Carro movido a ar comprimido

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Universidade Paulista
Atividades Práticas Supervisionadas (APS)
Goiânia-Goiás
2014
Universidade Paulista 
Carro movido a propulsão de jato de ar comprimido
 
		Nome: 
Francisco Netto ( B7276G-4 )
Hugo Brenno ( B73EFD-0 )
Vithoria Thaynara ( B76363-9 )
Claudio Henrique ( B71540-5 )
Marcos Vinicius ( B71549-9 )
Rebeca Rassi ( B78068-1 )
Barbara Gonçalves ( B72929-5 )
Dimas Caetano ( B73JEG-9 )
João Henrique ( B733EE-7 )
Rafael Silveira ( T11373-3 )
Goiânia-Goiás
2014
Sumário
Introdução................................................................................................................ 4
Pesquisa sobre propulsão....................................................................................... 5
Objetivos do trabalho.............................................................................................. 10
Passos para a construção do carro movido a propulsão de jato de ar comprimido 
Material Utilizado............................................................................................ 11
4.2.Passo a passo da construção ( Ilustrações da construção )........................... 12
Demonstração dos Cálculos.................................................................................. 19
Custos.................................................................................................................... 22
Conclusões............................................................................................................ 23
Referências Bibliográficas..................................................................................... 24
Nota de trabalho( Apresentação ) ........................................................................ 25
1. Introdução
 O motor a jato, também conhecido como motor a reação ou apenas como reator, é um motor que libera um jato rápido de algum fluido para gerar uma força de impulso, de acordo com a Terceira Lei de Newton. Em geral, o termo refere-se a uma turbina a gás que libera um jato em alta velocidade, gerando empuxo e, com isto, gerando força propulsora para diversos usos.
 A Terceira Lei de Newton ou Princípio de Ação e Reação diz que toda força é resultado da interação física de dois corpos distintos, ou mesmo partes distintas de um mesmo corpo. Ou seja, quando um corpo A aplica uma força sobre um corpo B, recebe deste uma força de mesma intensidade e mesma direção, porém de sentido contrário. 
 Os motores a jato surgiram no primeiro século de depois de Cristo apenas como uma curiosidade através da invenção do eolípila de Heron de Alexandria que acabou por não ser reconhecida. Ele usava vapor direcionado de dois tubos com o intuito de movimentar uma esfera em seu próprio eixo. 
 A propulsão a jato passou a ser levada a sério com a invenção do foguete pelos chineses no século XI. Inicialmente foram utilizados nos fogos de artifício, e com o passar do tempo nos armamentos de grande efeito moral. Neste ponto a tecnologia estagnou-se por séculos.
2. Pesquisa sobre Propulsão à Jato
 Devido a corrida armamentistana segunda guerra mundial, houve uma busca desenfreada pelo melhor sistema de propulsão a jato, já que os motores a foguete eram ineficientes para serem usados na aviação. 
 Em seu lugar, por volta dos anos da década de 1930, o motor a combustão interna em suas diversas formas (rotativos, radiais, ar-refrigerados e refrigerados a água em linha) eram os únicos tipos de motores viáveis para o desenvolvimento de aviões. Esses motores eram aceitáveis em vista das baixas necessidades de performance então exigidas, dado o menor desenvolvimento dos meios técnicos.
 Entretanto, os engenheiros estavam já a prever, conceitualmente, que o motor a pistão era auto-limitado em termos de performance; o limite era e é dado essencialmente pela eficiência da hélice. Isto se dá quando as lâminas da hélice aproximam-se da velocidade do som. Se a performance do motor, assim como a do avião, aumentasse sempre, mesmo com essa barreira, ainda assim haveria a necessidade de se melhorar radicalmente o desenho do motor a pistão ou um tipo completamente novo de motor teria que ser desenvolvido.
Termojato
Amarelo: motor, Verde: compressor,
Laranja: câmara de combustão,
Vermelho: duto de saída
Esta é a motivação que está por trás do desenvolvimento da turbina a gás, comumente chamada apenas por "motor a jato", a qual poderia ser quase tão
revolucionária para a aviação quanto o primeiro vôo de Santos Dumont.
Turbojato
 Um motor turbojato é um tipo de motor de combustão interna normalmente usado para impulsionaraviões. O ar é sugado por um compressor rotativo e é comprimido, em sucessivos estágios para maiores pressões antes de passar pela câmara de combustão. O combustível é misturado ao ar comprimido e é queimado na câmara de combustão com o auxílio de ignitores. O processo de combustão eleva significativamente a temperatura do gás, fazendo com que os gases expelidos expandam-se através daturbina, na qual a força é extraída para movimentar o compressor. Embora este processo da expansão reduza a temperatura e a pressão do gás na saída da turbina, ambas estão ainda muito acima das condições naturais. O gás de em expansão sai da turbina através dos bocais de saída do motor, produzindo um jato de alta velocidade. Se a velocidade do jato exceder a velocidade de vôo do avião, existirá uma pressão de aceleração sobre a fuselagem.
 Sob condições normais, a ação bombeadora do compressor impede a existência de qualquer contra-fluxo, facilitando o fluxo contínuo do motor. O processo inteiro é similar ao motor de quatro tempos, mas a admissão, compressão, explosão e exaustão se dão ao mesmo tempo em diferentes seções do motor. A eficiência mecânica do motor dependerá fortemente da razão de compressão (pressão de combustão/pressão de entrada) e da temperatura da turbina no ciclo.
 A comparação entre motores a jato e motores a hélice é instrutiva. Um turbojato acelera intensivamente uma pequena quantidade de ar, enquanto um motor a hélice move uma relativamente grande quantidade de ar a uma velocidade significativamente menor. Os gases de exaustão rápidos de um motor a jato os fazem mais eficientes em altas velocidades, especialmente em velocidades supersônicas e em grandes altitudes. Em aviões mais lentos, requeridos para vôos curtos, um avião equipado com uma turbina a gás que move uma hélice, comumente conhecido como turbo-hélice, é mais comum e muito mais eficiente. Aviões muito pequenos normalmente usam motores convencionais, a pistão, para mover a hélice, mas motores turbo-hélice pequenos estão ainda menores com o surgimento de melhorias na engenharia.
 O turbojato descrito acima é um turbo jato de eixo simples, no qual um único eixo conecta a turbina ao compressor. Projetos que atingem altas pressões possuem dois eixos concêntricos, que melhoram a estabilidade durante a aceleração do motor. O eixo de alta pressão externo liga-se ao eixo da turbina. Este, com o pós-combustor, formam o núcleo ou gerador de gás da turbina. O eixo interno conecta-se ao compressor de baixa pressão da turbina. Ambos ficam livres para operar em velocidades ótimas.
Turbofan
 Grande parte dos aviões comerciais atuais são equipados com motores turbofans, nos quais um compressor de baixa pressão age como um ventilador, levando ar não apenas para o centro do motor, mas também para um duto secundário. 
 O fluxo de ar secundário passar por um "bocal frio" ou é misturado com gases de exaustão à baixa pressão da turbina antes de se expandir com os gases do fluxo principal. Quarenta anos atrás havia pouca diferença entre motores a jato civis e militares, aparte o uso de pós-combustores em algumas aplicações(supersônicas).
 Turbofans de uso civil dos dias atuais possuem um baixo empuxo específico (empuxo líquido dividido pelo fluxo de ar) para manter o barulho do jato a um mínimo aumentar a eficiência do de combustível. Conseqüentemente a relação de permeabilidade (fluxo de ar secundário dividido pelo fluxo do núcleo) é relativamente alta (relações de 4:1 a 8:1 são comuns. Um único ventilador é necessário, dado que o baixo empuxo específico implica uma baixa pressão do ventilador.
 Os turbofans atuais, no entanto, tem um empuxo específico relativamente alto, para maximizar o empuxo para uma dada àrea frontal, e o barulho sendo uma pequena conseqüência. 
 Os fans multi-estágio são requeridos normalmente para alcançar um índice de pressão do fan relativamente alto necessário para um empuxo específico. Apesar de altas temperaturas na entrada da turbina são freqüentemente empregadas, o índice de passagem de ar secundário (bypass) tende a ser baixo (normalmente significativamente inferior a 2.0).
2.1 Motor a Jato
O motor a jato é um motor feito para empurrar, usando a terceira lei de Newton. A ação de forçar massa em forma de gases quentes para uma direção gera uma força em sentido contrário.
 Todas as peças que estão dentro do motor a jato têm a finalidade de captar o ar e expulsá-lo com a maior velocidade possível.
Todos os motores a jato e turbinas a gás são motores de calor que convertem energia térmica em trabalho útil. O trabalho pode ser útil na forma de energia mecânica, a partir de um eixo que pode ser usado para acionar uma hélice, um veículo, uma bomba, um gerado elétrico, ou qualquer outro dispositivo mecânico.
3. Objetivo do Trabalho 
Foi proposta a turma de engenharia civil da Universidade Paulista o desafio de construir um carro movido com propulsão a jato de ar que fosse capaz de percorrer um trajeto de 15m com uma carga de 2 kg por uma pista de dimensão pré-estabelecida e como uma pressão de 4 bar.
4. Passos para a construção do carro movido a propulsão de jato de ar comprimido
4.1. Material Utilizado
Compensado ( para chassi )
 4 Conexões pneumáticas em Cruz ( + )
3 Conexões pneumáticas em Y 
 3m Mangueira pneumática 6 mm 
12 Garrafas PET
Veda Calha
Fita isolante
 4 Rodas de Tecnil
Spray ( Laranja e branco )
Fita crepe
1 Bicos de engate rápido
1 Calibrador de pressão 
1 Válvula de controle de fluxo de saída de ar
4.2. Passo a passo da construção( Ilustração da construção )
5. Demonstração do Cálculo 
Peso do carro: 850,0 g
P inicial = 5,3430 x 10^5
P final = 1,75731 x 10^5
T final = 216, 9975 K
S2 – S1 = Cp ln T2 / T1 – R ln P2 / P1
9,31449 / 29,97 ln 1,75771 / 5,3432 = 1,005 ln T2 / 299
T2 = 216,92 OK
v = RT / MP = 9314,49 x 216,92 / 29,97 x 1,75731 x 10^5 = 3,5427 x 10^-1
M final = V / v = 24 x 10^-3 / 3,5427 x 10^-1 = 6,7744 x 10^-2 hj
F = M dv/dt = m V^n-1 – V^n / ∆t
F ∆t / M + V^n = V^n+1
P inicial = 4,5 hjf / cm² (   )  P atm = 700 mmHg
P inicial = 5,3430 x 10^5 Pa
T inicial = 299 K
T0 = 299K
∆g = π / 4 (2,0 x 10^-3)² = 3,1416 x 10^-6 m²
Condição de Blocagem
P gerg = 9,3296 x 10^4 Pa = P atm
Relações isoentrípicas        P / P0 = (1 + R-1/2 Me²)^-R/R-1
R er = 1,4
9,3296 x 10^4 / P0 = (1+0,2 + 1²)^-3,5
P0 = 1,7660 x 10^5
P inter >= 1,7660 x 10^5  o  escoamento está blocado
P eve  P >= 1,7660 x 10^5   P/ P0 = 0,52929
P0   ->     P = 0,52929 P0
T / T0 = (1 + R-1/2 Me²)^-1  Se  Me = 1
T / T0 = 0,9333
Velocidade do som   
C = (1,4 * 9314,49 / 29,97 * 0,9333 T0)^1/2 = (3,3492 X 10² T0)^1/2
Vezes em massa no bocal
M = ρ∆C = 29,97 x 0,52929 Pa / 9314,49 x 0,93333 T0 x 3,1416 x 10^-6 x (3,3492 x                                   10² T0)^1/2 =1,2699 x 10^-7 Pa / T0^1/2 =1,2699 x 10^-7 P inter / T0 ^1/2
Chut P inter
Calculo M
Calculo M∆t
Verificação da P inter
Queda da pressão de estagnação ou “perda de carga”.
(Escoamento incompressível nas tubulações)
= 0,5 x ½ x ρ V²1 + f x L/d x ρ V²/2 + ½ x ρ V²1 + ½ x ρ V²1
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
= (0,5 + 0,02 x 0,20/0,005 + 1+ 1) x ½ ρ V²1
= 3,3 x ½ x ρ V²1 = 1,65 x ρ V²1
P interna = P tanque – 1,65 x ρ V²1
Tanque
M1 – M2 = msel
M1 – M2 = m∆t
m2 = M1 - m∆t
Calculo M2
Calculo v2 = V/Mz
RT2 / MP2 = V/Mz            Redução ente T2 e P2     --->        B
Processo isoentrópico no tanque
P1v1^R = P2v2^R
P2 = P1v1^R / v2^R     --->      A
Calculo P2 com A
Calculo T2 com B
Totalmente subsônico
P interna , 1,766 x 10^5 Pa
P garganta = Patm = 9,3296 x 10^4 Pa
adoto P interna
(chut )
P / P interna = (1 + R-1/2 x Me²)^-r/r-1
1+r-1/2 x Me² = (P/P interna)^-1/3,5
Me² = 2 / r-1 [(P / P interna)^-1/3,5 – 1]
Me² = 2 / 0,4 [(P / P interna)^-0,29571 – 1]
Me² = [5[(P / P interna)^-0,29571 – 1]]^1/2
T / T0 = [1 + 0,2 Me²]^-1
C = (rRt) = (1,4 * 9314,49 / 29?? x T)^1/2
Válvula garganta = M ec
ρg = MP / RT = 9314,49 x 9,3296 x 10^4 / 9314,49 x T
6. Custos
Compensado ( para chassi ) R$ 20,00
Kit completo R$ 215,00 
4 Conexões pneumáticas em Cruz ( + ) 
3 Conexões pneumáticas em Y 
3m Mangueira pneumática 6 mm
1 Bicos de engate rápido
1 Calibrador de pressão 
1 Válvula de controle de fluxo de saída de ar
12 Garrafas PET R$ 24,00
Veda Calha R$ 18,00
Fita isolante R$ 3,00
 4 Rodas de Tecnil R$ 20,00
Spray ( Laranja e branco ) R$ 32,00
Fita crepe R$ 4,00
Total: R$ 336,00 reais
7. Conclusões
 O grupo pode concluir no projeto que é possível o carrinho percorrer a distância estabelecida com a pressão de quatro bars, a quantidade de garrafas é relativa a distância que se deseja percorrer, ou seja, quanto mais garrafas pressurizadas, maior o volume de ar e maior a Energia Potencial armazenada no sistema, fazendo com que o carrinho percorra uma maior distância. 
 Percebemos também que a vazão do ar pode ser controlada através de uma válvula reguladora de fluxo assim evitando o desperdício de ar. Nas mangueiras e conexões não ocorreu perca de ar relevante, portando concluímos que as mesmas estavam vedadas corretamente, já nas rodinhas concluímos que quanto melhor as qualidades dos rolamentos, menores atritam as rodinhas exercem sobre o solo, resultando em um melhor desempenho do veículo a jato.
8. Referências Bibliográficas
http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_rea%C3%A7%C3%A3o
http://www.lcp.inpe.br/Plone/LCP/linhas-de-pesquisa/propulsao-1/propulsao 
http://bombarco.com.br/materias/exibir/o-que-e-o-sistema-de-propulsao-a-jato 
http://www.trabalhosfeitos.com/topicos/carro-em-pet-e-ar-comprimido/0