Laboratório - Sistemas Hidroelétricos

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Universidade de Brasília – UnB
Faculdade UnB Gama – FGA
Engenharia de Energia
Curvas de Potência Turbina Indalma
Brasília, DF
2018
Evelyn Thiara Dieter, Gabriela de Oliveira Volpato, Lorenna Karolinny Araujo
Marques, Paulo Henrique Alves dos Reis, Tainara da Silva Costa
Curvas de Potência Turbina Indalma
Universidade de Brasília – UnB
Faculdade UnB Gama – FGA
Orientador: Prof. Danilo Dos Santos Oliveira
Brasília, DF
2018
Autores
Nome Matrícula
Paulo Henrique Alves dos Reis 10/0118640
Lista de ilustrações
Figura 1 – Esquemático da bancada do laboratório de termo fluidos. Fonte:(OLIVEIRA,
2014). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Figura 2 – Instrumentos para medição. Fonte:(TAVARES, 2014). . . . . . . . . . . 8
Figura 3 – Vertedor triangular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Figura 4 – Curvas de potência da turbina Indalma. . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Figura 5 – Curvas de rendimento da turbina Indalma. . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Figura 6 – Curva de valores médios de potência da turbina Indalma. . . . . . . . . 13
Figura 7 – Curva de valores médios de rendimento da turbina Indalma. . . . . . . 14
Lista de tabelas
Tabela 1 – Valores medidos e calculados para o ensaio 1. . . . . . . . . . . . . . . 11
Tabela 2 – Valores medidos e calculados para o ensaio 2. . . . . . . . . . . . . . . 11
Tabela 3 – Valores medidos e calculados para o ensaio 3. . . . . . . . . . . . . . . 12
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Medição de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Medição de Vazão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Medição de Rotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Medição do Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6
1 Introdução
A água é o recurso natural mais abundante na Terra recobrindo a maior parte de
sua superfície, ela é uma fonte de energia renovável que através das centrais hidrelétricas
transformam a energia contida na água em energia elétrica. A energia hidrelétrica é aquela
obtida pelo aproveitamento do fluxo das águas em uma usina hidrelétrica sob a forma de
energia potencial em um reservatório por meio da construção de uma barragem ou desvio
do rio. A água da barragem é conduzida por atrvés de um contudo até a casa de máquinas
o qual aciona um elemento chamado turbina (ANEEL, 2008).
As turbinas são máquinas que extraem energia de uma corrente de fluido denomi-
nado fluido de trabalho. Segundo o fluido de trabalho elas podem ser turbinas hidráulicas
(água), turbinas eólicas (ar) ou turbinas a vapor e a gás. A conversão de energia é feita
por meio de um conjunto de lâminas integradas ao eixo da turbina chamado de roda ou
rotor. São utilizadas para acionar sistemas mecânicos ou para acionar geradores de energia
elétrica que desempenham um papel muito importante na geração de energia em todo o
mundo (ALÉ, 2010).
A capacidade de geração de energia está diretamente ligada ao desenvolvimento
de uma sociedade, quanto maior a capacidade de geração maior o desenvolvimento social,
econômico e tecnológico. No Brasil o acesso a energia elétrica não está presente em todos
os lugares, de acordo com o CENSO 2010, na região Norte 24% das pessoas ainda não pos-
suem acesso à eletricidade (OLIVEIRA, 2014). Nos locais isolados, as longas distâncias,
dificuldades de acesso e a baixa quantidade de consumidores torna difícil o antedimento
de eletricidade por meio das redes de transmissão e distribuição convencionais. Nesse sen-
tido, é imprescindível o desenvolvimento e implementação de pequenos aproveitamentos
hidroenergéticos de baixo custo e manutenção nestes locais.
A turbina utilizada neste trabalho surge como uma opção viável para os problemas
encontrados em lugares isolados, ela é uma turbina de reação de um tipo não convenci-
onal, fabricada pela Indalma, uma empresa situada na região amazônica em Santarém
no Estado do Pará com desenvolvimento empírico a partir de uma turbina Francis. Esta
turbina possui um rotor classificado como centrípeta-axial sendo uma geometria não con-
vencional. A caixa espiral possui secção triangular e desprovida de pás diretrizes e sistema
de regulação, sua fabricação é muito simples e robusta, fabricada quase artesanalmente,
o que faz com que seu preço seja abaixo do mercado se comparado com outras máquinas
equivalentes (OLIVEIRA, 2014; FILHO; LEMOS; NOGUEIRA, 2017).
Capítulo 1. Introdução 7
1.1 Objetivos
Este trabalho tem por objetivo principal a obtenção das curvas de potência da
turbina Indalma presente no laboratório de termo fluidos.
8
2 Materiais e Métodos
Para obtenção dos resultados deste trabalho foi utilizado o laboratório de termo
fluidos da Faculdade do Gama (FGA) que possui um arranjo de simulação de um aprovei-
tamento hidrelétrico. A Figura 1 mostra o desenho esquemático presente no laboratório.
Figura 1 – Esquemático da bancada do laboratório de termo fluidos. Fonte:(OLIVEIRA,
2014).
De acordo com a Figura 1 a numeração correspondente aos equipamentos pode ser
identificada como:
1. Inversor de frequência WEG CFW09;
2. Motor WEG de 60Hz trifásico, 1750rpm e 25 CV;
3. Bomba Hidráulica KSB ETAN100-250;
4. Turbina Indalma com diâmetro de entrada e de saída de 4";
5. Reservatório com capacidade de 1.000 L;
6. Medidores de pressão;
7. Válvulas manuais para regulação auxiliar de pressão;
8. Vertedor triangular;
Capítulo 2. Materiais e Métodos 9
9. Células de carga marca;
10. Freio de Prony;
11. Saída da turbina onde se conecta os difusores.
2.1 Medição de Pressão
As medições de pressão foram realizadas por meio de um manômetro instalado a
montante da turbina e colunas d’água a jusante, dessa forma foi possível determinar os
valores de altura de queda livre. A Figura 2 mostra os instrumentos analógicos de medição
utilizados.
(a) Manômetro. (b) Colunas d’água.
Figura 2 – Instrumentos para medição. Fonte:(TAVARES, 2014).
Para realização deste experimento a rotação da bomba foi configurada de forma
que a pressão observada no manômetro da Figura 2a fosse de 3 mca.
2.2 Medição de Vazão
O vazão volumétrica foi determinada pelo método do vertedor triangular conforme
a norma ABNT NBR 13.403. Segundo a norma este método de medição oferece maior
precisão para vazões menores do que 30 L/s verificadas neste trabalho. A Figura 3 mostra
o desenho esquemático do vertedor triangular.
Capítulo 2. Materiais e Métodos 10
H
h
d
Le
Figura 3 – Vertedor triangular.
Para o vertedor presente no laboratório de termo fluídos procura-se determinar a
distância mínima necessária para que a água chegue no local de medição sem turbulência.
Dessa forma a equação 2.1 relaciona as variáveis do vertedor, sendo 𝐿𝑒 a distância a ser
determinada.
𝐿𝑒
𝑑
= 4, 4𝑅
1
6
𝑒 (2.1)
Considerando a vazão máxima da boma no laboratório, o valor de 𝐻 é calculado
pela equação a seguir:
𝑄 = 1, 4𝐻 52 (2.2)
𝑄𝑚á𝑥 = 184 𝑚3/𝑠 = 51 𝐿
51, 11 · 10−3 𝑚3/𝑠
1, 4 = 𝐻
2,5
𝐻 = 5
√︁
(36, 50 · 10−3)2 = 26, 60 𝑐𝑚
O diâmetro hidráulico (𝐷𝐻) é a equivalência entre os dutos com área de seção
circular e outras formas de áreas de seção. Com isso pode-se calcular o diâmetro hidráulico
do vertedor triangular como:
𝐷𝐻 =
4𝐴
𝑃
(2.3)
𝐷𝐻 =
4(26, 60 + 19) · 65
2(26, 60 + 19 + 65) =
4 · 2964
221, 2 = 53, 6 𝑐𝑚
Capítulo 2. Materiais e Métodos 11
Pela equação da vazão determina-se a velocidade do fluido:
𝑉 = 𝑄
𝐴
(2.4)
𝑉 = 51, 11 · 10
−3
𝜋 (53,6)
2
100
= 56, 66 · 10−3 𝑚/𝑠
O número de Reynolds é determinado como:𝑅𝑒 =
𝑉 𝐷𝐻
𝜈
(2.5)
𝑅𝑒 =
56, 66 · 10−3 𝑚/𝑠 · 0, 536 𝑚
1 · 10−6 𝑚2/𝑠 = 30.369, 76
Por fim, a distância necessária para uma medição sem turbulência da água é cal-
culada como:
𝐿𝑒 = 0, 536 · 4, 4(30.369, 76)
1
6 = 13, 17 𝑚
Dado o grande tamanho do vertedor e sua incapacidade de construção no momento
do experimento, a medição da vazão foi otimizada por meio de um anteparo no meio do
vertedor para reduzir a velocidade e os vórtices da água e assim obter medidas mais
concisas. Da mesma forma para otimizar a medição foi utilizado um difusor cilíndrico
com tronco cônico na saída da turbina diminuindo consideravelmente a agitação da água.
2.3 Medição de Rotação
A medição da rotação foi realizada por meio de um Tacômetro digital que possui
um acessório capaz de girar a mesma velocidade do eixo da turbina e assim determinar
sua rotação.
2.4 Medição do Torque
A medição do torque foi realizada por meio de um freio mecânico de Prony ins-
talado na bancada utilizando duas balanças analógicas e uma cinta no eixo da turbina.
Neste arranjo a cinta é tangente ao cilindro e o movimento de rotação no eixo produz uma
carga na balança, de forma que o torque pode ser calculado como (OLIVEIRA, 2014):
𝜏 = 𝑟(𝐹1 − 𝐹2) (2.6)
Sendo 𝑟 o raio da cinta, 𝐹1 e 𝐹2 as leituras das células de carga. Tendo conhecimento
do torque e da rotação é possível determinar a potência de eixo da turbina.
12
3 Resultados e Discussões
A partir dos quatro ensaios realizados, sendo um deles descartado, obteve-se os
dados apresentados nas Tabelas 1, 2 e 3.
Tabela 1 – Valores medidos e calculados para o ensaio 1.
Vertedouro
Base [mm]
Vertedouro
(mm)
Queda entrada
(m)
Man U
esquerda (cm)
Man. U
direita (cm)
B1 [kg] B2 [kg] n [rpm]
317 127 3,00 84 104 0 0 1225
326 136 3,00 94,4 95,5 1 2,5 974
336 146 3,00 103 90 1,25 4,5 720
339 149 3,00 102 90,5 2 6 530
340 150 3,00 101,5 90,5 3 7 470
340 150 3,00 102 89,5 5,75 11 340
342 152 3,00 99,5 93,5 6,25 11,5 70
Q P out (m) F1-F2 w [rad/s] Phidraulico
[W]
Pmed [W] 𝜂
0,0081 0,20 0,00 128,22 223,25 0 0,0%
0,0095 0,01 14,72 101,95 280,01 105 37,5%
0,0114 -0,13 31,88 75,36 350,13 168 48,0%
0,0120 -0,12 39,24 55,47 366,62 152 41,6%
0,0122 -0,11 39,24 49,19 372,21 135 36,3%
0,0122 -0,13 51,50 35,59 374,00 128 34,3%
0,0126 -0,06 51,50 7,33 378,55 26 7,0%
Tabela 2 – Valores medidos e calculados para o ensaio 2.
Vertedouro
Base [mm]
Vertedouro
(mm)
Queda
entrada (m)
Man U
esquerda (cm)
Man. U
direita (cm)
B1 [kg] B2 [kg] n [rpm]
314 124 3,00 84 104 0 0 1217
326 136 3,00 91,5 98 1 2 1073
330 140 3,00 96 94 1 3 948
334 144 3,00 100,5 91 1,5 4,5 799
339 149 3,00 100,5 90 1,75 5,5 640
338 148 3,00 100 90 2,5 6,5 520
337 147 3,00 101 90,5 1 5,75 420
Q P out (m) F1-F2 w [rad/s] Phidraulico
[W]
Pmed [W] 𝜂
0,0077 0,20 0,00 127,38 210,30 0 0,0%
0,0095 0,07 9,81 112,31 274,95 77 28,0%
0,0103 -0,02 19,62 99,22 304,18 136 44,8%
0,0110 -0,10 29,43 83,63 334,48 172 51,5%
0,0120 -0,11 36,79 66,99 365,45 172 47,2%
0,0118 -0,10 39,24 54,43 358,77 149 41,7%
0,0116 -0,11 46,60 43,96 353,31 143 40,6%
Capítulo 3. Resultados e Discussões 13
Tabela 3 – Valores medidos e calculados para o ensaio 3.
Vertedouro
Base [mm]
Vertedouro
(mm)
Queda
entrada (m)
Man U
esquerda (cm)
Man. U
direita (cm)
B1 [kg] B2 [kg] n [rpm]
317 127 3,00 84 104 0 0 1220
330 140 3,00 97 94 1 3 950
335 145 3,00 101 92,5 1,9 4 830
338 148 3,00 101,5 90 1,8 5 680
340 150 3,00 102 90 2 5,5 610
342 152 3,00 102 90,5 2,25 6 530
338 148 3,00 101 90,5 2,25 7 407
Q P out (m) F1-F2 w [rad/s] Phidraulico
[W]
Pmed [W] 𝜂
0,0081 0,20 0,00 127,69 223,25 0 0,0%
0,0104 -0,03 19,62 99,43 308,23 137 44,3%
0,0113 -0,09 20,60 86,87 342,60 125 36,6%
0,0119 -0,12 31,39 71,17 364,11 156 43,0%
0,0123 -0,12 34,34 63,85 377,14 153 40,7%
0,0127 -0,12 36,79 55,47 389,21 143 36,7%
0,0119 -0,11 46,60 42,60 362,94 139 38,3%
De acordo com os valores calculados nas Tabelas 1, 2 e 3, foram plotados os gráficos
das Figuras 4, 5, 6 e 7.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Ensaio 1
Ensaio 2
Ensaio 3
P
o
tê
n
c
ia
 (
W
)
Rotação (RPM)
Figura 4 – Curvas de potência da turbina Indalma.
Capítulo 3. Resultados e Discussões 14
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0
10
20
30
40
50
60
Ensaio 1
Ensaio 2
Ensaio 3
Rotação (RPM)
R
e
n
d
im
e
n
to
 (
%
)
Figura 5 – Curvas de rendimento da turbina Indalma.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Curva Média
Ensaio 1
Ensaio 2
Ensaio 3
P
o
tê
n
c
ia
 M
é
d
ia
 (
W
)
Rotação Média (RPM)
Figura 6 – Curva de valores médios de potência da turbina Indalma.
Capítulo 3. Resultados e Discussões 15
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0
10
20
30
40
50
60
Curva Média
Ensaio 1
Ensaio 2
Ensaio 3
R
e
n
d
im
e
n
to
 M
é
d
io
 (
%
)
Rotação Média (RPM)
Figura 7 – Curva de valores médios de rendimento da turbina Indalma.
Na Figura 4 é permitido realizar a avaliação quanto a potência gerada com a velo-
cidade de rotação do eixo da turbina. Nos testes realizados obteve-se pequenas variações
quanto a potência gerada e a velocidade de rotação, sendo que no ensaio 3 ocorreu a
estabilização da potência da turbina para velocidades de rotação de 600 a 800 rpm e 178
W de potência de pico para a altura de queda de 3 mca.
Quanto ao gráfico de rendimento e velocidade de rotação, a Figura 5, mostra a
variação do rendimento da turbina. Nota-se que o rendimento máximo variou de 46% a
50%±5% para os ensaios realizados. Esses valores encontrados, são aceitáveis visto que a
literatura informa que o seu rendimento dessa turbina está em torno de 50% (LASCIO;
BARRETO, 2009).
No gráfico da Figura 6 é mostrada a curva de potência média em função da rotação.
Com os valores médios, o pico de potência assume o valor de 160 W e uma rotação de
aproximadamente 71,1 rad/s. Já na Figura 7 é exibida a curva média de rotação em
função do rendimento. O rendimento médio máximo foi de aproximadamente 46% . De
acordo com Guilherme (2018), o rendimento máximo está associado à uma velocidade de
rotação, e esta velocidade é denominada a velocidade nominal da turbina. Nota-se que o
rendimento decresce após a turbina atingir seu valor nominal, até atingir o valor igual a
zero na máxima velocidade de rotação.
Os gráficos obtidos não só permitem a análise do comportamento da turbina quanto
Capítulo 3. Resultados e Discussões 16
ao seu rendimento e potência mas também fornecem importantes informações quanto a
aplicabilidade do equipamento. A partir desses diagramas pode-se analisar se a turbina em
questão fornecerá a potência e rendimento esperados para determinado local com vazão
e quedas brutas específicas.
17
4 Conclusões
A execução desse trabalho nos permitiu uma maior compreensão acerca dos pa-
râmetros experimentais de uma turbina Indalma e como a variação dos mesmos podem
afetar seu funcionamento, impactando no rendimento e na potência.
Além disso, a realização do experimento ao decorrer do semestre, nos possibilitou
avaliar a estrutura da instalação para ensaios experimentais presente no laboratório, dessa
forma, permitindo um estudo prático não só da turbina, mas também do vertedouro
triangular e assim o estudo da vazão e dos vórtices de água. Outro fator que pode ser
observado, apesar de não ter sido mensurado, foi a influência do uso do difusor na saída
da turbina Indalma.
Segundo Tavares (2014), para a turbina Indalma estudada, o difusor cilíndrico/tronco-
cônico utilizado é o mais adequado, sendo que seu aumento de eficiência é de aproximada-
mente 7% quando comparado com eficiência da turbina sem a utilização de difusor. Esse
aumento de eficiência se deve à diminuição de velocidade e à recuperação de pressão.
O aquecimento do eixo da turbina provocado pela cinta do freio de Prony causou
diminuição no rendimento, o que introduziu erros de medição, o problema foi mitigado
colocando água em uma cavidade do eixo para reduzir o aquecimento. Para aumentar
o rendimento do freio de Prony foi utilizado parafinapara diminuir o atrito do eixo da
turbina com a cinta.
Considera-se como bom o resultado geral do trabalho realizado, pois a atividade
proposta foi desempenhada e seu objetivo principal de obtenção das curvas de potência
da turbina Indalma foi alcançado.
18
Referências
ALÉ, J. A. V. Sistemas Fluidomecânicos: Sistemas de bombeamento. 2010. Citado na
página 5.
ANEEL, A. N. d. E. E. 3 energia hidráulica. v. 2, n. 3, p. 13, 2008. Disponível em:
<http://www2.aneel.gov.br/arquivos/pdf/atlas3ed.pdf>. Citado na página 5.
FILHO, G. L. T.; LEMOS, H.; NOGUEIRA, F. J. H. Estudo para a energizaÇÃo de
comunidade isolada na amazÔnia– projeto microcentral canaÃ. Março 2017. Citado na
página 5.
GUILHERME, A. Turbinas Hidráulicas. 2018. Disponível em: <http://www.
antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/turb_hidro.php>. Citado na página 14.
LASCIO, M. A. di; BARRETO, E. J. F. Energia e Desenvolvimento Sustentavel na
Amazonia. 1. ed. [S.l.]: Kaco Gráfica e Editora Ltda, 2009. Citado na página 14.
OLIVEIRA, D. dos S. Avaliação experimental em modelo reduzido da turbina hidráulica
indalma. 2014. Citado 4 vezes nas páginas 2, 5, 7 e 10.
TAVARES, I. T. B. A INFLUÊNCIA DE DIFUSOR NA EFICIÊNCIA DE UMA
TURBINA HIDRÁULICA. 2014. Monografia (Bacharel em Engenharia de Energia),
UnB (Universidade de Brasília), Distrito Federal, Brazil. Citado 3 vezes nas páginas 2,
8 e 16.
http://www2.aneel.gov.br/arquivos/pdf/atlas3ed.pdf
http://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/turb_hidro.php
http://www.antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/turb_hidro.php
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