atividade 4 MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Prévia do material em texto

Usuário
	VANESSA CRISTINA DOS SANTOS APOLINARIO
	Curso
	GRA0832 MÁQUINAS HIDRÁULICAS GR2203-212-9 - 202120.ead-17627.01
	Teste
	ATIVIDADE 4 (A4)
	Iniciado
	05/12/21 16:20
	Enviado
	05/12/21 16:43
	Status
	Completada
	Resultado da tentativa
	10 em 10 pontos  
	Tempo decorrido
	22 minutos
	Resultados exibidos
	Respostas enviadas, Respostas corretas, Comentários
· Pergunta 1
1 em 1 pontos
	
	
	
	As turbinas hidráulicas são dispositivos que consistem em uma carcaça, um rotor, um distribuidor e um tubo. Esses equipamentos convertem a energia hidráulica do fluido em energia mecânica para que o gerador acoplado a transforme em energia elétrica. A voluta (ou carcaça) é o elemento que abriga os componentes da turbina, o rotor é o componente responsável pelas transformações de energia, e o distribuidor ajuda a direcionar o fluxo, contribuindo com os processos de transformação de energia. As turbinas hidráulicas podem ser classificadas como de deslocamento positivo ou turbinas dinâmicas.
 
A respeito das turbinas hidráulicas e suas classificações, analise as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso:
 
I. (  ) As turbinas de deslocamento positivo, geralmente, são utilizadas para medir vazão ou volume de fluido.
II. (  ) As turbinas dinâmicas podem ser utilizadas tanto para medir vazão quanto em processos de geração de energia, sendo classificadas em dois subtipos: turbinas de ação (impulso) ou de reação.
III. (  ) Nas turbinas de ação, a pressão estática aumentará dentro do rotor. Alguns exemplos são: turbinas Kaplan, turbinas Francis e turbinas Hélice.
IV. (  ) Nas turbinas de reação, verifica-se uma redução na pressão estática do fluido ao passar pelo rotor. Três bons exemplos são: turbinas Kaplan, turbinas Francis e turbinas Hélice.
 
Agora, marque a alternativa que apresenta a sequência correta:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
V, V, F, V.
	Resposta Correta:
	 
V, V, F, V.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A sequência está correta, pois as turbinas de deslocamento positivo, de fato, podem ser utilizadas para medir vazão ou volume de um fluido. Já as turbinas dinâmicas, além dessa função, podem operar em processos de geração de energia, sendo classificadas como de ação (impulso) ou de reação. Também é correto afirmar que, nas turbinas de reação, haverá uma redução na pressão estática do fluido ao passar pelo rotor, sendo três bons exemplos, realmente, as turbinas Kaplan, as turbinas Francis e as turbinas Hélice.
	
	
	
· Pergunta 2
1 em 1 pontos
	
	
	
	As turbinas de reação apresentam subclassificações com base no ângulo pelo qual o fluido entra em direção ao rotor. Na turbina Francis radial, o fluido entra no rotor radialmente. Quando o fluido escoa em direção ao rotor com um ângulo entre o radial e o axial, a turbina Francis é classificada como de escoamento misto, sendo o modelo mais utilizado. Caso o rotor não tenha cobertura e seja, ao mesmo tempo, de fluxo misto, a denominação recebida será turbina de propulsor misto. Por último, caso o fluido entre no rotor de maneira axial, o nome recebido será turbina de propulsor axial. Todos os tipos apresentados estão ilustrados a seguir:
Figura -(a) escoamento em turbina Francis radial; (b) escoamento em turbina Francis mista; (c) escoamento em turbina de propulsor misto; e (d) escoamento em turbina de propulsor axial.
Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 692).
#PraCegoVer : a figura apresenta, esquematicamente, as seguintes imagens: (a) escoamento em turbina Francis radial; (b) escoamento em turbina Francis mista; (c) escoamento em turbina de propulsor misto; e (d) escoamento em turbina de propulsor axial. Na região superior esquerda (a), são identificados os seguintes elementos: coroa, aleta ajustável, aleta fixa e cobertura. Na região superior direita (b), são mostradas a coroa e a cobertura. Na região inferior esquerda (c), tem-se o desenho de outro rotor, com o nome “cubo” indicado. Por fim, na região inferior direita, encontra-se uma turbina de propulsor axial, com o nome “coroa” escrito. As regiões estão coloridas de cinza, com setas em vermelho encontrando-se pelas laterais e saída na região inferior, com objetivo de identificar o sentido do fluxo do fluido dentro do rotor.
Com base nas informações apresentadas, assinale a alternativa correta:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
A imagem (a) mostra que, na turbina Francis radial, o fluido entra no rotor radialmente, percorre o interior e sai paralelamente em relação ao eixo.
	Resposta Correta:
	 
A imagem (a) mostra que, na turbina Francis radial, o fluido entra no rotor radialmente, percorre o interior e sai paralelamente em relação ao eixo.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A alternativa está correta, pois a imagem (a) mostra que, na turbina Francis radial, de fato, o fluido entra no rotor radialmente. Além disso, pode-se observar que este mesmo fluido saí do rotor na direção axial, ou seja, na mesma direção do eixo.
Como as subclassificações para as turbinas de reação têm como base o ângulo pelo qual o fluido entra em direção ao rotor, então, o subtipo de turbina Francis que possuir este rotor será classificado como turbina Francis radial.
	
	
	
· Pergunta 3
1 em 1 pontos
	
	
	
	A velocidade específica é definida como a relação entre o coeficiente de potência e o coeficiente de carga, como mostra a seguinte equação:
                                            
A figura a seguir mostra a eficiência máxima como função da velocidade específica para os três tipos principais de turbina:
  
Figura – Gráfico de rendimento das principais turbinas hidráulicas versus velocidade específica
Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 704).
#PraCegoVer : a figura apresenta um gráfico que relaciona a eficiência máxima como função da velocidade específica para os três tipos principais de turbina. À esquerda, encontra-se o eixo vertical dos rendimentos, em ordem crescente, de baixo para cima, com os seguintes valores: 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 e 1. Na região inferior, encontra-se o eixo horizontal, com as potências em ordem crescente, da esquerda para a direita, e os seguintes valores: 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5 e 10. Na região central do gráfico, da esquerda para a direita, são expostos os seguintes tipos de turbina: impulso, Francis e Kaplan.
Com base nos seus conhecimentos sobre o assunto, na expressão matemática de velocidade específica e na análise da figura apresentada, leia as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e
F para Falso:
 
I. ( ) Duas turbinas hidráulicas mecanicamente semelhantes possuem os mesmos valores de velocidade específica.
II. (  ) As turbinas do tipo Kaplan operam com maiores velocidades específicas, quando comparadas às turbinas Francis e de impulso.
III. ( ) A mudança na massa específica do fluido não alterna o cálculo de velocidade específica da turbina hidráulica.
IV. (  ) As turbinas de impulso operam com menores velocidades específicas, quando comparadas às turbinas Francis e Kaplan.
 
Agora, marque a alternativa que apresenta a sequência correta:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
V, V, F, V.
	Resposta Correta:
	 
V, V, F, V.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A sequência está correta. De fato, quando duas turbinas hidráulicas são mecanicamente semelhantes, elas terão os mesmos valores de velocidade específica. Analisando-se a imagem, é possível notar que a turbina do tipo Kaplan se encontra localizada na região com maiores valores de velocidade específica. Já a turbina de impulso está localizada na faixa de velocidades específicas menores.
	
	
	
· Pergunta 4
1 em 1 pontos
	
	
	
	Os tipos de turbinas hidráulicas comerciais mais utilizados são: as turbinas Pelton, para altas quedas e baixas vazões; as turbinas Kaplan, para baixas quedas, mas com grandes volumes de água; e as turbinas Francis, para aplicações que conciliam alturas de quedas e vazões médias. A figura a seguir mostra um gráfico que relaciona a altura de queda com a vazão volumétrica de fluido, considerando-seas linhas oblíquas de potência desenvolvidas para cada modelo de turbina hidráulica:
Figura – Gráfico da queda bruta H versus a vazão volumétrica Q de fluido, usado para seleção de turbinas hidráulicas.
Fonte: Henn (2006, p. 32).
#PraCegoVer : a figura apresenta um gráfico que relaciona a altura de queda com a vazão volumétrica de fluido, levando-se em consideração as linhas oblíquas de potência desenvolvidas para cada modelo de turbina hidráulica. O eixo vertical mostra várias alturas em metros e apresenta, em ordem crescente, de baixo para cima, os seguintes valores: 1, 3, 10, 60, 200, 700 e 1.800. O eixo horizontal representa a vazão em metros cúbicos por segundo, com os seguintes valores, em ordem crescente, da esquerda para a direita: 0,01, 0,1, 1, 10, 100 e 1.000. Há, também, seis retas pontilhadas, com inclinação negativa, indicando a potência. Da esquerda para a direita, em ordem crescente, os valores indicados em cada uma dessas retas são os seguintes: 10 kW, 100 kW, 1.000 kW, 10.000 kW, 100.000 kW e 1.000.000 kW. Por último, foram delimitadas áreas de operação para cada turbina. Na região superior da figura, em amarelo, estão as turbinas Pelton e, mais abaixo, levemente à direita, estão as turbinas Francis, na área colorida com verde-claro. Embaixo, na região colorida com verde-escuro, encontram-se as turbinas Dériaz e, imediatamente abaixo destas e levemente à esquerda, atravessando as regiões alaranjadas e rosas, estão as turbinas Michell-Banki. Um pouco abaixo e à direita, na região colorida com azul-claro, estão as turbinas Hélice ou Kaplan.
 
Tendo em vista as principais turbinas hidráulicas, e por meio da análise do gráfico anterior, assinale a alternativa correta:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
Para uma altura de queda-d’água de 700 m e vazão volumétrica de 1 m³/s, a turbina hidráulica mais indicada é a Pelton.
	Resposta Correta:
	 
Para uma altura de queda-d’água de 700 m e vazão volumétrica de 1 m³/s, a turbina hidráulica mais indicada é a Pelton.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A alternativa está correta, pois, com base no gráfico mostrado, é possível observar que, para uma altura de queda-d’água de 700 m e vazão volumétrica de 1 m³/s, a turbina hidráulica mais indicada é, de fato, a Pelton (região em amarelo).
	
	
	
· Pergunta 5
1 em 1 pontos
	
	
	
	As turbinas Francis são as mais adequadas para cargas hidráulicas intermediárias. Em geral, uma Francis de grande porte apresenta, no mínimo, 16 pás de rotor, alcançando eficiência na faixa de 90-95%. A figura a seguir apresenta um rotor de uma turbina Francis com escoamento radial na hidrelétrica de Round Butte, em Madras, Oregon, EUA. O rotor possui 17 pás e diâmetro externo de 11,8 pés (3,6 m). A turbina gira a 180 rpm (18,84 rad/s) e produz 119 MW de potência a uma vazão de 127 m³/s e uma carga líquida de 105 m.
Figura - Fotografia em preto e branco de uma turbina Francis de escoamento radial
Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 693).
#PraCegoVer : a figura apresenta uma fotografia em preto e branco de uma turbina Francis com escoamento radial na hidrelétrica de Round Butte, em Madras, Oregon, EUA. O rotor possui 17 pás e diâmetro externo de 11,8 pés (3,6 m). Na parte superior da turbina, há dois homens trabalhando.
 
Sobre a turbina Francis descrita no enunciado, assinale a alternativa correta:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Francis terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 1,09.
	Resposta Correta:
	 
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Francis terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 1,09.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A alternativa está correta. De fato, ao substituir os dados fornecidos pelo enunciado da questão na equação de velocidade específica, , temos que:
 
=  . Assim, a velocidade específica para a turbina protótipo será de .
	
	
	
· Pergunta 6
1 em 1 pontos
	
	
	
	Grande parte das curvas características de uma turbina hidráulica são geradas experimentalmente. A figura a seguir mostra o traçado de um gráfico diagrama que relaciona a potência de uma turbina Pelton com a sua rotação, evidenciando as linhas de isoeficiência. As curvas ilustradas foram obtidas mantendo-se constante a altura de queda líquida e variando a vazão:
Figura - Traçado da curva característica que relaciona a potência de uma turbina Pelton com a sua rotação.
Fonte: Elaborada pelo autor.
#PraCegoVer : a figura apresenta um diagrama esquemático de potência em função da rotação das turbinas Pelton. O eixo vertical representa potência, e o horizontal, rotação. O gráfico ilustra quatro parábolas, com início na origem dos eixos. Iniciando de baixo para cima, a parábola menor intercepta o eixo horizontal na letra alfa 1. Um pouco acima, a segunda parábola intercepta o eixo das rotações em alfa 2. Mais acima, a terceira parábola intercepta o eixo horizontal em alfa 3, e a quarta parábola intercepta o eixo horizontal na sigla alfa 4. São traçadas, também, quatro curvas de isorrendimento ou isoeficiência n1, n2, n3 e n4. Na região central da figura, encontra-se a primeira curva de isoeficiência, em formato oval, chamada n4. A curva oval n4 está dentro da curva de isorrendimento n3. A curva de isorrendimento n2 é maior e engloba as duas curvas anteriores. Por último, observa-se, na região esquerda e inferior da figura, uma pequena parte da curva n1.
Com base nas informações apresentadas, analise as asserções a seguir e a relação proposta entre elas:
I. Todos os pontos de operação situados sobre uma mesma linha de isoeficiência apresentam o mesmo rendimento.
POIS
II. Qualquer ponto sobre uma linha de isoeficiência ou isorrendimento apresenta a mesma potência.
Agora, assinale a alternativa correta:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a asserção II é uma proposição falsa.
	Resposta Correta:
	 
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a asserção II é uma proposição falsa.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A alternativa está correta, pois a asserção I, de fato, é verdadeira. Todos os pontos de operação situados sobre uma mesma linha de isoeficiência terão o mesmo rendimento ou eficiência. Por sua vez, a asserção II é falsa, já que, com base na análise do gráfico, é possível notar que pontos diferentes sobre uma mesma linha de isoeficiência poderão apresentar valores diferentes de potência.
	
	
	
· Pergunta 7
1 em 1 pontos
	
	
	
	A análise dimensional, juntamente com as relações de semelhança, pode ser utilizada para escalar duas turbinas geometricamente semelhantes e, também, para antever o desempenho de determinada turbina operando em condições de carga manométrica, vazões e velocidades diferentes.
 
A respeito da análise dimensional e da semelhança mecânica aplicada às turbinas hidráulicas, analise as afirmativas a seguir e assinale V para Verdadeiro e F para Falso:
 
I. (  ) O parâmetro adimensional coeficiente de carga é dado por  .
II. (  ) O parâmetro adimensional coeficiente de capacidade é dado por  .
 
II. (  ) A expressão utilizada para fazer correção do rendimento entre protótipo e modelo é    
 
IV. (  ) O parâmetro adimensional coeficiente de potência é dado por  .
 
Agora, marque a alternativa que apresenta a sequência correta:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
V, V, F, V.
	Resposta Correta:
	 
V, V, F, V.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A sequência está correta, pois o parâmetro adimensional coeficiente de carga é, de fato, dado por  e representa a relação entre carga líquida e rotação de uma turbina. Já o coeficiente de capacidade de carga e o coeficiente de potência, são, respectivamente,  e . Esses parâmetros adimensionais dão origem a importantes relações matemáticas de semelhança mecânica, além de permitirem, até mesmo, a dedução da expressão de velocidade específica de uma turbina.
	
	
	
· Pergunta 8
1 em 1 pontos
	
	
	
	Ao utilizar
os parâmetros vazão, quedaútil e rotação, é possível ter uma boa orientação quanto à seleção de uma turbina hidráulica. Entretanto, para compreender de forma mais ampla a faixa de operação de uma turbina, é importante ter em vista as suas curvas características, que são obtidas experimentalmente. A figura a seguir mostra o traçado de três curvas características típicas de uma turbina Pelton: (a) potência x rotação; (b) rendimento x rotação; e (c) vazão x rotação.
 
Figura – Traçado das principais curvas características de uma turbina Pelton.
Fonte: Elaborada pelo autor.
#PraCegoVer : a figura mostra o traçado de três curvas características típicas de uma turbina Pelton. A primeira, mais à esquerda (a), relaciona a potência da turbina, em seu eixo vertical, com a rotação, em seu eixo horizontal. O gráfico é, aproximadamente, parabólico, com concavidade voltada para baixo, partindo da origem dos eixos, alcançando um máximo e decaindo até interceptar o eixo das rotações. A segunda curva, localizada na região central, mais à direita (b), relaciona o rendimento da turbina, em seu eixo vertical, com a rotação, em seu eixo horizontal. O gráfico é, aproximadamente, parabólico, com concavidade voltada para baixo, partindo da origem dos eixos, alcançando um máximo e decaindo até interceptar o eixo das rotações. Por fim, a terceira curva, mais à direita (c), mostra a vazão no eixo vertical e a rotação no eixo horizontal. O gráfico é uma reta horizontal que corta o eixo das vazões em um ponto central.
Com relação às curvas características mais comuns das turbinas hidráulicas, analise as afirmativas a seguir e assinale V
para Verdadeiro e F para Falso:
 
I. (  ) É comum que as curvas características de uma turbina hidráulica sejam geradas experimentalmente, por meio de modelos de menor porte.
II. (  ) A curva (a) da figura indica que existe uma faixa de rotação que fornecerá valores ótimos de potência, na região próxima ao vértice da parábola.
III. (  ) A curva (c) da figura mostra que a vazão volumétrica de fluido aumenta conforme cresce a rotação da turbina.
IV. ( ) A curva (b) da figura indica que existe uma faixa de rotação que fornecerá valores ótimos de rendimento, na região próxima ao vértice da parábola.
 
Agora, marque a alternativa que apresenta a sequência correta:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
V, V, F, V.
	Resposta Correta:
	 
V, V, F, V.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A sequência está correta, pois, usualmente, as curvas características de uma turbina hidráulica são geradas experimentalmente, por meio de modelos de menor porte, tendo em vista a dificuldade em realizar simulações com protótipos de tamanho real. As curvas (a) e (b) indicam que existe uma faixa de rotação, em que é possível observar potências e rendimentos máximos, na região próxima ao vértice de cada parábola.
	
	
	
· Pergunta 9
1 em 1 pontos
	
	
	
	Em uma represa hidrelétrica que faz uso de uma turbina de reação Francis para produção de energia elétrica, a carga bruta H bruta é de 200 m, e a vazão volumétrica de água na turbina é de 100 m³/s. Considere, ainda, a massa específica da água sendo igual a 1.050 kg/m³ e g = 9.8 m/s².
Agora, assinale a alternativa correta sobre a potência ideal gerada no eixo na saída da turbina:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
205,8 MW.
	Resposta Correta:
	 
205,8 MW.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A alternativa está correta, pois a expressão matemática para calcular a potência ideal gerada pela turbina é a seguinte:                                
Onde:
W = potência de eixo na saída da turbina em (w).
= massa específica do fluido em (kg/m³).
= vazão em (m³/s).
 = altura ou carga bruta total em (m).
Substituindo os dados fornecidos pelo enunciado da questão na equação, temos:
W = 1.050 x 9,8 x 100 x 200 = 205,8 MW
	
	
	
· Pergunta 10
1 em 1 pontos
	
	
	
	O projeto mais eficiente de uma turbina de impulso foi desenvolvido pelo engenheiro Pelton, em 1878, e, de maneira geral, consistiu em um bocal que convergia fluido em alta velocidade, ou seja, alta energia cinética sobre as pás que estavam acopladas a uma roda. A figura a seguir mostra que as pás foram projetadas para dividir o fluxo em duas metades, de modo que a máxima quantidade de movimento pudesse ser transferida:
 
 
Figura – Vista lateral da turbina hidráulica de Pelton (a) e vista lateral da Pá sendo atingida por um jato de fluido.
Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 689).
#PraCegoVer : na parte inferior da figura, observa-se a vista lateral de um bocal, com um jato de fluido horizontal saindo da esquerda para a direita e colidindo contra uma pá. No centro da pá, há um divisor de fluxo. Na parte superior da figura, observa-se a vista lateral de outro bocal, com um jato de fluido horizontal saindo da esquerda para a direita e colidindo contra uma pá, a qual está acoplada a uma roda chamada “roda de Pelton”. No centro da roda, há um círculo que representa o eixo de rotação da roda. Contornando o eixo no sentido anti-horário, há uma seta curva, que mostra o sentido de rotação. A distância entre o centro do eixo e o centro das pás é denominada “raio”.
 
Com base nas informações apresentadas e nos seus conhecimentos sobre o cálculo de potência em uma turbina Pelton, analise as asserções a seguir e a relação proposta entre elas:
 
I. Ao derivar a equação   em relação à velocidade linear da pá, ou seja,  , temos que a potência máxima será atingida quando a velocidade linear da pá for igual à metade da velocidade do jato. Essa potência é chamada de potência teórica máxima.
POIS
II. A equação   não inclui perdas devido ao atrito, à falta de alinhamento entre as pás e ao fluxo de fluido, dentre outros fatores que afetam a eficiência de uma turbina real.
Agora, assinale a alternativa correta:
	
	
	
	
		Resposta Selecionada:
	 
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa correta da I.
	Resposta Correta:
	 
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa correta da I.
	Comentário da resposta:
	Resposta correta. A alternativa está correta, pois a asserção I, de fato, é verdadeira. Analisando a equação de potência para a turbina hidráulica e realizando sua derivação em relação à velocidade linear da pá, temos que a potência máxima é atingida para . Além disso, realmente, a asserção II também é verdadeira e justifica corretamente a I, pois a expressão citada não leva em consideração as perdas devido ao atrito, à falta de alinhamento entre as pás e ao fluxo de fluido, dentre outros fatores que afetam a eficiência de uma turbina real.
	
	
	
Domingo, 5 de Dezembro de 2021 16h43min38s BRT