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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2014.tde-29122014-114347
Documento
Autor
Nome completo
Rodrigo Bernardello Unzueta
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Simões-Moreira, José Roberto (Presidente)
Santos, Antonio Moreira dos
Sodré, José Ricardo
Título em português
Estudo teórico e experimental de uma máquina a vapor alternativa.
Palavras-chave em português
Ciclo orgânico de Rankine
Ciclos motores
Máquinas a vapor
Motores a vapor
Simulação
Resumo em português
Este trabalho apresenta uma revisão dos ciclos teóricos estudados por outros autores sobre o funcionamento de uma máquina a vapor funcionando como máquina de expansão e propõe um ciclo generalizado para o estudo. Esse ciclo generalizado é equacionado e seus pontos operacionais de otimização são determinados. Ao estudar os ciclos teóricos, verificou-se que a máquina a vapor pode atingir a eficiência isentrópica igual de 100%. Um estudo experimental foi conduzido em uma máquina a vapor, a fim de verificar os fenômenos que ocorrem e que influenciam na sua eficiência, fazendo o funcionamento real se afastar do ciclo teórico. Ao fazer o estudo experimental, verificou-se que a máquina a vapor real utilizada possui baixa eficiência, atingindo um máximo de 10% de eficiência isentrópica. Essa eficiência não é do ciclo e sim do conjunto todo, e é devido a diversos fatores, como, por exemplo, atritos, problemas de lubrificação, imperfeições físicas que provocam o vazamento do fluido de trabalho. Uma simulação computacional é realizada, visando prever o comportamento real da máquina a vapor e comparar com os dados obtidos experimentalmente. Verificando assim se a simulação consegue prever os fenômenos físicos e auxiliar no projeto de uma máquina a vapor. Após analisar os dados simulados, verificou-se que as válvulas possuem grande influência na eficiência isentrópica do ciclo da máquina a vapor. Válvulas de acionamento rápido preveem uma eficiência que pode chegar a 96%, enquanto as válvulas reais provocam uma eficiência de aproximadamente 60% para as mesmas condições de simulação. Uma das principais diferenças entre a simulação e os dados reais é a restrição ao fluxo provocada pelas válvulas, e que exigem coeficientes de descarga específicos para esse tipo de válvula.
Título em inglês
A theoretical and experimental study of a reciprocating steam engine.
Palavras-chave em inglês
Organic Rankine cycle
Simulation
Steam engine
Steam machine
Workscycles
Resumo em inglês
This work reviews the theoretical cycles studied by other authors on the operation of a steam engine as an expansion machine and chooses a generalized cycle for the study. This generalized cycle is modeled and the points of optimization are determined. By studying the theoretical cycles, it was found that the steam engine can reach the isentropic efficiency equal to 100%. An experimental study carried out in a steam engine in order to verify the phenomena occurring that influence their effectiveness, moving the actual operation away from the theoretical cycle. By making the experimental study, it was found that the actual steam engine has a low efficiency, reaching a maximum 10% isentropic efficiency. This efficiency is not of the cycle, but of the whole set, and is due to several factors, such as friction problems, lubrication problems, physical imperfections causing leakage of the working fluid. A computer simulation was performed in order to predict the actual behavior of the steam engine and compare with the experimental data. After analyzing the simulated data, it was found that the valves have a great influence on the isentropic efficiency of the steam cycle. Valves operating instantly can reach 96% of isentropic efficiency, while real valves cause an efficiency of approximately 60% for the same simulation conditions. A major difference between the simulation and the actual data is the flow restriction caused by valves, which requires specific discharge coefficients for this type of valve.
 
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Data de Publicação
2015-01-19
 
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