Fundamentos de engenharia - teoria e prática - volume 2

Introdução

COMO USAR ESTE LIVRO

Fundamentos de Engenharia – Teoria e Prática tem por objetivo servir como uma ferramenta de referências para complementar seu estudo de engenharia e prática profissional. Você pode usá-lo como uma referência quando necessitar refrescar sua memória sobre um assunto específico ou pode lê-lo e estudá-lo desde o início, na ordem dos capítulos, para uma revisão direta dessa área de conhecimento. A menos que você esteja em um curso ou se preparando para um concurso, provavelmente o utilizará do primeiro modo. Tal como em um dicionário, no qual se busca a definição de palavras desconhecidas, os assuntos podem ser pesquisados de acordo com a necessidade.

Você pode usar os quatro volumes desta obra e seus respectivos índices detalhados para rapidamente encontrar respostas.

Esta obra não é muito diferente de usar qualquer outra referência bem conceituada. Você procura um tópico, lê a explicação, consulta a nomenclatura no início do capítulo para esclarecer o significado das variáveis e a escolha das unidades e faz uso dos dados relevantes contidos nas tabelas e nos apêndices anexos. Algumas dessas etapas podem requerer uma explicação para a qual forneço os tópicos a seguir.

Abreviações de Engenharia,

Acrônimos e Unidades

Esta lista de abreviações, acrônimos e unidades não padronizadas se destina a ajudá-lo a ler este livro e também outras publicações de engenharia americanas. Existe uma inconsistência considerável entre os engenheiros quanto ao uso de letras maiúsculas e pontos, hífen e outros elementos de pontuação. Muitas das unidades convencionais e tradicionais apresentadas não seguem as convenções padrão SI

(sistema internacional), que são apresentadas entre parênteses. Apenas as unidades SI mais confusas são apresentadas. a

AA

AAES

ano (abreviação SI) média aritmética

American Association of Engineering

Societies

ABET

Accreditation Board for Engineering and Technology abs absoluto

ABS acrilonitrila-butadieno-estireno ac, a-c, AC ou A-C corrente alternada

ACEC

American Consulting Engineers

Council

ACI

American Concrete Institute

ACRS sistema de recuperação acelerada do custo adj adjunto

  Propriedades dos Fluidos

  1. Características de um Fluido

  2. Tipos de Fluidos

  3. Pressão e Vácuo em Fluidos

  4. Massa Específica

  5. Volume Específico

  6. Gravidade Específica

  7. Peso Específico

  8. Fração Molar

 9. Viscosidade

10. Viscosidade Cinemática

11. Conversões de Viscosidade

12. Índice de Viscosidade

13. Pressão de Vapor

14. Pressão Osmótica

15. Tensão Superficial

16. Efeito Capilar

17. Compressibilidade

18. Módulo de Compressibilidade

19. Velocidade do Som

20. Propriedades de Misturas de Fluidos

Não Reagentes

Nomenclatura a velocidade do som

A área d diâmetro

E módulo de elasticidade

F força g aceleração gravitacional gc constante de conversão

gravitacional h altura k razão de calores específicos

L comprimento

M número de Mach

M concentração molar

MW peso molecular n número de mols p pressão r raio

Fluidos

28

  Estática dos Fluidos

  1. Dispositivos para Medição de Pressão

 2. Manômetros

  3. Pressão Hidrostática

  4. Altura de Fluido Equivalente a uma Pressão

  5. Barômetros Multifluidos

  6. Pressão sobre uma Superfície Plana Horizontal

  7. Pressão sobre uma Superfície Plana Retangular

Vertical

  8. Pressão sobre uma Superfície Plana Retangular

Inclinada

  9. Pressão sobre uma Superfície Plana Geral

10. Casos Especiais: Superfícies Verticais

11. Forças sobre Superfícies Curvas e Complexas

12. Torque sobre uma Comporta

13. Forças Hidrostáticas sobre uma Barragem

14. Pressão Decorrente de Vários Líquidos Imiscíveis

15. Pressão a partir de Fluidos Compressíveis

16. Líquidos Pressurizados Externamente

17. Carneiro Hidráulico

18. Empuxo

19. Empuxo em Tubulações Submersas

20. Estabilidade Intacta: Estabilidade de Objetos

29

  1. Introdução às Unidades de Energia em Fluidos

  2. Energia Cinética

  3. Energia Potencial

  4. Energia de Pressão

  5. Equação de Bernoulli

  6. Tubo de Pitot

  7. Energia de Impacto

  8. Raio Hidráulico

  9. Diâmetro Hidráulico

10. Número de Reynolds

11. Escoamento Laminar

12. Escoamento Turbulento

13. Escoamento Crítico

14. Distribuição de Velocidade do Fluido em Tubos

15. Linha de Energia

16. Energia Específica

17. Materiais e Dimensões de Condutos

18. Padrões de Condutos Fabricados

19. Conduto de Metal Corrugado

20. Tintas, Revestimentos e Forros

21. Tipos de Válvulas

Nomenclatura

A área

C fator de correção d profundidade

D diâmetro

E energia específica g aceleração gravitacional gc constante de conversão

gravitacional

G vazão por unidade de área h altura ou carga

L comprimento p pressão r raio

Fluidos

30

  Dinâmica dos Fluidos

  1. Hidráulica e Hidrodinâmica

  2. Conservação de Massa

  3. Velocidades Típicas em Condutos

  4. Potencial de Corrente e Função Corrente

  5. Perda de Carga Decorrente do Atrito

  6. Rugosidade Relativa

  7. Fator de Atrito

  8. Perda de Energia Decorrente do Atrito:

Escoamento Laminar

  9. Perda de Energia Decorrente do Atrito:

Escoamento Turbulento

10. Perda por Atrito para Escoamentos de Água em

Condutos de Aço

11. Perda por Atrito em Condutos Não Circulares

12. Perda por Atrito para Vapor e Gases

13. Efeito da Viscosidade na Perda de Carga

14. Perda por Atrito com Lama e Fluidos Não

Newtonianos

15. Perdas Menores

16. Coeficientes de Vazão para Válvulas

17. Tensão de Cisalhamento em Condutos Circulares

18. Introdução a Bombas e Turbinas

19. Equação de Bernoulli Estendida

20. Linhas Piezométrica e de Energia com Atrito

Fluidos

31

  Máquinas Hidráulicas

  1. Máquinas Hidráulicas

  2. Tipos de Bombas

  3. Bombas Alternativas de Deslocamento Positivo

  4. Bombas Rotativas

  5. Bombas de Diafragma

  6. Bombas Centrífugas

  7. Bombas de Esgoto

  8. Bombas de Sedimento e Escoamento

Gravitacional

  9. Terminologia das Máquinas Hidráulicas

10. Potência de Bombeamento

11. Eficiência de Bombeamento

12. Custo de Energia Elétrica

13. Dimensões e Velocidades Padrão de Motores

14. Carga de Mancal da Bomba

15. Velocidade Específica

16. Cavitação

17. Altura Positiva Líquida de Sucção

18. Prevenção da Cavitação

19. Coeficiente de Cavitação

20. Velocidade Específica de Sucção

21. Curvas de Desempenho das Bombas

22. Curvas de Sistema

23. Ponto de Operação

24. Bombas em Paralelo

25. Bombas em Série

26. Leis de Afinidade

Fluidos

32

� scoamento em Canais

E

  Abertos

 1. Introdução

  2. Tipos de Escoamento

  3. Velocidades Mínimas

  4. Distribuição de Velocidade

  5. Parâmetros Utilizados em Escoamentos de

Canal Aberto

  6. Equações de Governo para Escoamento Uniforme

  7. Variações na Constante de Manning

  8. Velocidade de Hazen-Williams

  9. Profundidade Normal

10. Relações de Energia e Atrito

11. Dimensionamento de Canais Trapezoidais e

Retangulares

12. Seção Transversal Mais Eficiente

13. Análise de Cursos d’Água Naturais

14. Medição de Vazão com Vertedores

15. Vertedores Triangulares

16. Vertedores Trapezoidais

17. Vertedouros de Soleira Espessa e Vertedouros de Represa

18. Vertedores Proporcionais

19. Medição de Vazões com Canal de Parshall

20. Escoamentos Permanentes Uniformes e

Não Uniformes

21. Energia Específica

33

  1. Fases de uma Substância Pura

  2. Determinando a Fase

  3. Propriedades de uma Substância

 4. Massa: m

 5. Temperatura: T

 6. Pressão: p

 7. Pressão: r

  8. Volume Específico: v e V

  9. Energia Interna: u e U

10. Entalpia: h e H

11. Entropia: s e S

12. Calor Específico: c e C

13. Razão entre Calores Específicos: k

14. Propriedades do Ponto Triplo

15. Propriedades Críticas

16. Calores Latentes

17. Título: x

18. Função de Gibbs: g e G

19. Função de Helmholtz: a e A

20. Energia Livre

21. Fugacidade e Atividade: f

22. Compressibilidade: b, k, e a

23. Usando o Diagrama de Mollier

24. Usando Tabelas de Saturação

25. Usando Tabelas Superaquecidas

26. Usando Tabelas de Líquido Comprimido

27. Usando Tabelas de Gás

28. Usando Diagramas Pressão-Entalpia

29. Propriedades de Sólidos

30. Propriedades de Líquidos Sub-Resfriados

34

Alterações nas

Propriedades

 �

Termodinâmicas

Termodinâmica

 1. Sistemas

  2. Tipos de Processos

  3. Processos Politrópicos

  4. Processos de Estrangulamento

  5. Processos Reversíveis

  6. Determinando Trabalho e Calor Graficamente

  7. Convenção de Sinais

  8. Primeira Lei da Termodinâmica para Sistemas

Fechados

  9. Equilíbrio Térmico

10. Primeira Lei da Termodinâmica para Sistemas

Abertos

11. Relações Termodinâmicas Básicas

12. Relações de Maxwell

13. Variações de Propriedade em um Gás Ideal

14. Variações de Propriedades em Fluidos

Incompressíveis e Sólidos

15. Reservatórios Térmicos

16. Ciclos

17. Eficiência Térmica

18. Segunda Lei da Termodinâmica

19. Dispossibilidade

Nomenclatura c calor específico

C calor específico molar

E energia g aceleração da gravidade gc constante gravitacional h entalpia

35

 Psicrometria

Termodinâmica

  1. Introdução à Psicrometria

  2. Propriedades do Ar Atmosférico

  3. Pressão de Vapor

  4. Conteúdo de Energia do Ar

  5. A Carta Psicrométrica

  6. Correções de Entalpia

  7. Base das Propriedades

  8. Regra da Alavanca

  9. Mistura Adiabática de Duas Correntes de Ar

10. Processos de Condicionamento de Ar

11. Razão de Calor Sensível

12. Umidificação Direta

13. Fator de Desvio e Eficiência da Serpentina

14. Resfriamento e Aquecimento Sensíveis

15. Resfriamento com Desumidificação na Serpentina

16. Processos de Saturação Adiabática

17. Lavadores de Ar

18. Resfriamento com Umidificação

19. Resfriamento com Desumidificação por Borrifo

20. Aquecimento com Umidificação

21. Aquecimento e Desumidificação

22. Torres de Resfriamento Úmidas

23. Drenagem de Torre de Resfriamento

24. Torres de Resfriamento Secas

36

 1. Introdução

  2. Equação da Energia em Regime Permanente

  3. Escoamento Isentrópico

  4. Fatores de Escoamento Isentrópico

  5. Razão entre Calores Específicos

  6. Constantes Críticas

  7. Escoamento com Choque

  8. Variando a Área do Duto

  9. Bocais Convergentes-Divergentes

10. Projeto de Bocais Supersônicos

11. Características de Desempenho de Bocais

12. Ondas de Choque

13. Ondas de Choque Oblíquas

14. Razão de Contrapressão Crítica

15. Escoamento Compressível através de Orifícios

16. Escoamento Adiabático com Atrito em Dutos de

Área Constante

17. Escoamento Isotérmico com Atrito

18. Escoamento sem Atrito com Aquecimento ou

Resfriamento

19. Escoamento de Vapor através de Bocais

20. Tubos de Pitot

Nomenclatura a velocidade do som

A área c calor específico

C coeficiente

D diâmetro f fator de atrito de Fanning

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�Equipamentos de

  Potência a Vapor

Termodinâmica

  1. Integração Típica de Sistemas

 2. Fornalhas

  3. Geradores de Vapor

 4. Purga

 5. Bombas

  6. Eficiência da Bomba

  7. Aumento de Temperatura em Líquidos

Pressurizados

 8. Turbinas

  9. Trabalho, Potência e Eficiência da Turbina

10. Expansão em Dois Estágios

11. Trocadores de Calor

12. Condensadores

13. Incrustação do Condensador

14. Bocais, Orifícios e Válvulas

15. Superaquecedores

16. Reaquecedores

17. Dessuperaquecedores

18. Aquecedores de Água de Alimentação

19. Evaporadores

20. Desaeradores

21. Economizadores

22. Aquecedores de Ar

23. Geradores Elétricos

24. Carga e Capacidade

25. Controle e Regulagem de Turbinas

Nomenclatura cp calor específico

Btu/lbm-°R kJ/kg⋅K

C concentração ppm ppm gc constante gravitacional ft-lbm/lbf-°R n.d.

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  Ciclos de Potência a Vapor

Termodinâmica

  1. Ciclos Gerais de Potência a Vapor

  2. Convenção de Sinais

  3. Eficiências Térmicas

  4. Denominações dos Ciclos

  5. Ciclo de Carnot

  6. Ciclo de Rankine Básico

  7. Ciclo de Rankine com Superaquecimento

  8. Ciclo de Rankine com Superaquecimento e Reaquecimento

  9. Ciclo de Rankine com Regeneração

(Ciclo Regenerativo)

10. Ciclos Supercrítico e Ultrassupercrítico

11. Ciclo Binário

Figura 38.1  Um Ciclo de Potência a Vapor Simplificado

Nomenclatura h entalpia

HR taxa de calor p pressão

Q calor

Q calor por unidade de massa

RF fator de reaquecimento s entropia

T temperatura

W trabalho

W trabalho por unidade de

massa x título y fração de extração

Símbolos h eficiência u volume específico

Btu/lbm kJ/kg

Btu/kW-h

MJ/kW⋅h lbf/ft2 Pa

Btu kJ

Btu/lbm kJ/kg

39

  1. Introdução aos Ciclos-Padrão a Ar

  2. Terminologia de Motores

  3. Motores de Quatro e de Dois Tempos

  4. Carburação e Injeção de Combustível

  5. Características Operacionais de Motores a

Combustão

  6. Propriedade de Freio e Indicadas

  7. Potência e Torque do Motor

  8. Ciclo de Carnot Padrão a Ar

  9. Ciclo Otto Padrão a Ar

10. Fórmula PLAN

11. Introdução aos Motores Diesel

12. Motores Diesel Estacionários e Marítimos

13. Ciclo Diesel Padrão a Ar

14. Ciclo Dual Padrão a Ar

15. Motores Stirling

16. Ciclo Stirling

17. Ciclo Ericsson

18. Efeito da Altitude na Saída de Potência

19. Turbinas a Gás

20. Injeção de Vapor

21. Combustíveis de Turbinas

22. Turbinas a Carvão de Queima Indireta

23. Ciclo Brayton de Turbina a Gás

24. Ciclo Brayton Padrão a Ar com Regeneração

25. Ciclo Brayton com Regeneração, Resfriamento

40

� iclos de Potência

C

  Nucleares

Termodinâmica

 1. Introdução

  2. Tipos de Reatores

  3. Reatores de Água em Ebulição

  4. Reatores de Água Pressurizada

  5. Reatores Padronizados

  6. Corrosão e Fragilização

 7. Externalidades

1. introdução

Um ciclo de potência nuclear é um ciclo de potência a vapor de Rankine no qual um núcleo de reator nuclear substitui a caldeira tradicional. Como não há combustão, plantas nucleares não emitem dióxido de carbono, dióxido de enxofre, ou óxidos de nitrogênio. Entretanto, elas continuam a ser atormentadas por problemas técnicos, baixa economia, dificuldades de licenciamento e pouca aceitação pública.

Nos Estados Unidos, aproximadamente 19% de toda a eletricidade é gerada por plantas nucleares.1 Reatores nucleares comerciais produzem 600 MW a 1500 MW de potência, embora a maioria opere na faixa de 800 MW a 1000 MW. Limitações associadas ao método de extração de calor têm mantido pressões e temperaturas abaixo daquelas que são alcançáveis em ciclos de Rankine simples. Isso limita a eficiência térmica máxima alcançável a (aproximadamente) 30%.

41

 1. Introdução

  2. Energia Solar Térmica

  3. Ciclos de Potência Solares

  4. Conversão de Energia Fotovoltaica

  5. Energia Eólica

  6. Conversão da Energia Térmica do Oceano

  7. Usinas das Ondas e das Marés

  8. Energia Geotérmica

  9. Células a Combustível

10. Magneto-Hidrodinâmica

11. Geradores Termoelétricos e Termoiônicos

12. Métodos de Armazenagem de Energia

13. Baterias

Nomenclatura a fator de interferência

A área

B densidade de fluxo magnético cp calor específico

Cp fator de potência

E campo elétrico

FL fator de perda

FR fator de remoção

Fs fator de sombreamento g aceleração da gravidade

I energia incidente k razão entre calores específicos k condutividade térmica

K fator de carga

KE energia cinética m

˙ vazão mássica p pressão

P potência q taxa de transferência de calor

˙

Q vazão volumétrica r raio

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�Processos de

  Compressão de Gás

Termodinâmica

  1. Tipos de Compressores

  2. Pressurizadores, Intensificadores e Amplificadores

  3. Controle de Compressores

  4. Tanques de Armazenagem

  5. Capacidade do Compressor

  6. Processos de Compressão

  7. Espaço Morto e Volume do espaço Morto

  8. Compressão Alternativa em Estágio Único

  9. Trabalho Líquido e Altura Manométrica Politrópica

10. Eficiência Politrópica

11. Resfriamento e Resfriamento Intermediário

12. Compressão em Múltiplos Estágios

13. Compressores Dinâmicos

14. Curvas Características do Compressor

15. Operação em Condições de Entrada Alteradas

Nomenclatura c espaço morto calor específico a pressão cp constante h entalpia

H altura manométrica k razão entre calores

específicos m massa m

˙ vazão mássica

MW peso molecular n expoente politrópico p pressão

P potência r razão