MAPA

1. MAPA – MÁQUINAS TÉRMICAS - 52/2023
M.A.P.A - Máquinas térmicas
O funcionamento de uma máquina térmica se fundamenta nas leis da termodinâmica.
A primeira lei da termodinâmica aplicada para um sistema aberto é importante para o
estudo de caldeiras, compressores, sistemas de refrigeração e muitas outras
aplicações. Por outro lado, a segunda lei da termodinâmica é que garante que o
processo seja realmente possível de ser realizado. A figura a seguir apresenta um
A S S E S S O R I A A C A D Ê M I C A
A C A D Ê M I C A
(43) 99668 - 6495
(43) 98816 - 5388

2. esquema do ciclo de uma central termelétrica:
Figura 1 - Ciclo de uma central termelétrica
Fonte: FILIPPO FILHO, G. Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas: fundamentos
de termodinâmica, características operacionais e aplicações. São Paulo: Érica, 2014.
p. 46.
Uma central termelétrica residencial utiliza uma caldeira flamotubular para a produção
de vapor a uma pressão de 10 kgf.cm-2 e temperatura de 200oC. O ambiente externo
se encontra a 25oC, e a água (ρ = 1000 kg.m-3) é bombeada por uma bomba e entra na
caldeira a 60oC, 11 kgf.cm-2 e a uma vazão de 7 m3.h-1. A caldeira é alimentada por
óleo combustível, cujo Poder Calorifico Inferior (PCI) é igual a 9800 kcal.Kg-1. Na
caldeira flamotubular, os gases quentes oriundos da combustão circulam pelo interior
dos múltiplos tubos imersos em um reservatório de água. Assim, os gases quentes
aquecem a água do reservatório, transformando-a em vapor.

3. A caldeira horizontal do tipo flamotubular em questão possui dois passes, e o primeiro
passe ocorre no tubo fornalha central (Ø 600 x 5000 mm), e o segundo, em um feixe
de 200 tubos (Ø 60 x 5000 mm). O primeiro passe é responsável apenas pela troca
de calor sensível, uma vez que parte do calor gerado na fornalha é irradiado para a
coluna de água que envolve o tubo. Já no segundo passe, ocorre a troca térmica
entre a água aquecida e os gases de combustão, de forma a promover a vaporização
da água.
A relação teórica (ou estequiométrica) de ar e combustível que alimenta a fornalha,
em kgar.Kgcomb.
-1, é igual a 1,38.PCI.10-3. No entanto, de forma a maximizar a queima
completa do combustível, o ar é injetado na caldeira com 40% de excesso. Durante a
queima, 4% do calor é perdido devido às queimas incompletas e formação de cinzas.
Dessa forma, a eficiência da fornalha é de 96%, e a quantidade de calor gerado na
fornalha por quantidade de combustível que alimenta a caldeira é igual a 0,96.PCI. No
entanto, 30% do calor gerado é irradiado na fornalha e utilizado para aquecer a água
que envolve o tubo da fornalha na parte inferior da caldeira. Em contrapartida, 70%
do calor gerado na fornalha se encontra nos gases de queima que seguem para os
tubos da parte superior da caldeira, onde ocorrerá a geração do vapor.
No vaporizador, 6% do calor é perdido devido à condução e convecção para o
ambiente. Assim, a eficiência total da caldeira é de 90% e a quantidade de calor
gerado na caldeira por quantidade de combustível que alimenta a caldeira é igual a
0,90.PCI. O gás de queima que entra nos tubos do vaporizador possui um calor
específico médio de 0,30 kcal.kg-1oC-1, entra nos tubos do vaporizador (segundo
passe) a 1300 oC e sai na chaminé a 250 oC e 12 m.s-1. Por outro lado, o vapor
gerado alimenta a turbina a vapor.
A turbina a vapor é um tipo de máquina térmica motora, isto é, ela produz trabalho a
partir da expansão do vapor em seu interior. Na entrada da turbina a vapor, o vapor
se encontra superaquecido e em alta pressão. Por outro lado, na saída da turbina, o
vapor se encontra saturado e em baixa pressão. No processo de expansão, a turbina

4. dissipa 50 kW de calor para o meio e a razão entre as pressões de operação na saída
e na entrada é igual a 10%.
O vapor saturado que sai da turbina segue para um trocador de calor que opera a
pressão atmosférica e possui um coeficiente global de transferência de calor igual a
35 kcal.h-1.m-2.oC-1. Após a troca térmica no trocador de calor, o vapor saturado
condensa e a água a 60oC segue para a bomba e é retroalimentada na caldeira,
fechando o ciclo.
A partir do problema exposto, elabore uma ficha técnica contendo as informações a
seguir e explique o que você faria para aumentar a eficiência do ciclo termodinâmico
em estudo. Como bom(a) engenheiro(a), não deixe de demonstrar os seus cálculos e
explicar todas as considerações e o passo a passo utilizado para obter as
informações.
Para auxiliá-lo(a) na execução das suas atividades, além do livro, utilize a plataforma
Minha Biblioteca para utilizar materiais complementares. Para isso, entre no Studeo e
acesse a Biblioteca Digital Unicesumar ou a plataforma Minha Biblioteca e busque
pelo livro Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas (FFILIPPO FILHO,
G. Máquinas Térmicas Estáticas e Dinâmicas: fundamentos de termodinâmica,
características operacionais e aplicações. São Paulo: Érica, 2014.).
Dados:
Tabelas de vapor: https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078.htm.
Lista de símbolos: https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-
Symbols.pdf.
Quadro 1 - Saturação (Temperatura):
https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-Tab1.pdf.
Quadro 2 - Saturação (Pressão):
https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-Tab2.pdf.

5. Quadro 3 - Água Comprimida e Vapor Sobreaquecido:
https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/NISTIR5078-Tab3.pdf.
FICHA TÉCNICA
Tabela 1 - Dados das correntes
Fonte: Autor, 2023

6. Tabela 2 - Dados do processo
Fonte: Autor (2023)