Ciclo do Vapor e Motores Térmicos: Princípios e Tipos

A grande maioria das instalações para geração de energia a partir da queima de um combustível (centrais térmicas) é do tipo a vapor, sendo que estas centrais trabalham de acordo com variações do ciclo termodinâmico de Rankine.

As plantas a vapor normalmente utilizam água como fluido de trabalho e operam queimando combustíveis do tipo sólido, líquido ou gasoso.

Seus principais componentes são ilustrados na Figura 3.1 anterior, onde se pode identificar:

• Turbina a vapor
• Condensador
• Bomba de alimentação
• Caldeira (gerador de vapor)
• Chaminé
• Gerador elétrico
• Sistema de resfriamento (torre de resfriamento)

Como pode ser observado na Figura 3.1, uma instalação a vapor pode ser dividida em quatro subsistemas principais, sendo estes:

Subsistema A

Tem a função de transformar calor em trabalho mecânico de eixo. Constitui‑se no ciclo termodinâmico propriamente dito.

Subsistema B

Tem a função de fornecer calor para o subsistema A, por meio da vaporização da água que passa através da caldeira. Opera segundo um reservatório térmico a alta temperatura.

O calor advém da queima de combustível fóssil ou, nos casos de plantas nucleares, a origem da energia é uma reação nuclear controlada que ocorre no prédio isolado do reator.

Subsistema C

Opera segundo um reservatório térmico a baixa temperatura, absorvendo o calor rejeitado pelo subsistema A.

O vapor que deixa a turbina passa pelo condensador, onde se condensa; a saída dos tubos que conduzem a água de resfriamento é então recirculada no condensador.

Uma dificuldade para a instalação de plantas termelétricas a vapor é o acesso a quantidades adequadas de água para resfriamento, além da necessidade de garantir a não poluição tanto em usinas a combustíveis fósseis quanto em usinas nucleares.

Subsistema D

Neste subsistema o trabalho mecânico produzido no eixo da turbina é convertido em energia elétrica, ou utilizado para acionamento direto de uma carga (compressor, bomba etc.).

Geração de energia elétrica

Os geradores elétricos são os elementos responsáveis pela transformação da energia mecânica, fornecida em seu eixo por uma máquina primária, em energia elétrica disponível em seus terminais. Tal conversão se dá através de fenômenos eletromagnéticos, basicamente os descritos pela lei de Faraday–Lenz, que demonstra a geração de uma tensão induzida quando um enrolamento é submetido à influência de um fluxo magnético variável.

A lei de Faraday–Lenz pode ser escrita da seguinte forma: e = -N · dΦ/dt.

Nesta expressão, N é o número de espiras do condutor, Φ é o fluxo magnético e o termo dΦ/dt expressa a taxa de variação do fluxo ao qual o condutor está submetido ao longo do tempo.

Como observado anteriormente, essa variação é relativa, podendo ser dada no tempo ou no espaço. Com isso, podem ocorrer as seguintes situações:

• O condutor pode estar parado, submetido a um campo de intensidade constante que se movimenta no espaço.
• O condutor pode estar parado, submetido a um campo de intensidade variável, porém estático no espaço.
• O condutor pode estar em movimento, submetido a um campo de intensidade constante que se movimenta no espaço.
• O condutor pode estar em movimento, submetido a um campo de intensidade variável, porém estático no espaço.

Essas quatro situações resultam em um movimento relativo entre campo e condutor, expresso pela taxa de variação (d/dt), necessária para a indução de uma tensão nos terminais do condutor. A Figura 3.2.1 ilustra o exposto.

Em outra situação, a espira gira em torno de seu eixo dentro do campo magnético, como mostrado a seguir.

Classificação e princípio de funcionamento de motor de combustão interna

Motores — histórico e aspectos

Invenção: século XIX.

Aspectos importantes: rendimentos aproximados de até 50% e impacto nas emissões de poluentes.

Noção de máquina térmica

São aquelas que transformam energia térmica em energia mecânica útil; a energia provém da combustão de uma mistura ar‑combustível.

O ar é o comburente em quase todas as máquinas térmicas terrestres; o restante usa O2 industrial.

A energia térmica liberada pelo combustível é transferida ao fluido motor, que evolui ciclicamente e transmite trabalho aos órgãos mecânicos.

Nos motores a jato, o próprio fluido cria impulso para o deslocamento do veículo e fornece trabalho aos órgãos mecânicos por meio da variação de pressão e volume criada pelo calor.

Máquinas volumétricas e rotativas

Máquinas volumétricas: o fluido pode evoluir de forma pulsante numa cavidade de volume variável. Estas dividem‑se em:

• Alternativa: o fluido ativo evolui de dentro do cilindro com volume variável e transmite sua energia através de parede móvel do cilindro; no movimento de vai‑e‑vem impulsiona o virabrequim (biela‑manivela).
• Rotativa: o volume variável desenvolve‑se entre o rotor e a carcaça, estando o virabrequim direta ou indiretamente acoplado ao motor (ex.: motor Wankel).

Classificação das máquinas térmicas

Motores de combustão externa: quando o fluido não participa da combustão; o calor é transferido ao fluido através de um trocador de calor.

Motores de combustão interna: o combustível é queimado no interior do fluido motor, ativado por uma mistura ar‑combustível.

Nas máquinas dinâmicas ou turbo, o fluido motor escoa de forma contínua, entregando sua energia a uma série de pás ou perfis aerodinâmicos; sua energia cinética pode ser usada para impulso no deslocamento do veículo.

Motores a jato: uma parte mínima da energia dos gases é utilizada para mover compressores.

Classificação dos motores

Ciclos: 4 tempos (Otto, Diesel, ciclo misto, Miller) e 2 tempos (faísca, gasolina).

Ignição: não comandada — compressão (vulgo Diesel).

Posição das válvulas: lateral, cabeçote e rotativa.

Combustíveis: flex, álcool, gasolina, gás, carvão.

Método de sobrealimentação: aspirado e sobrealimentado.

Tipo de injeção: direta ou indireta.

Tipo de ignição: bateria ou magneto.

Arrefecimento: líquido ou a ar.

Geometria do conjunto de cilindros: monobloco, em linha, oposto, pistão posto, em V, W, H e em estrela.

Princípio e funcionamento de um motor

O motor aproveita o aumento da pressão da mistura ar/combustível para imprimir movimento de rotação ao virabrequim.

O motor é constituído por cilindros onde deslizam pistões ligados à manivela (cambota) pelas bielas. Ao girar a cambota, os pistões sobem e descem, e o movimento alternado dos pistões faz girar a cambota.

Para o motor não parar, ligado a uma extremidade da cambota há um volante de inércia que acumula energia cinética.

PMS = ponto morto superior. PMI = ponto morto inferior. A distância percorrida entre PMS e PMI denomina‑se curso. O raio da manivela é a metade do curso.

A característica geométrica de um motor cita‑se pelo diâmetro interno (D) seguido de seu curso. No motor de explosão, o curso pode ser maior que o diâmetro.

Mantendo o volume do cilindro, pode‑se aumentar o diâmetro e reduzir o curso ou vice‑versa; diminuindo o curso diminui a velocidade linear do pistão. Para mesma velocidade de rotação, a velocidade linear do pistão será diferente conforme o curso.

Quando o pistão desce de PMS a PMI, varre um volume correspondente ao cilindro; a base da sua seção e a altura do cilindro determinam esse volume. A soma dos volumes varridos é chamada de cilindrada.

Quando o pistão se encontra em PMS existe um espaço acima da cabeça do pistão; neste volume se inicia a combustão e é denominado volume da câmara.

Taxa de compressão = (Volume varrido + Volume da câmara de combustão) / Volume da câmara de combustão.

Em motores a gasolina a taxa de compressão está entre 8,1 e 11,1. Em motores sobrealimentados esses valores podem diminuir. Quando se usa álcool, a taxa de compressão pode ser elevada.

Na compressão no cilindro ocorre aumento de pressão motivado pela redução do volume e elevação da temperatura, o que aumenta ainda mais a pressão; essa variação é calculada pelo coeficiente geométrico dos volumes, devendo considerar o processo politrópico de expoente próximo de 1,4.

Motor de ignição comandada (motor a gasolina)

Sua ignição se inicia por descarga elétrica de alta tensão dentro da câmara de combustão.

Válvula A — admissão: quando aberta mantém o cilindro em comunicação com o sistema de alimentação que fornece combustível para pré‑mistura ar/combustível.

Válvula E — escape: destinada à descarga dos gases queimados.

Admissão: com a válvula A aberta, o pistão inicia um movimento descendente provocando uma depressão no interior do cilindro, admitindo a mistura ar/combustível do sistema de alimentação.

Compressão: com ambas as válvulas A e E fechadas, o pistão sobe de PMI a PMS comprimindo os gases, elevando a temperatura e a turbulência da mistura, vaporizando parte do combustível e homogenizando a mistura. Parte dos produtos não queimados constituem poluentes. A temperatura final deve ficar abaixo da temperatura de autoignição do combustível.

Expansão do motor

Quando o pistão chega em PMS, uma faísca elétrica é lançada nos eletrodos da vela da câmara de combustão. A mistura já comprimida e aquecida queima por autoexpansão; a pressão elevada faz com que o pistão desça com violência até PMI, e essa descida do pistão impulsiona o virabrequim.

Escape: a válvula E se abre no final do tempo de trabalho e os gases produto da combustão escoam pelo tubo de escape. O pistão em movimento ascendente limpa o cilindro desses gases, sendo a válvula E fechada com a chegada do pistão ao PMS. As ondas sonoras são amortecidas e os gases são descarregados na atmosfera.

Motor de ignição por compressão (Diesel)

Não possui sistema de preparação de mistura ar/combustível exterior ao cilindro e não tem sistema gerador de faísca para ignição. Aspira ar puro que, submetido à alta pressão atingida no final da compressão, alcança temperatura suficiente para provocar a ignição do combustível (gasóleo) que é injetado no interior do ar comprimido.

O ar encontra‑se em elevada pressão, sendo necessário que o combustível seja introduzido a uma pressão ainda maior; para isso é indispensável o uso de um sistema de injeção de alta pressão. Esse sistema dosifica e fornece o gasóleo a cada cilindro na altura e na quantidade exatas a fim de permitir uma combustão controlada.

Os 4 tempos do motor de ignição por compressão

Admissão: o pistão vai de PMS a PMI com a válvula de admissão aberta, admitindo ar puro para o cilindro.

Compressão: com as válvulas fechadas, o pistão sobe até PMS e comprime o ar.

Combustão/expansão: em PMS o combustível é injetado no interior do ar comprimido e inflama instantaneamente por contato; a injeção pode continuar durante a descida do pistão, sendo este o tempo útil do motor.

Escape: quando o pistão chega em PMI a válvula de escape se abre permitindo que os gases queimados sejam expulsos para a atmosfera durante a subida do pistão.

Este tipo de motor necessita de elevada temperatura pela necessidade de compressões significativamente maiores que as de motores a gasolina.