carro vapor
DESCRIPTION
APS unipTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE PAULISTA
Turma EA5P44
Edison Jose de Brito – RA B838HD-7
Lucas de Souza Santos - RA: B8378J-3
Nilson Jose de Lira – RA B8798E-7
Wender Heberth de Oliveira - RA: B73185-0
Willian H. M. Omori - RA: T249HG-4
Atividade Prática Supervisionada - APS
JUNDIAÍ
2015
Turma EA5P44
Edison Jose de Brito – RA B838HD-7
Lucas de Souza Santos - RA: B8378J-3
Nilson Jose de Lira – RA B8798E-7
Wender Heberth de Oliveira - RA: B73185-0
Willian H. M. Omori - RA: T249HG-4
Carro Propulsão a Vapor.
Trabalho de pesquisa, projeto e
construção de um carro
movido a vapor.
Orientador: Prof. Atílio
JUNDIAÍ
2015
SUMÁRIO
1 OBJETIVO DO TRABALHO ................................................................................................ 5
2 INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 5
3 PESQUISA SOBRE PROPULSÃO A VAPOR ..................................................................... 5
3.1 Energia .................................................................................................................................. 5
3.2 Heron (120 a.c) ..................................................................................................................... 5
3.3 Maquinas a Vapor realmente prática .................................................................................... 6
3.4 Deflagrado a Revolução Industrial ....................................................................................... 6
3.5 Segunda Lei da Termodinâmica ........................................................................................... 7
4 DESCRIÇÃO E DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ...................................................... 9
4.1 Caldeira ................................................................................................................................. 9
4.2 Anel de Palhetas ................................................................................................................. 10
4.3 Transmissão ........................................................................................................................ 10
4.4 Eixos e rodas ....................................................................................................................... 10
4.5 Chassi ................................................................................................................................. 10
5 COMENTÁRIOS E PROPOSTAS E MELHORIAS ........................................................... 11
6 CONCLUSÕES ..................................................................................................................... 12
REFERENCIAS ....................................................................................................................... 13
APENDICE – A ....................................................................................................................... 14
Orçamento ................................................................................................................................ 14
APENDICE - B ........................................................................................................................ 15
Desenho .................................................................................................................................... 15
1 - OBJETIVO DO TRABALHO
Projetar e construir um carrinho movido a vapor contido em um recipiente fechado,
que seja capaz de transportar uma massa de 100 gramas por uma pista com dimensões pré-
estabelecidas com cronometragem do tempo.
2 - INTRODUÇÃO
Baseando-se no projeto de carro a vapor de Isaac Newton, iremos projetar o carrinho
na classe de " Sistema impulsionado por turbina e engrenagens" onde o jato de vapor,
expelido pelo vasilhame (caldeira) através de um tubo direcionador, move uma roda de
trabalho (turbina) gerando rotação em um eixo, onde será instalado um sistema de
transmissão, assim gerando torque para rotação das rodas.
3 PESQUISA SOBRE PROPULSÃO A VAPOR
3.1 Energia
Para existir movimento é necessário que exista energia, e seu estudo teve início com
Galileu Galilei no século XVI, a ciência e o estudo da mecânica levaram o homem a o
presente entendimento da energia, somente no século XVII com o conceito de força que surge
através de teorias estudas por Newton, levando alguns a atribuírem a Newton a criação do
primeiro carro movido a vapor, porém sem nenhuma comprovação segura de sua autoria. E
devido à 3º lei de Newton, ação e reação, surgem assim os primeiros experimentos com
veículos com propulsão a vapor.
3.2 - Heron (120 a.c)
Foi Heron, um matemático e físico que viveu na Alexandria, Egito, que descreveu a
primeira máquina à vapor conhecido (120 a.C.). A máquina consistia em uma esfera metálica,
pequena e oca montada sobre um suporte de cano proveniente de uma caldeira de vapor. Dois
canos em forma de L eram fixados na esfera. Quando o vapor escapava por esses canos em
forma de L, a esfera adquiria movimento de rotação. Este motor, entretanto não realizava
nenhum trabalho útil. Centenas de anos depois, no séc. XVII, as primeiras máquinas à vapor
de sucesso foram desenvolvidas.
3.3 - Maquinas a Vapor realmente prática
Thomas Savery (1650 - 1715), engenheiro militar, mecânico, inventor e industrial
inglês nascido em Shilstone, Devonshire, próxima a Plymouth, considerado o pai da máquina
a vapor, pois inventou e patenteou (1698) uma máquina à vapor realmente prática, para
esvaziamento da água de infiltração das minas de carvão, a Mine's Friend Machine,
substituída pelo pistão de Newcomen, com motor inventado (1705) por seu sócio Thomas
Newcomen, o pistão de Newcomen, patenteado sete anos depois. Recebeu educação esmerada
e tornou-se engenheiro militar, com notáveis conhecimentos mecânicos e matemáticos e em
filosofia natural. Ele descobriu uma maneira de se arranjar tanques e operações manuais para
se utilizar vapor e sua energia para bombear água de um poço. Ele usou os trabalhos de Denis
Papin, as observações de Torricelli sobre o vácuo e as de Della Porta sobre a capacidade de
elevação da sucção, além da técnica de condensação proposta por Thornton. Sua pioneira
máquina a vapor realmente prática possuía válvulas operadas manualmente, abertas para
permitir a entrada do vapor em um recipiente fechado. Despejava-se água fria no recipiente
para resfria-lo e condensar o vapor. Uma vez condensado o vapor, abria-se uma válvula de
modo que o vácuo no recipiente aspirasse a água através de um cano. O inventor do motor a
vapor foi apresentado na Real Sociedade de Londres (1699) e morreu em Londres, 16 anos
depois. A invenção do motor a vapor, no séc. XVIII, deu início à Revolução Industrial,
facilitando a produção em massa nas fábricas e os transportes.
3.4 - Deflagrado a Revolução Industrial
James Watt, engenheiro, mecânico e inventor escocês nascido em Greenock, inventor
da moderna máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial. Aos 19 anos foi para
Londres aprendizado de mecânico especializado na construção de instrumentos. Por
problemas de saúde teve que voltar para Glasgow (1756) sem conseguir o certificado do
curso. Porém conseguiu ser escolhido e foi contratado como aprendiz de mecânico para o
serviço de manutenção de instrumentos científicos da Universidade de Glasgow (1757), onde
conheceu Joseph Black. Ao receber para conserto (1763) uma máquina a vapor do tipo
Newcomen, a mais avançada de então, observou que a perda de grandes quantidades de calor
era o defeito mais grave da máquina, e, a partir dos estudos teóricos sobre calor, de Black,
idealizou então o condensador, seu primeiro grande invento (1764), dispositivo que seria
mantido separado do cilindro mas conectado a ele. No condensador a temperatura do vapor
seria mantida baixa (cerca de 37o C), enquanto que no cilindro permaneceria elevada.
Procurou, assim, alcançar o máximo de vácuo no condensador. Fechou o cilindro, que antes
permanecia aberto, eliminou totalmente o ar e assim criou uma verdadeira máquina a vapor.
Obteve a primeira patente do invento e de vários aperfeiçoamentos por ele próprio
concebidos (1769). Endividado, associou-se a John Roebuck, que o ajudou financeiramente.
Aperfeiçoou, então, a máquina a vapor construída por Newcomen, introduzindo o
condensador separado para motores a vapor (1775), revolucionando este tipo de máquina,
tornando-a economicamente viável e deflagrando a revolução industrial. Após inventar o
motor rotativo de ação dupla, o industrial Matthew Boulton, dono de uma firma de
engenharia, comprou a parte de Roebuck e começou a construir as máquinas a vapor
projetadas por ele (1785), e que se tornaram universalmente empregadas, a partir de então.
Também criou diversos dispositivos tais como o regulador de força centrífuga e o mecanismo
de comando da gaveta de distribuição de vapor, o volante e o indicador de Watt. Com grande
fortuna acumulada, resolveu aposentar-se e voltar para Birmingham (1790) e morreu em
Heathfield Hall, perto de Birmingham, Inglaterra. Watt, no Sistema Internacional, é a unidade
de medida de potência igual à potência duma fonte capaz de fornecer, contínua e
uniformemente, um joule por segundo.
3.5 Segunda Lei da Termodinâmica
Uma máquina motora a vapor tem como objetivo transformar a energia, contida no
fluxo contínuo de vapor que receber, em trabalho mecânico. Sabe-se, da 2ª Lei da
Termodinâmica, que somente parte da energia contida no vapor que chega à máquina poderá
ser convertida em trabalho (a chamada exergia). A parte restante da energia, que não pode ser
transformada em trabalho (a anergia), permanece no vapor descarregado pela máquina.
O trabalho mecânico realizado pela máquina pode ser o acionamento de um
equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador elétrico, um compressor, uma
bomba.A anergia, que permanece no vapor descarregado pela máquina, é, em muitos casos,
simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador.
Em outras situações, entretanto, é possível aproveitar o vapor descarregado pela
máquina para fins de aquecimento, por exemplo. Aproveita-se assim sua energia residual,
melhorando, em consequência, de forma significativa o rendimento global do ciclo.
Admitindo uma máquina a vapor que trabalhe em regime permanente, seja adiabática,
receba vapor em um estado termodinâmico (1) e descarregue este mesmo vapor em um estado
(2), têm-se:
a) a energia contida no vapor admitido:
ℎ� + ���
2 + ��
b) a energia contida no vapor descarregado:
ℎ� + ���
2 + ��
c) o trabalho realizado:
� = ℎ� − ℎ�� + �������
� � + �� − ���
Onde:
h ≡ entalpia
��
� ≡ energia cinética
z ≡ energia potencial
As variações de energia cinética e energia potencial são normalmente desprezadas, a
não ser em pontos onde a velocidade do vapor assume valores muito altos, como na saída dos
expansores. Assim, é prática corrente desprezar nas expressões anteriores, a não ser quando
aplicadas a expansores, tanto a energia cinética como a energia potencial, trabalhando apenas
com os valores da entalpia.
Em uma máquina alternativa a vapor, a energia do vapor é convertida diretamente em
trabalho mecânico à medida que o vapor se expande no interior do cilindro, deslocando o
êmbolo, que, por sua vez, aciona o sistema biela - manivela produzindo trabalho no eixo. Em
uma turbina a vapor a transformação de energia do vapor em trabalho é feita em duas etapas.
Inicialmente, a energia do vapor é transformada em energia cinética.
Para isso o vapor é obrigado a escoar através de pequenos orifícios, de formato
especial, denominados expansores, onde, devido à pequena área de passagem, adquire alta
velocidade, aumentando sua energia cinética, mas diminuindo, em consequência, sua entalpia.
Em um expansor, além do aumento de velocidade e da diminuição da entalpia, ocorrem
também queda na pressão, queda na temperatura e aumento no volume específico do vapor.
Na Segunda etapa da transformação, a energia cinética obtida no expansor é
transformada em trabalho mecânico. Esta transformação de energia pode ser obtida de duas
maneiras diferentes: Segundo o princípio da Ação ou segundo o princípio da Reação.
Turbina a Vapor é a Máquina Térmica que utiliza a energia do vapor sob forma de
energia cinética. Deve transformar em energia mecânica a energia contida no vapor vivo sob
a forma de energia térmica e de pressão.
A turbina é um motor rotativo que converte em energia mecânica a energia de uma
corrente de água, vapor d'água ou gás. O elemento básico da turbina é a roda ou rotor, que
conta com paletas, hélices, lâminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, de
forma que o fluido em movimento produza uma força tangencial que impulsiona a roda,
fazendo-a girar. Essa energia mecânica é transferida através de um eixo para movimentar uma
máquina, um compressor, um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas se classificam como
hidráulicas ou de água, a vapor ou de combustão.
A turbina a vapor é atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores
primários existentes. Uma série de favorável de características concorreu para que a turbina a
vapor se destacasse na competição com outros acionadores primários, como a turbina
hidráulica, o motor de combustão interna, a turbina a gás.
Embora a história registre a construção de dispositivos rudimentares, que se baseavam
nos mesmos princípios, de ação ou de reação, das turbinas atuais em épocas bastante remotas,
o desenvolvimento da turbina a vapor, como um tipo realmente útil de acionador primário até
a sua forma atual, ocorreu somente nos últimos setenta anos.
Atualmente, a maior parte da energia elétrica mundial é produzida com o uso de
geradores movidos por turbinas.
4 DESCRIÇÃO E DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
4.1 Caldeira
Para obter um jato de vapor d’agua a uma pressão de 1,5 ata (pressão absoluta),
construiremos um vasilhame lacrado. Neste vasilhame será instalada uma válvula de
segurança, que caso a pressão dentro do vasilhame ultrapasse a estabelecida irá expelir parte
do vapor pressurizado, mantendo a pressão desejada, que será monitorada por um manômetro
acoplado na caldeira, também será instalado um tubo que servira como saída do jato de vapor
direcionado para a turbina. Neste tubo será instalado uma válvula reguladora de pressão para
controlarmos a pressão interna. Para mensurar a pressão no tanque será instalado um
manômetro no corpo do vasilhame. Com isso concluímos a descrição estrutural do vasilhame
(mini caldeira) conforme desenhos APS-M-001, APS-M-002 e APS-M-012 no apêndice B.
4.2 Anel de Palhetas
O vapor d’agua produzido na caldeira e expelido a pressão de 1,5 ata, através do tubo
direcionador será aproveitado para gerar trabalho pelo anel de palhetas (turbina) vide desenho
APS-M-003.
4.3 Transmissão
Para movimentar o veículo estando inicialmente com velocidade zero de forma a
ganhar velocidade gradativamente e compensar a redução de pressão progressiva, já que
estamos utilizando o vapor preso em um sistema fechado, necessitamos de um sistema de
transmissão de força que absorva com eficiência o jato de vapor.
Baseando-se no sistema de transmissão de uma bicicleta, quanto maior a engrenagem
de trabalho (engrenagem da manivela-pedal) maior a velocidade, porém, necessita de um
torque maior e quanto menor a engrenagem de movimento, menor o torque necessário,
todavia, perdemos em velocidade. Por isso precisamos realizar um balanceamento correto
entre engrenagens de trabalho e movimento, para termos um melhor aproveitamento da
energia fornecida pela turbina, onde tenhamos torque o suficiente para movimentar o carro, e
velocidade necessária para mantê-lo em movimento pela distancia desejada. Vide desenho
APS-M-004 e APS-M005.
4.4 Eixos e rodas
Os eixos serão constituídos de alumínio por ser leve e resistente,
não vão serem instalados diretamente no chassi, pois assim
existira muito atrito, com isso gerando perda de rendimento, por
esta razão utilizaremos rolamentos, que facilitaram a rotação do
eixo. As rodas serão de plástico e borracha, porque estes
materiais são leves e atenderam nossas necessidades, pois o
plástico contido na mesma, forma a estrutura rígida, e a borracha
a envolve e será ela que terá o contato com o solo, sendo ideal
para esta função, pois manterá atrito necessário para que as
rodas não patinem quando forem se locomover.
4.5 Chassi
A ideia é construir uma estrutura leve e resistente, por este motivo optamos por utilizar
como material para construção o alumínio.
Por ser leve, resistente e de baixo custo o chassi será construído com perfis de
alumínio, vide desenho APS-M-006 no apêndice B.
Segue abaixo lista mecânica com as peças que irão compor nosso carro a vapor.
Detalhamento mecânico
Nº Codigo Descrição da peça Qtd.
1 APS-M-001 Vasilhame de pressão (L x A x C) 1
2 APS-M-002 Tubo direcionador c/ válvula 1
3 APS-M-003 Roda de trabalho (Anel de palhetas) 1
4 APS-M-004 Polia de conversor de torque (menor) 1
5 APS-M-005 Polia de conversor de torque (maior) 1
6 APS-M-006 Perfil de alumínio em "L" para estrutura 4
7 APS-M-007 Eixo para as rodas 2
8 APS-M-008 Eixo para Roda de trabalho 1
9 APS-M-009 Rolamento para roda de trabalho 1
10 APS-M-010 Rodas 4
11 APS-M-011 Chapa de alumínio para estrutura estética 1
12 APS-M-012 Manômetro 1
5 COMENTÁRIOS E PROPOSTAS E MELHORIAS
Este projeto nos exigiu uma serie de pesquisa, para podermos elabora-lo conforme as
normas estabelecidas, alguns aspectos devido a sua complexidade tiveram que ser estudados mais profundamente, como a caldeira, que é o fator primordial para o carro a vapor, é nela que será produzido toda energia necessária para a realização do trabalho do próprio, caso necessite gerar mais energia poderíamos incluir um buffer, que nada mais é que um reservatório adicional, onde o vapor de água seria enviado e mantido sobre pressão, tendo assim uma maior quantidade do mesmo para a movimentação da turbina.
6 CONCLUSÕES
Com a finalização das pesquisas e demais atividades, podemos concluir
que o trabalho APS/2015 é de grande importância para o nosso aprendizado, visto
que junto com as aulas em sala, nos agregam o conhecimento e a vontade de
superar os desafios de nossa vida acadêmica e do futuro no mercado de trabalho.
Com os desafios do APS, conhecemos a importância dos primeiros
experimentos para o desenvolvimento dos motores atuais, e como os conceitos
termodinâmicos atuam e são importantes em nosso dia a dia.
Os conceitos aprendidos nos tornam capazes de desenvolver e produzir um
carro a vapor, e com isso podemos observar na prática a aplicação de nosso
aprendizado
REFERENCIAS
-Moran, Michel; Shapiro, Howard N; Princípios de Termodinâmica para
Engenharia. Sexta Edição. Rio de Janeiro. LTC, 2009
-BRUNETTI, Franco. Mecânica dos Fluidos. São Paulo: Pearson Education - BR.
- Biografia James Watt; Autor desconhecido.
http://search.freefind.com/find.html?id=1109175&pid=r&mode=ALL&query=pro
puls%E3o+a+Vapor
- Turbinas a Vapor. Autor desconhecido;
https://fabioferrazdr.files.wordpress.com/2008/08/turbinas-a-vapor.pdf
-FLÔRES, L. F. Valadão; Sistemas Térmicos I – Apostila EFEI, Itajubá, MG.
-NOGUEIRA, L. A. H.; Turbinas a Vapor – Conceito, Operação e Manutenção –
Apostila FUPAI, Itajubá, MG
-GEC ALSTHOM – ENGETURB; Turbinas Múltiplos Estágios – Instruções para
Instalação, Operação e Manutenção.
-DUBBEL; Manual da Construção de Máquinas (Engº Mecânico) – Tomo II, pp.
375 – 395
APENDICE – A
Orçamento
Detalhamento mecânico
Nº Código Descrição da peça Qtd Preço
por peça
1 APS-M-001 Vasilhame de pressão (L x A x C) 1 R$ 0,00
2 APS-M-002 Tubo direcionador c/ válvula 1 R$ 0,00
3 APS-M-003 Roda de trabalho (Receptor) 1 R$ 0,00
4 APS-M-004 Polia de conversor de torque (menor) 1 R$ 0,00
5 APS-M-005 Polia de conversor de torque (maior) 1 R$ 0,00
6 APS-M-006 Perfil de alumínio em "L" para estrutura 4 R$ 0,00
7 APS-M-007 Eixo para as rodas 2 R$ 0,00
8 APS-M-008 Eixo para Roda de trabalho 1 R$ 0,00
9 APS-M-009 Rolamento para roda de trabalho 1 R$ 0,00
10 APS-M-010 Rodas 4 R$ 0,00
11 APS-M-011 Chapa de alumínio para estrutura estética 1 R$ 0,00
12 APS-M-012 Manometro R$ 0,00
APENDICE - B
Desenho
