de ar e da implantação formal do Plano de
Manutenção, Operação e Controle (PMOC).
Portaria Nº 3.523, de 28
de agosto de 1998.
Estabelecer critérios que informem a população sobre
a qualidade do ar interior em ambientes climatizados
artificialmente de uso público e coletivo.
Capítulo 2. Refrigeração
2.8.1. Outras normas
Além das já mencionadas, podemos citar outras normas aplicáveis ao
uso de refrigeradores.
•Portaria Nº 3.523, de 28 de agosto de 1998
Esta Portaria é o marco inicial do reconhecimento da “Síndrome do
Edifício Doente” pelo Governo brasileiro. Alguns autores associam
a publicação desta portaria à morte de uma autoridade política
brasileira por contaminação microbiológica através de um sistema
de climatização de ar, não tendo sido, contudo, comprovado e
divulgado alguma evidência que associasse esta morte com a possível
contaminação do sistema.
A priori, as motivações para a publicação desta Portaria eram:
a preocupação mundial com a Qualidade do Ar em ambientes
climatizados; a preocupação com a saúde, bem-estar, conforto,
produtividade e absenteísmo do trabalhador; e os agravos à saúde
dos trabalhadores relacionados à Síndrome do Edifício Doente.
Essa Portaria visa estabelecer o cumprimento de padrões adequados
de manutenção, limpeza, operação e controle de modo garantir a
qualidade do ar para todos os sistemas de climatização de ar e da
implantação formal do Plano de Manutenção, Operação e Controle
(PMOC) em sistemas com capacidade de climatização acima de 5 TR
(15.000 Kcal/h = 60.000 BTU/h ).
Medidas de segurança e manutenção
O Plano de Manutenção, Operação e Controle (PMOC) - complementa
a Portaria Nº 3.523 no que diz respeito às recomendações e
procedimentos de manutenção e limpeza dos sistemas, definindo
uma periodicidade para algumas tarefas de limpeza e manutenção.
A tabela a seguir mostra a periodicidade de tarefas para alguns
componentes dos sistemas de climatização.
63
Componente
Periodicidade
Tomada de ar externo
Limpeza mensal ou quando descartável até sua
liberação (máximo 3 meses).
Unidades filtrantes
Limpeza mensal ou quando descartável até sua
liberação (máximo 3 meses).
Bandejas de condensado
Mensal*.
Serpentina de aquecimento
Desencrustação semestral e limpeza trimestral.
Serpentina de resfriamento
Desencrustação semestral e limpeza trimestral.
Umidificador
Desencrustação semestral e limpeza trimestral.
Ventilador
Semestral.
Plenum de mistura/casa de máquinas
Mensal.
* Excetuando na vigência de tratamento químico contínuo que passa a respeitar a
periodicidade do produto utilizado.
64
Fonte: Resolução ANVISA - RE Nº 9.
Periodicidade de Tarefas do PMOC
•Resolução ANVISA - RE Nº 176, de 24 de outubro de 2000
Passados dois anos a partir da Portaria Nº 3.523, o Governo brasileiro,
através do Ministério da Saúde, e de sua Agência de Vigilância
Sanitária (ANVISA), e com a participação de várias instituições, baixa
a resolução a RE Nº 176 tendo por metas:
•Estabelecer critérios que informem a população sobre
a qualidade do ar interior em ambientes climatizados
artificialmente de uso público e coletivo, cujo desequilíbrio
poderá causar agravos à saúde dos seus ocupantes;
•Instrumentalizar as equipes profissionais envolvidas no
controle de qualidade do ar interior, no planejamento,
elaboração, análise e execução de projetos físicos e nas ações
de inspeção de ambientes climatizados artificialmente de uso
público e coletivo.
Capítulo 2. Refrigeração
Essa resolução foi publicada a fim de complementar a Portaria Nº 3523,
estabelecendo padrões referenciais para a qualidade do ar interior,
abordando não só a questão do conforto, mas, principalmente, com
relação aos agentes físicos, químicos e microbiológicos que podem
acarretar em ambientes nocivos às pessoas expostas. A Resolução
faz, ainda, um levantamento das principais fontes de contaminação
biológica e química em ambientes climatizados além de apresentar
recomendações para a avaliação e controle, através de métodos de
amostragem e análises dos possíveis contaminantes.
•ABNT - NBR 14.679 de abril de 2001
A importância desta Norma foi o estabelecimento de padrões e o
nível de detalhamento abordado nos procedimentos de limpezas
a serem cumpridos de modo a garantir a perfeita higienização de
todo o sistema de climatização artificial. Em função do nível de
detalhamento e especificidade quando a atividade de higienização
dos sistemas é recomendável que o conteúdo desta NBR seja incluído
no PMOC das instalações de climatização, atendendo à periodicidade
estabelecida na RE Nº 176 e em sua revisão a RE Nº 9.
•Resolução ANVISA - RE Nº 9, de 16 de janeiro de 2003
Esta resolução Nº 9 da ANVISA tem por objetivo a revisão e
atualização da antiga RE Nº 176 de 24 de outubro de 2000
quanto aos “Padrões Referenciais do Ar Interior em Ambientes
Climatizados Artificialmente de Uso Público e Coletivo, frente ao
conhecimento e a experiência adquiridos no país nos primeiros
anos de sua vigência”.
Nesse item são levantados os Padrões Referenciais da RE Nº 9,
quanto à possível contaminação dos ambientes climatizados
artificialmente por agentes físicos, químicos e microbiológicos,
além das recomendações de avaliação e controle destes poluentes,
através de métodos analíticos.
65
Apesar da Resolução em questão ter sido publicada em função da
preocupação mundial com o agravo à saúde por contaminação
biológica de uma forma geral, através da proliferação de bactérias,
ácaros, vírus, protozoários etc., a mesma define o Máximo Valor de
Referência apenas para fungos viáveis, indicando a inaceitabilidade
aos fungos patogênicos e toxigênicos, sem definir, ou mesmo
deixar claro se poderiam ser enquadrados como “fungos” outros
contaminantes microbiológicos.
66
Capítulo 2. Refrigeração
2.9. Exercícios
1) O que são máquinas de refrigeração?
_______________________________________________________________
________________________________________________________________
2) Assinale com C as características pertencentes ao ciclo por
compressão e A, ao ciclo de absorção:
(
)
A pressão do fluido refrigerante na forma de gás é elevada,
tornando-se líquido quando resfriado no condensador.
(
)
Utiliza uma fonte de calor.
(
)
Há um processo químico.
(
)
Possui condensadores, evaporadores e compressores.
(
)
Há uma válvula que, ao reduzir a pressão, faz com que o
refrigerante retorne para o seu estado gasoso.
3) O que é frio industrial? Cite duas aplicações.
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
________________________________________________________________
4) Complete as afirmativas:
a) São substâncias químicas responsáveis pelo transporte de energia num ciclo de refrigeração:
_____________________________________________________________.
b) São substâncias que absorvem grande quantidade de calor ao
passarem do estado líquido para o gasoso:
_____________________________________________________________.
c) Caracteriza as particularidades de escoamento do óleo:
_____________________________________________________________.
67
d) É a temperatura à qual o óleo emite vapores suscetíveis de serem inflamados:
_____________________________________________________________.
e) É quando o óleo, a uma determinada temperatura, não escorre
mais de uma proveta quando esta é inclinada:
_____________________________________________________________.
5) Qual é a função do condensador e do evaporador?
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
________________________________________________________________
6) Relacione as normas apresentadas na primeira coluna com os seus
respectivos objetivos, listados na segunda coluna:
68
(1)
Resolução (
ANVISA – RE
Nº 176, de 24
de outubro
de 2000
) Estabelece
procedimentos
e
diretrizes mínimas para execução
dos
serviços
de
higienização
corretiva de sistemas, de tratamento
e distribuição de ar contaminado
microbiologicamente.
(2)
NBR 14.679, (
de abril de
2001
) Estabelece o cumprimento de padrões adequados de manutenção,
limpeza, operação e controle de
modo a garantir a qualidade do ar
para todos os sistemas de climatização de ar e da implantação formal
do Plano de Manutenção, Operação
e Controle (PMOC).
(3)
Portaria Nº (
3.523, de 28
de agosto de
1998
) Estabelecer critérios que informem
a população sobre a qualidade
do ar interior em ambientes
climatizados artificialmente de
uso público e coletivo.
Capítulo 2. Refrigeração
7) Para cada componente dos sistemas de climatização, indique a periodicidade de tarefas, segundo o Plano de Manutenção, Operação e
Controle (PMOC).
Componente
Periodicidade
Tomada de ar externo
Unidades filtrantes
Bandejas de condensado
Serpentina de aquecimento
Serpentina de resfriamento
Umidificador
Ventilador
Plenum de mistura/casa de
máquinas
69
2.10. Glossário
ANVISA - Agência Nacional de Vigilância Sanitária.
CFC - Clorofluorcarbono.
Chiller - sistema de climatização de expansão indireta.
Dessuperaquecimento - redução da temperatura do vapor superaquecido para um
valor aceitável.
Fluido frigorígeno - tipo de fluido utilizado para promover a transferência de calor
em um sistema de refrigeração que, em temperaturas e pressões mais altas, rejeita
o calor e o recebe, quando temperatura e pressão estão baixas.
Fluido operante - em uma máquina térmica, tem o papel de receber o calor e liberar
o trabalho. Várias substâncias podem ser usadas como fluido operante, mas os mais
usados nos equipamentos industriais são a água, o ar e os hidrocarbonetos.
70
NBR - Norma Brasileira.
PMOC - Plano de Manutenção, Operação e Controle.
RE - sigla que antecede a uma resolução. Exemplo: “RE Nº 9”.
Self-contained - sistema de climatização de expansão direta.
Trabalho (W) - para fins da termodinâmica, trabalho é a energia que passa de um
corpo para o outro devido à ação de uma força.
Capítulo 2. Refrigeração
2.11 Bibliografia
ALMEIDA, Silvio Carlos Anibal de. Motores de Combustão Interna. Apostila. Rio
de Janeiro: UFRJ. Disponível em: <http://mecanica.scire.coppe.ufrj.br/util/
b2evolution/media/silvio/apmotoresMCI05_01.pdf>. Acesso em: 29 set 2008.
ANVISA. Portaria nº 3.523/GM, de 28 de agosto de 1998. Disponível em: <http://elegis.anvisa.gov.br/leisref/public/showAct.php?id=295&word>. Acesso em: 29 de
set 2008.
ANVISA. Resolução RE nº 9, de 16 de janeiro de 2003. Disponível em:<http://e-legis.
anvisa.gov.br/leisref/public/showAct.php?id=17550&word>. Acesso em: 29 de set
2008.
ANVISA. Resolução RE nº 176, de 24 de outubro de 2000. Disponível em: <http://elegis.anvisa.gov.br/leisref/public/showAct.php?id=7377&word>. Acesso em: 29
de set 2008.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. Instalações centrais de ar
condicionado para conforto - Parâmetros básicos de projeto, NBR 6401.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. Sistemas de
condicionamento de ar e ventilação - Execução de serviços de higienização,
NBR 14.679.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. Sistemas de refrigeração,
condicionamento de ar e ventilação - Manutenção programada, NBR
13.971/97.
CARBONE, Luis. Máquinas Térmicas. Rio de Janeiro: CEFET/RJ, 1993.
RIBEIRO, Almir Francisco. Refrigeração e Ar condicionado. Apostila. Petrobras. Rio
de Janeiro: 2004.
VAN WYLEN, Gordon & SONNTAG, Richard E. Fundamentos da Termodinâmica. São
Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 1998.
71
2.12. Gabarito
1) O que são máquinas de refrigeração?
São equipamentos que refrigeraram ou condicionam o ar, permitindo a troca de
calor entre substâncias e ambientes de temperaturas diferentes.
2) Assinale com C as características pertencentes ao ciclo por compressão e A, ao
ciclo de absorção:
72
(C)
A pressão do fluido refrigerante na forma de gás é elevada, tornando-se
líquido quando resfriado no condensador.
(A)
Utiliza uma fonte de calor.
(A)
Há um processo químico.
(C)
Possui condensadores, evaporadores e compressores.
(C)
Há uma válvula que, ao reduzir a pressão, faz com que o refrigerante
retorne para o seu estado gasoso.
3) O que é frio industrial? Cite duas aplicações.
O frio industrial é a utilização de equipamentos no uso diário, de forma a abaixar
a temperatura de um corpo da temperatura ambiente até a temperatura de
congelamento ou até abaixar a temperatura dele aquém da sua temperatura de
congelamento. Ele pode ser aplicado: na indústria de alimentos, na fabricação
de gelo, na indústria de construção, na metalurgia, na indústria química, no
condicionamento do ar, no aquecimento por bomba de calor e na medicina.
4) Complete as afirmativas:
a) São substâncias químicas responsáveis pelo transporte de energia num ciclo de
refrigeração:
Fluidos refrigerantes.
b) São substâncias que absorvem grande quantidade de calor ao passarem do
estado líquido para o gasoso:
Gases refrigerantes.
c) Caracteriza as particularidades de escoamento do óleo:
Viscosidade.
d) É a temperatura à qual o óleo emite vapores suscetíveis de serem inflamados:
Ponto de Combustão.
e) É quando o óleo, a uma determinada temperatura, não escorre mais de uma
proveta quando esta é inclinada:
Ponto de congelamento.
Capítulo 2. Refrigeração
5) Qual é a função do condensador e do evaporador?
O condensador tem por finalidade esfriar e condensar o vapor superaquecido,
proveniente da compressão, nas unidades de refrigeração mecânica. Já o
evaporador tem como função estabelecer a troca térmica entre o refrigerante e o
meio a ser resfriado.
6) Relacione as normas apresentadas na primeira coluna com os seus respectivos
objetivos, listados na segunda coluna:
(1)
Resolução
ANVISA – RE Nº
176, de 24 de
outubro de 2000
(2)
Estabelece procedimentos e diretrizes mínimas
para execução dos serviços de higienização
corretiva de sistemas, de tratamento e distribuição
de ar contaminado microbiologicamente.
(2)
NBR 14.679, de
abril de 2001
(3)
Estabelece o cumprimento de padrões
adequados de manutenção, limpeza, operação
e controle de modo a garantir a qualidade do ar
para todos os sistemas de climatização de ar e da
implantação formal do Plano de Manutenção,
Operação e Controle (PMOC).
(3)
Portaria
Nº
3.523, de 28 de
agosto de 1998
(1)
Estabelecer critérios que informem a
população sobre a qualidade do ar interior
em ambientes climatizados artificialmente de
uso público e coletivo.
7) Para cada componente dos sistemas de climatização, indique a periodicidade de
tarefas, segundo o Plano de Manutenção, Operação e Controle (PMOC).
Componente
Periodicidade
Tomada de ar externo
Limpeza mensal ou quando descartável até sua
liberação (máximo 3 meses).
Unidades filtrantes
Limpeza mensal ou quando descartável até sua
liberação (máximo 3 meses).
Bandejas de condensado
Mensal.
Serpentina de aquecimento
Desencrustação semestral e limpeza trimestral.
Serpentina de resfriamento
Desencrustação semestral e limpeza trimestral.
Umidificador
Desencrustação semestral e limpeza trimestral.
Ventilador
Semestral.
Plenum de mistura/casa de
máquinas
Mensal.
73
Anotações
74