APS 6° Semestre (DP OK)

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UNIVERSIDADE PAULISTA
MINI CALDEIRA TERMOELÉTRICA
APS
MINI CALDEIRA TERMOELÉTRICA
APS
Trabalho de atividade pratica supervisionada de fundamentos de circuitos elétricos e termodinâmica aplicada da área de Engenharia e ciências exatas e suas tecnologias da Universidade Paulista.
Orientador: Prof. Dr. Audie
SOROCABA
2020
RESUMO
No clima empresarial de hoje, as empresas que operam os sistemas de processamento térmico na área de reciclagem devem se concentrar no aumento da produtividade, no aumento da qualidade do produto e na redução do impacto ambiental (Revista IH).
O propósito deste trabalho é reunir todos os dados e procedimentos referentes ao desenvolvimento, montagem e execução do trabalho prático supervisionado vinculado às disciplinas de fundamentos de circuitos elétricos e termodinâmica aplicada, com tema de Mini usina termo elétrica. Assim desenvolvendo uma forma limpa e regenerativa de energia em que já esta sendo usada. A pesquisa realizada teve caráter qualitativo. E conseguimos a partir dela descobrir métodos e desenvolver esse projeto com segurança e êxito.
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1 - Desenho esquemático de funcionamento de uma termoelétrica..............................8
Figura 2 - Exemplo de campo magnético gerador de energia..................................................9
Figura 3 – Placa de madeira....................................................................................................10
Figura 4 – Suporte de madeira................................................................................................10
Figura 5 – Cilindro de aço inox..............................................................................................11
Figura 6 – Recipiente para combustível..................................................................................11
Figura 7 – Cooler fan..............................................................................................................12
Figura 8 – Tubo de Ferro (pórtico de saída)...........................................................................12
Figura 9 – Manômetro.............................................................................................................13
Figura 10 – Válvula de segurança...........................................................................................13
Figura 11 – Registro tipo esfera..............................................................................................14
Figura 12 – Mini Caldeira Termoelétrica................................................................................14
Figura 13 – Pressão máxima de trabalho sugerida.................................................................18
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Listagem de possíveis problemas e soluções p/ experimento..............................15
Tabela 2 - São apresentados os gastos com o experimento..................................................16
	
Sumário
1.	INTRODUÇÃO	7
2.	RESUMO DA LITERATURA	7
3.	DESENVOLVIMENTO	8
4.	OBJETIVO	8
5.	METODOLOGIA	9
6.	CONSTRUÇÃO DO PROJETO	10
7.	PROCEDIMENTOS DE OPERAÇÃO	15
8.	TROUBLESHOOTING	15
9.	CUSTOS	16
10.	ESTUDO AMBIENTAL	16
11.	SEGURANÇA	17
12.	IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO NA INDÚSTRIA OU SOCIEDADE	18
13.	CONCLUSÃO	19
14.	AGRADECIMENTOS	19
15.	BIBLIOGRAFIA	20
1. INTRODUÇÃO
A mini caldeira termoelétrica foi um experimento no qual encontramos as três disciplinas vinculadas, pois nosso projeto constitui se de um reservatório fechado de metal com agua armazenada dentro, e após aquecer esse reservatório, como consequência temos um agitamento das moléculas da agua fazendo com que se gere vapor, assim comprimindo esse vapor de maneira segura e visualizando o mesmo com um termômetro controlamos a saída do mesmo por um registro, e então esse registro é ligado por uma tubulação de metal até um dínamo (cooler), assim com a pressão em que o vapor sai da tubulação força as hélices do dínamo a girarem resultando em energia elétrica.
2. RESUMO DA LITERATURA
Termoelétrica é uma instalação destinada a converter a energia de um combustível em energia elétrica. O combustível armazenado em tanques (gás natural, carvão óleo, etc) é enviado para a usina, para ser queimado na caldeira, que gera vapor a partir da água que circula por tubos em suas paredes (Fig.1). O vapor é que movimenta as pás de uma turbina, ligada diretamente a um gerador de energia elétrica. Essa energia é transportada por linhas de alta tensão aos centros de consumo. O vapor é resfriado em um condensador, a partir de um circuito de água de refrigeração. Essa água pode provir de um rio, lago ou mar, dependendo da localização da usina, e não entra em contato direto com o vapor que será convertido outra vez em água, que volta aos tubos da caldeira, dando início a um novo ciclo.
A queima de gás natural lança na atmosfera grandes quantidades de poluentes, além de ser um combustível fóssil que não se recupera. O Brasil lança por ano 4,5 milhões de toneladas de carbono na atmosfera, com as usinas termelétricas esse indicador chegará a 16 milhões. As termoelétricas tem a vantagem de podem ser instaladas mais próximas dos centros consumidores, diminuindo assim a extensão das linhas de transmissão, minimizando consequentemente as perdas ao longo dessas linhas, que poderiam chegar até a 16%.
Figura 1 – Desenho esquemático de funcionamento de uma termoelétrica.
Fonte: Educar USP, 2016
3. DESENVOLVIMENTO
A mini caldeira é do tipo Aquatubular, que também é conhecida como caldeira de parede de água, ou de tubos de água. O próprio reservatório de água é aquecido, até chegar a temperatura necessária para que a água vire vapor, e tenhamos a pressão ideal. Esse reservatório é completamente fechado após ser abastecido, para assim, garantir que não tenha percas de pressão, ou de água. 
Sendo aquecido, as partículas de água se agitam, gerando pressão, e ao atingir 5 bares de pressão, o vapor pode ser liberado. Então a pressão é liberada por um pórtico de saída, que direciona o vapor pressurizado para hélices de uma turbina, que irá através da indução eletromagnética gerar energia elétrica.
4. OBJETIVO
A proposta do projeto consiste em criar uma mini termoelétrica, para fazer analises no gerador de vapor, medições de pressão, temperatura e vazão; Analisar a unidade conversora de vapor, realizando medições de corrente e voltagem elétrica gerada, dentre outras medições. De posse desses dados, o operador será capaz de calcular o rendimento da conversão de energia térmica em elétrica.
5. METODOLOGIA
Foi utilizado para gerar vapor, um reservatório de aço, sendo adaptadas suas válvulas de escape e de segurança para instalação de manômetro de pressão (faixa de medição de1kgf/cm² - 10kgf/cm²) e de uma válvula de regulagem de fluxo, com o intuito de promover o aumento de pressão interna do mesmo, até que seja atingida a pressão de trabalho (1kgf/cm²). O vapor saturado gerado no cilindro impulsiona as hélices da turbina, para assim gerar energia elétrica.
A energia na turbina é gerada a partir do conceito de eletromagnetismo. A indução eletromagnética é o fenômeno que origina a produção de uma força eletromotriz (f.e.m. ou voltagem) num meio ou corpo exposto a um campo magnético variável, ou bem num meio móvel exposto a um campo magnético estático. É assim que, quando o dito corpo é um condutor, produz-se uma corrente induzida. Este fenómeno foi descoberto por Michael Faraday que o expressou indicando que a magnitude da voltagem induzida é proporcional à variação do fluxo magnético Lei de Faraday (Fox R.W).
Nosso caso foi um meio móvel exposto a um campo magnético (gerado pela bobina da turbina).Segue um exemplo na figura 2.
Figura 2 – Exemplo de campo magnético gerador de energia.
Fonte – livro CEGEL, 2016
Quando a espira é girada constantemente pela ação de uma força mecânica externa, temos uma F.E.M. induzida no circuito da lâmpada por exemplo. Este é o princípio de funcionamento dos geradores mecânicos de energia elétrica.No caso dos geradores, em vez de uma espira condutora temos um elemento denominado rotor, que é um conjunto de espiras enroladas convenientemente na forma de uma bobina.
6. CONSTRUÇÃO DO PROJETO
Adquirimos uma placa de madeira (MDF), para usarmos de base para o nosso projeto, então cortamos na medida calculada como base de 500x500 cm. Conforme na figura 3
Figura 3 - Placas de madeira
Fonte – Elaboração própria, 2016.
Com outro pedaço de madeira (MDF) cortamos dois retângulos menores de 100x60 cm, logo após foi feito um cemi circulo na extremidade do mesmo para servir de apoio para a nossa ‘’caldeira’’. Conforme na figura 4.
	Figura 4 - Suporte de madeira	
Fonte – Elaboração própria, 2016.
Assim compramos um tubo de aço inox de x polegadas, também compramos uma chapa reta com formato retangular do mesmo material no qual cortamos duas bolachas circulares, e soldamos nas duas extremidades do tubo fechando o mesmo como um cilindro. Conforme na figura 5.
Figura 5 - Cilindro de aço inox
Fonte – Elaboração própria, 2016.
Usamos um botijão de gás caseiro como combustível para manter a chama acessa, ligando o mesmo através de um sistema de mangueiras e tubos de cobre. Conforme na figura 6.
Figura 6 - Recipiente pra combustível
Fonte – Elaboração própria, 2016
O cooler, obrigatoriamente teve que ser o fan, utilizado em fontes de energia de micro computadores, pelo fato do mesmo quando recebe movimento nas suas pás gera energia em volts(v) assim funcionando como um dínamo. Conforme na figura 7.
Figura 7 - Cooler Fan 120x120
Fonte – Informática Mundo, 2016
Tubulações obviamente de ferro e cobre, pois a agua vaporizada passa pelo mesmo em alta temperatura fazendo com que o mesmo trabalhe em condições de temperaturas elevadas. Conforme na figura 8.
Figura 8 - Tubo de ferro (pórtico de saída)
Fonte – Elaboração própria, 2016
Implantamos um manômetro na parte superior do cilindro, no qual foi feito um furo, e soldado uma pequena luva de ¾ no qual foi rosqueado o manômetro. Conforme na figura 9.
Figura 9 - Manômetro
Fonte – Elaboração própria, 2016
Válvula de segurança obteve a fixação partir de um furo feito no cilindro, logo após foi soldado uma luva de ¾ e rosqueado a válvula. Conforme na figura 10.
Figura 10 - Válvula de segurança
Fonte – Elaboração própria, 2016
Registro tipo esfera colocamos para controlar tanto a entrada como saída de agua ou gás do sistema, foi feito um furo em uma das extremidade do cilindro na parte plana, e soldado uma luva de ¾, no qual foi rosqueado com fita teflon para vedação do mesmo. Conforme na figura 11.
Figura 11 - Registro tipo esfera
Fonte – Elaboração própria, 2016
Figura 12 – Mini Caldeira Termoelétrica
Fonte : Elaboração Própria (Pátio da Unip), 2016
7. PROCEDIMENTOS DE OPERAÇÃO
Para o fornecimento de calor na unidade geradora de vapor, utiliza-se um fogão elétrico de 1000W. Primeiramente é inserido 500ml de água comum (fornecida pela distribuidora de água local) e com um tempo médio de 6 a 7 minutos de fervura, o vapor já começa a ser produzido. Neste ponto é necessário que a válvula reguladora de fluxo esteja totalmente fechada, a fim de que se aumente a pressão interna e auxilie no processo de geração de vapor de forma mais rápida. ATENÇÃO: É necessário que uma pessoa fique responsável por monitorar a pressão constantemente, para impedir que a pressão não ultrapasse 1kgf/cm² e para evitar o rompimento prematuro da válvula de segurança.
Quando for atingida a pressão de trabalho, liberar imediatamente a válvula de regulagem de fluxo, dando início ao funcionamento da turbina. Foram realizados testes em que 500mL de água foram suficientes para funcionamento contínuo numa duração de 40 minutos. Durante seu funcionamento, os alunos serão capazes de realizar todas as medições necessárias tranquilamente.
8. TROUBLESHOOTING
Tabela 1 – Listagem de possíveis problemas e soluções na operação do experimento.
	Problema
	Solução
	Panela não ganha pressão
	Verificar vazamentos na tampa; apertar a tampa manualmente por 10 segundos para auxiliar na vedação durante o processo de aumento de pressão
	Turbina não gira
	Ao liberar o vapor, fornecer um torque inicial na ponta do eixo da turbina, servindo como um motor de partida, vencendo a inércia do sistema; Provável mal posicionamento do tubo de distribuição de vapor, posicionar perpendicularmente e simetricamente nas palhetas da turbina.
	Água não aquece
	Verificar funcionamento do fogão elétrico e se sua resistência não está rompida, se sim, trocar a resistência.
9. CUSTOS
Tabela 2 : São apresentados os gastos com o experimento.
	
	
	DESCRIÇÃO
	PREÇO
	
	
	Manômetro
	 R$ 20,00 
	
	
	Conectores de latão
	 R$ 26,00 
	
	
	Tubos de cobre
	 R$ 21,00 
	
	
	Válvula de latão
	 R$ 22,00 
	
	
	Cooler Fan
	 R$ 8,00 
	
	
	Rolamentos
	 R$ 10,00 
	
	
	Chapa de inox
	 R$ 20,00 
	
	
	Bojão
	 R$ 19,00 
	
	
	Cilindro de Inox
	 R$ 40,00 
	
	
	Madeira
	 R$ 30,00 
	
	
	Tampão
	 R$ 7,00
Tabela – Gastos com o experimento.
10. ESTUDO AMBIENTAL
Os maiores problemas ambientais ocasionados por este processo em grandes escalas gira em torno do combustível utilizado e de como é tratado o vapor e calor dissipado.
A escolha do combustível para aquecer a caldeira é de longe o fator mais importante no aspecto ambiental, pois combustíveis com alto poder calorifico podem ser muito poluentes para o meio ambiente.
Carvão tem alto rendimento e poder calorifico porem sua interferência no meio ambiente é grave, com sua queima libera partículas poluentes na atmosfera. Gás natural é uma ótima alternativa para diminuição da poluição, porem seu poder calorifico e dificuldade de manutenção pode dificultar a implantação.
No projeto escolhemos os biocombustíveis para ser utilizado, pois conseguem perfeitamente suprir a demanda de calor, poluem em uma taxa grande, mas podem ser feito métodos para diminuição disso como filtros. Também pelo aspecto econômico e de fácil aquisição, pois Brasil tem a cultura de se utilizar e produzir os biocombustíveis.
11. SEGURANÇA
No centro do reservatório há um manômetro no qual podemos observar a sua pressão interna, também há um registro para que possamos controlar a saída do gas que esta por sua vez com temperatura elevada, que é mantida fechada por um pino relativamente pesado, mas que pode movimentar-se para cima, permitindo a abertura da válvula; há também uma válvula de segurança, que só abre em situações extremas, quando a válvula central estiver entupida e houver perigo de explosão.
Foi necessária a realização de um furo na parte superior para receber uma válvula de segurança, para manter os padrões seguidos por norma. Nota-se que em todo reservatório, há marcado no fundo a pressão máxima de trabalho recomendada (neste caso, 0.6 Mpa ou 90 Psi). A pressão de trabalho adotada de 0,6 Mpa corresponde à apenas 25% (1/4) de excesso de pressão, onde está dentro do limite do fator de segurança que geralmente é 5 vezes (500%) a pressão mínima. Dessa forma, se fosse utilizada a pressão máxima de trabalho, ignorando o fator de segurança estimado de 5, a pressão utilizada seria na ordem de 2,4 Mpa, porém, POR MEDIDAS DE SEGURANÇA, adota-se para este trabalho, a pressão máxima de 90 Psi. (Conforme figura 12).
Figura 13 – Pressão máxima de trabalho sugerida ( 0,6 Mpa )
Fonte : Elaboração própria, 2016
12. IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO NA INDÚSTRIA OU SOCIEDADE
Não poderíamos deixar de lado a questão da implementação nas empresas modernas de hoje em dia, e foi pensando exatamente nisto que escolhemos esse projeto.
O projeto visa principalmente empresas como anualmente uma fortuna com energia seja ela elétrica (Resistência) ou a gás (GNV) ou fogo no caso de caldeiras e fornos.
Se implementarmos um sistema com agua próximo ou em algum local apropriado internamente nesses fornos e caldeiras, poderemos ter de uma certa forma ‘’Aproveitamento’’ dessa energia que supostamente já estaria sendo toda perdida, e com o sistema de vapor gerando energia conseguiríamos reaproveitar novamente e diminuir uma despesa mensal ouanual voltado a energia elétrica. Reduzindo um custo da sua folha de pagamento, e para uma empresa, redução de custo significa lucro.
Metalúrgicas e do segmento de fundição, pois são elas que necessitam de uma quantidade alta de energia para queimar ou derreter suas matérias primas, para modificar o formato do mesmo. Com isso gastam 
13. CONCLUSÃO
Este trabalho foi de fundamental importância para o crescimento acadêmico dos envolvidos, mostrando a importância do trabalho em equipe, respeito e cumprimento de prazos estabelecidos, valorizando a intercomunicação pessoal e organização, atributos muito valorizados no mercado de trabalho.
O tema abordado mini caldeira a vapor, nos proporcionou uma experiência em termodinâmica por envolver a mudança de temperatura do fluido e suas propriedades. A transferência de calor também pode ser observada em escala real, e com tudo isso sendo transformada em movimento ou energia cinética e por fim em eletricidade. “Quando uma quantidade de energia de qualquer natureza desaparece numa transformação, então se produz uma quantidade igual em grandeza de uma energia de outra natureza" Julius Robert Mayer (1814-1878).
Sendo assim a caldeira tem o objetivo de retirar energia térmica do vapor da água em aquecimento e transforma-la em energia mecânica que por sua vez gera energia elétrica.
14. AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao Professor Coordenador Luis Gustavo, pela oportunidade de poder usar o fogo como combustível do experimento e por nos orientar quanto a parte teórica do projeto e ao Prof Audie a nos orientar e presenciar na realidade, a teoria vista em sala de aula.
15. BIBLIOGRAFIA 
I. Çengel Y.A, Boles M.A., Termodinâmica. 5ª ed. São Paulo. McGraw-Hill, 2006, 848 p.
II. Fox R.W, MacDonald A.T., Introdução a Mecânica dos Fluidos. Ed. LTC, 6º Ed., 2006.
III. Ribeiro,Augusto. Caldeiras Termoeletricas,2016. Disponivel em:<http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/EngMec_NOTURNO/TM364/Material%20de%20Aula/Aula%20de%20caldeiras.pdf>. Acesso em :10 de Fev. 2017.
IV. Portugal, Paulo. Energia em Massa,2016. Disponivel em:<http://profs.ccems.pt/PauloPortugal/CFQ/Massa_Energia/Massa_Energia.html>.Acessado em : 10 de Fev. 2017.
V. Frank, Professor Luis. Caldeiras a vapor,2016.Disponivel em:<http://portal.mte.gov.br/data/files/FF8080812BE914E6012BEF2695817E43/nr_13.pdf>.Acessado em : 20 de Mar. 2017.
VI. Teixeira, Dorival Rodrigues. Energia elétrica,2016. Disponivel em:<http://www.if.usp.br/gref/eletro/eletro4.pdf>. Acessado em : 20 de Mar.2017.
VII. Martins, João . Como construir uma termoelétrica,2016. Disponivel em:<http://pt.shvoong.com/exact-sciences/physics/1770945-que-uma-termoeletrica/>. Acessado em : 20 de Mar.2017.
VIII. Menezes, Luis Carlos. Eficiencia Térmica na fusão do alumínio sucata,2016. Disponivel em:<http://revistaih.com.br/melhorando-a-eficiencia-termica-na-fusao-de-sucata-de-aluminio/>. Acessado em : 20 de Mar.2017.