BOM DIA - paulfmilcent.net

BOM DIA !
Meu nome: Paul Fernand Milcent
Orientador da primeira etapa da disciplina de Integração III
Objetivos desta apresentação:
- Orientar quanto ao conteúdo e a forma do trabalho a ser entregue. (Metade da nota; 15% do total da
disciplina.)
- Orientar quanto ao conteúdo da prova individual de avaliação. (Metade da nota; 15% do total da disciplina.)
Canais de comunicação:
Site www.paulfmicent.net
Contem as apostilas que dão a base para a realização do trabalho e para o
estudo frente à avaliação individual escrita. (Noções de Isolamento Térmico de Tubulações; Introdução aos
Compressores). Contem ainda, além de vários outros textos considerados interessantes, a capa padrão do
trabalho e esta apresentação.
E-mail [email protected] e Facebook
na UFPR.
Telefone (41) 3264-2827
Permite tirar dúvidas; agendar um horário para tirar dúvidas
Permite tirar dúvidas; agendar um horário para tirar dúvidas na UFPR.
Capa Padrão: É a folha de rosto do trabalho a ser entregue, inclusive quanto a sua formatação. Apresenta o
sumário mínimo a ser seguido por todas as equipes. Apresenta a ordem do sumário a ser entregue por todas as
equipes. Não usar a folha de rosto, ou o sumário mínimo ou ainda a ordem estipulada comprometerá fortemente
o resultado da avaliação. Compromete também a avaliação, a entrega de trabalhos semelhantes por equipes
diferentes; o uso de dados diferentes dos da equipe considerada; o emprego de relatórios informatizados e
automatizados por recursos como Matlab desenvolvidos por equipes de semestres anteriores.
Os memoriais de cálculo são os que permitem a correção de cada item numérico. Tem a estrutura tal como a
apresentada nas apostilas. Equações literais na devida sequência; equações com os valores numéricos
devidamente substituídos; resultados parciais e finais obtidos. (Um memorial de cálculo para cada tipo de
problema.)
apostila NOÇÕES DE ISOLAMENTO TÉRMICO DE TUBULAÇÕES
Contém em cada página um aforismo do pensador, escritor, cientista e político Benjamin Franklin e em anexo
um curta biografia sua. É um personagem admirado e amado até os dias de hoje, considerado um benfeitor
social. De origem humilde alcançou grande prosperidade material e o que é muito mais importante, se auto
considerava uma pessoa Feliz! Como na vida entramos sem 'manual de instruções' para a Felicidade e como a
Felicidade é sabidamente o que todos nós realmente almejamos, provavelmente conhecer exemplos bem
sucedidos nos sejam úteis. No site há também o livrinho 'Benjamin Franklin para Professores' de minha autoria.
Formatos e tipos dos isolantes térmicos pg 2
Isolamento e temperatura de operação pg 3
Acabamentos (coberturas) pg 3
Dedução de expressões da taxa (velocidade) de transferência de calor e dos coeficientes globais de
transferência pg 4
5
1
2
3
4
Figura 1 – Corte de uma tubulação isolada
Com respeito a esta figura, os sub índices referir-se-ão:
1 – uma região no interior do tubo
2 – face interna da parede do tubo
3 – face externa da parede do tubo e face interna do isolamento
4 – superfície externa do isolamento
5 – região onde se encontra o fluido que envolve o isolamento (normalmente ar)
*** Nos dados para cada equipe, será fornecida a temperatura e o diâmetro da tubulação no ponto 3. Assim o
trabalho fica simplificado, pois os cálculos independem do fluido que circula no interior do tubo e da espessura
da parede do tubo. As equações adequadas para o cálculo da transferência de calor estão deduzidas neste ítem.
Condutividade máxima do material isolante pg 7
*** A partir da qual não há mais efeito de isolamento.
Para o caso da presença de isolamento, a taxa de transferência de calor é dada por:
q 11 
2. .r4 .L(T3  T5 )
r4
r
1
ln 4 
k 3 4 r3 h45
De 3 até 4 : transferência pelo material isolante.
De 4 até 5 : transferência pelo ar. (Neste caso, o subíndice 4 indica o diâmetro externo.)
Quando não temos isolamento, a taxa de transferência de calor é dada por:
2. .r3.L(T3  T5 )
1
h35
(Neste caso, o subíndice 3 indica o diâmetro externo.)
q  h. A.T 
Para existir efeito isolante, q11 < q. Assim,
1
k 3 4
ln
r4
1
1


r3 h45 r4 h35 r3
mas h4-5 e h3-5 são símbolos para o mesmo coeficiente de transferência. Assim temos que:
k 3 4 
r3 r4


r  r 
 4 3
 r4 
 ln r 
3 

.h4 5
* Se a espessura de isolamento de um tubo aumenta, aumenta também a área de troca com o ar, mas q = AUΔT
e assim a transferência de calor tende a aumentar com a área de troca, bem como com a espessura do
isolamento.
Determinação da espessura econômica do isolamento pg 8
(Qual espessura usar?)
p. ex.
200 C
p.ex.
150 C
q
p.ex.
20 C
Com a transferência de calor, a temperatura do fluido na tubulação diminui, se perde energia e dinheiro.
q x tempo  kWh
R$ / kWh  custo da energia
e assim,
q x tempo x ( R$ / kWh)  dinheiro gasto numa unidade de tempo com a perda de calor.
X
X
X
Calor ou
dinheiro
perdido
X
X
X
0
1
2
3
4
5
Espessura
do
isolamento
Por outro lado, além do lucro, a instalação industrial e suas partes, devem se pagar num determinado período de
tempo, pelo menos até o fim de sua vida útil. Isto permitirá que uma nova instalação industrial ou uma sua parte
constitutiva seja novamente construída. O custo envolvido com o isolamento é o da sua aquisição, do
acabamento (revestimento), da sua instalação, da sua manutenção...
Custos pelo
tempo para o
isolamento
se pagar
X
X
X
X
X
X
0
1
2
3
4
5
Espessura
do
isolamento
Somando-se ponto a ponto, o dinheiro perdido por unidade de tempo devido à transferência de calor, com o
dinheiro gasto por unidade de tempo com o isolamento, teremos uma terceira função que passará por um
mínimo. Este ponto de mínimo indica a espessura econômica do isolamento.
X
X
X
Função
soma
0
1
X
X
X
2 Espessura 4
econômica
do
isolamento
5
* Observação: No estudo que será feito para a realização deste trabalho, provavelmente serão localizadas
tabelas contendo a espessura econômica do isolamento para várias situações. Como vimos acima, tal espessura
depende da fonte de energia empregada; do custo desta energia que por sua vez depende da época e do país
considerado; do custo do material isolamento, acabamento (revestimento), mão de obra... (época, país...) Em
consequência, os valores calculados por vocês serão diferentes dos tabelados.
Determinação da perda de calor pelo isolamento pg 9
(equações)
Determinação do custo associado a perda de calor pg10
(exemplo de determinação do custo da energia em função de sua fonte)
Amortização do custo do isolamento pg12
(comentário)
Determinação da espessura ótima pg12
(comentário)
Raio crítico do isolamento pg12
É o raio do tubo isolado onde a transferência de calor é máxima.
* Se a espessura de isolamento de um tubo aumenta, aumenta também a área de troca com o ar, mas q = AUΔT
e assim a transferência de calor tende a aumentar com a área de troca, bem como com a espessura do
isolamento.
Supondo a transferência de calor por condução e convecção (sem radiação), a equação fica:
q 11 
2. .r4 .L(T3  T5 )
r4
r
1
ln 4 
k 3 4 r3 h45
Fazendo:
dq
0
dr4
temos o máximo da função que é a expressão do raio crítico:
rc  k 34 / h45
q
máximo
X
X
X
X
X
X
X
q
X
X
X
0
r
crítico
Experimentar:
r4  r3  espessura
raio
e r3 = cte
q11 
2. . e  r3 .L(T3  T5)
 e  r 


3  ln  e  r3 

k34
r3
 1
h45
dq  0
de
Exemplo de cálculo da espessura econômica do isolamento pg 13
(serve de modelo para o memorial de cálculo)
Exemplo da determinação do raio crítico do isolamento pg18
(idem)
Determinação da quantidade de calor perdida se não houvesse isolamento pg 18
(idem)
Irradiação e isolamento térmico de superfícies pg 19
Cálculo da espessura mínima do material isolante pg 20
(considerando radiação)
Isolamento térmico de linhas a baixa temperatura pg 22
Com a transferência de calor, a temperatura do fluido na tubulação aumenta, se perde energia (consumida para
operar o sistema de refrigeração) e dinheiro.
SISTEMA DE
REFRIGERAÇÃO
p.ex.
- 50 C
p. ex.
- 20 C
q
p.ex.
20 C
Exemplo numérico de isolamento térmico de linhas a baixa temperatura pg 23
(Serve de modelo para o memorial de cálculo)
Proposta de trabalho pg 27
* Dados para todas as equipes:
Número de horas de operação da instalação industrial considerada = 8.000 horas por ano.
Tempo no qual o dinheiro gasto com o isolamento deve retornar ao investidor = 1 ano.
Linha considerada = 30 metros, totalmente na posição horizontal.
Energia empregada na instalação = energia elétrica adquirida do Estado.
No caso da linha refrigerada, dimensionar o isolamento para limitar o ganho de calor a 10% do máximo.
(Para a prova individual escrita, estude a apostila.)
* Dados específicos para cada uma das equipes:
Para a linha a alta temperatura:
EQUIPE
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
TEMPERATURA
( OC )
285
285
285
365
365
365
365
125
125
125
205
205
205
DIÂMETRO
( polegadas)
3
5
7
3
5
7
7
3
5
7
3
5
7
Para a linha a baixa temperatura:
EQUIPE
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
TEMPERATURA
( OC )
- 70
- 50
- 70
- 50
- 50
- 50
- 50
- 90
- 90
- 90
- 30
- 30
- 30
Sites de interesse pg 29
Bibliografia pg 29
DIÂMETRO
( polegadas)
7
3
5
7
3
5
7
5
7
3
7
3
5
Apêndice A – Propriedades do ar seco na pressão atmosférica pg 30
Apêndice B – Benjamin Franklin pg 31
apostila INTRODUÇÃO AOS COMPRESSORES
crankshaft - eixo da manivela ou virabrequim.
frame- caixilho.
bearings - suportes ou mancal.
crosshead - cruzeta.
piston rod - haste do pistão.
valves - válvulas para entrada e saída dos gases.
A figura mostra um compressor em três estágios (três
pistões), com parede (4) resfriada a água.
Esta apostila também trás uma biografia de Benjamin Franklin, agora com respeito às suas contribuições e
feitos científicos. Sua maior contribuição talvez tenha sido estabelecer os fundamentos do ramo da ciência até
então praticamente desconhecido da eletricidade. (E da eletricidade a eletrônica e da eletrônica a computação...)
Não tendo tido praticamente nenhuma instrução formal, chegou a receber, além do reconhecimento da
sociedade, o que é muito mais relevante, também o título de doutor por conceituadas Universidades.
Introdução e Classificação pg 2
Classificação sumária dos tipos de compressores.
Trabalho cedido ao sistema pg 4
Expressão do trabalho de compressão
2
[ Ha]. g   Pdv
1
Análise do trabalho para compressores de pistão pg 6
Quatro 'tempos'.
(operação inversa a de um motor a explosão)
Início da análise: cilindro com o
maior volume contido e na menor pressão (da linha de admissão)
ESTA ANÁLISE É MELHOR DO QUE A QUE CONSTA NA APOSTILA !!!!
(A) - Compressão: O motor cede energia ao sistema; o
pistão se desloca; v diminui e P aumenta.
[ Ha]. g  w    Pdv
P2
P1
v2
v3
v1
(B) - Descarga: O motor cede energia ao sistema; a
válvula de descarga se abre; o pistão se desloca
ainda mais; v diminui.
[ Ha].g  w  v.P
O pistão não pode encostar no cabeçote (causaria
dano). Ao final temos o volume morto (clearance
volume)
P2
P1
v2
v3
v1
(C) Expansão: O sistema cede energia ao motor. As
válvulas estão fechadas. O volume contido no cilindro
aumenta e a pressão diminui.
[ Ha]. g  w    Pdv
(D) Sucção: A válvula de admissão se abre. O sistema
continua a ceder energia ao motor. O volume contido
no cilindro continua a aumentar até o máximo do
percurso.
[ Ha].g  w  v.P
P2
P2
P1
P1
v2
v4
v1
v2
v4
Somando-se agora os trabalhos:
P2
VOLUME
MORTO
P1
v2
v4
v1
Por fim, lembrando que:
Y
B
AREA   ydx
A
X
Y
D
AREA   xdy
C
X
O trabalho total para um compressor alternativo fica dado simplificadamente por:
Wresul tan te   v.dP
Trabalho numa compressão isotérmica pg 7
2
v.dP
R.T dP R.T1  P2  P1  P2  P1  v1 
[ Ha]  
  1.

. ln    . ln    . ln  
g
g P
g
 P1   1  P1   1  v2 
1
1
2
v1
Trabalho numa compressão adiabática pg 7
A temperatura de descarga adiabática fica sendo:
P
T2  T1. 1 
 P2 
1 k
k
e o trabalho:
k 1


k P1  P2  k
[ Ha] 
. .    1

k  1  1  P1 


Trabalho numa compressão geral pg 11
(politrópica)
n 1


n Z1.R.T1  P2  n
[ Ha] 
.
.    1

n  1 g  P1 


Comparação entre a transformação isotérmica e a politrópica pg 11
O trabalho mínimo de compressão é despendido num processo isotérmico.
isotérmica
P2
politrópica
P1
v1
Potência do compressor pg 12
o
Potência  [ Ha]. m .g
Rendimentos do compressor pg 13
Devido à perda de energia no acoplamento motor - compressor; devido ao atrito.... Rendimentos fornecidos
direta ou indiretamente pelos fabricantes.
 GLOBAL 
Potência _ teórica
 TEÓRICO . MECÂNICO
Potência _ efetiva
Exemplo numérico A - Compressão isotérmica sem atrito pg 13
Exemplo numérico B - Compressão adiabática isentrópica pg 14
Exemplo numérico C - Compressão politrópica pg 15
Seleção do compressor pg 16
O Engenheiro Químico de modo geral não tem condições de projetar equipamentos com partes móveis, tais
como compressores. Mesmo a seleção é melhor deixar a cargo do fabricante, a partir do preenchimento de uma
folha de dados, que informa sobre as características do processo visado.
Proposta de trabalho pg 17
Dados comuns a todas as equipes:
Temperatura de entrada no compressor = 90 oC
Pressão de entrada no compressor = 3 kgf/cm2
Pressão desejada na saída do compressor = 9 kgf/cm2
Composição do gás a ser comprimido em porcentagem molar:
Constituinte
H2O
H2
N2
CO2
CO
Porcentagem molar
5
15
20
35
25
Dados para cada equipe:
Equipe
Vazão
de
entrada
(m3/h)
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
165
155
145
135
125
115
105
225
215
205
195
185
175
Sites de interesse pg 17
Bibliografia pg 17
Apêndice: Franklin - Um homem de ciência pg 18