APS-CARRO A GAS

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UNIVERSIDADE PAULISTA UNIP
ENGENHARIA CICLO BÁSICO
AT IVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS
(CARRO COM PROPULSÃO Á VAPOR)
RIBEIRÃO PRETO
MAIO/2019
CARRO DE PROPULSÃO Á VAPOR
RIBEIRÃO PRETO
MAIO/2019
SUMÁ R IO 
1. Introdução										4 
2. História das maquinas a vapor							4 
3. Tipos de maquinas a vapor								6 
4. Estudo para desenvolvimento do motor a jato 					7 
5. Motor turbo jato 										7 
6. Cálculos utilizados para desenvolvimento do protótipo 				9 
7. materiais utilizados no protótipo							10 
8. Conclusão 										11 
9. Bibliografia										12 
1. INTRODUÇÃO 
O Relatório a seguir tem por finalizadade apresentar de forma objetiva e clara a confecção de um protótipo de carro a vapor utilizando princípios explanados e sala de aula, mais antes de darmos seguimento as informações técnicas em si faremos a uma viagem no tempo no inicio dos estudos das maquinas a vapor.
2. HISTORIA DAS MAQUINAS A VÁPOR
A primeira referência da máquina a vapor é encontrada no período helenístico. Em seguida, falamos sobre experimentos para aproveitar a expansão dos compostos devido à mudança da fase líquida para a fase de gás (vapor): em particular, a célula de Aeolus da garça real. É uma esfera de metal oca cheia de água, com os braços tangentes ao orifício de saída: quando a água é aquecida, vaporiza e o vapor de água que sai dos buracos, girando a própria bola.
Você também deve se lembrar das tentativas de usar o vaporde Leonardo da Vinci com seu carro chamado Architano. Em 1606, os experimentos de Giovanni Battista della Porta conseguiram usá-lo como força motriz. O engenheiro de Salomon de Caus também realizou experimentos com motores a vapor semelhantes aos da Della Porta. Em 1615, Alomon Caus publicou um tratado sobre o seu sistema contendo uma bomba de vapor.
Nos últimos tempos, as primeiras aplicações de vapor podem ser rastreadas até os experimentos de Denis Papin e sua panela de pressão de 1679. Nessa experiência, ele passou a conceber idéias sobre como desenvolver o uso do vapor.
Origem da primeira máquina a vapor
Os experimentos subsequentes ocorreram no início do século 18, especialmente para o bombeamento de água das minas. O bomebo da água foi feito pelo sistema desenvolvido em 1698 por Thomas Savery usando o vácuo criado pela condensação do vapor introduzido em um recipiente. Com este experimento foi possível elevar a água para aproximadamente 10 m de altura. Além disso, graças à invenção do sistema cilindro-pistão (provavelmente devido a Denis Papin), foi possível converter a energia do vapor em movimento mecânico. Desta forma, obteve-se um trabalho mecânico e, portanto, a primeira máquina a vapor.
Primeiras aplicações industriais da máquina a vapor
O primeiro exemplo de aplicação industrial deste conceito é o motor a vapor Newcomen, 1705. A máquina Newcomen era grande, mas não muito poderosa e dispendiosa. Eu só consegui fazer um movimento de ida e volta. Por esta razão, é usado para extrair água de minas.
Inicialmente, a máquina a vapor funcionava a baixa pressão, ou seja, o vapor era usado imediatamente. Tal qual deixou a caldeira para o cilindro. Essas máquinas a vapor eram enormes em comparação com a energia fornecida. Para instalação em veículos autopropulsados, portanto, um design de motor a vapor menor e mais leve era necessário para a mesma potência.
Este problema levou à criação de máquinas a vapor de alta pressão. Nas máquinas a vapor de alta pressão, a pressão se acumula no interior da caldeira em vez de expulsar o vapor de água no cilindro à medida que ocorre. Este objetivo foi alcançado mais tarde, graças à invenção do capacitor externo. No condensador externo, a distribuição das gavetas e do mecanismo da manivela (o que lhe permite criar um movimento de rotação em vez de simplesmente como uma alternativa até então) permitiu passar de aplicações esporádicas a um uso geral no transporte e na indústria Os méritos de tal evento são atribuídos a James Watt em 1765.
A invenção da Watt permitiu reduzir o custo da máquina a vapor, reduzir seu tamanho, reduzir o consumo de energia e aumentar a potência disponível. Do primeiro modelo com 4,4 kW de potência, locomotivas de 0,4 MW passaram em menos de 20 anos.
A máquina a vapor na indústria
A máquina a vapor, permitiu ter um poder maior do que poderia ser obtido com os recursos disponíveis até então. Por exemplo, um cavalo correndo pode produzir 8 kW para distâncias curtas, mas para funcionar um dia não pode produzir mais de 0,7 kW). Essa evolução tem desempenhado um papel fundamental na revolução industrial.
O desenvolvimento da máquina a vapor facilitou a extração e o transporte de carvão. A redução dos custos da exploração do carvão contribui para reduzir os custos do uso da máquina a vapor. A segunda aplicação da máquina a vapor foi para mover o fole em fundições em 1776, enquanto em 1787 também era usado para girar roupas de algodão.
3. TIPOS DE MAQUINAS A VAPOR
Os motores a vaporsão dispositivos mecânicos capazes de transformar a energia térmica em energia mecânicaem um eixo rotativo. Esta energia térmicaaproveita a energia contida no vaporde água a alta pressão e temperatura.
Consideramos as máquinas a vapor todas aquelas máquinas que transformam a energia térmica de um fluido em energia mecânica. Em geral, o fluido deve ser pré-aquecido e, na saída da máquina a vapor, deve ser arrefecido para repetir o processo.
As máquinas a vapor podem ser classificadas nesses dois tipos:
Motor a vapor do êmbolo
Turbine steam engine
Motor a vapor de êmbolo
As máquinas de vapor de pistão são as primeiras máquinas a vapor que foram desenvolvidas usando um pistão ou pistãoacoplado a um mecanismo do tipo virabrequim do pistão-haste. Este mecanismo foi aplicado ao vapor a alta pressão e temperatura sincronizada com um conjunto de válvulas para obter uma energia cinética e, portanto, um movimento mecânico.
O vapor de água é gerado em um gerador de vapor, como uma caldeira. O vapor é introduzido em uma câmara onde há uma válvula de controle. Esta válvula de controle é accionada de forma sincronizada por um mecanismo acoplado ao cambotada máquina. O movimento de deslocamento da válvula de controle faz com que a câmara de entrada, onde o vapor de alimentação, se comunique alternadamente com a parte superior ou inferior do pistão. O vapor empurra o êmbolo em ambas as direções para girar o virabrequim. Ao mesmo tempo, esta válvula de controle estabelece a comunicação do lado oposto do êmbolo, até a conduta de saída para liberar o vapor frio e a baixa pressão inútil. A temperatura e pressão do vapor de saída não são suficientemente altas para continuar a usar sua energia neste tipo de máquina.
Esta máquina de vapor elementar é muito ineficiente. O vapor descarregado para o exterior ainda está quente e sob pressãosuficiente para fazer um trabalho mais útil. Para melhorar a eficiência deste tipo de máquina a vapor, são utilizadas máquinas de vários estágios. Em máquinas de fase de vários estágios de eliminação de vapor é introduzida na outra com um maior para obter êmbolo mais ainda energia contendo
.
O vapor de um estágio é introduzido no seguinte para conduzir um pistão cada vez maior. Desta forma, a energia da saída final de vapor foi maximizada.
Este aumento no tamanho do pistão é necessário para que cada etapa do motor a vapor possa fornecer aproximadamente a mesma força motriz. Devemos considerar que cada vez que o vapor tem menos pressão. Aumentar o tamanho do êmbolo aumenta sua superfície. De acordo com as leis da física, a força de empurrar é o produto da pressão, pela área do pistão.
Dentro das máquinas de pistão destacamos os seguintes tipos:
Motor a vapor de expansão múltipla
O motor a vapor de expansão múltipla é outro tipo de motor a vapor. Este motor usa vários cilindros de ação simples. Cada cilindro tem um diâmetro emovimento maiores do que o anterior.
Com o vapor de alta pressão da caldeira, o primeiro pistão é accionado, o pistão com menor diâmetro para baixo.
No movimento ascendente do primeiro pistão, o vapor parcialmente expandido é conduzido para um segundo cilindroque está começando seu movimento para baixo.
A redução do segundo pistão gera uma expansão adicional da pressão relativamente alta liberada na primeira câmara.
Além disso, a câmara intermediária descarrega para a câmara final, que por sua vez é liberada para um condensador. Uma modificação deste tipo de motor incorpora dois pistõesmenores na última câmara.
As características deste tipo de máquina a vapor tornaram-no um motor ideal para uso em navios de vapor. A vantagem era que o condensador, recuperando um pouco do poder, converti o vapor de volta na água que poderia ser reutilizado na caldeira.
As máquinas a vapor terrestres, esta vantagem não era tão importante. As máquinas terrestres podiam esgotar grande parte do seu vapor e ser preenchidas com uma torre de água doce, mas no mar não era uma dificuldade adicional.
Antes e durante a Segunda Guerra Mundial, o motor de expansão foi usado em veículos marítimos que não precisavam ir em alta velocidade. No entanto, quando era necessária mais velocidade, foi substituída pela turbina a vapor.
Motor de fluxo uniforme ou uniforme
Outro tipo de máquina de pistão é o motor de fluxo uniforme ou uniforme. Este tipo de motor usa vapor que só flui em uma direção em cada metade do cilindro.
A eficiência térmica desta máquina a vapor é conseguida com um gradiente de temperatura ao longo do cilindro. O vapor entra sempre pelas extremidades quentes do cilindro e sai através das aberturas no centro do refrigerador.
Desta forma, o aquecimento relativo e o arrefecimento das paredes do cilindro são reduzidos.
Em máquinas a vapor uniformes, a entrada de vapor geralmente é controlada por válvulas de haste que são conduzidas por um eixo de cames. As válvulas de haste funcionam de forma semelhante às utilizadas nos motores de combustão interna.
As válvulas de entrada são abertas para admitir vapor quando o volume de expansão mínimo é atingido no início do movimento.
Em certo momento do retorno da manivela, o vapor entra e a entrada da tampa é fechada, permitindo a expansão contínua do vapor. A entrada de vapor permite que o pistão seja operado, transmitindo uma certa energia cinética.
No final do movimento, o pistão descobrirá um anel de orifícios de escape ao redor do centro do cilindro. Esses orifícios estão conectados ao condensador. Esta ação diminuirá a pressão na câmara causando uma liberação rápida. A rotação contínua da manivela é o que move o pistão.
Turbina a vapor
As máquinas de vapor de turbina são o próximo passo evolutivo para máquinas de pistão.
As antigas máquinas a vapor deram lugar às turbinas. As turbinas a vapor Turbine melhoram a sua durabilidade, segurança, simplicidade relativa e são mais eficientes. Na turbina, um jato de vapor de água em alta pressão e temperatura. Este jato de vapor é adequadamente influenciado em uma hélice com lâminas com uma determinada seção. Durante a passagem do vapor entre as lâminas da hélice, esta expande e esfria a entrega da energia e empurre as lâminas para girar a hélice colocada no eixo de saída da turbina.
As turbinas de vapor de alta potência usam uma série de discos rotativos que contêm um tipo de lâminas de hélice na sua borda externa. Estes discos móveis ou rotores alternam com anéis estacionários ou estatores, fixados na estrutura da turbina para redirecionar o fluxo de vapor.
Com este mecanismo é obtida uma velocidade de rotação muito alta. Devido à alta velocidade, as turbinas estão normalmente conectadas ao redutor para converter a energia cinética em potência. O redutor está conectado a outro mecanismo, como a hélice de um navio.
As turbinas de vapor requerem menos manutenção e são mais duráveis do que as máquinas de pistão. As forças de rotação que produzem são mais suaves no seu eixo de saída, o que contribui para menos desgaste e menos manutenção.
O uso principal de turbinas a vapor está nas estações de geração de eletricidade. Neste tipo de aplicação, sua alta velocidade de operação é uma vantagem e seu volume relativo não é uma desvantagem. Tanto no campo das usinas termelétricas quanto na energia nuclear, esse tipo de motor a vapor é usado. Praticamente todas as usinas de energia nuclear geram eletricidade, aquecendo a água e alimentando turbinas a vapor.
Outra aplicação de turbinas a vapor é a unidade de grandes navios e submarinos.
5. CONCEITOS APLICADOS
	5.1 Tabelas termodinâmicas
As tabelas termodinâmicas tem papel fundamental para obtenção de dados específicos referentes as condições do vapor saturado em certas condições de pressão e temperatura;
Conforme listado em edital da unip, a pressão máxima aplicada ao protótipo foi de 3 bar, entretanto sabemos que a unidade oficial de pressão no sistema internacional é Pascal , toda via realizando a conversão abaixo obtemos valores pouco pratico para trabalho.
Sendo assim utilizamos o kgf/cm2 pois esta unidade mesmo não sendo uma medida de pressão oficial no SI utiliza unidades métricas em sua composição;
Ffazendo os cálculos obtemos os seguintes valores:
Após as conversões podemos obter na tabela termodinâmica dos seguintes valores abaixo:
	5.2 Rendimento
Podemos definir genericamente rendimento como a diferença entre o valor teórico e o valor real de uma Maquina;
Nas maquinas térmicas este principio se aplica de acordo com a seguinte formulação matemática:
Onde:
 Rendimento = Quantidade de calor fornecida pela fonte de aquecimento
 = Quantidade de calor não transformada em trabalho
O mínimo de que uma máquina pode obter é 0 ou seja está maquina não realiza nenhum trabalho e o máximo teórico é 1 ou 100%, entretanto devemos salientar que este rendimento é impossível pois as máquinas térmicas obedecem a Primeira Lei da Termodinâmica, portanto parte da energia na forma de calor (Q) que recebem, é transformada em trabalho (T). Esta é a parte de energia útil. A outra parte é transformada em variação de energia interna, ∆U, esta parte representa a quantidade de energia degradada ou não aproveitada, de modo que: Q = T + ∆U.
Portanto, a soma do trabalho realizado pela máquina com o aumento da energia interna deve ser igual à quantidade de energia que lhe foi fornecida. 
6. Calculo de rendimento de uma maquina térmica
A principal forma de avaliarmos o rendimento de uma maquina térmica é mensurarmos a sua capacidade em transformar o calor recebido pela fonte em trabalho, lembrando que:
Entretanto para tal, se faz necessário o conhecimento de algumas variáveis que explanaremos abaixo
6.1 Perdas de calor em uma maquina termica 
As perdas de calor em uma maquina térmica podem ser definidas em tres tipos;
Perda ocasionais decorrentes de má operação
Como o próprio titulo já diz, estas perda em geral são ocasionadas por imperícia, ou seja, utiliza-lá fora de sua concepção original ou desrespeitando algum ponto estebelecido no projeto do operador bem como a ausência de ciclos de manutenção bem estabelecidos ou algum outro descumprimento da norma NBR-12.177 que normatiza a utilização, instalação e demais parâmetros da maquinas térmicas, ou seja, utiliza-lá fora de sua concepção original ou desrespeitando algum ponto estebelecido no projeto.
Perdas ocasionadas por erro no projeto
São perda que podem ser decorridas de algum erro na concepção do projeto e deve ser sanadas o mais brevemente possível, lembrando que é responsabilidade do engenheiro se atentar a todos os parâmetros e variáveis existentes; ou algum erro na fase de construção da maquina (EX:. Mecânico de usinagem, não seguiu as instruções de forma correta ou falhas na fase de incersão da malha de isolamento)
Perdas normais
Está são perda inseparáveis das maquinas térmicas, e são pré-fixadas em projetos, são elas: Combustão incompleta, Cinzas, Irradiação em geral, Variação de cargae etc...
Termográfica de uma turbina a vapor
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8. BIBLIOGRAFIA
https://pt.demotor.net/maquina-a-vapor/historia
https://pt.demotor.net/maquina-a-vapor/tipos
https://en.wikipedia.org/wiki/Kilogram-force_per_square_centimetre
https://pt.wikipedia.org/wiki/Unidades_de_pressão#Sistema_internacional_de_unidades
https://pt.wikipedia.org/wiki/Nicolas_Léonard_Sadi_Carnot
http://www.if.ufrgs.br/cref/leila/maquina.htm
http://www.eletroservice.com/servico_termografia.php
Diagrama esquemático mostrando a operação de um turbojato 4