O principal objetivo do uso de um bocal é acelerar a velocidade de um fluido que flui usando pressão. Neste artigo vamos discutir sobre a eficiência isentrópica do bocal.
A eficiência isentrópica do bocal é a razão entre a energia cinética real na saída do bocal e a energia cinética isentrópica na saída do bocal para as mesmas pressões de entrada e saída.
Um fluido acelera em um bocal enquanto se move de alta pressão para baixa pressão com um aumento na energia cinética. As perdas por atrito dentro do bocal diminuem a KE do fluido e aumentam a temperatura do fluido, aumentando sua entropia.
Os bicos são operados em condições adiabáticas, mas o processo ideal para um bico é o processo isentrópico. Para ter uma comparação entre o trabalho real realizado e o trabalho sob condições isentrópicas de um dispositivo, é usado um parâmetro chamado Eficiência Isentrópica.
O que é eficiência isentrópica do bocal?
O processo isentrópico não envolve irreversibilidades e serve como o processo ideal para dispositivos adiabáticos.
Turbinas, compressores e bicos funcionam em condições adiabáticas. Como não são verdadeiramente isentrópicos, são considerados isentrópicos do ponto de vista do cálculo. A eficiência isentrópica é o parâmetro para um bocal, turbina ou compressor que define a eficiência com que esses dispositivos se aproximam de um dispositivo isentrópico correspondente.
Mais próximo de um processo isentrópico idealizado, melhor será o desempenho do bico.
IsentropicEfficiency do bocal é geralmente superior a 95%. Assim, as perdas por irreversibilidades são muito pequenas no caso de um bico bem projetado.
O que é um Bocal?
Os bicos são dispositivos de fluxo constante mais amplamente utilizados em turbinas a vapor, turbinas a gás e foguetes.
O bocal é um dispositivo geralmente um tubo ou tubo de área de seção transversal variável usado para controlar a direção do fluxo, bem como a velocidade de saída, massa, forma e pressão do fluxo. Dentro de um bocal a energia de pressão é convertida em energia cinética ou podemos dizer que a velocidade do fluido aumenta com o gasto de energia de pressão.
Dependendo da velocidade necessária e do número de mach do fluido, os bicos podem ser categorizados como tipo convergente, tipo divergente e tipo convergente-divergente. O bocal pode ser usado para fluxos subsônicos e supersônicos.
Na figura acima, um bocal de Laval, mostrando a velocidade aproximada do fluxo aumentando de verde para vermelho na direção do fluxo
Eficiência Isentrópica da Fórmula do Bocal
Eficiência Isentrópica representa o índice de desempenho de um bocal. Uma comparação do desempenho do bocal em relação a um processo isentrópico.
A eficiência isentrópica do bocal pode ser definida como a razão entre a queda de entalpia real e a queda de entalpia isentrópica entre as mesmas pressões.
Eficiência isentrópica do bocal = queda de entalpia real/queda de entalpia isentrópica
A fórmula da eficiência isentrópica é a medida do desvio dos processos reais dos correspondentes idealizados. A razão entre o trabalho real realizado por um bocal e o trabalho realizado pelo bocal sob condição isentrópica é chamada de Eficiência Isentrópica do Bocal.
Eficiência isentrópica de um bocal ηN= Energia Cinética Real na Saída do Bocal/Energia Cinética Isentrópica na Saída do Bocal.
Teoricamente o processo dentro do bocal é considerado isentrópico, mas devido às perdas por atrito o processo é irreversível.
Processo 1-2: Processo isentrópico
Processo1- 2{}': Processo Real
Eficiência do bocal,
Para o Processo 1-2, aplicando SFEE,
Ou,
Para o Processo 1-2', aplicando SFEE,
Ou,
Agora da Eq(1) substituindo os valores de h1 – h2 e h1 – h2`, obtemos
As equações (1) e (4) são as fórmulas para calcular a eficiência isentrópica de Bocal.
Como encontrar a eficiência isentrópica do bocal?
Um bocal reduz a pressão do fluxo e, ao mesmo tempo, acelera o fluxo para criar um impulso.
Alguma quantidade de perda de calor ocorre a partir do vapor devido ao atrito com a superfície do bocal. O efeito de fricção também aumenta a fração de secura do vapor, porque a energia perdida no atrito é transferida para o calor que tende a secar ou superaquecer o vapor.
No caso da dinâmica dos fluidos, o ponto de estagnação denota um ponto onde a velocidade local de um fluido permanece zero e o estado de estagnação isentrópico representa um estado quando um fluxo de fluido passa por desaceleração adiabática reversível até a velocidade zero.
Ambos os estados reais e isentrópicos são usados para gases.
O estado de estagnação real é obtido para a desaceleração real até a velocidade zero, a irreversibilidade também pode estar associada. Por esta razão, a propriedade de estagnação às vezes é revertida para propriedades de estado real, e o termo propriedade total é aplicado para estados de estagnação isentrópicos.
Ambos os estados de estagnação isentrópico e real têm a mesma entalpia, mesma temperatura (para gás ideal), mas pode ser que a pressão seja maior no caso de estado de estagnação isentrópico em comparação com o estado de estagnação real.
No caso de um bocal, a velocidade de entrada é insignificante em comparação com a velocidade de saída de um fluxo.
A partir do balanço energético,
Eficiência isentrópica do bocal = queda de entalpia real/queda de entalpia isentrópica
Onde h1 =entalpia específica do gás na entrada
h2a = entalpia específica do gás na saída para o processo real
h2s = entalpia específica do gás na saída do processo isentrópico
Exemplo de Bocal de Eficiência Isentrópica
Exemplo: O vapor entra em um bico a 1.4 MPa 2500 C e velocidade insignificante e se expande para 115 KPa e uma qualidade de 97% seca. Determine a velocidade de saída do vapor.
Solução: Dados dados , Pressão Inicial, P1= 1.4MPa
=14 barras
Temperatura inicial, T1= 2500 C
Pressão Final, P2=115 KPa= 1.15 x 105 Pa = 1.15 bar
Qualidade do vapor na saída, x2= 0.97
Velocidade de saída, V2=?
Desprezando a velocidade inicial, a velocidade de saída,
Considerando a velocidade inicial,
h1=Entalpia na condição inicial, ou seja, em 1.14 MPa, ou seja, em 14 bar 2500C, das mesas de vapor,
h1=2927.6 KJ/Kg
h2=Entalpia na condição de saída, ou seja, a 115 KPa, ou seja, a 1.15 bar x2=0.97, de tabelas de vapor
hf2=434.2 KJ/kg
hfg2=2247.4 KJ/kg
Daí a velocidade de saída do vapor,
Eu sou Sangeeta Das. Concluí meu mestrado em Engenharia Mecânica com especialização em Motores IC e Automóveis. Tenho cerca de dez anos de experiência abrangendo indústria e academia. Minha área de interesse inclui Motores IC, Aerodinâmica e Mecânica dos Fluidos. Você pode me encontrar em
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