Atividade 4(A4)

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Questão 1
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Texto da questão
As relações de semelhança são muito úteis para fazer previsões operacionais entre turbinas geometricamente semelhantes. As expressões a seguir mostram as relações envolvendo as grandezas: diâmetro do rotor, altura de queda-d’água (carga líquida) e vazão volumétrica da turbina hidráulica, do protótipo e do rotor.
        
 
Um protótipo de uma turbina Francis é projetado para operar com carga líquida de 200 m e vazão de 10 m³/s em uma hidrelétrica, a partir de um modelo com diâmetro de 160 mm.
No ponto de eficiência máxima, o modelo vai operar com QM = 8 m³/s e HM = 100 m. O modelo e o protótipo terão a mesma rotação.
 
Diante do exposto, assinale a alternativa correta sobre a vazão do protótipo:
a.
22,6 m³/s.
b.
17,2 m³/s.
c.
19,6 m³/s.
 
d.
226,3 m³/s.
e.
16,4 m³/s.
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Questão 2
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Texto da questão
A figura a seguir mostra um rotor de cinco pás de uma turbina Kaplan utilizada na hidrelétrica de Warwick, em Cordele, GA. O rotor tem um diâmetro de 12,7 pés (3,87 m). A turbina gira a 100 rpm (10,46 rad/s) e produz 5,37 MW de potência, com uma vazão de 63,7 m³/s e carga líquida de 9,75 m.
Figura – Foto de um rotor com cinco pás de uma turbina Kaplan
Fonte: Çengel e Cimbala (2015, p. 694).
#PraCegoVer: a figura apresenta uma fotografia em preto e branco de um rotor com cinco pás e um diâmetro de 12,7 pés (3,87 m) de uma turbina Kaplan utilizada na hidrelétrica de Warwick, em Cordele, GA. À direita da fotografia, temos um homem trabalhando.
 
Sobre a turbina Kaplan descrita no enunciado, assinale a alternativa correta:
a.
As turbinas Kaplan são projetadas para operar somente em baixas vazões e grandes quedas-d'água.
b.
As turbinas Kaplan de grande porte operam com uma rotação máxima de 80 rpm, sendo sua potência máxima de operação em torno de 500 kW.
c.
As turbinas Kaplan são inadequadas para quaisquer usinas hidrelétricas por não suportarem grandes vazões volumétricas de fluido.
d.
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Kaplan terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 2.500.000.
e.
Nas condições de operação descritas no enunciado da questão, a turbina Kaplan terá uma velocidade específica igual a, aproximadamente, 2,5.
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Questão 3
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Texto da questão
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:
a.
V, V, F, V.
b.
F, F, V, F.
c.
V, F, V, F.
d.
F, V, V, F.
e.
F, F, V, V.
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Questão 4
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Texto da questão
Ao utilizar
os parâmetros vazão, queda útil 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:
a.
V, F, V, V.
b.
V, V, F, V.
c.
F, V, F, F.
d.
V, V, F, F.
e.
F, V, F, V.
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Questão 5
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Texto da questão
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:
a.
F, V, V, V.
b.
F, V, V, F.
c.
F, F, V, F.
d.
F, F, V, V.
e.
V, V, F, V.
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Questão 6
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Texto da questão
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:
a.
As asserções I e II são proposições falsas.
b.
A asserção I é uma proposição falsa, e a asserção II é uma proposição verdadeira.
c.
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a asserção II é uma proposição falsa.
d.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, mas a II não é uma justificativa correta da I.
e.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa correta da I.
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Questão 7
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Texto da questão
Em uma represa hidrelétrica que faz uso de uma turbina de reação Francis para produção de energia elétrica, a carga bruta Hbrutaé 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:
a.
20,6 MW.
b.
205,8 kW.
c.
205,8 MW.
d.
205,8 W.
e.
205.800 MW.
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Questão 8
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Texto da questão
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:
a.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II é uma justificativa correta da I.
b.
As asserções I e II são proposições falsas.
c.
As asserções I e II são proposições verdadeiras, mas a II não é uma justificativa correta da I.
d.
A asserção I é uma proposição falsa, e a asserção II é uma proposição verdadeira.
e.
A asserção I é uma proposição verdadeira, e a asserção II é uma proposição falsa.
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Questão 9
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Texto da questão
As turbinas hidráulicas também podem ser classificadas de acordo com a direção do escoamento pelo rotor, a saber: radiais (Francis lenta), axiais (Bulbo), tangenciais (Pelton) e diagonais (Francis rápida). As usinas hidrelétricas são exemplos de locais que fazem uso das turbinas hidráulicas para extrair energia do fluido e produzir energia elétrica.
Sobre as principais turbinas hidráulicas, bem como acerca dos processos de transformação de energia, assinale a alternativa correta:
a.
As turbinas Kaplan são utilizadas em sistemas hidrelétricos que demandam altas quedas e baixas vazões volumétricas de fluido.
b.
A transformação de energia hidráulica em energia elétrica pode ser dividida em três etapas, envolvendo as energias potencial gravitacional, cinética e elétrica.
c.
As turbinas Francis operam somente em sistemas hidrelétricos com baixa demanda de vazão e pequenas quedas-d'água.
d.
As turbinas Francis foram projetadas para funcionar somente em sistemas hidrelétricos com altas demandas de vazão volumétrica e grandes quedas-d'água.
e.
As turbinas Pelton são mais utilizadas em aplicações que conciliam baixas quedas com grandes volumes de água.
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Questão 10
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Texto da questão
Um parâmetro importante que pode apoiar a seleção de uma turbina hidráulica é a velocidade específica. Sua definição tem como base a teoria da semelhança mecânica, e sua expressão matemática é fornecida a seguir:
 
O fluido de operação é a água, com massa específica igual a 998 kg/m³, e a rotação do protótipo é de 160 rpm (16,75 rad/s). Ademais, no ponto de máxima eficiência, a queda bruta é de 200 m, e a potência é de 400 MW.
 
Diante do exposto, assinale a alternativa correta sobre a velocidade específica para o referido protótipo de turbina hidráulica:
a.
0,0086.
b.
0,86.
c.
86,2.
d.
862.000.
e.
0,00086.