APS - Carrinho a vapor

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UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Bruno de Paula Silva	C63309-7
	
ATIVIDADE PRÁTICASUPERVISIONADA: Transformando energia térmica em energia cinética – Carrinho a Vapor. 
São José do Rio Pardo
2016
Bruno de Paula Silva	C63309-7
ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA: Transformando energia térmica em energia cinética – Carrinho a Vapor.
Trabalho apresentado à
 UNIP- Campus São José do
Rio Pardo vinculado às Atividades 
Práticas Supervisionadas, como parte 
dos requisitos para avaliação semestral, 
no Curso de Engenharia Mecânica.
São José do Rio Pardo
2016
INTRODUÇÃO
	
Este trabalho tem como objetivo demonstrar como o calor obtido pela queima de combustíveis pode realizar a troca de energia térmica com um fluído. E o fluído por sua vez converte a energia térmica em energia cinética, fazendo que seus gases e vapores obtidos pela troca de calor sejam propulsores para movimento de algum objeto, no caso em questão um carrinho. 
Gerando propulsão com vapor. 
Imagem 1 - O veículo de Stephan Farfler.
A transformação de energia para propulsões mecânicas começou com Stephan Farfler em 1649, quando este deu inicio ao que podemos chamar hoje de cadeiras de rodas. Relojoeiro Farfler concebeu um mecanismo de engrenagens ao seu projeto, qual transforma a energia de seus braços em movimento a roda dianteira. 
	
Figura 2 - O carro de Haustch.
Podemos dizer que o um dos primeiros automóveis a ser criado, foi o de Haustch também em 1649. Haustch era mecânico e fabricante de bússolas, e criou um mecanismo de engrenagens e pedais para propelir o veículo. Assim a energia promovida por suas pernas eram transformadas na tração do veículo. 
Figura 3 – O primeiro veículo a vapor a funcionar (Nicolas Joseph Cugnot).
Cugnot trabalhava no Arsenal Real em Paris e foi encarregado em 1770 de construir uma máquina capaz de rebocar canhões até o campo de batalha. Seu primeiro projeto de 4 toneladas foi capaz de se mover durante 15 minutos a 3,6 Km/h antes que precisasse ser reabastecido com água. 
Conceito de Energia e Potência. 
Para compreendermos o conceito do vapor e de sua transformação em energia, precisamos antes pegar como base os conceitos de energia e potência. 
Conceito de Energia. 
Energia é a capacidade de algo de realizar trabalho, ou seja, gerar força num determinado corpo, substância ou sistema físico. De acordo com as leis da física, a energia não pode ser criada, mas apenas transformada (primeiro princípio da Termodinâmica), sendo cada um dos tipos de energia capaz de provocar fenômenos determinados e característicos nos sistemas físicos.
 As diferentes fontes de energia podem ser encontradas na natureza, e são classificadas basicamente em duas categorias, de acordo com a possibilidade de manutenção e produção destas: as energias renováveis sendo energia eólica e energia solar e as energias não renováveis como a partir do carvão mineral e petróleo, por exemplo. 
Conceito de Trabalho.
A potência é a quantidade de trabalho (ou energia de uma força) efetuado por unidade de tempo, o que equivale à velocidade de mudança de energia num sistema ou ao tempo despendido para realizar um trabalho. Portanto, a potência é igual à energia total dividida pelo tempo.
Por outro lado, a potência mecânica é o trabalho que realiza um indivíduo ou uma máquina num determinado período de tempo. Por outras palavras, trata-se da potência transmitida através da ação de forças físicas de contato ou elementos mecânicos, nomeadamente alavancas e engrenagens.
Formas de medir a potência/trabalho de um mecanismo.
Vamos considerar duas pessoas que realizam o mesmo trabalho. Se uma delas realiza o trabalho em um tempo menor do que a outra, ela tem que fazer um esforço maior, assim podemos dizer que ela desenvolveu uma potência maior em relação à outra. Outros exemplos:
• Um carro tem maior potência quando ele consegue atingir maior velocidade em um menor intervalo de tempo.
• Um aparelho de som é mais potente do que outro quando ele consegue converter mais energia elétrica em energia sonora em um intervalo de tempo menor.
Assim sendo, uma máquina é caracterizada pelo trabalho que ela pode realizar em um determinado tempo. A eficiência de uma máquina é medida através da relação do trabalho que ela realiza pelo tempo gasto para realizar o mesmo, definindo a potência.
Definimos potência como sendo o tempo gasto para se realizar um determinado trabalho. Matematicamente, a relação entre trabalho e tempo fica da seguinte forma:
Em que  é a potência média, Δt é o intervalo de tempo gasto para a realização do trabalho e T é o trabalho realizado pelo corpo.
A unidade de potência no Sistema Internacional é o watt, representado pela letra W. Esta foi uma homenagem ao matemático e engenheiro escocês James Watt. As outras medidas de potência são o cavalo-vapor e o horse-power. 
O termo cavalo-vapor foi dado por James Watt (1736-1819), que inventou a primeira máquina a vapor. James queria mostrar em quantos cavalos correspondia à máquina que ele produzira. Assim sendo, ele observou que um cavalo podia erguer uma carga de 75 kgf, ou seja, 75. 9,8 N=735 N a um metro de altura, em um segundo.
P= 735 N.1m/1s= 735 W
Feito tal observação, ele denominou que cavalo-vapor (cv) seria a potência de 735 W.
Figura 4 – Demonstração do conceito Cavalo Vapor (cv).
Conceito de Vapor
Existe diferença entre gás e vapor? Se considerarmos apenas os aspectos visuais dificilmente perceberemos tal diferenciação. Mas em relação às características químicas, pode-se afirmar que vapor e gás são distintos em razão das possíveis modificações no estado físico.
Vapor é uma referência dada à matéria no estado gasoso. Dizemos que essa forma é capaz de estar em equilíbrio com o líquido ou o sólido do qual se fez através do aumento de temperatura.
Exemplo: quando se coloca água para ferver, obtemos H2O no estado de vapor, corresponde a aquela fumacinha que sai do bico da chaleira. Se quisermos transformar esse vapor em líquido novamente, teremos a condensação.
Gás, por sua vez, é um dos estados físicos da matéria. Não tem forma nem volume definidos, consiste em um aglomerado de partículas cujos movimentos são aleatórios. Para liquefazer um gás (transformá-lo em líquido) é preciso alterar a pressão do mesmo. 
Exemplo: o gás no botijão (gás GLP = gás liquefeito de petróleo) está no estado líquido em virtude da enorme pressão dentro do recipiente no qual está contido.
Caldeiras de pressões e seus conceitos.
Saber como funciona uma caldeira é muito importante, pois ela é um equipamento de larga utilização na indústria. A caldeira é um equipamento para geração de vapor, são instrumentos térmicos que possuem a finalidade de transformar água em vapor de água, utilizando para isso a queima de qualquer tipo de combustível. São utilizadas em empresas de processos industriais que precisam de altas temperaturas, em indústrias químicas e petroquímicas e em outros diversos segmentos industriais. 
O vapor é gerado através da caldeira e segue, em alta pressão, pelos tubos. Para a caldeira, o trabalho é aquecer a água e gerar esse vapor, utilizando para isso dois métodos mais comuns: o tubo de fogo e o tubo de água. 
No início da Revolução Industrial, quando as caldeiras se tornaram mais comuns, a caldeira com tubo de fogo era a mais utilizada, sendo montada com um tanque de água atravessado por canos. Os gases quentes do fogo, feito com carvão ou madeira, atravessavam os canos para esquentar a água no tanque, gerando o vapor para utilização nos processos industriais. Esse tipo de caldeira é mais perigoso, já que o tanque está inteiramente sobre pressão.
Caldeiras tubulares de água
Hoje é muito mais comum a utilização das caldeiras tubulares de água. Nesse tipo de caldeira, a água corre através do conjunto de tubos que é instalado na passagem dos gases quentesdo fogo produzido. A segurança é maior, mas os acidentes ainda podem ocorrer, o que exige que também neste modelo de caldeira haja constante inspeção e manutenção. 
Entre os componentes da caldeira está o queimador, num recipiente separado, acoplado diretamente à caldeira. No queimador, o combustível utilizado para a alimentação da caldeira é queimado ou liberado para a caldeira, criando o vapor necessário para a utilização na produção.
Hoje, os combustíveis mais utilizados para as caldeiras industriais são óleo e gases. O gás é enviado através de um cano e liberado diretamente na caldeira, enquanto o óleo é enviado através de um tanque pressurizado. 
Com a liberação e a queima do combustível, e o consequente aquecimento da água, esta é transformada em vapor, seguindo pela tubulação. Conforme o tipo de caldeira, a situação pode acontecer de duas maneiras:
Na primeira delas, o fogo ou gás é enviado através de tubos, que entram na caldeira e são cercados pela água. Esse tipo de caldeira é conhecido como flamotubulares, sendo as mais utilizadas.
Figura 5 – Exemplo caldeira Flamotubular.
Na segunda, o trabalho é feito no sentido oposto, com a água correndo através de uma série de tubos e a combustão enviada para dentro da caldeira, aquecendo a água e a transformando em vapor. O modelo, conhecido como caldeiras aquatubulares, não é tão utilizado, embora sejam necessárias quando é preciso maior quantidade de vapor e de calor.
Figura 6 – Exemplo caldeira aquatubular. 
 
Em qualquer tipo de caldeira, contudo, o combustível deve ser fornecido para a criação de calor e vapor. Essa temperatura é regulada por um termostato, indicando a temperatura existente na caldeira. Com a água sendo aquecida, ela é transformada em vapor.
DIMENSIONAMENTO DO PROJETO:
Requisitos propostos pela universidade. 
Colocar em prática os conhecimentos adquiridos teoricamente projetando e construindo um carro de forma que este seja movido por um sistema de propulsão a vapor. O projeto será submetido ao teste de transporte de uma carga de 100g por uma e por uma cronometragem de tempo.
Parâmetros e restrições para o projeto. 
	
	Mínimo
	Máximo
	Comprimento do Carro
	-
	700 mm
	Altura
	100 mm
	400 mm
	Largura
	80 mm
	50 mm
	Pressão Máxima no Reservatório.
	-
	1,5 ATA
	Base de apoio
	3 rodas
	-
Dimensionamento Caldeira.
Após muito estudo e pesquisa realizada estava na hora de definir como meu sistema iria gerar o vapor, e como seria dimensionada minha caldeira para o projeto. Hora de pegarmos todos os conceitos de termodinâmica e troca de calor até então vistos em sala de aula e posicioná-los em um projeto real. 
Para o dimensionamento do reservatório de água procurei trabalhar cum uma forma cilíndrica, pois além desta facilitar a troca de calor por toda sua extensão com a água, este formato proporciona riscos menores de explosões indesejadas. Pois como aprendemos em mecânica dos fluídos, toda curvatura de um recipiente tende a transpor um acumulo de carga e pressão, desta maneira o acumulo de vapor nessas regiões poderiam colocar o material sobre uma situação critica e acabar o rompendo, causando um estouro ou explosão. 
Para facilitar o desenvolvimento do projeto, procurei algo que me fornecesse um cilindro adequado e que fosse resistente a pressões. Desta maneira cheguei ao recipiente de um extintor, cuja seus dados de volume quanto a resistência se adequavam ao que eu ate ali planejava para a caldeira. Siga a baixo os dados do recipiente: 
	Recipiente de Água/Vapor
	Interno 
	Externo
	Base (Diâmetro)
	86 mm
	90 mm
	Altura
	226 mm
	230 mm
	Volume
	1,313 Litros
	1,463 Litros.
	Espessura da chapa do cilindro.
	2 mm
	Material que constituí o recipiente
	Fabricado em aço SAE 1541 N, sem costuras ou soldas. 
	Pressão suportada pelo recipiente 
	12,6 Mpa (126 Bar)
	Limite de resistência do material pela tabela SAE 
	630 MPa
	Limite de escoamento do material pela tabela SAE
	350 MPa
Obtive a informação da pressão suportada para trabalho e do material que constitui o recipiente no site do fabricante de extintores da mesma marca do extintor que usei para fabricar meu recipiente. As demais informações que preenchem a tabela eu consegui pelos cálculos realizados. Realizei as medições do recipiente e da espessura de sua parede, assim consegui os dados para altura, base e volume. Como o material utiliza é normatizado pela SAE, consegui definir os parâmetros para este material como limite de resistência e limite de escoamento. 
Com todos os dados á cima já podia começar a dimensionar minha caldeira visualmente e metricamente. Como tenho um certo conhecimento no SolidWorks (Software para projetos 3D e 2D), eu comecei a colocar as ideias em desenvolvimento. Como o recipiente para água/vapor estava parcialmente pronto já fisicamente, precisava agora idealizar a parte responsável pela queima do combustível e transferência de calor para o recipiente de água. 
Os primeiros a dados a serem observados eram os das dimensões da caldeira, pois estes estabeleceram todas as medidas a serem definidas pelo avanço do projeto. Então, já defini que meu reservatório teria que ter 3 elementos em sua estrutura, sendo eles: 
1 - Válvula de alívio para garantir a segurança do conjunto.
1 – Manômetro para observar a pressão de trabalho do reservatório.
1 – Conector para liberar o vapor para o sistema de tração.
Então, com essa definição comecei a esboçar o desenho do recipiente, como pode observar a baixo:
 
Figura 7 – Esboço recipiente da caldeira.
 
Com o recipiente já desenhado e definido visualmente, parti para o dimensionamento da parte que envolveria o recipiente para troca de calor. Como eu estou trabalhando com um recipiente relativamente grande (1,3 L), precisava então dimensionar de forma correta um “queimador” que fornecesse calor ideal para que a água gerasse vapor de forma rápida e eficiente. Então tomando as medidas pré-definidas pela faculdade, dimensionei a parte quente da caldeira. 
Figura 8 – Interno da caixa quente da caldeira. 
Figura 9 – Caixa quente da caldeira finalizada.
De forma que houvesse a melhor troca de calor entre o combustível e a água, eu coloquei o reservatório na parte superior e centralizado dentro da caixa quente, como o calor se dissipa pelo a atmosfera e tende a subir para pressões mais baixas, do modo que posicionei o reservatório a troca de calor tende a acontecer uniformemente sobre 80% do recipiente de água. Ficando isenta da troca de calor diretamente com o combustível a parte qual irá fixado os três elementos descritos anteriormente. Reparem que na figura 9 a uma parte em azul, sendo esta parte a gaveta para abastecimento do combustível qual fornecera a queima para troca de calor. 
 
Figura 10 – Parte traseira da caixa quente da caldeira finalizada.
Observem na figura 10 que além da gaveta para abastecimento adicionei dois furos na parte superior, estes foram adicionados para em conjunto com os furos na parte frontal faça que o comburente, neste caso oxigênio circule por dentro da caixa quente ajudando no processo de queima fazendo que o combustível tenha uma mistura rica de ar/combustível e deste modo atinja temperatura altas mais facilmente. 
Com as definições realizadas a cima agora era hora de definir a ordem dos elementos e como ficariam dispostos na caldeira. Parti de alguns princípios, primeiramente defini colocar o manômetro no centro, para facilitar a visualização e me dar uma facilidade para trabalhar com o conector de liberação do vapor e com a válvula de alívio. Como na parte traseira havia a gaveta para reabastecimento do combustível, eu teria que trabalhar com a parte motriz do projeto na frente da caldeira. Então por este quesito eu defini que a válvula de alívio deveria ficar na parte traseira do projeto, siga a imagem do projeto:
Figura 11 – Disposição do manômetro e da válvula de alívio no conjunto.
Escolha e dimensionamento do sistema motriz
Agora comos elementos definidos em suas posições, precisava definir qual método e sistema iria utilizar para conversão da energia térmica (Calor) que transformaria a água em vapor e como converter o vapor em energia cinética. Esta parte envolveu muita pesquisa, uma vez que como foi nos definido uma pressão máxima consideravelmente baixa para trabalho, quaisquer desperdícios mecânicos deveriam ser parcialmente e se possível totalmente extinto. 
Como hoje estamos cercados por informações e temos acesso a conhecimentos diversos e de praticamente todas as áreas possíveis. Parti para pesquisas que envolvessem os desenvolvimentos na área automotiva, pois temos ciência que este setor está em constante desenvolvimento e pesquisas que forneçam tecnologias suficientes para anular quaisquer desperdícios ainda mais nesta época em que o nosso planeta exige o melhor aproveitamento de quaisquer sistemas e/ou máquinas.
Uma tecnologia já explorada antigamente e que voltou a ser reestabelecida no mercado e que cada vez mais vem ganhando seu conceito de eficiência são os turbos compressores. Este mecanismo é de certa forma simples e tem um sistema de conversão de energia muito interessante, então optei pela utilização deste sistema pelos seguintes fatores:
Conversão do vapor em torque. 
A turbina em primeira parte seria o melhor sistema para o meu projeto pela facilidade encontrada em converter o vapor em torque e consequentemente potência, resultando em rotações quais movimentariam o carrinho. Nesse sistema de turbina eu trabalhei com o dimensionamento das pás, pois variando o diâmetro total do conjunto de hélices eu conseguia varia a relação de torque/rotação. Como eu já tinha uma noção que meu conjunto ficaria de certa forma pesado, então precisava estabelecer uma dimensão para as pás que me fornecesse torque, mas que também pudesse fazer o carrinho ter uma considerável aceleração. Desta forma o sistema rotativo da turbina ficou da seguinte forma: 
Figura 12 – Conjunto rotativo da turbina modelado em 3D.
Figura 13 – Conjunto em 2D com medidas definidas em milímetros.
Dimensionamento do conjunto rotativo.
Como pode se observar nas imagens anteriores, eu consegui definir as medidas do conjunto rotativo de minha turbina, optando por trabalhar com hélices cuja não fossem tão grandes, mas que também não fossem pequenas então auxiliei os dois para que fosse fácil o conjunto sair da inércia com o torque e que conseguisse ganhar velocidade também. 
Repare no formato das pás da hélice, esse formato foi determinado não por fatores estéticos, mas sim para que houvesse um escoamento do vapor sobre o conjunto, facilitando que o ar que empurrasse a pá se escoasse para o restante do sistema, pois nem sempre todo o vapor injetado dentro da turbina conseguirá ser consumido pelas pás. Então o vapor injetado ali dentro precisava ter outros meios de escoar sem ser unicamente empurrando a pá, pois caso a pá não conseguisse consumir todo vapor injetado este excesso poderia fazer que com o sistema sofresse perdas com o vapor gerando uma resistência ao movimento. 
Eficiência alta e baixo desperdício.
Outro fator para a escolha de se trabalhar com a turbina é sua eficiência evitando certos desperdícios que seriam inevitáveis em outros sistemas. Se eu trabalhasse somente com um conjunto de pás e este fosse aberta, sem se envolver por uma carcaça, como é a maioria dos projetos similares a esse que encontramos por ai. Trabalhar com um sistema aberto é simples, e as vezes pode funcionar, bastando direcionar o fluxo do vapor para as pás de maneira que estas se transformem em energia cinética. 
Mas o grande desperdício de energia em se trabalhar com uma carcaça aberta é o desperdício do fluxo de vapor para o ambiente, uma vez que por melhor que seja direcionado o fluxo para as pás o mesmo fluxo tende a escoar para as laterais com mais facilidade, pois na região das pás está se submetendo uma pressão maior do que a atmosférica. 
Trabalhando com um projeto de turbina é mais fácil evitar este desperdício de energia, pois como a turbina trabalha dentro de uma carcaça, a pressão interna desta tende ser a mesma sobre todo seu volume, sendo assim o vapor tende a escoar para o furo de saída. Se o furo de saída for bem dimensionado, a diferença de pressão do lado de fora da carcaça faz com que o fluxo de vapor internamente seja mais rápido e eficiente e assim garante mais potência ao conjunto.
Então, para meu sistema motriz eu optei pela utilização de uma turbina, sendo esta dimensionada da seguinte forma: 
Figura 14 – Dimensionamento carcaça da turbina.
Fiz o dimensionamento do corpo da turbina de forma que ele ficasse próximo ao conjunto da caldeira. Para facilitar o trabalho com o ângulo do vapor que será injetado dentro da carcaça, optei por trabalhar com uma chave de liberação com seu bico diretamente ligado a carcaça. 
A escolha pela válvula também na extremidade da carcaça foi ao fator de que assim eu evitaria uma perda de pressão, pois quando a válvula for aberta, a pressão demarcada no manômetro será a mesma qual irá incidir sobre as pás do sistema. Se optasse por trabalhar com a chave na superfície da caldeira, quando esta fosse aberta eu teria uma perca de escoamento e de pressão do fluído, pois a mangueira qual seria conectada a turbina estaria vazia, quando aberta a chave esta teria que se preencher primeiramente para depois o vapor escoar para o interno da turbina. 
Então todo o conjunto descrito até aqui ficou dimensionado da seguinte maneira:
Figura 15 – Conjunto final do dimensionamento dos objetos.
Figura 16 – Conjunto renderizado com materiais a serem utilizados. 
Dimensionamento chassi
Com toda a parte de geração de energia projetada, agora me faltava dar chão ao conjunto, então agora partimos para parte estrutural do chassi. Como nos conjuntos anteriores não consegui trabalhar com materiais mais leves pelo o que era exigido deles, no chassi eu optei por trabalhar com um material leve neste caso o alumínio. Pois era preciso recuperar leveza uma vez que os conjuntos anteriores ficaram de certa forma pesado. 
Com todas as medidas das estruturas anteriores tinha os parâmetros a serem seguidos para estruturação do chassi, de forma que este comportasse todos os componentes, mas que não excedesse os limites pré-estabelecidos pela universidade. Resolvi trabalhar com chassi de barras retangulares e com um dimensionamento bem simples, sem envolver geometrias complexas, pois a intenção do chassi era apenas suportar o peso do conjunto e transferir a energia gerada para o chão. Então este ficou dimensionado da seguinte forma: 
Figura 17 – Chassi com conjunto de eixos/rodas dimensionado.
Com todo esboço visual definido também defini as medidas a serem utilizadas para a construção do chassi, desta forma elas ficaram definidas da seguinte maneira: 
Figura 18 – Dimensões do chassi.
Como podem observar na imagem, fiz o projeto de modo que todas as medidas se encontrassem dentro dos padrões determinados pela faculdade e por outro lado acomodasse todo o conjunto até então dimensionado. Vale ressalto que neste projeto não levei em consideração questões aerodinâmicas, uma vez que o carro não foi projetado para atingir altas velocidades.
Dimensionamento do eixo traseiro
Pela definição do modelo de chassis precisava estabelecer como este conjunto poderia se mover, então hora de definir os eixos do projeto. Como estabeleci que meu conjunto motriz ficasse a frente da caldeira, para evitar perdas na transmissão de força, verifiquei que meu eixo de tração também deveria ficar a frente, sendo assim o eixo traseiro foi definido para ser um eixo livre, e evitar quaisquer que fosse esforço desnecessário no conjunto. 
Para se evitar perdas, optei por dimensionar eixos no qual este utilizassem rolamentos internos, evitando perda por atritos, ajudando com que o carrinho se movimentasse livremente. Junto ao eixo estaria acoplada as rodas, estas quais vieram doadas de um carrinho á gasolina, com pneus lisos conhecidoscomo slicks. Então o eixo traseiro ficou definido da seguinte maneira:
Figura 19 – Eixo traseiro acoplado ao chassi.
Figura 20 – Detalhe interno eixo traseiro.
Por dentro desta carcaça qual envolve o eixo são acoplados os rolamentos, sendo um em cada extremidade. As rodas são fixadas por uma porca, para que não haja perigo desta se soltarem, por isso vale o ressalto que os eixos forem feitos de barra roscada justamente para oferecer essa possibilidade travamento das porcas.
Dimensionamento do eixo dianteiro
Agora com praticamente 90% do projeto definido, faltará projetar o meio pelo qual a energia seria transferida da turbina até as rodas. Para o dimensionamento do eixo e rodas eu segui praticamente os mesmos conceitos aplicados no eixo traseiro, a única diferença é que o dianteiro precisava de alguma forma para ser tracionado por um cabo, corrente ou corda através de um sistema de polias, para a transferência de energias para roda e consequentemente movimentação do carrinho. 
Visualmente falando, defini o eixo dianteiro da seguinte maneira:
Figura 21 – Sistema do eixo dianteiro.
Observe que no eixo foi adicionada uma polia, esta fica fixada ao eixo no qual são conectadas as rodas. A carcaça se permanece com os rolamentos acoplados, mas agora ela é dividida em duas partes, para dar espaço a polia e de forma que ela gire livremente. Observem que a polia também foi dimensionada com um grande diâmetro, ao limite do que as rodas permitiam ter de diâmetro sem que esta pegasse no chão, o principio para este tamanho foi para que o torque da polia da turbina ao chegar na polia fosse ampliado para transferência de potência para os eixos e consequentemente para as rodas. 
Dimensionamento de todo conjunto.
Agora com todas as partes do projeto definidas, era momento de se juntar todo conjunto e definir os parâmetros finais. Siga a imagem de como ficou o projeto todo posicionado em seu conjunto: 
Figura 22 – Todos os elementos posicionados.
Figura 23 – Todos os elementos posicionados vista frontal.
Figura 24 – Modelo Final.
Observem como todo o conjunto se encaixou perfeitamente, uma vez que todas as partes foram idealizadas já pensando em seu enquadramento com as demais. Uma questão importante é que ao repararem a correia de transmissão (em vermelho), irão observar que ela está em um ângulo de 45°, este ângulo de trabalho foi tomado propositalmente, para que a transferência de energia e torque fosse distribuída da melhor forma possível. Pois se trabalhasse com ela em um ângulo de 90° encontraria resistência para o movimento, tendo uma inércia muito grande, por outro lado se trabalhasse com um ângulo de 0° a correia poderia não tracionar o eixo como planejado. 
CÁLCULOS REALIZADOS PARA O PROJETO
Pressão de Vapor do Sistema.
Primeiramente realizei a busca por informações e dados quais me embasasse para os cálculos a serem realizados, o primeiro item e de suma importância foi à obtenção da tabela da água saturada, qual me fornecia alguns dados importantes. Siga logo à baixo a tabela:
 
Figura 25 – Propriedades da água saturada.
Energia necessária para produção de pressão. 
Então agora com os dados fornecidos pela tabela eu poderia coletar os dados cabíveis para meu recipiente. Pela tabela podemos coletar os seguintes dados, com a pressão qual nos foi estabelecida para trabalho de 1,5 bares precisaria de uma temperatura entre 111 °C e 113 °C para que meu 1 litro de água colocada no recipiente fornecesse o vapor na pressão solicitada. Nesta temperatura estaria com o vapor ocupando 60% do recipiente, onde 350 a 400 Ml da água já estaria em estado de vapor, e cerca de 600 a 650 Ml em estado líquido. 
Definido a temperatura qual meu líquido dentro do recipiente deveria trabalhar, era hora de definir o combustível a ser utilizado e o calor a ser doado pelo mesmo para se elevar a temperatura da água. Então segui a seguinte fórmula:
Onde:
 
Como a substância a ser aquecida é água o valor para calor especifico é de 1,00 tendo este valor, agora precisava converter 1L de água para uma unidade de massa, nesta parte utilizei a seguinte fórmula:
Agora com a massa definida, precisa definir a variação de temperatura, considerando que a água estivesse no temperatura ambiente de 26 °C, e sabendo que esta precisava alcançar a temperatura de 112 ºC para me fornecer a pressão ideal de trabalho pude calcular a variação de temperatura, então matematicamente ficou assim:
Agora com a quantidade de calor a ser fornecida para aquecer a água até a temperatura solicitada. Mas em nosso sistema não estávamos trabalhando com a água diretamente com o calor fornecido pela queima do combustível, temos a parede do recipiente, esta nos representa uma perca. Considerando que a parede é constituída de ferro, e este precisaria de 60% desta quantidade de calor para chegar mesma temperatura, então podemos dizer que do valor encontrado para a quantidade de calor a ser fornecida para água deveria ter um acréscimo de 40%, estes 40% seriam suficiente para estabilizar a temperatura do recipiente com o calor recebido pela água. Sendo assim, o valor para o conjunto água/recipiente ficou de:
Quantidade de combustível necessária para o aquecimento.
 Com a quantidade de calor definida para o sistema agora era hora de definir qual combustível para definir a quantidade deste para sua queima de forma que este fornecesse a quantidade de calor definida. O combustível escolhido foi a gasolina por ter um poder calorifico maior que os demais combustíveis. Agora era hora de calcular a quantidade deste combustível para se obtiver a energia necessária para o sistema. Para a gasolina eu tenho um poder calorífico de 780 Kcal para 1 Kg de combustível queimado, sendo assim eu tenho que:
 
Agora havia definido a massa necessária, mas como no brasil normalmente realizamos a compra da gasolina em volume e não por massa precisava converter este peso para o volume, ficando da seguinte maneira:
Agora já temos todos os dados necessários para as definições dos parâmetros de trabalho da parte de nossa caldeira. Vale o ressalto que para controlar a queima da gasolina, decidi adicionar no reservatório de combustível alguns pedaços de algodões, estes por suas capacidades de queima me ajudaria a controlar a queima da gasolina e me fornecer uma segurança contra explosões inesperadas, este é um fator muito importante uma vez que não tinha controle sobre a entrada de Oxigênio no meu sistema. 
 
Cálculos para o conjunto motriz
Conversão da pressão em torque.
Para a definição da força gerada pelo vapor na turbina irei considerar um sistema com algumas percas, acrescentando os valores necessários aos finais das contas. Primeiro ponto era saber quanto seria força gerada pelas hélices da turbina ao eixo. Considerando a pressão do vapor sendo aplicada na ponta da hélice, sem perdas. Supondo que o jato de vapor seja incidido sobre toda hélice de forma distribuída, podemos dizer que:
Com a força calculada, agora era hora de calcular como essa se converteria em torque no eixo, sendo assim então defini para cálculo que toda esta força se aplicasse na ponta da hélice, sendo assim teríamos uma distância da aplicação da força ao centro do eixo de 22 mm, então matematicamente ficaria:
Com o torque gerado na ponta da hélice, era hora de definir qual seria o torque que chegaria as rodas. Como a hélice compartilha o mesmo eixo qual fara transferência de torque para polia, então o eixo tem o mesmo torque definido para as pás. Mas as velocidades lineares são proporcionais aos raios. Sendo assim então, ficou da seguinte maneira:
Então, com o cálculo realizado podemos chegar a seguinte relação, onde a velocidade no eixo equivale a mais ou menos 0,01 da velocidade na extremidade da hélice. Para o cálculo da potência gerada pelo eixo, segui a equação abaixo considerando que meu rendimento fosse 75%, uma vez que há algumas percas mecânicas no sistema. Então matematicamente definida seguinte maneira:
Como eu sei que para minha Força de entrada corresponde a minha potência de entrada, tenho então que:
Pronto, com toda parte definida, agora momento de materializar em realidade todo o estudo e projeto realizado aqui, com todos os embasamentos e parâmetros definidos. 
Construção do projeto em escala real
Processo de montagem da caldeira.
Com todas as dimensões definidas, agora era a hora de começar a tirar o projeto do embasamento teórico e o fazer tomar formas reais. A primeira parte qual me preocupei em fazer foi o desenvolvimento da caldeira, os materiais utilizados e seus custos serão descritos ao fim deste tópico. Para o desenvolvimento desta parte utilizei as seguintes ferramentas:
Máquina de Solda Elétrica;
Esmerilhadora angular;
Esquadro;
Lápis para marcações;
Figura 26 – Esquadrejamento e ponteamento do conjunto.
Como podem observar na imagem á cima, através dos recursos fornecidos pelas ferramentas quais descrevi, comecei a realizar a construção da parte inferior da caldeira. Vale o ressalto que como trabalhei com uma chapa fina de aço composto, por questão de manter a leveza do projeto, foi necessário inverter as polaridades da máquina de solda para que ela operasse em 110 volts e na sua capacidade de operação mínima para evitar furar as chapas. A e antes que me esqueça, sempre temos que se lembrar da utilização de EPI (Equipamentos de proteção individual) para cada operação, assim evitamos que aconteçam imprevistos que coloque nossa integridade física em risco. 
Figura 27 – EPI para solda, mascara de auto escurecimento.
Com as dimensões definidas, cortes realizados e o esquadrejamento do conjunto pré-conferido, hora de soldar. 
Figura 28 – Processo de soldagem da parte inferior da caldeira.
Figura 29 – Conferência do esquadrejamento após soldagem.
Agora com tudo conferido com os parâmetros de dimensões, precisava conferir com o desenho para averiguar visualmente o projeto. Da parte inferior foi tido tudo conforme projetado, somente faltava o recorte para a gaveta de combustível. Então confiram nas imagens como ficou o conjunto soldado e o recorte da gaveta:
Figura 30 – Conjunto inferior da caldeira soldado. 
Figura 31 – Recorte para gaveta de combustíveis.
Agora com a parte inferior definida, precisava começar a trabalhar na parte superior, esta demandaria mais trabalho uma vez que é nesta parte qual o reservatório água/vapor ficaria localizado. Nesta parte também fica localizados os dispositivos, como manômetro e válvula de segurança. Para a colocação destes dispositivos precisaria realizar um processo de fazer rosca no reservatório, levei a um torneiro para que este realizasse o trabalho garantindo maior precisão e segurança, uma vez que uma rosca mal feita poderia resultar no estouro de algum dos itens citados. Forneci o projeto junto ao reservatório (Bujão de extintor veicular) e placa superior da caldeira, o resultado obtido neste processo foram os seguintes:
Figura 32 – Reservatório soldado a chapa superior da caldeira.
Figura 33 – Vista da parte superior do reservatório com os elementos colocados.
Com a parte do reservatório concluída, decidi realizar um teste para conferir a vedação do sistema e se a pressão subiria conforme esperado, o teste também foi registrado:
Figura 34 – Conjunto superior da caldeira colocado em teste em um fogão industrial.
Figura 35 – Sem vazamentos no sistema, pressão começou a subir.
Deixei o conjunto atingir uma pressão de 3 bar, 200% da pressão real qual irá trabalhar, e averiguei que o sistema se comportava estável, sem oferecer quaisquer riscos. Então aproveitei e regulei a abertura da válvula para os 3 bares de trabalho, uma vez que essa é a pressão mínima para sua abertura. Após este processo realizei um novo teste, agora quando o conjunto chegou a pressão real de trabalha, 1,5 bar, eu retirei a obstrução do cano de descarga e conferi o vazamento do vapor, como podem observar na imagem logo a baixo:
Figura 36 – Vazão do vapor uniformemente como esperado pelo dimensionamento do mesmo.
Desenvolvimento da turbina.
Com a caldeira finalizada era hora de começar a dimensionar a turbina e seus conjuntos. O primeiro passo para a construção desta foi a procura de algo que me fornecesse as dimensões definidas para o projeto e pudesse se tornar minha carcaça da turbina. Como meu pai é construtor civil e consideravelmente junta muitas coisas diversas em casa, então fui ao acervo destas e encontrei algo que estava mais dentro das dimensões do que se estivesse mandado fazer a carcaça. O objeto encontrado foi um motor elétrico de ventilador indústria, como podem ver na imagem:
Figura 37 – Carcaça escolhida para construção da turbina.
Como a carcaça encontrada me fornecia todas as dimensões necessárias para construção do projeto idealizado teoricamente, era hora de dimensionar seus demais componentes. A carcaça foi desmontada, e tirada todos seus componentes internos para a entrada dos componentes quais seriam feitos seguindo os padrões dos desenhos realizados. 
A primeira parte a ser estabelecida foi como as hélices seriam feitas, fiz alguns teste, primeiro realizei alguns cortes e experimentos com uma chapa de um material galvanizado, mas este por sua vez era muito frágil, e ao realizar o corte se deformava com facilidade. Sigam as imagens dos primeiros testes:
Figura 38 – demarcações para simulação das hélices com o primeiro material.
Figura 39 – Corte das hélices, deformações ao realizar o processo.
Então a partir destes testes decidi que iria trabalhar com outro material, decidi então trabalhar com uma liga também galvanizada, mas desta vez com uma resistência maior. Através do desenho 2D impresso demarquei na nova chapa os desenhos da hélice e fiz o recorte, ouve pequenas deformações ao processo de corte, estes foram corregidos com auxílio de um martelo e uma superfície plana. Consegui então obter as hélices com 90% de precisão se comparado ao desenho 2D, houve uma perda de 10% na precisão pela falta de precisão do instrumento de corte, vejam na imagem o resultado obtido:
Figura 40 – Hélices obtidas pelo recorte realizado manualmente.
Com as 8 hélices do conjunto cortadas, hora de dimensionar seu suporte qual seria fixado no eixo do conjunto. Para a construção dessa parte, utilizei o próprio suporte que era utilizado no conjunto elétrico da carcaça doadora. Realizeis as demarcações e os cortes nesse suporte para encaixe das hélices, sigam as imagens:
Figura 41 – Processo de corte do suporte das hélices.
Figura 42 – Conjunto de pás com suporte conferido pelo desenho 2D.
Com o suporte dimensionado era hora de fixar as hélices e deixar totalmente finalizada a parte de rotativa da turbina. Então coloquei as hélices de formar padronizadas e as revesti no suporte rotativo com durepoxi de modo a revestir seu centro, como podem observar na imagem a baixo: 
 
Figura 43 – Conjunto de hélices fixados.
Após este processo eu precisava dimensionar o restante do conjunto rotativo da turbina, neste caso o dimensionamento do eixo. Mas para definir o eixo antes precisava que minha carcaça estivesse totalmente definida e dimensionada para que pudesse ter uma maior precisão no dimensionamento do eixo. Então pulei momentaneamente a fabricação do eixo, e fui diretamente para a finalização da carcaça. 
O primeiro passo foi retrabalhar a carcaça, uma vez que o objeto escolhido para ser a carcaça era um antigo motor elétrico. Precisa em primeira instancia usinar o anel centralizado da carcaça, qual também comportaria a válvula de abertura. Levei o projeto e as medidas a um torneiro qual fez o processo de usinagem da peça, esta que vocês podem verificar na imagem a baixo:
Figura 44 – Anel centralizado usinado já com a válvula de abertura instalada.
Após ter o primeiro contato com a peça finalizada, eu verifiquei que me faltou passar uma informação para o torneiro sendo que a válvula deveria ser rosqueada em ângulo, pois do modo colocadoela soprava diretamente no centro da turbina, sendo que o vapor deveria ser soprado paralelamente ao eixo das hélices. O modo foi levar ao torneiro novamente e fazer um retrabalho na peça de modo que ela atendesse meu projeto. Então neste projeto foi adicionado um cotovelo hidráulico e neste rosqueado minha válvula, ficando do seguinte modo:
Figura 45 – Anel centralizado retrabalhado.
Como podem observar na imagem o ângulo foi obtido com sucesso, mas agora pelo acréscimo do cotovelo hidráulico o bico da válvula ficaria relativamente longe das hélices, assim teria desperdício de energia. Verificando na imagem então podem observar o trabalho que foi realizado, eu realizei a abertura do bico da válvula de forma que neste entrasse um pedaço de cano de cobre. Após este processo eu tive a possibilidade de trabalhar um pouco mais com o ângulo da vazão do vapor, então dispus do cano do modo qual esta na imagem. Realizei o corte no cano seguindo a forma circular do centralizador e preenchi todo o espaço do furo com durepoxi, para evitar que o cano fosse lançado para dentro da turbina e evitar a dispersão do vapor pela carcaça. 
Com esta parte finalizada fechei a carcaça para verificar todas as medidas para o dimensionamento do eixo. Observem na imagem como esta ficou fechada em primeiro momento de sua montagem:
Figura 46 – Turbina fechada para teste e dimensionamento do eixo.
Com as medidas em mãos fiz o dimensionamento e confecção do eixo já deixando em mente o espaço para o trabalho aonde iria a engrenagem qual giraria o eixo do carrinho. Com o eixo confeccionado fiz a colocação do conjunto de hélice no eixo, visto que este precisava ficar o mais preciso possível para se evitar desperdícios mecânicos. Observe na imagem a baixo o eixo já fixado com o conjunto de hélices. 
 
Figura 47 – Eixo fixado com as hélices.
Pronto, com eixo pronto agora momento de fechar o conjunto rotativo e realizar a revisão de todos os detalhes para que o sistema funcionasse de forma ‘lisa’ sem percas. Vale o ressalto que nesta etapa eu também aproveitei para a colocação no eixo da engrenagem qual transferiria a energia (potência e torque) da turbina para a roda. Siga as imagens à baixo do sistema finalizado, inclusive já pintado com tinta spray para alta temperatura:
Figura 48 – Carcaça fechada (em detalhe a engrenagem escolhida).
Figura 49 – Vista superior e do lado direito do conjunto.
Figura 50 – Vista do lado esquerdo da engrenagem.
Finalizada a parte rotativa do conjunto eu levei o mesmo para testar, com o compressor regulado com a pressão qual seria utilizada no conjunto final ( 1,5 Bar ), conectei a mangueira ao conector da válvula, e acionei o compressor, pronto, eixo girando e gerando movimento constante conforme esperado. Então para até este momento, conjunto finalizado. 
Construção do chassi e sistema de rodas do carrinho
Com a caldeira e turbina finalizadas precisava trazer do 3D para realidade o chassi do carrinho e seus eixos para rodas. Para garantir que meu chassi ficasse dentro de todos os padrões e alinhado, o primeiro passo que tomei foi plotar o desenho 2D em tamanho real com todas as medidas observadas a serem seguidas. 
Agora um fator importante a ser decidido era a decisão do material qual seria utilizado para construção do projeto, como observei na descrição do projeto 3D havia decidido a trabalhar com alumínio para diminuir peso no conjunto, mas obter barras de alumínios no tamanho qual havia definido seria difícil, mas encontrei então cantoneiras em perfil L de alumínio quais atendiam minhas necessidades dimensionais e eram leves. Para se amarrar todo o conjunto conforme dimensionado optei por trabalhar com rebite uma vez que estes garantem boa ancoragem, leveza e facilidade de manuseio. 
Figura 51 – Dimensionamento do chassi seguindo parâmetros definidos em 2D.
Após este processo descrito na imagem, fiz a rebitagem do conjunto, o travando em seu formato final. E então aproveitei para testar se as medidas definidas estavam corretas para suporte da caldeira, e tudo estava conforme definido em projeto, então para próximo passo, definição do sistema de rodas.
Para sistema de rodas eu utilize o seguinte principio, foi instalado junto ao chassi dois filetes de madeiras, um dianteiro e um traseiro, nestes foram acoplados dois mancais por onde os eixos iriam se transpor. No filete de madeira dianteiro foi realizada uma abertura e no eixo dianteiro foi acoplada a engrenagem, ficando como vocês podem seguir nas imagens logo a baixo:
Figura 52 – Sistema de mancal do eixo traseiro.
Figura 53 – Sistema do eixo dianteiro com a engrenagem já fixada.
E então com toda a parte citada anteriormente pronta, podemos observar o chassi finalizado já com as rodas, siga a baixo as imagens:
Figura 54 – Chassi com as rodas e subconjunto da caldeira, colocado para teste dimensional.
Figura 55 – Chassi com a pintura final e rodas colocadas.
Custos para realização do projeto
Este trabalho foi um pouco diferente dos demais pela utilização de muitos recursos e materiais diferentes a disposição, então siga a baixo os custos dos materiais e mão de obra utilizada nesse projeto:
Tabela 1 – Valores gastos para as peças do projeto.
 Tabela 2 – Valores gastos para mão de obra terceirizada.
Dividi os gastos em duas partes, os valores gastos com as peças estas e os valores gastos com a mão de obra de terceiros. Observem que infelizmente obtive um gasto alto, no total de R$ 556,32 por dois motivos, ambos derivados pela minha falta de tempo. 
O primeiro foi de que pela falta de tempo não teve como eu correr atrás de preço e pesquisar valores das peças, isto impacta que com certeza acabei comprando algo que poderia encontrar em outro local bem mais barato. 
O segundo motivo também vinculado pela falta de tempo é que, tive que terceirizar uma boa parte da mão de obra que daria para eu mesmo fazer, mas como disse infelizmente isto exigiria tempo, algo complicado para quem trabalha e cursa engenharia. 
Conclusão
Posso concluir então que após todo processo de pesquisa, elaboração, montagem e conclusão deste trabalho pude acumular conhecimentos diferentes e o unir para obtenção de resultados satisfatórios. Uma coisa importante que este trabalho me forneceu foi à possibilidade de enxergar como é preciso buscar informação de todas as áreas para realização de um projeto, uma vez que às vezes o que nós projetamos no computador e/ou papel não é viável para ser manufaturado ou realizado. 
 Pelo motivo de algumas coisas idealizadas na parte de projeto não serem cabíveis para realização da construção destas, pude concluir que o engenheiro precisa sempre ter ‘uma segunda carta na manga’, algo que o atenda no momento que o esperado não possa ser realizado. 
As atividades práticas supervisionadas nos oferecem um campo imenso de ver como é realmente a atuação do engenheiro em campo, pois através deste projeto pude concluir também a grande importância da pesquisa de custos e recursos antes da elaboração de um projeto.
Sobre o assunto de embasamento deste trabalho posso concluir que uma coisa estudada e aplicada há tanto tempo como o vapor pode ser atual, estudada e usada para melhorias hoje e irá continuar provendo novas utilizações no futuro. Um embasamento cientifico e físico é totalmente necessário para o desenvolvimento de quaisquer que seja o projeto. E no desenvolvimento deste projeto pude observar como os projetos anteriores e realizados ao longo do tempo são fundamentais para o desenvolvimento de melhorias e aprimoramentos, uma vez que os erros cometidos em outros projetos podem ser evitados para projetos novos.
Em parte ao trabalho proposto pela UNIP, posso concluir que este oferece aos alunos uma grande oportunidade de somatória de conhecimento auxiliado a nos fazer ter responsabilidades, realizar desenvolvimento de pesquisar e nos mostrar como é trabalhar com prazos definidos para elaboração de um projeto. Sendo assim concluo mais este APS com sucesso. 
Sigapara conclusão final com as imagens do projeto totalmente realizado:
Figura 56 – Parte traseira, com gaveta de combustível fechada.
Figura 57 – Parte traseira com a gaveta para combustível semiaberta.
Figura 58 – Parte frontal destaque do protetor de corrente confeccionado manualmente.
Figura 59 – Perfil frontal do carrinho.
Figura 60 – Comparação entre projeto final e projeto 3D inicial.
Assim concluo meu trabalho, ressaltando que na imagem anterior as diferenças visuais entre projeto inicial e final são provenientes de alterações realizadas para melhoria do projeto ao decorrer de sua construção, nos demais fatores, tudo funcionou corretamente como esperado pelo embasamento teórico.
Bibliografia
Sites
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AGRADECIMENTO
Gostaria de deixar aqui meu agradecimento em especial ao meu pai Aloisio, por ter me fornecido todo o apoio durante o processo de construção deste projeto. Ele me forneceu informações preciosas e argumentos indispensáveis para dimensionamento do projeto como também me ajudou na manufatura do mesmo. 
Deixo aqui o agradecimento pela ajuda de todos os professores quais se prontificaram a tirarem minhas duvidas e me forneceram conhecimentos importantes para elaboração deste projeto.