Relatório 3 - termo 1 PDF

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INTRODUÇÃO

Um processo de compressão, consiste em aumentar a energia do fluido, nesse caso o ar atmosférico, com o uso de uma máquina térmica (compressor). A compressão de um gás pode ser feita adiabaticamente ou com transferência de calor, dependendo da finalidade do processo. O compressor aumenta a energia do fluido, ou seja, aumenta a pressão do sistema. Esses equipamentos podem possuir vários estágios, sendo nesse ensaio, composto por dois. O índice da politrópica dita o comportamento do equipamento, pois em processos reais, não temos um sistema puramente isotérmico e nem adiabático. Assim, determinado o índice da politrópica, pode se estabelecer o trabalho do equipamento e consequentemente obter a eficiência do sistema. Este ensaio consistiu em obter dados do sistema em funcionamento, tomando medidas como pressão, temperatura, entre outras, para se obter analiticamente o valor do índice politrópico. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO

Neste ensaio foi utilizado um compressor em “V” onde o ar é admitido pelo 1º estagio, sendo comprimido e também sofrendo um aumento de temperatura. Em seguida, o ar passa por uma serpentina, perdendo calor até chegar no 2º estagio, onde é comprimido novamente. Em seguida esse ar é descarregado em um reservatório. As transformações que ocorrem nesse processo são politrópicas. Processo politrópico é qualquer processo reversível que satisfaça a Eq. 1, demonstrando uma relação funcional especial entre P e V durante um processo. n P .V =cte Eq. 1

Sendo P, a pressão, V o volume e n o índice da politrópica. O índice da politrópica n é indicativo do tipo de processo e pode variar de menos a mais infinito. Vários processos simples se enquadram nessa classe de funções. Por exemplo, para n = 0, temos um processo de pressão constante (isobárico) e, para os limites de n → ± ∞, temos um processo de volume constante (isocórico). Também temos processos com transferência de calor nula (adiabáticos) e sem variação de temperatura (isotérmicos). Todos esses processos são casos particulares dos processos politrópicos. Em processos reais, como a compressão de um gás numa máquina, não são na maioria dos casos, nem isotérmicos nem adiabáticos puros, mas sim politrópicos, que pode ser escrito por 1 < n < γ. A figura 1, apresenta o comportamento típico desse tipo de processo. Neste tipo de expansão, há calor transferido e há variação de temperatura.

Figura 1: Estado de mudança de um gás perfeito. Fonte: http://nptel.ac.in/courses/112104118/lecture-2/hyperlink/2-5-process.htm.

Se (n = 0), o processo é denominado isobárico, se (n = 1) e a substância for um gás perfeito, o processo é isotérmico. Se “n” tende a menos ou mais infinito, é um processo isométrico e se (n = 1,4) é um processo adiabático. O valor de “n” vem das relações de pressões, temperaturas e volumes. A Eq. 2, representa a formula para se obter o valor do índice da politrópica utilizando uma relação de temperaturas e pressões. n=

1 T2 ) T1 1− P ln( 2 ) P1 ln(

Eq. 2

Para se conhecer a quantidade de energia que é necessária para a realização do processo, costuma ter como base o trabalho de um processo isotérmico, por ser o de menos consumo de energia. Dessa forma, para compressão isotérmica considerando gases perfeitos, temos o trabalho isotérmico apresentado pela Eq. 3 e a potência isotérmica pela Eq. 4. W isot =R T 1 ln (

P1 ) P2

Pisot =ṁR T 1 ln (

P1 ) P2

Eq. 3

Eq. 4

Sendo R = 287,0 J/KgK, constante do gás. T a temperatura de entrada, P as pressões de entrada e saída e ṁ a vazão mássica.

E o trabalho da Politrópica é apresentado na Eq. 5 e a Eq. 6 apresenta a potência. P 2 n−1 ¿ n −1 P1 ¿ −n R T 1¿ W polit = n−1

Eq. 5

P 2 n−1 ¿ n −1 P1 ¿ −n ṁR T 1 ¿ P polit = n−1

Eq. 6

A partir dessas equações, pode-se calcular a potência consumida no processo. LEVANTAMENTO DE DADOS

O equipamento utilizado foi um compressor de ar da marca MOTOMIL do tipo Alternativo, 3 pistões em W, sistema de vedação por anéis, lubrificação por salpico, 2 estágios, com pressão máxima: 12 Bar (175 psi e mínima: 9,3 Bar (135 psi). No qual a transmissão é do tipo acoplamento indireto por correia. Além disso, não há um sistema de refrigeração dedicado, porém a polia possui formato de uma hélice para ventilar os dois estágios. O banco de ensaio consta ainda de manômetros colocados nas saídas e entradas dos estágios para as leituras dos valores de temperatura e pressão necessários aos cálculos. Os dados obtidos durante a realização do ensaio, são apresentados na tabela 1. Na tabela 2, são apresentado dados intermediários, que foram calculados e estabelecidos em suas respectivas unidades. A tabela 3, apresenta os resultados finais, calculados através dos dados da tabela 2. Através dos dados apresentados nas tabelas, foi construído, 3 gráficos. Sendo o gráfico 1, apresenta os valores dos índice da politrópica, n1 e n2, em função da pressão do tanque. O gráfico 2 apresenta as potências politrópicas e isotérmicas do estágio 1 em função da pressão no tanque. E o gráfico 3 apresenta as mesmas potências para o estágio 2. (TABELAS E GRAFICOS) CONCLUSÕES E DISCUSSÕES

Por meio deste ensaio, podemos determinar alguns parâmetros fundamentais para a análise do comportamento de um compressor. O primeiro deles, foi o índice da politrópica. Obteve-se valores distintos para eles nos dois estágios e os mesmos se

distanciaram do valor ideal (n = 1, o que indicaria um processo isotérmico). O valor de “n” obtido no 1º estagio foi maior. Alguns fatores que justificam esse comportamento, seriam problemas como a correia “escorregando” em certos momentos, desgaste das camisas dos cilindros e uma má refrigeração das aletas. Com relação as potencias, em ambos os estágios foram apresentados valores maiores que para os processos isotérmicos. No 1º estágio os valores foram ainda maiores devido ao valor elevado de “n”. Esse resultado é esperado devido a situação mecânica do compressor, no qual, o primeiro estágio possui 2 pistões, ocasionando maior troca de calor e trabalho. Ainda mais, foi efetuado leituras com um termômetro infravermelho, porém os resultados estavam variando muito. Contudo, ajustes no equipamento como melhoria na refrigeração, poderia proporcionar uma faixa de temperatura mais adequada para o trabalho do compressor, ocasionando um valor de “n” mais apropriado.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Borgnakke, C. e Sonntag, R. E., 2003, Fundamentals of Classical Thermodynamics , 8ª edição, John Wiley & Sons UPUSP, Departamento de Engenharia Naval e Oceânica, Termodinâmica e Transferência de Calor; disponível em: http://sites.poli.usp.br/p/jesse.rebello/termo/Notas_TrabalhoCalor.pdf, acessado em 29 de maio. PUC-RIO, Termodinâmica – Calor e Trabalho; disponível em: http://wbraga.usuarios.rdc.puc-rio.br/termo/termo/termo26.htm, acessado em 29 de maio. UFRR, Processos Politrópicos – Aula 9; disponível https://www.passeidireto.com/arquivo/5803056/aulateo9---processos-politropicos; acessado em 29 de maio.

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