Apostila-Máquinas térmicas, Notas de estudo de Engenharia Metalúrgica

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MÁQUINAS TÉRMICAS E HIDRÁULICAS Prof. Luiz Cordeiro Revisão: 07/09/10 Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 1 ÍNDICE 1 MÁQUINAS TÉRMICAS ...................................................................................6 1.1)Introdução ...................................................................................................6 1.2) Classificação ..............................................................................................6 1.3) Revisão da Termodinâmica .......................................................................7 1.3.1) Definição de Termodinâmica ...............................................................7 1.3.2) Estados de Equilíbrio, Ciclos e Processos Termodinâmicos ..............7 1.3.3) Propriedades Termodinâmicas............................................................8 .3.3.1) Equação de estado do Gás Perfeito e do gás real........................10 1.3.4) Energias .............................................................................................11 1.3.4.1) Energias Armazenadas................................................................11 1.3.4.2) Energias de Trânsito....................................................................12 1.3.4.3) Entalpia ........................................................................................14 1.3.4.4) Calor Específico...........................................................................14 1.3.4.5) Outras Formas de Energia ..........................................................14 1.3.5) Sistemas Termodinâmicos.................................................................14 1.3.5.1) Sistemas Fechados e Abertos.....................................................14 1.3.5.2) Sistemas Estáticos e Dinâmicos..................................................15 1.3.5.3) Sistemas Dinâmicos Abertos em Regime Permanente ..............15 1.3.6) Processos Termodinâmicos...............................................................15 1.3.6.1) Processos Abertos e Fechados (Ciclos) .....................................15 1.3.6.2) Processos Reversíveis e Irreversíveis ........................................18 1.3.7) Algumas Características e Processos dos Gases Perfeitos .............19 1.3.7.1) Calor Específico...........................................................................19 1.3.7.2) Equação de Mayer.......................................................................19 1.3.7.3) Processos Adiabáticos Reversíveis dos Gases Perfeitos...........20 1.3.7.4) Calor e Trabalho nas Transformações Isotérmicas Reversíveis dos Gases Perfeitos..................................................................................21 1.3.8) A Lei Zero da Termodinâmica ...........................................................22 1.3.9) A 1ª Lei da Termodinâmica................................................................22 1.3.10) Segunda lei da termodinâmica ........................................................25 1.3.10.1) Introdução ..................................................................................25 1.3.10.2) Enunciados da Segunda Lei......................................................26 1.3.10.3) Ciclo de Carnot ..........................................................................27 1.3.10.4) Desigualdade de Clausius .........................................................29 1.3.10.5) Entropia......................................................................................30 1.3.11) Terceira lei da termodinâmica (Einstein - Plank).............................32 1.3.12) Tabelas e Diagramas.......................................................................32 2 MÁQUINAS DE FLUXO..................................................................................33 2.1) Introdução ................................................................................................33 2.2) Elementos construtivos............................................................................33 2.3) Classificação das máquinas de fluxo.......................................................35 2.3.1) Segundo a direção da conversão de energia....................................35 2.3.2) Segundo a forma dos canais entre as pás do rotor ..........................37 2.3.3) Segundo a trajetória do fluido no rotor ..............................................38 2.4 BOMBAS .....................................................................................................39 2.4.1) Introdução .............................................................................................39 2.4.2) Bombas Centrífugas .............................................................................41 Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 4 2.9.8.2) A teoria a cerca do funcionamento de um estágio axial...............229 2.9.8.3) Peculiaridades do Compressor Axial Real ...................................229 2.9.8.4) Performance de um Compressor Axial.........................................230 2.9.9) Bibliografia ..........................................................................................230 3 CICLO DE RANKINE....................................................................................231 3.1) Introdução ..............................................................................................231 3.2) Processos que compõem o ciclo ideal de Rankine ...............................232 3.3) Equacionamento do ciclo de Rankine ...................................................233 3.4) Comparação com o ciclo de Carnot ......................................................239 3.5) Efeito da pressão e temperatura no ciclo de Rankine...........................240 3.6) Afastamento dos ciclos reais em relação aos ciclos ideais...................242 3.7) Ciclo de Rankine com reaquecimento ...................................................246 3.8) Ciclo de Rankine Regenerativo .............................................................250 3.9) Exercícios Resolvidos............................................................................260 3.10) Bibliografia ...........................................................................................272 4 CICLOS MOTORES E PROCESSOS IDEAIS .............................................273 4.1) Introdução ..............................................................................................273 4.2) Conceitos ligados aos Ciclos Padrões a ar ...........................................273 4.3) Motores automotivos de combustão interna..........................................276 4.3.1) Evolução dos motores .....................................................................276 4.3.2) Introdução ........................................................................................276 4.3.3) Constituição do motor de combustão interna ..................................278 4.3.4) Sistema de ignição dos Motores ciclo Otto .....................................279 4.3.5) Número de tempos de operação do motor ciclo Otto......................279 4.3.6) Nomenclatura...................................................................................282 4.3.7) Principais elementos que constituem um motor e suas características ....................................................................................................................284 4.3.7.1) Cabeçote....................................................................................284 4.3.7.1.1) Tipos de Cabeçote...............................................................285 4.3.7.1.2) Posição do comando e tipos de motor ................................285 4.3.7.2) Bloco .........................................................................................286 4.3.7.2.1) Biela, Êmbolo e Casquilho...................................................286 4.3.7.2.2) Tucho e Balancins ...............................................................287 4.3.7.2.3) Virabrequim e Volante .........................................................287 4.3.8) Especificações .................................................................................288 4.3.8.1) Cilindrada...................................................................................288 4.3.8.2) Relação ou Taxa de Compressão .............................................289 4.3.8.3) Torque........................................................................................289 4.3.8.4) Potência .....................................................................................290 4.3.8.4.1) Unidades de Potência..........................................................290 4.3.8.4.2) Tipos de Potência ................................................................291 4.3.8.5) Combustíveis .............................................................................291 4.3.8.5.1) Gasolina...............................................................................291 4.3.8.5.2) Octanagem ..........................................................................291 4.3.8.6) Classificação dos óleos lubrificantes.........................................292 4.3.9) Sistemas Auxiliares..........................................................................294 4.3.9.1) Sistema de alimentação de ar ...................................................296 4.3.9.1.1) Introdução ............................................................................296 4.3.9.1.2) Admissão de ar ....................................................................296 4.3.9.1.3) Motores Super Alimentados ................................................297 Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 5 4.3.9.1.4) Turbo alimentação com Pós-resfriamento (intercooler) ......299 4.3.9.2) Sistema de distribuição.............................................................301 4.3.9.2.1) Funcionamento da distribuição...........................................301 4.3.9.3) Sistema de alimentação de combustível ...................................302 4.3.9.3.1) Tipos de injeção...................................................................302 4.3.9.4) Sistema de lubrificação..............................................................306 4.3.9.4.1) Introdução ............................................................................306 4.3.9.4.2) Atrito.....................................................................................306 4.3.9.4.3) Origem dos lubrificantes ......................................................306 4.3.9.4.4) Funções básicas dos lubrificantes.......................................307 4.3.9.4.5) Sistema de lubrificação misto ..............................................308 4.3.9.4.6) Cárter ...................................................................................310 4.3.9.4.7) Filtro de óleo ........................................................................310 4.3.9.4.8) Bomba de óleo.....................................................................311 4.3.9.5) Sistema de arrefecimento..........................................................312 4.3.9.5.1) Introdução ............................................................................312 4.3.9.5.2) Sistema de arrefecimento a ar.............................................313 4.3.9.5.3) Sistema de arrefecimento por líquido..................................313 4.3.9.5.3.1) Radiador ........................................................................314 4.3.9.5.3.2) Válvula termostática ......................................................314 4.3.9.5.3.3) Bomba de água .............................................................315 4.3.10) Ciclo padrão de ar Otto ...............................................................317 4.3.10.1) Processos ................................................................................317 4.3.10.2) Equacionamento ......................................................................317 4.3.10.3) Exercícios resolvidos ...............................................................320 4.3.11) Ciclo padrão de ar Diesel ............................................................325 4.3.11.1) Equacionamento ......................................................................326 4.3.11.2) Exercícios resolvidos ...............................................................327 4.4) Diferença de rendimento entre o Ciclo ideal e o Motor real ..................330 4.5) Ciclo padrão de ar Brayton .................................................................331 4.5.1) Processos ........................................................................................331 4.5.2) Equacionamento ..............................................................................332 4.5.3) Exercícios Resolvidos......................................................................337 4.6) Ciclo de Turbina a Gás com Regeneração........................................340 4.7) Turbinas a gás Regenerativas com Reaquecimento e Inter- resfrimento...................................................................................................341 4.8) Ciclo de Propulsão-Jato......................................................................344 4.9) Ciclo Stirling .........................................................................................345 4.10) Bibliografia ...........................................................................................346 Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 6 1 MÁQUINAS TÉRMICAS Generalidades e Revisão de Termodinâmica 1.1)Introdução Desde os primórdios do seu aparecimento sobre a terra, o homem procurou utilizar o fogo (calor) como componente indispensável à sua sobrevivência, seja para aquecer o corpo, seja para preparar os alimentos ou realizar algum outro trabalho. Porém, a utilização de forma ordenada da energia calorífica somente foi possível a partir do estabelecimento e divulgação do 1º e 2º princípios da Termodinâmica, fato que ocorreu respectivamente em 1840 e 1850. Graças a estes princípios, foi possível construir e estudar sistemas termodinâmicos que trocam com o meio externo, de modo contínuo, as formas de energia: calor e trabalho. Estes sistemas são denominados Máquinas Térmicas. A descoberta do petróleo permitiu um grande avanço no desenvolvimento das Máquinas térmicas. Sendo o petróleo uma fonte não renovável de energia, o seu uso desenfreado, sem a preocupação com a qualidade dos processos de transformação de energia, mas somente com a quantidade, acabou levando a uma crise na década de 70. A partir daí, houve uma preocupação com relação a qualidade da transformação; os ciclos das máquinas térmicas voltaram a ser analisados e se buscaram novas fontes de energia, destacando-se a solar e a biomassa com programas para a produção industrial de álcool e metano. 1.2) Classificação Dentre as várias maneiras de se classificar as máquinas térmicas podemos citar: a) Quanto ao trabalho: - Máquinas Térmicas Motrizes: são as que transformam energia térmica em trabalho mecânico. Se destinam a acionar outras máquinas. - Máquinas Térmicas Geratrizes ou Operatrizes: são aquelas que recebem trabalho mecânico e o transforma em energia térmica. São acionadas por outras máquinas. b) Quanto ao tipo de sistema onde ocorre a transformação de energia: - Máquinas Térmicas a Pistão: nas quais a transferência de energia ocorre em um sistema fechado. O elemento móvel é um pistão ou êmbolo, o qual pode ter movimento de translação alternada ou movimento de rotação. - Máquinas Térmicas de Fluxo: nas quais a transferência de energia ocorre em um sistema aberto. O elemento móvel é um disco ou tambor, Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 9 Quando uma substância existe, parte líquida e parte vapor, na temperatura de saturação o seu título é definido como a relação entre a massa de vapor e a massa total: vl v mm m x + = (1.1) Neste caso, pressão e temperatura são propriedades dependentes, necessitando-se do título para se definir um estado, que é caracterizado, na ausência de forças externas, por duas propriedades intensivas independentes. O estado de uma substância pura pode ser determinado, na ausência de forças externas, por apenas duas propriedades intensivas independentes. Assim, com a substância definida num dado estado, todas as outras propriedades termodinâmicas assumirão valores particulares, calculáveis através de relações a partir das duas propriedades originalmente especificadas. Essas relações termodinâmicas podem ser representadas em diagramas bidimensionais, em coordenadas retangulares, com uma das propriedades de estado tomada na abscissa e outra na ordenada. Esses diagramas de estado (ou de propriedades) são utilizados não só no recurso de representação das demais propriedades, bem como na visualização das mudanças de estado que ocorrem nos diversos processos. Os diagramas usuais são: • Temperatura x Entropia específica (T x s) • Temperatura x Entalpia específica (T x h) • Pressão x Volume específico (P x ν) • Entalpia esp. x Entropia esp. (h x s) - Diagrama de Mollier. Por sua importância nos estudos dos ciclos de potências veremos com mais detalhes o diagrama T x s , que tem a forma mostrada na figura 1.1. Figura 1.1: Diagrama temperatura x entropia para o vapor d'água. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 10 1.3.3.1) Equação de estado do Gás Perfeito e do gás real Um corpo pode encontrar-se em 3 estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Estes estados se caracterizam precisamente pela importância das forças de coesão entre as moléculas e o volume molecular: - Estado Sólido: as moléculas estão muito próximas, não tem movimento de translação e as forças de atração ou repulsão entre elas são máximas. - Estado Líquido: a distância entre as moléculas aumenta com relação ao estado sólido, mas ainda é pequena. Elas se movem com velocidade de translação e as forças de coesão moleculares são menores. - Estado Gasoso: aumenta extraordinariamente o volume ocupado pela substância, com o aumento da distância entre as moléculas e diminuem consideravelmente as forças de coesão. Gás Perfeito: é aquele em que podemos desprezar tanto o volume molecular como a força de atração entre as moléculas. É uma extrapolação das tendências que mostram os gases reais a baixas pressões e elevados volumes específicos. Para um processo entre os estados 1 e 2, podemos escrever: 2 22 1 11 T vP T vP × = × (1.2) que é a equação geral de um gás perfeito. A temperatura constante, o volume específico de um gás perfeito varia em razão inversa da pressão absoluta: 2 1 2 1 v v P P = (Lei de Boyle-Mariotte) (1.3) A pressão constante, o volume específico de um gás perfeito varia diretamente com a temperatura absoluta: 2 1 2 1 v v T T = (1ª Lei de Gay-Lussac) (1.4) A volume constante, a pressão absoluta varia diretamente com a temperatura absoluta: 2 1 2 1 T T P P = (2ª Lei de Gay-Lussac) (1.5) Como os estados 1 e 2 são arbitrários, podemos escrever: cteR T vP ==× (1.6) Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 11 que depende da natureza do gás e que pode ser determinado experimentalmente. Assim, podemos escrever: RTPv = ou TRnPv = (1.7) que é a equação de estados para gases perfeitos ou Eq. de Clapeyron. Experiências realizadas com gases reais em grandes intervalos de pressões e temperaturas demonstram que eles se comportam um pouco diferente dos gases perfeitos. Assim, para definir uma equação para os gases reais é necessário introduzir um fator na equação dos gases perfeitos que é denominado fator de compressibilidade (Z): ZRTPv = (1.8) Note que: - para um gás perfeito Z = 1 - o desvio de Z em relação a unidade é uma medida do desvio da relação real comparada à equação de estado dos gases perfeitos. 1.3.4) Energias 1.3.4.1) Energias Armazenadas a) ENERGIA POTENCIAL OU GRAVITACIONAL OU DE POSIÇÃO: A energia potencial, ou gravitacional ou energia de posição depende da altura do centro de gravidade do corpo com relação a um plano horizontal de referência. [ ] [ ]        = = KgJghe JmghE p p (1.9) b) ENERGIA CINÉTICA: A energia cinética é devida ao movimento de translação do centro de gravidade do corpo e da rotação. [ ] [ ]        ⋅= ⋅= KgJve JmvE c c 2 2 21 21 (1.10) c) ENERGIA INTERNA: É a energia das moléculas e átomos constituída por: - Ec. de translação das moléculas; - Ec. de rotação das moléculas; - Ec. vibratória dos átomos nas moléculas; Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 14 Um processo em que não há troca de calor, é chamado processo adiabático. Convenção: - Q transferido para o sistema: + - Q transferido de um sistema: - 1.3.4.3) Entalpia É uma propriedade que por definição é a soma da energia interna e do trabalho de escoamento: ( ) ( ) pVUH vpfh Tpfh pvuh += = = += , , 2 1 (1.15) 1.3.4.4) Calor Específico É a quantidade de calor que é preciso fornecer a uma unidade de massa de uma substância para elevar a sua temperatura, em um determinado processo, em 1 grau. ( ) ( ) ( ) p p v v p v T h c T u c TPfc TPfc TPfc       ∂ ∂=       ∂ ∂= = = = , , , 3 2 1 (1.16) 1.3.4.5) Outras Formas de Energia Além das enunciadas existem outras formas de energia, a saber, energia elétrica, energia química, energia eletromagnética, energia acústica, energia nuclear, energia de fricção, etc... 1.3.5) Sistemas Termodinâmicos Sistema termodinâmico é uma região do espaço ou uma porção de fluido limitada por fronteiras reais ou imaginárias que o separam da vizinhança. 1.3.5.1) Sistemas Fechados e Abertos a) SISTEMA FECHADO: Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 15 É aquele em que o fluxo de massa do exterior ao interior ou do interior para o exterior do sistema é nulo. Tem massa e identidade fixas. O fluxo de energia em forma de calor ou trabalho pode ou não ser nulo, mas nos sistemas fechados de nosso interesse não o é. Se o fluxo de calor for nulo nas fronteiras do sistema ele é isolado termicamente. Se o fluxo de calor e o trabalho são nulos o sistema é isolado. b) SISTEMA ABERTO: É aquele em que existe fluxo de massa do interior ao exterior ou do exterior ao interior do sistema. É também conhecido como volume de controle (V.C.). 1.3.5.2) Sistemas Estáticos e Dinâmicos a) SISTEMA ESTÁTICO: É aquele em que só têm lugar processos estáticos. Neles só pode variar a energia interna do sistema. O fluxo e a variação de energia cinética ou potencial são nulos. b) SISTEMAS DINÂMICOS: É aquele em que o fluido (ou substância) percorre com variação não só da energia interna como também da energia potencial e cinética. Os sistemas dinâmicos podem ser abertos ou fechados. Os abertos são mais importantes nos estudos das máquinas térmicas. 1.3.5.3) Sistemas Dinâmicos Abertos em Regime Permanente É o sistema mais freqüente nos estudos das máquinas térmicas. Suas características são: - o fluxo mássico em cada seção transversal ao fluxo é constante e não há acumulação nem diminuição de massa em nenhum ponto do sistema; - não há incremento ou diminuição de energia em nenhum ponto do sistema; o fluxo de calor e trabalho nas fronteiras são constantes, - todas as propriedades termodinâmicas (p,T,etc...) permanecem constantes ao longo do tempo em qualquer ponto do sistema. Ex: Turbina a vapor, passado o período da colocação em marcha. 1.3.6) Processos Termodinâmicos 1.3.6.1) Processos Abertos e Fechados (Ciclos) Existem 4 processos elementares em que se mantém constante um parâmetro termodinâmico e que são de suma importância no estudo das máquinas térmicas: - processo isobárico (p = cte) Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 16 - processo isocórico (V = cte) - processo isotérmico (T = cte) - processo adiabático - isoentrópico (dQ = 0 e s = cte) importantíssimo no estudo das máquinas térmicas, pois representa o trabalho ideal. As figuras a seguir, mostram estes processos nos planos PxV, Txs e hxs. Figura 1.5: Os quatro processos elementares representados nos planos pv, Ts e hs: (a) processo isobárico; (b) processo isocórico. Figura 1.6: (c) processo isotérmico; (d) processo adiabático-isoentrópico. Outros processos: - processo adiabático (dQ = 0) - processo isoentrópico (s = cte) - processo isoentálpico (h = cte) Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 19 Nesta expansão o gás realiza um trabalho que se acumula em forma de energia cinética no volante. Num caso ideal, realizado o processo de expansão, o gás poderia voltar em sentido contrário segundo a mesma trajetória 2-1, para o qual a energia cinética acumulada no volante se inverteria em trabalho de compressão do gás, o qual ao se aquecer devolveria exatamente a mesma quantidade de calor a fonte que a mesma havia cedido no processo 1-2. Na prática, todos os processos reais são irreversíveis. No caso apresentado anteriormente, na situação real, a compressão não seguiria o trajeto 2-1, pois tem o efeito do atrito e da troca de calor com o meio. Os processos reais lentos se aproximam dos reversíveis, porque neles a pressão, que se propaga rapidamente, é praticamente a mesma em cada instante. Os processos reversíveis são os que apresentam maior rendimento. O processo real tem tanto maior rendimento quanto mais se aproxima do processo ideal reversível. 1.3.7) Algumas Características e Processos dos Gases Perfeitos 1.3.7.1) Calor Específico Para os Gases Perfeitos o calor específico não depende da pressão,só da temperatura (c = f(t)). p p v v T h c T u c dTcmQdTcdq dT dQ c       ∂ ∂=       ∂ ∂= ⋅⋅=⇒⋅=⇒= ∫ (1.17) Obs: Cp é sempre maior que Cv, porque para uma mesma elevação de temperatura no processo isobárico, se necessita mais calor, a saber, além do necessário para a elevação da energia interna, o necessário para realizar trabalho. 1.3.7.2) Equação de Mayer Uma equação muito usada na termodinâmica é: 1〉= v p c c γ (1.18) que é função da temperatura e da pressão. Sabemos ainda que: ( )pvddudhpvuh +=⇒+= Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 20 para RTpvPG =⇒.. (R = cte) Assim, temos: dh = du + R ⋅ dT Mas: du ≅ cv ⋅ dT e dh ≅ cp ⋅ dT Resultando: cp ⋅ dT = cv ⋅ dT + R ⋅ dT Daí, R = cp - cv (Equação de Mayer) (1.19) Portanto, pode-se deduzir outras equações muito usadas em Termodinâmica: 1 1 − ⋅= − = γ λ γ R c R c p v (1.20) 1.3.7.3) Processos Adiabáticos Reversíveis dos Gases Perfeitos O processo Adiabático-Reversível, que denominamos processo Adiabático-Isoentrópico, depois de definir entropia, é fundamental no estudo das máquinas térmicas; sendo o processo ideal de expansão nas turbinas a vapor e turbinas a gás, e processo ideal de compressão nos trocadores de calor. Em todo o processo reversível: ∂q = ∂u + p ⋅ ∂ν. Tratando-se de um gás perfeito e processo adiabático podemos escrever: dv c p dTdvpdTc v v ⋅ − =⇒⋅+⋅=0 (1.21) Por outro lado: p · v = R · T . Diferenciando: p · dv + v · dp = R · dT. Daí: R dpvdvp dT ⋅+⋅ = (1.22) Portanto, igualando as duas equações para T, temos: R dpvdvp c dvp v ⋅+⋅ = ⋅− (1.23) Mas: vp ccR −= e 1〉= v p c c γ Simplificando e arranjando a equação acima, temos: Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 21 0=⋅+ v dv p dp γ (1.24) com γ = cte, integrando, temos: ctevp ctevp lnln lnlnln =⋅ =⋅+ γ γ (1.25) Assim: p · νγ = cte é a eq. do processo adiabático-reversível. Que entre dois estados 1 e 2, quaisquer pode ser escrita como: γ       = 1 2 2 1 v v p p (1.26) A partir destas equações e da eq. de estado são deduzidas outras equações de grande utilidade: 1 1 2 2 1 −       = γ v v T T (1.27) 1 2 1 2 1 −       = γ γ T T p p (1.28) 1.3.7.4) Calor e Trabalho nas Transformações Isotérmicas Reversíveis dos Gases Perfeitos Em toda transformação reversível: dq = du + p ⋅ d ν u = f(t) para gás perfeito à du = 0 para T = constante Portanto, resulta: ∫ ⋅= dvpq (1.29) Por outro lado: v vp p 11 ⋅ = (1.30) Substituindo na equação acima e integrando entre os limites 1 e 2 (começo e fim do processo), temos:       =⋅=⋅=       ⋅=      ⋅= ∫∫ 1 2 11 1 2 1 1 2 112 ln lnln v v vp v dv ctedvpW v v RT v v vpq       = 1 2 1 ln p p RTW (1.31) Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 24 Esta figura representa o caso geral onde existe todas as formas de energia (interna, cinética, potencial, trabalho, calor). Em regime permanente não se armazena massa e nem energia no sistema. Como não há acumulação de energia, temos: Energia que entra no sist. = Energia que sai do sist. Portanto, WEPECVpUQEPECVpU ++++=++++ 2222211111 (1.37) ou ( ) WEPECpVUQ +∆+∆+∆+∆= (1.38) Levando-se em conta que a massa que entra no sistema é igual a que sai em regime permanente, podemos escrever a eq. acima em termos específicos (por unidade de massa): ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) dwcdzgddhdq dwcdzgdpvddudq wcgzpvuq dh +++= ++++= +∆+⋅∆+∆+∆= 2 2 2 2 2 2 43421 ( ) ( ) wczghq +∆+∆+∆= 22 (1.39) Observações: a) Nos sistemas analisados em máquinas térmicas os incrementos de energia potencial são em geral desprezíveis em comparação com os outros termos (gz = 0). b) Ao se estudar máquina e aparatos que não são especificamente trocadores de calor (ex: turbina, bomba, etc...) considera-se que neles se realiza um processo adiabático, desprezando-se o calor por condução e radiação (Q = 0). c) Ao aplicar a equação geral para sistema aberto em regime permanente a uma máquina ou sistema específico pode acontecer que um ou vários termos são nulos ou desprezíveis, simplificando assim a equação. Ex1: Turbina a vapor ou Turbina a gás. A energia cinética de entrada e saída são quase iguais: a variação da Ec. é desprezada. 0 2 2 ≅         ∆c (1.40) Juntamente com as aproximações feitas em a) e b), resulta: 21 hhwhw −=⇒∆−= (1.41) Ex2: Bocal Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 25 Um bocal não absorve e nem restitui trabalho (W=0), nem é um trocador de calor (Q=0), assim: ( ) hc ∆−=∆ 22 (1.42) Ainda, a energia na entrada é desprezível com relação a da saída. 22 2 2 2 cc ≅∆ (1.43) Assim, ( )212 2 2 2 2 hhch c −=⇒∆−= (1.44) d) No processo de estrangulamento (processo em regime permanente através de uma restrição no escoamento resultando numa queda de pressão), ex: válvula, não há trabalho nem variação de energia potencial e fazendo a hipótese que não há transferência de calor, temos:         ∆=∆−⇒+=+ 222 22 2 2 2 1 1 c h c h c h (1.45) Se o fluido for um gás, o volume específico sempre cresce neste processo e, portanto, se o conduto tiver seção transversal cte, a energia cinética crescerá. Em muitos casos, no entanto, esse acréscimo é pequeno (ou talvez a seção transversal do conduto de saída seja maior que a de entrada) e podemos dizer com boa precisão que as entalpias inicial e final são iguais. Portanto, h1 = h2 (processo isoentálpico). 1.3.10) Segunda lei da termodinâmica 1.3.10.1) Introdução Historicamente a primeira lei da termodinâmica constitui uma particularização aos processos térmicos de uma lei universal, ao passo que a segunda lei foi descoberta primeiro em conexão com os processos térmicos, generalizando-se depois a todos os processos naturais e enunciando-se como uma lei universal de toda a natureza. A primeira lei serve para analisar as transformações energéticas qualitativa e quantitativamente. A segunda lei serve qualitativa e quantitativamente para analisar os processos termodinâmicos, assim como para estudar o rendimento das máquinas térmicas. A primeira lei estabelece a equivalência de todas as transformações energéticas. A segunda lei analisa a direção destas transformações. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 26 1.3.10.2) Enunciados da Segunda Lei Há muitos enunciados da segunda lei, os quais mutuamente se completam. Entre eles podemos citar: Ø Primeiro Enunciado (Kelvin - Plank): "Não é possível construir um motor periódico que realize trabalho mecânico as custas somente da refrigeração de uma fonte de calor." ou "É impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e que não produza outros efeitos além da realização de trabalho e troca de calores com um único reservatório térmico." ou "É impossível construir um máquina térmica que opere num ciclo, que receba uma dada quantidade de calor de um corpo à alta temperatura e produza igual quantidade de trabalho (η < 100%)." Ø Segundo Enunciado (Clausius): "O calor não pode passar espontaneamente de um corpo a outro, cuja temperatura seja superior a do primeiro." ou "É impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico e que não produza outro efeitos além da passagem de calor de um corpo frio para um corpo quente." ou "É impossível construir um refrigerador que opere sem receber trabalho. (β < ∞)" Ø Terceiro Enunciado: "É impossível construir um moto-perpétuo de segunda espécie." ou Um moto perpétuo de primeira espécie criaria trabalho do nada ou criaria massa e energia violando, portanto, a primeira lei, como já foi visto. ou Um moto-perpétuo de segunda espécie não infringiria a primeira lei, mas sim a segunda lei. Ø Quarto Enunciado: "Os processos espontâneos na natureza não são reversíveis." ou Os processos da natureza se classificam em espontâneos e não espontâneos segundo se para realizá-lo se requererá ou não um processo adicional. Este enunciado nada mais é que uma generalização do enunciado de Clausius. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 29 LH QQwQw −=⇒∆= (1.46) sendo: QL= calor cedido a fonte fria QH = calor absorvido pela fonte quente Por outro lado E =QH Assim: H L H LH Q Q Q QQ E W −= − == 1η (1.47) Observação: - Revertendo-se o processo poderíamos definir o coeficiente de eficácia do refrigerador: 1 1 . . − = − == L HLH L Q QQQ Q consumidotrab pretendidaenergβ (1.48) Teoremas: 1) É impossível construir uma máquina térmica que opere entre dois reservatórios térmicos e tenha maior rendimento que uma máquina reversível, operando entre os mesmos reservatórios (ηmax = ηCarnot). 2) Todas as máquinas térmicas que operam segundo um ciclo de Carnot, entre 2 reservatórios de temperatura constante, têm o mesmo rendimento. 3)Todo ciclo irreversível que funcione entre as mesmas fontes de temperatura, tem rendimento menor que o ciclo de Carnot (ηirrev < ηCarnot). Observação: independente de qualquer substância particular, temos que: ( ) ( )L H L H Tf Tf Q Q = (1.49) Existem inúmeras relações funcionais que satisfazem esta relação. Lord Kelvin propôs para a escala termodinâmica de temperatura a relação: L H L H T T Q Q = (1.50) (temperatura absoluta) Assim: L H T T −= 1η (1.51) 1.3.10.4) Desigualdade de Clausius Definição: 0≤ ∂ ∫ T Q (para todos os ciclos) (1.52) Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 30 É um corolário ou uma conseqüência da segunda lei. É válida tanto para máquina térmica como, para processo reversível ou irreversível. Observação: a igualdade vale para ciclo reversível e a desigualdade vale para ciclo irreversível. 1.3.10.5) Entropia h está para a primeira lei assim como s está para a segunda lei no sentido de que é uma propriedade que possibilita tratar quantitativamente os processos. Para um ciclo reversível temos: 0= ∂ ∫ T Q (1.53) Figura 1.14: Variação da entropia durante um processo irreversível. Observação: ciclos reversíveis : AB e AC ∫∫ ∫∫ ∫∫ ∫ ∂=∂⇒ =∂+∂⇒ =∂+∂⇒ =∂ C C B B C C A A B B A A T Q T Q T Q T Q T Q T Q T Q 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 0 0 0 (1.54) é a mesma para todas as trajetórias entre 1 e 2 à só depende dos extremos à é uma propriedade Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 31 ∫       ∂=−⇒      ∂≡ 2 1 12 revrev T Q ss T Q ds (1.55) Para processo irreversível, temos: ∫       ∂≥−⇒      ∂≥ 2 1 12 irrevirrev T Q ss T Q ds (1.56) Algumas relações termodinâmicas envolvendo mudança de entropia são: pdvduTds += (1.57) vdpdhTds += (1.58) A Figura 1.15 ilustra o princípio do aumento de entropia demonstrado a seguir. Figura 1.15: Variação de entropia para o sistema e vizinhança. A variação de s para um gás perfeito pode ser calculada por expressões alternativas deduzidas a abaixo. Tem-se que v R T p dtcdv vo = ⋅= (1.59) Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 34 circula o fluido de trabalho. Figura 2.1: Rotor Já o sistema diretor tem como finalidade coletar o fluido e dirigi-lo para um caminho determinado. Esta função de direcionador de fluxo, muitas vezes, é acompanhada por outra de transformador de energia. Assim, por exemplo, numa bomba centrífuga (Figura 2.2), o sistema diretor de saída é fundamentalmente um difusor (diffuser) que transforma parte da energia de velocidade do líquido que é expelido pelo rotor em energia de pressão. Enquanto isto, numa turbina hidráulica do tipo Pelton, o sistema diretor (Figura 2.3) é, em última análise, um injetor (nozzle) que transforma a energia de pressão do fluido em energia de velocidade que será fornecida ao rotor através de jatos convenientemente orientados. Em alguns tipos de máquinas o sistema diretor não se faz presente, como nos ventiladores axiais de uso doméstico. A existência do rotor, no entanto, é imprescindível para a caracterização de uma máquina de fluxo. Figura 2.2: Sistema diretor de uma bomba centrífuga. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 35 Figura 2.3: Sistema diretor de turbina hidráulica do tipo Pelton. 2.3) Classificação das máquinas de fluxo Entre os diferentes critérios que podem ser utilizados para classificar as máquinas de fluxo, pode-se citar os seguintes: - segundo a direção da conversão de energia; - segundo a forma dos canais entre as pás do rotor; - segundo a trajetória do fluido no rotor. 2.3.1) Segundo a direção da conversão de energia Segundo a direção da conversão de energia as máquinas de fluxo classificam-se em motoras e geradoras. Máquina de fluxo motora é a que transforma energia de fluido em trabalho mecânico, enquanto máquina de fluxo geradora é a que recebe trabalho mecânico e o transforma em energia de fluido. No primeiro tipo a energia do fluido diminui na sua passagem pela máquina, no segundo, a energia do fluido aumenta. Como exemplos de máquinas de fluxo motoras, citam-se as turbinas hidráulicas (Figura 2.3) e as turbinas a vapor (Figura 2.4). Entre as máquinas de fluxo geradoras encontram-se os ventiladores (Figura 2.5) e as bombas centrifugas (Figura 2.6). Figura 2.4: Turbina Vapor. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 36 Figura 2.6: Bomba Centrífuga. Algumas máquinas podem funcionar tanto como motores quanto geradores de fluxo, como é o caso das bombas-turbinas reversíveis (reversible pump-turbines) que, dependendo do sentido do fluxo através do rotor, funcionam como bombas, girando num sentido, ou como Turbinas, girando em sentido contrário. Também é comum encontrar uma máquina de fluxo motora (turbina a gás) acionando uma máquina de fluxo geradora (turbocompressor), montadas num mesmo eixo, como acontece nas turbinas de aviação e nos turboalimentadores (turbochargers) de motores de combustão interna a pistão (Figura 2.7). Figura 2.5: Ventilador Centrífugo. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 39 2.4 BOMBAS 2.4.1) Introdução Bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que conferem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto para outro obedecendo às condições de processo. Elas recebem energia de uma fonte motora qualquer e cedem parte dessa energia ao fluido sob forma de energia de pressão, cinética ou ambas. A relação entre a energia cedida pela bomba ao líquido e a energia que foi recebida da fonte motora, fornece o rendimento da bomba. As bombas são geralmente classificadas segundo o modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica ou seja pelo recurso utilizado para ceder energia ao líquido. A classificação mais usual é a seguinte: a) Turbobombas, bombas rotodinâmicas ou centrífugas; b) Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas. Figura 2.4.1: Classificação dos tipos de bombas. a) Bombas Centrífugas ou Turbobombas: São máquinas nas quais a movimentação do líquido é produzida por forças que se desenvolvem na massa líquida, em conseqüência da rotação de ENERGIA ELÉTRICA ENERGIA MECÂNICA ESCOAMENTO Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 40 um órgão rotativo dotado de pás chamado rotor. Nas turbo bombas a finalidade do rotor, também chamado impulsor ou impelidor é comunicar à massa líquida aceleração, para que esta adquira energia cinética. O rotor é em essência um disco ou uma peça de formato cônico dotado de pás. O rotor pode ser fechado, usado para líquidos sem partículas em suspensão, ou aberto, usado para pastas, lamas, areia e líquidos com partículas suspensas em geral. As turbo bombas necessitam de outro dispositivo, o difusor, também chamado recuperador, onde é feita a transformação da maior parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor, em energia de pressão. Deste modo ao atingir a boca de saída da bomba, o líquido é capaz de escoar com velocidade razoável ao sair da mesma. Este tipo de bomba geralmente é classificado em função da forma como o impelidor cede energia ao fluido, bem como pela orientação do fluido ao sair do impelidor. ü Características gerais: • Podem ser acionadas diretamente por motor elétrico sem necessidade de modificadores de velocidade; • trabalham em regime permanente, o que é de fundamental importância em grande números de aplicações; • fornecem boa flexibilidade operacional, pois a vazão pode ser modificada por recirculação, fechamento parcial da válvula na tubulação de descarga ou por mudança de rotação ou de diâmetro externo do impelidor; • cobrem uma ampla faixa de vazão, desde vazões moderadas até altas vazões; • permitem bombear líquidos com sólidos em suspensão. b) Bombas de Deslocamento Positivo ou Volumétricas: As bombas volumétricas ou de deslocamento positivo são aquelas em que a energia é fornecida ao líquido sob a forma de pressão, não havendo portanto a necessidade de transformação, como no caso das bombas centrífugas. Assim sendo, a movimentação do líquido é diretamente causada por um órgão mecânico da bomba, que obriga o líquido a executar o mesmo movimento de que ele está animado. O líquido, sucessivamente, enche, e depois é expulso, de espaços com volume determinado, no interior da bomba – daí o nome de bombas volumétricas. As bombas de deslocamento positivo podem ser: alternativas e rotativas. Nas bombas alternativas o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo (pistão alongado), ou de uma membrana flexível (diafragma). Nas bombas rotativas, por sua vez, o líquido recebe a ação de forças provenientes de uma ou mais peças dotadas de movimento de rotação, que comunicam energia de pressão, provocando escoamento. Os tipos mais comuns de bombas de deslocamento positivo rotativas são: bomba de engrenagens, bomba helicoidal, de palhetas e pistão giratório. A característica principal desta classe de bombas é que uma partícula líquida, em contato com o órgão que comunica a energia, tem Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 41 aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está tem contato. ü Características gerais - bombas alternativas: • bombeamento de água de alimentação de caldeiras, óleos e de lamas; • imprimem as pressões mais elevadas dentre as bombas e possuem pequena capacidade; • podem ser usadas para vazões moderadas; • podem operar com líquidos muito viscosos e voláteis; • capazes de produzir pressão muita alta; • operam com baixa velocidade. ü Características gerais - bombas rotativas: • provocam uma pressão reduzida na entrada e, com a rotação, empurram o fluido pela saída; • a vazão do fluido é dada em função do tamanho da bomba e velocidade de rotação, ligeiramente dependente da pressão de descarga; • fornecem vazões quase constantes; • são eficientes para fluidos viscosos, graxas, melados e tintas; • operam em faixas moderadas de pressão; • capacidade pequena e média. 2.4.2) Bombas Centrífugas As centrífugas, denominadas também de turbo máquinas, compreendem as máquinas dotadas de rotor, montadas sobre um eixo e alojadas sobre uma carcaça de configuração apropriada. A ação de bombeamento produz, quando a máquina impulsiona o líquido transportado, simultaneamente, a circulação do fluido através da bomba, originando uma redução ou sucção no lado de admissão. Trata-se de uma classe importante de bombas e com características bem diferentes, já que a vazão depende da temperatura e da descarga; a característica de funcionamento depende da forma do rotor, bem como do tamanho e velocidade da bomba. Todo o acima exposto reflete na subdivisão por tipos principais, baseada na natureza do fluxo através da bomba. As bombas centrífugas propriamente ditas têm um rotor cuja forma obriga ao líquido deslocar-se radialmente. Outras possuem rotores que deslocam o líquido axialmente. Entre ambos os tipos de rotores, existem os que deslocam o líquido mediante componentes axiais e radiais de velocidade, ou seja, da bomba que seria denominada de fluxo misto. Geralmente, os sub-tipos “centrífugo”, de “fluxo misto”, e de “fluxo axial” são aceitos na classificação de bombas de turboação. Da mesma forma que o grupo das centrífugas, as de fluxo axial e as de fluxo misto, derivam da classificação conforme a direção do fluxo. Pelo exposto, é lógico que qualquer outra subdivisão deve estar baseada no Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 44 Figura 2.4.5: Movimento adotado pela água acompanhando o movimento das palhetas. Voltando ao rotor da figura 2.4.3, observamos que se mais fluido for deixado entrar no centro deste, será também deslocado na forma explicada. O centro do rotor irá constituir não somente o ponto de menor pressão como também o local de entrada do líquido que está sendo movimentado ou bombeado. Uma vez que o líquido está sendo forçado a sair do rotor, este poderá ser guiado para seu destino. Colocando o rotor no interior de uma carcaça, poderá ser realizado, sobre o líquido impelido, um movimento que será controlado, adotando a direção desejada. O resultado, portanto, é o de fornecer energia à um líquido, em um determinado ponto, para que este se movimente para um outro estabelecido. O movimento do rotor, está constituído por dois componentes, um deles é um movimento de direção radial dirigido para a parte externa do centro e causado pela força centrífuga. A tendência do fluido do rotor é movimentar-se em direção perpendicular ao raio, formando o que se denomina de componente tangencial. O movimento real ou final do líquido está constituído pela resultante das duas forças mencionadas. O fator mais importante que tem contribuído a generalização do uso das bombas centrífugas é o advento da eletricidade, que substituiu neste século a energia proporcionada pelo vapor, embora este seja usado amplamente em determinadas atividades industriais. Outro motivo foi o fato de que a bomba centrífuga proporcionava um fluxo constante e de pressão uniforme. Os fabricantes de bombas centrífugas, aprimorando seus estudos e experiências neste tipo de equipamento, bem como aproveitando dos efetuados pelos fabricantes de motores elétricos, aumentaram as velocidades de rotação e elevação dos fluidos transportados. Em uma bomba centrífuga o fluido é forçado, seja pela pressão atmosférica ou por outro tipo de forma, a penetrar em um sistema de palhetas rotativas, constituindo estas um propulsor que descarrega um fluido na sua periferia, sob elevada velocidade. Esta velocidade transforma-se em pressão devido a energia impartida sobre o fluido, mediante uma voluta ou espiral, figura 2.4.6. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 45 Figura 2.4.6: Exemplo de uma voluta ou espiral. Vejamos agora o que acontece quando o fluido é descarregado pelo rotor. Se adotarmos como exemplo uma bomba de voluta, típica de uma bomba centrífuga, poderemos observar que o fluido é descarregado de todos os pontos ao redor da circunferência do rotor, movimentando-se para o interior deste, ao mesmo tempo que circula ao redor do próprio rotor. A carcaça da bomba tem como finalidade guiar o escoamento até o bocal de saída, podendo continuar a transformação da energia cinética em energia de pressão. A carcaça é projetada de forma tal, para que um determinado ponto da sua parede tenha uma folga mínima entre ela e a parte externa do diâmetro do rotor. A folga mínima acima mencionada é denominada de várias formas, adotando-se no texto o de lingüeta. Entre a lingüeta propriamente dita e um ponto localizado ligeiramente á esquerda, uma determinada quantidade de líquido é descarregada pelo rotor. Este líquido poderá acompanhar a rotação do rotor até ser finalmente descarregado através do bocal da bomba. Uma quantidade adicional de líquido é descarregado pelo rotor em vários pontos ao redor da carcaça, acompanhando o movimento deste e descarregando também pelo bocal da bomba. Permanece, ao redor da carcaça, uma maior quantidade de fluido, que vai se acumulando e deslocando-se entre a parede da carcaça e a borda externa do rotor. De forma a manter a velocidade praticamente constante, embora o volume de líquido aumente, a área entre a extremidade do rotor e a parede da carcaça aumenta gradualmente a partir da lingüeta até o bocal de saída da bomba. Num ponto antes da lingüeta, todo o fluido descarregado pelo rotor é coletado. Este líquido agora será conduzido para a tubulação de descarga. Em determinados casos, este líquido possui uma elevada velocidade, o que significa uma grande perda devida a fricção na tubulação de descarga. A velocidade normalmente diminui no difusor da bomba, devido ao aumento de sua área e, dessa forma, parte da energia cinética transforma-se em energia devido a pressão. Se a bomba possui um único rotor e sua altura de líquido é impulsionada unicamente por este, denomina-se de bomba de simples estágio. Às vezes, a altura necessária exige o uso de dois rotores trabalhando em série, succionando um destes da descarga do precedente. Para efetuar este Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 46 processo podem ser conectadas em série duas bombas de um estágio cada, ou os dois estágios incorporados em uma única carcaça, denominando-se este arranjo de bomba de múltiplo estágio. Nos projetos antigos, para obter maiores alturas de líquido quando necessárias, foram projetadas bombas de dois ou mais rotores. O projeto mecânico da carcaça da bomba permite uma classificação quanto ao posicionamento do seu eixo, como: horizontal, vertical ou inclinado, embora as classificações mais utilizadas sejam as de horizontal ou vertical. 2.4.2.2) Aplicação das bombas centrífugas – Bombas de água de circulação As bombas de água de circulação são de três tipos: (1) centrífuga de voluta, (2) de fluxo misto e (3) rotatória de hélice. Estas bombas trabalham transportando grandes volumes de água contra pequenas alturas manométricas. Na figura 2.4.7 pode ser vista uma bomba para bombeamento de água e de líquidos limpos, do tipo horizontal, um estágio, sucção simples horizontal e recalque vertical para cima.  Figura 2.4.7: KSB Bombas Hidráulicas S/A. A vazão do tipo em tratamento é de até 700m3 /h com elevação de até 140m, temperatura de 105ºC e velocidade de até 3500rpm. O acionamento pode ser do motor elétrico, de combustão interna, turbina, etc. Na Volkswagen é utilizada a bomba KSB Meganorm para o bombeamento de água gelada para o resfriamento dos compressores e chiller, e o bombeamento de água quente para abastecimento das caldeiras em aproximadamente 80º C, figura 2.4.8. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 49 Figura 2.4.11: Ciclo de trabalho de uma bomba de recalque de pistão de duplo efeito. Conforme nos mostra a figura acima, verificamos que as principais partes que compõem a bomba de recalque de duplo efeito são: • Tubulação de admissão • Válvulas de admissão • Pistão • Cilindro • Válvula de descarga • Tubulação de descarga Resumindo, o movimento do líquido é efetivamente causado pelo movimento do pistão, sendo da mesma grandeza e tipo do movimento deste. Figura 2.4.12: Bomba de pistão. • Bomba de Êmbolo: A operação deste tipo de bomba é idêntica a operação da bomba de recalque do tipo pistão de duplo efeito, trocando-se apenas o pistão pelo êmbolo. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 50 Figura 2.4.13: Bomba de êmbolo, duplex, de ação direta. Com relação a localização da vedação, estas bombas podem ser de dois tipos: vedação interna e vedação externa. Na bomba de vedação interna, o cilindro é virtualmente dividido pela vedação em duas câmaras separadas. Nos movimentos de subida e descida, o êmbolo desloca água alternativamente nas duas câmaras. A desvantagem deste tipo de bomba reside no fato de ser necessário remover o cabeçote do cilindro para ajustar ou substituir a vedação. Além disso, não se consegue observar vazamento através da vedação enquanto a bomba estiver em operação. Estas desvantagens podem ser superadas na bomba de tipo êmbolo de vedação externa. Dois êmbolos que se encontram rigidamente unidos por placas e tirantes são necessárias nesse projeto. A vedação é externa, de fácil inspeção e reparo.  Figura 2.4.14: Ciclo de trabalho de uma bomba de êmbolo de vedação interna. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 51 Figura 2.4.15: Ciclo de trabalho de uma bomba de êmbolo de vedação externa. • Bomba de Diafragma: A bomba de diafragma utiliza uma substância elástica (tal como uma borracha), ao invés de pistão ou êmbolo, para desenvolver operações de bombeamento. Os dois tipos básicos de bomba de diafragma são: aberto e fechado. As bombas de diafragma têm se mostrado eficientes para tarefas tais como: retirada de água de valas, fundações encharcadas, drenos e outras depressões encharcadas, nas quais há uma grande quantidade de barro ou areia na água. O movimento da membrana em um sentido diminui a pressão da câmara fazendo com que seja admitido um volume de líquido. Ao ser invertido o sentido do movimento da haste, esse volume é descarregado na linha de recalque. Utilizando o exemplo de uma bomba com duplo diafragma, descreveremos seu funcionamento. Pelo fornecimento de ar comprimido para a válvula de ar, o ar é passado através do pistão da válvula (na posição ascendente ou descendente) para o bloco central onde há duas portas direcionais de ar, para o lado esquerdo ou lado direito da bomba (dependendo da posição do pistão da válvula de ar). Quando na câmara de ar, a pressão de ar é aplicada no fundo do diafragma, que força o produto a sair pelo manifold de saída. Como os dois diafragmas estão conectados por um diafragma de ligação, ou eixo, o outro diafragma é puxado na direção do centro da bomba. Esta ação faz o outro lado puxar produto na bomba pela sucção da mesma. Válvulas esferas abrem e fecham, alternadamente para encher as câmaras, esvaziar câmaras e bloquear o contra fluxo. No final do golpe do eixo, o mecanismo de ar (pistão válvula de ar) Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 54 (b) de engrenagens interiores (dentado interior), em que uma roda menor é montada excêntrica e interiormente a uma roda não comandada, situada no interior de um carter cilíndrico. As duas engrenagens são montadas próximo da parede interna da carcaça; o óleo é arrastado em torno da periferia das duas engrenagens, e então forçado através da abertura da saída, pelo contato das duas engrenagens no seu ponto de tangência. As bombas de engrenagem podem ser fornecidas para uma larga faixa de pressões. Nestas bombas, quando a velocidade é constante, a vazão é constante, a menos que seja considerado um fator de perda devido ao rendimento volumétrico, isto é, a relação entre o volume efetivamente bombeado e o volume dado pelas características geométricas da bomba. Figura 2.4.18: Bomba de engrenagens com camisa de aquecimento à vapor. • Bombas de Lóbulos: O princípio de funcionamento das bombas de lóbulos é similar ao da bomba de engrenagens, exceto em que os elementos giratórios, que engrenam, são rotores em forma de lóbulos e não em rodas dentadas. Ambos os rotores são propulsados, sincronizados por engrenagens ou correntes de distribuição, girando em sentidos opostos, apresentando uma pequena folga efetiva. Da mesma forma que as bombas de engrenagens, podem ser subdivididas em: (a) bombas de rotores lobulares exteriores; (b) bombas de rotores lobulares interiores, Também são diferenciadas conforme a quantidade de lóbulos: dois, três ou mais. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 55 Figura 2.4.19: Bombas de dois e três lóbulos respectivamente. Figura 2.4.20: Bomba de lóbulos. • Bomba de Parafusos: São bombas compostas por dois parafusos que tem movimentos sincronizados através de engrenagens. O fluido é admitido pelas extremidades e, devido ao movimento de rotação e aos filetes dos parafusos, é empurrado para a parte central onde é descarregado. Os filetes dos parafusos não têm contato entre si, porém, mantém folgas muito pequenas, das quais depende o rendimento volumétrico. Essas bombas são muito utilizadas para o transporte de produtos de viscosidade elevada. Há projetos de bombas com uma camisa envolvendo os parafusos, por onde circula vapor, com o objetivo de reduzir a viscosidade do produto. Há casos em que essas bombas possuem três parafusos e os filetes estão em contato entre si, além de um caso particular em que há apenas um parafuso.  Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 56 Figura 2.4.21: Bomba de Parafusos. Figura 2.4.22: Bomba de parafuso único ou de cavidades progressivas. • Bombas de Palhetas: A quantidade de palhetas é variável, conforme o fabricante. Conforme a forma da caixa, subdividem-se em bombas de câmara, simples, dupla ou tripla. A maioria das bombas de palhetas deslizantes são de uma câmara (mononucleares). Como estas máquinas são de grande velocidade, de capacidades pequenas ou moderadas, sendo usadas com fluidos pouco viscosos, justifica-se a seguinte classificação: (a) bombas de palhetas deslizantes, situadas em um rotor ranhurado; (b) bomba pesada de palheta deslizante, com só uma palheta que abrange a totalidade do diâmetro. Trata-se de uma bomba essencialmente lenta, para líquidos muito viscosos; (c) bombas de palhetas oscilantes, cujas palhetas articulam no rotor. É outro dos tipos pesados de bomba de palheta; Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 59 _______________________________________________________________ 2.5 TURBINAS HIDRÁULICAS USINAS HIDRELÉTRICAS 2.5.1) Introdução Hoje em dia é muito fácil você chegar em casa, ascender a luz, ligar o forno de microondas para preparar uma refeição, ligar a TV e assistir seu programa preferido. Mas, já parou para pensar como seria o mundo sem energia elétrica? Basta acabar a energia por alguns minutos para percebermos a falta que ela nos faz. Energia é tudo aquilo que resulta da transformação de trabalho ou que se pode transformar em trabalho. Existem dois tipos: Energia Cinética, que é a energia em movimento e Energia Potencial, que está armazenada, pronta para ser transformada em energia cinética e utilizada. A utilização da energia cinética e potencial das águas, pela Humanidade, remonta a tempos imemoriais, já que, desde sempre, se instalaram variados dispositivos nas margens e nos leitos dos rios. Foi, porém, no século XIX que o aproveitamento dessa forma de energia se tornou mais atraente do ponto de vista econômico, pois, com a invenção dos grupos turbinas-geradores de energia elétrica e a possibilidade do transporte de eletricidade a grandes distâncias, se conseguiu obter um elevado rendimento econômico desse aproveitamento. No Brasil, devido a sua enorme quantidade de rios, a maior parte da energia elétrica disponível é proveniente de grandes Usinas Hidrelétricas. Figura 2.5.1: Usina Hidrelétrica. A energia primária de uma hidrelétrica é a energia potencial gravitacional da água contida numa represa elevada. Antes de se tornar energia elétrica, a energia primária deve ser convertida em energia cinética de rotação. O dispositivo que realiza essa transformação é a turbina. Ela consiste basicamente em uma roda dotada de pás, que é posta em rápida rotação ao receber a massa de água. O último elemento dessa cadeia de transformações é o gerador, que converte o movimento rotatório da turbina em energia elétrica. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 60 Figura 2.5.2: Esquema de Usina Hidrelétrica. 2.5.2) Propriedades Uma usina hidrelétrica pode ser definida como um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração de energia elétrica, através de aproveitamento do potencial hidráulico existente em um rio. O potencial hidráulico é proporcionado pela vazão hidráulica e pela concentração dos desníveis existentes ao longo do curso de um rio. Isto pode se dar: • de forma natural, quando o desnível está concentrado numa cachoeira; • através de uma barragem, quando pequenos desníveis são concentrados na altura da barragem; • através de desvio do rio de seu leito natural, concentrando-se os pequenos desníveis nesse desvio. A construção de uma usina hidrelétrica envolve muitos aspectos, principalmente os naturais. Há necessidade de desníveis para a água adquirir mais velocidade. Um rio não é percorrido pela mesma quantidade de água durante o ano inteiro. Em uma estação chuvosa, é claro, a quantidade de água aumenta. Para aproveitar ao máximo as possibilidades de fornecimento de energia de um rio, deve-se regularizar sua vazão, a fim de que a usina possa funcionar continuamente com toda a potência instalada. A vazão de água é regularizada pela construção de lagos artificiais. Uma represa, construída de material muito resistente (pedra, terra, freqüentemente cimento armado) fecha o vale pelo qual corre o rio. As águas param e formam o lago artificial. Dele pode-se tirar água quando o rio está baixo ou mesmo seco, obtendo-se assim uma vazão constante. A construção de represas quase sempre constitui uma grande empreitada da engenharia civil. Os paredões, de tamanho gigante, devem resistir às extraordinárias forças exercidas pelas águas que ele deve conter. Às vezes, têm que suportar ainda a pressão das paredes rochosas da montanha em que se apóiam. Para diminuir o efeito das dilatações e contrações devido às mudanças de temperatura, a construção é feita em diversos blocos, separados por juntas de dilatação. Quando a represa está concluída, em sua massa são colocados termômetros capazes de transmitir a medida da Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 61 temperatura a distância; eles registram as diferenças de temperatura que se possam verificar entre um ponto e outro do paredão e indicam se há perigo de ocorrerem tensões que provoquem fendas. Figura 2.5.3: Principais partes de uma Usina Hidrelétrica. As partes principais de uma usina hidrelétrica são: • Barragens - como o próprio nome diz, têm a função de barrar o fluxo de água, formando, a represa, um grande lago onde a água fica armazenada. Esta deve ter uma grande altura para que adquira mais velocidade durante a queda. • Comportas e Vertedouro - controlam o nível de água, evitando que ela transborde quando o nível da represa passa do limite. As comportas são abertas e a água escoa pelo vertedouro. • Casa de Máquinas - onde estão instaladas as turbinas que geram a energia elétrica. A água represada entra na casa de máquinas por tubos (que são chamados dutos forçados); a força da água é que movimenta as turbinas, fazendo girar o eixo que tem um grande ímã na parte superior, o qual, em contato com as turbinas, produz um campo magnético que gera a energia elétrica. Figura 2.5.4: Principais partes de uma Usina Hidrelétrica. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 64 Figura 2.5.8: Vista de um gerador interligado a uma turbina. Quando a energia chega nas cidades, um outro transformador na subestação rebaixadora reduz a energia de volta ao nível adequado para os aparelhos que usamos. O consumo de energia elétrica depende da potência do aparelho utilizado e do tempo de utilização. A energia que pode ser fornecida por unidade de tempo chama-se potência, e é medida em watt (W). Como as potências fornecidas pelas usinas hidrelétricas são muito grandes, sempre expressas em milhares de watts, utiliza-se para sua medida um múltiplo dessa unidade, o quilowatt (kW), que equivale a 1.000 W. A potência de uma fonte de energia elétrica pode ser calculada multiplicando-se a tensão em volts, que ela é capaz de fornecer, pela corrente em ampéres, que distribui. Dessa maneira, uma fonte capaz de distribuir 1.000 A, com uma tensão de 10.000 V, possui uma potência de 10 milhões de watts, ou 10.000 kW. Uma linha de transmissão, portanto, é capaz de transportar a mesma potência de duas maneiras: com voltagem elevada e corrente de baixa intensidade, ou com voltagem baixa e alta corrente. Quando a energia elétrica atravessa um condutor, transforma-se parcialmente em calor. Essa perda é tanto maior quanto mais elevada for a intensidade da corrente transportada e maior for a resistência do fio condutor. Assim, seria conveniente efetuar a transmissão da energia elétrica por meio de fios muito grossos, que apresentam menos resistência. Porém, não se pode aumentar excessivamente o diâmetro do condutor, pois isso traria graves problemas de construção e transporte, além de encarecer muito a instalação. Assim, prefere-se usar altos valores de tensão, que vão de 150.000 até 400.000 V. A energia elétrica produzida nas centrais não é dotada de tensão tão alta. Nos geradores, originalmente, essa energia tem uma tensão de cerca de 10.000 V. Valores mais altos são inadequados, porque os geradores deveriam ser construídos Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 65 com dimensões enormes. Além disso, os geradores possuem partes em movimento e não é possível aumentar arbitrariamente suas dimensões. A energia elétrica é, pois, produzida a uma tensão relativamente baixa, que em seguida é elevada, para fins de transporte. Ao chegar às vizinhanças dos locais de utilização, a tensão é rebaixada. Essas elevações e abaixamentos são feitos por meio de transformadores. Os aparelhos elétricos possuem diferentes potências, consumindo mais ou menos energia. Essa potência é expressa em watts (W) e deverá estar mencionada na placa de identificação afixada no próprio aparelho. É o medidor de energia elétrica (relógio de luz) que registra o consumo de eletricidade. Mensalmente a Eletropaulo realiza a leitura do consumo, para que seja emitida a fatura (conta) de energia elétrica. O consumo do mês é calculado com base na diferença entre a leitura obtida no mês em curso e a do mês anterior. A eficiência energética desse trabalho é muito alta, ao redor de 95%. O investimento inicial e os custos de manutenção são elevados e o combustível (a água) é nulo. É uma fonte renovável de energia. Veja na tabela a produção de energia das maiores usinas do mundo. Nome País Potência ( M W) Itaipu Brasil 12.600 Guri Venezuela 10.300 Grand Coulee EUA 6.494 Sayano Federação Russa 6.400 Grasnoyarsk Federação Russa 5.428 Churchil Falls Canadá 5.428 La Grande Canadá 5.328 Brstsk Federação Russa 4.500 Ust - Clim Federação Russa 4.320 Tucuruí Brasil 3.960 Fonte Eletrobras Tab. 2.5.2 – Produção de energia. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 66 Figura 2.5.9: Usinas a reservatório e a fio d’água, do Sudeste. Figura 2.5.10:Ilustração mais simplificada de Usina. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 69 Tab. 2.5.4 – Relação dos tipos de energia. Existem inúmeros meios viáveis de gerar eletricidade além das hidrelétricas, que são ignorados ou mal-aproveitados no Brasil. Nesse pacote tecnológico de ponta estão, entre outras, a energia do vento (ou eólica), a solar e a da biomassa, ou seja, a produção de eletricidade pela queima de matéria- prima vegetal como o bagaço de cana ou o óleo de dendê. Estes recursos, assim como as fontes de energia tradicionais, também têm suas vantagens e desvantagens (veja o quadro acima), mas poderiam complementar e ampliar a produção de energia no Brasil, onde mais de 90% da eletricidade consumida ainda vem das hidrelétricas, principalmente em épocas de escassez de chuvas, por exemplo (relembrando o caso do “Apagão”). Obs: Se o lago de Itaipu fosse coberto de células solares geraria toda a eletricidade de que o Brasil necessita e nem precisaríamos ter destruído Sete Quedas. 2.5.6) Crise Energética O Brasil já enfrentou uma crise de energia, em que não havia energia elétrica suficiente e toda energia disponível deveria ser usada de maneira inteligente. Essa crise representou uma etapa difícil na história do País. Para entender as causas da crise energética é preciso conhecer um pouco sobre como a energia é gerada. TIPO DE ENERGIA CUSTO DE CONSTRUÇÃO (USS/KWH) CUSTO DE OPERAÇÃO (USS/KWH) IMPACTO AMBIENTAL TEMPO REAL DE PRODUÇÃO Hidrelétrica de 1000 a 1500 de 25 a 40 destruição de ecossistemas, bloqueio nos rios de 50% a 65% Eólica de 1100 a 2300 de 45 a 65 praticamente nenhum 25% Solar de 2500 a 5000 de 45 a 65 insignificante de 50% a 65% Termoelétrica a gás de 400 a 600 de 50 a 80 poluição do ar, aquecimento do planeta 15% Termoelétrica a carvão de 800 a 1000 de 50 a 65 poluição do ar, aquecimento global acima de 80% Nuclear 3000 70 riscos de acidentes graves, lixo atômico de 40% a 50% Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 70 Causa da Crise 1º - Redução de Investimentos Os investimentos em geração no Brasil não acompanharam o crescimento da demanda. 2º - Aumento da demanda O crescimento da capacidade de geração não foi proporcional ao aumento populacional. 3º - Dependência de usinas hidrelétricas e de linhas de transmissão Como dito, a dependência do Brasil em relação às usinas hidrelétricas é um fator agravante para uma crise. As hidrelétricas respondem por quase a totalidade da energia consumida no País. É importante você saber que a energia produzida em um local pode ser transportada a outro local e isso é feito por meio de linhas de transmissão que funcionam como verdadeiras estradas para a eletricidade. No Brasil, nem todas as regiões estão interligadas, o que impossibilita um tráfego contínuo entre todas as regiões, como é o caso das regiões Norte e Nordeste, que não estão ligadas às demais. Em relação à Região Sul, o problema é outro. Embora esteja ligada ao Sudeste e ao Centro-Oeste, o sistema de transmissão limita o transporte da energia excedente gerada no Sul. 4º - Clima Para que seja possível gerar energia nas usinas hidrelétricas é preciso que os reservatórios tenham volume suficiente de água para acionar as turbinas. Com a falta de investimentos na ampliação do parque gerador, as reservas de água das usinas em operação são utilizadas de forma intensiva, reduzindo os níveis de armazenamento dos reservatórios. Isso aumenta a dependência por índices de chuva mais altos para recompor o volume de água dos reservatórios. 2.5.7) Glossário Energia Hidráulica - Energia potencial e cinética das águas. Represa - Grande depósito formado artificialmente, fechando um vale mediante diques ou barragens e no qual se armazenam as águas de um rio com o objetivo de as utilizar na regularização de caudais, na irrigação, no abastecimento de água, na produção de energia elétrica, etc. Central Hidroelétrica - Instalação na qual a energia potencial e cinética da água é transformada em energia elétrica. Bacia Hidrográfica - Superfície do terreno, medida em projeção horizontal, da qual provém efetivamente a água de um curso de água, até o ponto considerado. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 71 Nível Máximo de Exploração - É o nível mais alto permitido normalmente numa represa (sem ter em conta as sobre-elevações devido às cheias). Corresponde ao nível de pleno armazenamento da represa. Nota: O nível máximo da represa corresponde ao maior nível admissível em caso de cheias. Nível Mínimo de Exploração - É o nível mínimo admitido para a exploração de uma represa, medido num local determinado. Nota: Abaixo do nível mínimo de exploração pode-se fazer o esvaziamento da represa até o nível da descarga de fundo. Capacidade Útil - Volume de água disponível numa represa entre o nível de pleno armazenamento e o nível mínimo de exploração normal. Zona lnundável - Zona de uma represa compreendida entre o mais alto nível admitido pela sua exploração normal e o nível de água máximo possível (nível de máxima cheia). POTÊNCIAL HIDRELÉTRICO BRASILEIRO 1990-1999 Estágio Potência (MW) Nº registros Remanescente 31.742,18 2345 Individualizado 66.762,91 732 Total Estimado 98.505,09 3.077 Inventário 47.486,37 478 Viabilidade 37.873,66 62 Projeto Básico 15.242,17 75 Construção 7.696,60 25 Operação 53.855,07 391 Desativado 8,82 12 Total Inventariado 161.162,69 1.043 TOTAL 259.667,78 4.120 Potencial Teórico Hidráulico Bruto - Quantidade máxima de energia elétrica que pode-se obter numa região determinada ou numa bacia hidrográfica durante um ano médio, tendo em conta os desníveis correspondentes referidos a um dado ponto dessa região ou bacia. Tempo de Funcionamento - Intervalo de tempo durante o qual uma instalação, ou parte dela, fornece energia utilizável. Pico de Demanda - MW - Máxima demanda instantânea requerida num intervalo de tempo (dia, mês, ano, etc). Carga de Base - Parte constante da carga de uma rede durante um período determinado (por exemplo: dia, mês, ano). Instalação Elétrica - Conjunto de obras de engenharia civil, edifícios, máquinas, aparelhos, linhas e acessórios que servem para a produção, Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 74 TURBINAS HIDRÁULICAS 2.5.9) Introdução Turbinas são máquinas para converter energia hidráulica em energia elétrica. O custo total de uma usina hidrelétrica (reservatório, tubulações, turbinas, etc) é mais alto do que o de uma central termelétrica, mas ela tem muitas vantagens, algumas das quais são: 1. Alta eficiência 2. Flexibilidade de operação 3. Fácil manutenção 4. Baixo desgaste 5. Suprimento de energia potencialmente inesgotável 6. Nenhuma poluição 2.5.10) Classificação Os principais tipos de turbina são aquelas de impulso e de reação. O tipo predominante de máquina de impulso é a roda Pelton (inventada por Lester Allen Pelton) que é apropriada para alturas de 150-2000m. As turbinas de reação são de dois tipos principais: 1. de escoamento radial ou misto 2. de escoamento axial Dos tipos de escoamentos radiais predomina a turbina Francis (patenteada por Samuel Dowd e aperfeiçoada por James Bicheno Francis). As turbinas Dériaz são similares às turbinas Francis rápidas, mas com um mecanismo que permite variar a inclinação das pás do rotor. Os tipos principais de máquinas axiais são turbinas de hélice (Propeller), cujas pás do rotor são fixas, e as turbinas Kaplan com as pás do rotor ajustáveis. Outros tipos de máquinas axiais são as turbinas Tubulares, Bulbo e Straflo. 2.5.11) Tipos de Turbinas Hidráulicas 2.5.11.1) Turbinas Francis Em 1847 o inglês James Bicheno Francis (1815-1892) trabalhando nos EUA melhorou uma máquina de escoamento centrípeta desenvolvida em 1838 por Samuel Dowd (1804-1879), de modo que a partir disso, elas receberam o nome de turbinas Francis. A Figura 1 mostra um corte longitudinal de uma turbina Francis, indicando os órgãos principais. Essencialmente constam das seguintes partes: 1) uma caixa, geralmente com forma de caracol do tipo fechado, a qual é substituída por uma câmara ou poço de adução no tipo aberto; Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 75 2) um distribuidor dotado de pás orientáveis, para proporcionar a descarga correspondente à potência demandada, com o ângulo mais adequado para a entrada da água no rotor; 3) um rotor dotado de pás com formato especial; 4) um tubo de sucção que conduz a água que sai do rotor a um poço ou canal de fuga. Figura 2.5.12: Turbina radial típica do tipo Francis. As turbinas Francis são máquinas de reação do tipo ação total (a água ao passar pelo rotor preenche simultaneamente todos os canais das pás). Quanto ao posicionamento do eixo podem ser: − de eixo vertical − de eixo horizontal. Quanto às velocidades do rotor, as turbinas Francis podem ser: − lentas (55<ns<120 rpm); − normais (120<ns<200 rpm); − rápidas (ou Deriaz) (200<ns<300); − extra rápidas ou ultra-rápidas (300<ns<450). Com a velocidade específica definida pela fórmula: ns = (n√Pe)/(H4√H) ; [n] em rpm, [Pe] em CV e [H] em m. Quanto ao modo de instalação que caracteriza como recebem a água motriz, as turbinas Francis podem ser: de instalação aberta ou fechada. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 76 - Instalação aberta: Quando a turbina é colocada num poço, ao qual vem ter a água conduzida em um canal de adução, havendo geralmente uma comporta ou adufa para que se possa esvaziá-la na manutenção. Este tipo de instalação é conveniente apenas para pequenas quedas (até 10 m) e potências pequenas (algumas centenas de CV). Vale ressaltar que quando a descarga é grande e o desnível é pequeno, há vantagem de se utilizar um tubo de sucção curvo. - Instalação fechada. Quando a queda é superior a 10 m é preferível colocar a turbina numa caixa à qual vem ter a água conduzida em uma tubulação forçada (pentstock). Estas caixas tem a forma de caracol, voluta ou espiral e são envolvidas pelo concreto armado. As vantagens das turbinas de eixo horizontal sobre as de eixo vertical é que nas primeiras a turbina e o gerador podem ser independentes; há uma melhor disposição da sala das máquinas já que a turbina e o gerador estão no mesmo nível, fácil montagem e entendimento, facilidade de manutenção e custo reduzido em cerca de 20% para as mesmas condições. 2.5.11.2) Turbinas Pelton Como toda turbina hidráulica, a Pelton possui um distribuidor e um receptor. As partes principais das turbinas Pelton são descritas a seguir: Figura 2.5.13: (a) Esquema de uma turbina Pelton. (b) Fotografia da roda de uma turbina Pelton. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 79 Figura 2.5.18: Distribuição dos jatos em pás sucessivas. 3) Defletor de jato: O defletor intercepta o jato, desviando-o das pás, quando ocorre uma diminuição violenta na potência demandada pela rede de energia. Nessa hipótese, uma atuação rápida da agulha para reduzir a descarga poderia vir a provocar uma sobrepressão no bocal, nas válvulas e ao longo do encanamento adutor. O defletor volta à sua posição inicial liberando a passagem do jato, logo que a agulha assume a posição que convém, para a descarga correspondente à potência absorvida. A figura 2.5.19 mostra detalhes do defletor de jato. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 80 Figura 2.5.19: Detalhes do bocal injetor e do defletor de jato. 4) Bocal de frenagem: O bocal de frenagem faz incidir um jato nas costas das pás, contrariando o sentido de rotação, quando se desejar frear a turbina rapidamente. As turbinas Pelton são do tipo tangenciais e de ação parcial como visto no item anterior. Quanto ao número de jatos, as turbinas Pelton podem ser: de um jato, dois, quatro ou seis jatos e, excepcionalmente, de 3 jatos. Quanto maior o número de jatos, maior a potência para uma mesma queda, maior o desgaste por abrasão se a água tiver areia em suspensão e menor o tamanho do rotor (o que representa uma redução no custo por unidade de potência instalada). A incidência de jatos sobre o rotor, em cada volta, depende do número de jatos, de modo que, quanto maior a queda, menor deverá ser o número de impactos sobre a pá por minuto. Quanto ao posicionamento do eixo, as turbinas Pelton podem ser de: − Eixo horizontal: geralmente utilizada para um ou dois jatos, a instalação é mais econômica, de fácil manutenção, além de ser possível montar, numa mesma árvore, dois rotores. − Eixo vertical: geralmente utilizado para quatro ou seis jatos sobre as pás do rotor. A figura 2.5.21 mostra as características da turbina Pelton em função da queda e da potência. A figura 2.5.22 mostra o número de jatos em função da rotação e da queda. A figura 2.5.23 mostra um gráfico para determinação da potência, da rotação e do diâmetro do rotor da turbina Pelton em função da queda e da vazão. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 81 Figura 2.5.20: Número de impactos do jato sobre uma pá, por minuto. Figura 2.5.21: Gráfico da Hitachi para escolha da turbina Pelton. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 84 Figura 2.5.25: Rotor de 8 pás de uma turbina Hélice com as pás direcionadas ao distribuidor. As turbinas Hélice são do tipo axial, de reação e de ação total, como as turbinas Francis. As demais características são as mesmas que as das turbinas Kaplan que serão vistas a seguir. Elas são utilizadas em baixas quedas e com grandes descargas (vazões). 2.5.11.4) Turbinas Kaplan Em 1912, o engenheiro Victor Kaplan (1876-1934), após estudos teóricos e experimentais, concebeu um novo tipo de turbina a hélice, comportando a possibilidade de variar o passo ou inclinação das pás. A figura 2.5.26 mostra um corte longitudinal de uma turbina Kaplan indicando os seus principais componentes. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 85 Figura 2.5.26: Corte longitudinal de uma turbina Kaplan. A figura 2.5.27 mostra o mecanismo de controle do ângulo das pás do rotor. Os principais componentes de uma turbina Kaplan são descritos a seguir: 1) Distribuidor: Se assemelha ao das turbinas Francis, tendo as mesmas finalidades. As pás do distribuidor, têm sua inclinação comandada por um sistema análogo ao das turbinas Francis, e ficam a uma distância considerável das pás do rotor. Deve haver uma sincronização entre os ângulos das pás do rotor e as do distribuidor. 2) Rotor: Possui pás que podem ser ajustáveis variando o ângulo de acordo com a demanda de potência. 3) Tubo de sucção: Tem as mesmas finalidades e a mesma forma dos tubos de sucção para turbinas Francis. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 86 Figura 2.5.27 (a): Detalhe do sistema de movimentação das pás de uma turbina Kaplan. Figura 2.5.27 (b): Rotor Kaplan em corte total e parcial (esquemático). 4) Caracol ou caixa espiral: Pode ter seção transversal circular nas turbinas de pequena capacidade e nas quedas consideradas relativamente grandes para turbinas Kaplan, mas, nas unidades para grandes descargas e pequenas Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 89 Figura 2.5.30: Turbina bulbo Escher Wyss. Figura 2.5.31: Usina de Gersthein (França). Grupo bulbo. 2.5.11.8) Turbinas Straflo São turbinas do tipo axial caracterizadas pelo escoamento retilíneo que em inglês significa "straight flow", cuja contração dos vocábulos originou o nome STRAFLO. Na realidade, as trajetórias das partículas líquidas são hélices cilíndricas, que em projeção meridiana são retas paralelas ao eixo. Neste tipo de turbina o indutor do alternador é colocado na periferia do rotor da turbina formando um anel articulado nas pontas das pás da hélice, as quais podem ser de passo variável, análogas às da turbina Kaplan. Por esta razão é também denominada turbina geradora de anel ou periférica. As juntas hidrostáticas montadas entre a carcaça girante, funcionam como um agente de pressão e vedação. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 90 Uma vantagem desta turbina é de não haver a necessidade de colocar o gerador no interior de um bulbo, o que, como vimos, cria problemas de limitação das dimensões do gerador e de resfriamento. A colocação do alternador na própria periferia do rotor da turbina possibilita uma instalação compacta e a obtenção de fator de potência maior que o conseguido com outros tipos em igualdade de condições de queda, descarga e custo de obras civis. As turbinas STRAFLO são adequadas para usinas de baixa queda, de 3 até 40m e diâmetro de rotor de até cerca de 10m. Do mesmo modo que as turbinas de bulbo e tubulares, as turbinas STRAFLO podem ser instaladas com eixo horizontal ou inclinado. As figuras 2.5.32 e 2.5.33 mostram uma maquete em corte e uma seção transversal de uma turbina STRAFLO, respectivamente. Figura 2.5.32: Representação de turbina Straflo de pás fixas. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 91 Figura 2.5.33: Seção transversal típica de turbina Straflo de pás fixas e mancais convencionais; 1- pás diretrizes fixas, 2- pás diretrizes móveis do distribuidor, 3- pás fixas do rotor, 4- gerador. 2.5.12) Velocidades das Turbinas Hidráulicas 2.5.12.1) Número real de rotações As turbinas acionam diretamente os geradores de energia elétrica, de modo que, naturalmente, ambos têm o mesmo número de rotações. Mas nos alternadores, pela forma como são construídos, existe uma dependência entre o número de pares de pólos (p), o número de rpm(n) e a freqüência em Hz (f), na forma: n = (60⋅f)/p Para f = 60hz, n = 3600/p. Assim, podemos construir uma tabela que relaciona n e p (tabela 2.5.5). As velocidades reais das turbinas, podem ser determinadas a partir da tabela 2.5.6. As turbinas de grandes potências têm baixa rotação real de modo a reduzir a complexidade dos problemas de estabilidade mecânica, momentos nos mancais e a melhorar as condições para a regularização do movimento. Também, por razões construtivas, empregam-se, como visto, baixa velocidade real para turbinas de elevado ns e altas rotações reais para pequenos valores de ns. P 4 6 8 12 16 18 20 24 30 36 40 45 60 n 900 600 450 300 225 200 180 150 120 100 90 80 60 Tab. 2.5.5 - Rotações por minuto síncronos do alternador trifásico em função do número de pares de pólos. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 94 2.5.14) Campo de Aplicação das Turbinas Hidráulicas Teoricamente não é impossível construir turbinas de um tipo qualquer para todas as velocidades específicas, porém a prática do projeto e os resultados obtidos com as turbinas instaladas têm mostrado que cada um dos tipos só pode ser empregado com bom rendimento para valores de ns compreendidos entre determinados limites, o que significa dizer que, de um certo modo, essa grandeza específica determina o tipo de turbina a ser usada numa instalação caracterizada pelos valores de Q, H e n. A prática mostrou ainda que, para valores dados de queda e potência, os custos das turbinas e da instalação, como um todo, diminuem quando a velocidade específica aumenta. A tabela 2.5.7 mostra o campo de aplicação das principais turbinas, em função de n e H. Baseada em turbinas instaladas que apresentam não só bons rendimentos, mas também os menores custos. Tab. 2.5.7 - Campo de aplicação dos diversos tipos de turbinas. A figura 2.5.36 mostra a representação gráfica desta tabela. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 95 Figura 2.5.36: Campo de ampliação das turbinas Pelton, Francis e Kaplan de acordo com a queda e a velocidade específica. 2.5.15) Características de algumas Turbinas Hidráulicas instaladas no Brasil A tabela 2.5.8 mostra H, Q, n e N, bem como o fabricante e o tipo das Turbinas Hidráulicas instaladas nas principais usinas brasileiras. Maquinas Térmicas e Hidráulicas UERJ Máquinas de Fluxo 96 Usina Tipo H (m) Q (m3.s- 1) N (rpm) N (CV) Itaipú - Rio Paraná Francis 120 660 94,2 971.500 Paulo Afonso IV - Rio Sã Francisco Francis 135 385 120 577.600 Itumbiara - Rio Paranaíba Água Vermelha - Rio Grande Francis Francis 80 139,9 522 500 94,7 95 481.000 312.712 São Simão - Rio Paranaíba Francis 71,3 420 94,7 370.000 Foz de Areia - Rio Iguaçu Francis 29,8 302 128,6 457.000 Tucuruí - Rio Tocantins Francis 60,8 576 85 429.880 Estreito - Rio Grande Francis 60,8 306,5 113,5 231.000 Furnas (Alpinópolis) - Rio Grande Francis 88,9 190 150 210.000 Ilha Solteira - Rio Paraná Francis 46 389 86 225.000 Marinbondo - Rio Grande Francis 60,3 319 100 242.000 Salto Osório - Quedas Iguaçu Francis 72 240 120 214.500 Passo Fundo - Rio Passo Fundo Francis 253 48 300 150.000 Porto Colômbia - Rio Grande Francis 19,3 464 86 111.000 Xavantes - Rio Paranapanema Francis 73,7 141,5 129 144.000 Capivara - Rio Paranapanema Francis 48,4 375 100 225.000 Promissão - Rio Tiête Kaplan 25,0 380 90 120.000 Jupiá - Rio Paraná Kaplan 25,4 400 98 140.000 Porto Primavera - Rio Paraná Kaplan 19,2 751 67 177.000 Sobradinho - Rio São Francisco Kaplan 27,2 715 75 242.000 Moxotó - Rio São Francisco Kaplan 21,0 550 80 150.057 Bernardo Mascarenhas (Três Marias) - Kaplan 57,2 150 164 90.000 Volta Grande - Rio Grande Kaplan(5pás) 26,2 430 85,7 140.038 Jupiá - rio Paraná Kaplan 23 462 78,4 107.060 Barra Bonita - Rio Tiête Kaplan 24 148 129 47.400 Parigot de Souza - Rio Capivari Pelton 714,3 10 514 87.200 Cubatão 1- Henry Borden Pelton 719,5 12 360 92.274 Cubatão 2 - Fonte, (primitiva) Pelton 684 12,7 150 89.232 Fontes antigas - Rio Piraí Pelton 310 1,53 1094 19.264 Tab 2.5.8 - Características de algumas turbinas hidráulicas instaladas no Brasil. 2.5.16) Pré-Dimensionamento das Turbinas Hidráulicas Nesta seção apresentaremos um roteiro juntamente com alguns gráficos que nos possibilitará fazer um pré-dimensionamento das turbinas hidráulicas dentro, é claro, das limitações do texto desenvolvido. 2.5.16.1) Dados para o Dimensionamento das Turbinas Hidráulicas Para o dimensionamento de qualquer Turbina Hidráulica é indispensável, subsidiariamente, conhecer: - As características físicas e químicas do fluido de trabalho; - As características locais, no que se refere ao ambiente e ao local de instalação; - As características operacionais. Desse modo, mais especificamente, deve-se conhecer: - Quedas (H); - Vazões (Q); - Altura do nível d'água de jusante;