Este trabalho apresenta o estudo multidisciplinar de uma micromáquina a vapor concebida para a utilização em sistemas de geração distribuída. O foco da pesquisa é o desenvolvimento do modelo matemático da micromáquina, que requereu conhecimentos da termodinâmica e suas leis, e a aplicação de conceitos de dinâmica, vibrações e controle, entre outros. Para a validação experimental do modelo foi reconstruída uma micromáquina já existente; também foi realizado o projeto da bancada, a seleção da instrumentação e a sua calibração. O estudo apresenta ainda a comparação entre os resultados teóricos e experimentais, bem como a sua análise e interpretação. / A multidisciplinary study of a micro steam engine conceived for distributed generation systems is presented. The research focuses on the development of the mathematical model of the micro engine, which required the knowledge of Thermodynamics and its laws, and concepts of dynamics, vibration and control, among others. In order to experimentally validate the model, a previous micro engine was redesigned and rebuilt; likewise, a new bench was designed, together with the selection and calibration of the measurement systems. The study also presents the comparison between experimental and theoretical results, as well as their analysis and discussion.

Este trabalho apresenta o estudo multidisciplinar de uma micromáquina a vapor concebida para a utilização em sistemas de geração distribuída. O foco da pesquisa é o desenvolvimento do modelo matemático da micromáquina, que requereu conhecimentos da termodinâmica e suas leis, e a aplicação de conceitos de dinâmica, vibrações e controle, entre outros. Para a validação experimental do modelo foi reconstruída uma micromáquina já existente; também foi realizado o projeto da bancada, a seleção da instrumentação e a sua calibração. O estudo apresenta ainda a comparação entre os resultados teóricos e experimentais, bem como a sua análise e interpretação. / A multidisciplinary study of a micro steam engine conceived for distributed generation systems is presented. The research focuses on the development of the mathematical model of the micro engine, which required the knowledge of Thermodynamics and its laws, and concepts of dynamics, vibration and control, among others. In order to experimentally validate the model, a previous micro engine was redesigned and rebuilt; likewise, a new bench was designed, together with the selection and calibration of the measurement systems. The study also presents the comparison between experimental and theoretical results, as well as their analysis and discussion.

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. / 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.

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. / 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.