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Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia - ICET Engenharia Mecânica Julio Cezar Duarte Silva RA:C66FFG-2 Lucas Rafael Rech RA: B63259-3 Paulo Sérgio da Silva RA:C620FA-6 Thais Carvalho Campos RA: C503AH-0 Vinicio Morales Siolin RA: C63CHF-3 Carro Propulsão à Vapor Campinas SP 5º Semestre 2017 Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia - ICET Engenharia Mecânica Carro Propulsão à Vapor Trabalho de Atividade Prática Supervisionada, apresentado a Universidade Paulista- Swift para obtenção de nota em Engenharia Mecânica, sob a orientação de Prof. : Dr. Cléber Carvalho Pereira Campinas SP 5º Semestre 2017 SUMÁRIO Objetivo do trabalho ................................................................................................................... 3 Pesquisa sobre Propulsão à Vapor ......................................................................................... 4 Descrição e desenvolvimento do projeto ................................................................................ 7 Conclusões .................................................................................................................................. 9 Comentários e sugestões ....................................................................................................... 10 Desenhos ................................................................................................................................... 11 Orçamentos ............................................................................................................................... 13 Bibliografia ................................................................................................................................. 14 3 Objetivo do trabalho O objetivo deste trabalho é projetar e construir um carro que seja tracionado através de um mecanismo de propulsão à vapor pelo sistema de engrenagens. Esse sistema possui um conjunto de peças devidamente projetadas para a formação de um recipiente fechado fazendo com que se adquira a pressão exigida e após o teste será verificado que o calor pode ser utilizado para a realização do trabalho mecânico e com base nos materiais, métodos e cálculos pode-se concluir sua eficiência em velocidade e força. 4 Pesquisa sobre Propulsão à Vapor A Máquina a vapor é o dispositivo inventado para dar propulsão as outras máquinas. Onde se constitui a partir de uma caldeira de vapor, por onde a água passa e aquece se transformando em vapor criando assim a pressão necessária para acionar o conjunto de trabalho. O mesmo foi criado no século XVIII e sua tecnologia continuou sendo utilizada e aperfeiçoada até o início do século XX. Seus princípios básicos de construção foram explorados ainda no século I d.C pelo Greco-egípcio Heron de Alexandria, com sua invenção, a eolípila. Posteriormente no final do século XVII Denis Papin e Thomas Savery desenvolveram os primeiros motores a vapor de uso pratico sendo também de grande interesse industrial. Já em 1712 o inventor Thomas Newconen criou o chamado “motor de Newcomen” sendo o primeiro tipo de motor a vapor a ser amplamente utilizado. O próximo grande avanço foi realizado por James Watt, em 1769, que criou uma máquina com um condensador que minimizava as perdas de calor e que possuía outras finalidades como propulsão de moinhos e tornos, com o movimento de rotação substituindo o de sobe e desce. Walt realizou diversas modificações, que possibilitaram através do motor a vapor a movimentação das primeiras locomotivas, barcos, fábricas, além de fundições e minas de carvão e, assim ajudando a construir a base da revolução industrial. Algumas das principais máquinas com propulsão a vapor ao longo da história: Eolípila: conhecida como Máquina de Heron ou Máquina Térmica de Heron, consiste de uma esfera oca, abastecida por uma bacia com água, que é aquecida com o intuito de produzir vapor, fazendo com que este gere movimento. O dispositivo consiste de uma câmara (normalmente uma esfera ou um cilindro) com tubos curvados, por onde o vapor é expelido. A força resultante faz com que o aparelho gire. Foi criada no século I d.c. por Heron de Alexandria, foi considerada a primeira máquina a vapor documentada. 5 Digestor de Papin: dispositivo que foi desenvolvido pelo físico francês Denis Papin, em 1679. É composto por um cilindro de ferro assente sobre uma base em forma de círculo perfurada na parte superior. O cilindro possui uma pequena entrada frontal para que o combustível seja introduzido. No interior do cilindro de ferro existe outro cilindro conhecido por digestor de Papin que está hermeticamente fechado por uma tampa circular. Este dispositivo tem como objetivo aquecer água a temperaturas acima do seu ponto de ebulição em relação à pressão ambiente. Sendo este dispositivo o antecessor da autoclave e da panela de pressão. Máquina Atmosférica de Newcomen: O aparelho consiste em uma câmara preenchida de vapor a qual é resfriada por água fria, que modifica a pressão atmosférica por causa de uma indução de vácuo. A força gerada pelo vácuo na câmara puxa um dos pistões para baixo enquanto que o outro é puxado para cima, fazendo com que a câmara deste pistão (o que sobe) enche de água e depois que é aquecido, vira novamente vapor e posteriormente se repete o procedimento. Máquina De James Watt: Máquina com diversas similaridades com a de Newcomen, contudo existe uma segunda câmara chamada câmara da condensação, onde se cria o vácuo. Esta modificação se tornou eficaz, pois permitia que o pistão ficasse à mesma temperatura que o vapor, logo não haveria troca de calor entre eles, fazendo com que não houvesse perda de energia. Outra vantagem seria a de resfriamento, pois a câmara de condensação separada poderia ficar em uma temperatura mais baixa, necessitando de um resfriamento menor. Conceito de Potência Potência é o conceito da física que é definido a partir da razão entre trabalho realizado em relação ao tempo decorrido. Chamasse máquina, qualquer sistema capaz de transformar energia. 6 Fórmula de potência: No sistema internacional de unidades: Potencia= Watt (W) / Energia= Joule (J) /Tempo= Segundo (S) O watt (representado pela letra W) é igualmente equivalente a um joule por segundo. Unidade que recebe este nome devido a homenagem feita a James Watt, que ajudou com diversas contribuições para o desenvolvimento do motor a vapor, sendo esta unidade adotada após o segundo congresso da associação britânica para o avanço da ciência em 1889. Antes da revolução industrial, trabalhos de grande esforço, como por exemplo, transporte de cargas, eram feitos por meio de tração animal. Sendo assim, Watt quis indicar a potência de sua criação, demonstrando que era capaz de vir a substituir vários animas com a mesma, assim comparando o desempenho da máquina a vapor com a força bruta de um cavalo, que sendo forte e saudável consegue erguer 73,5 Kg de carga a 1 metro de altura a cada 1s, concluindo assim que aproximadamente 735 W seria igual ao trabalho de um cavalo, criando assim a unidade de nome cavalo-vapor, ou abreviadamente conhecida como cv. Já no sistema inglês é utilizado um valor diferente, mas aproximado com nome de Horse Power, ou HP, sendo que 1 HP= 1,0139 cv. A diferença entre as unidades se dá pelo fator de o HP ser calculado a partir da potência que é necessária para erguer uma carga com 150 libras a uma velocidade de 4pés/s. É também comum que essa unidade seja usada para descrever a potênciado motor de automóveis e em outros aparelhos com motosserras e cortadores de gramas. 7 Descrição e desenvolvimento do projeto Para a realização do projeto, utilizamos a água em temperatura elevada e que após seu estado de ebulição se obtenha vapor, como está em um recipiente fechado, obtém-se a pressão consequentemente fazendo com que gire a engrenagem e movimente o carro. Para que ocorra esse processo, seguimos os seguintes passos: Realizamos pesquisas referentes ao uso de material e acordamos que iriamos utilizar materiais para manter o carro leve e obter uma caldeira resistente. Visamos construir um projeto com estética de carro utilitário, partimos de croqui esboçado a mão para criar a ideia do projeto, com referências utilizamos software 3D para construção do projeto, onde obtivemos as medidas conforme desenho em anexo e conseguimos ter em mãos o que necessitaríamos para a construção do protótipo. Optamos por utilizar chapas de 2 mm de aço 1020 para construção da caldeira onde soldamos um cubo de 100x100x100 milímetros inserimos e fixamos as conexões através de rosca (porca) e soldada na caldeira. 8 Chassi e carenagens foram construídas com chapa galvanizada de 1 milimetro de espessura, realizamos dobras para obter o formato desejado e a fixação das laterais foram feitas através de rebite POP. O eixo foi usinado com roscas nas extremidades para que possamos fixar as rodas usinadas em alumínio, assim comportando o rolamento com diâmetro interno de 12 milímetros. A Propulsão do carro foi feita através de uma ventoinha onde acoplamos ao eixo usinado, e direcionamos o fluxo de vapor através de um tubo de cobre ligado a uma válvula esfera fixada na caldeira. Para que quando obtivermos a pressão solicitada (2 bar) liberamos o fluxo do vapor pressurizado fazendo com que gire a ventoinha e consequentemente o eixo fazendo o carro se movimentar longitudinalmente. 9 Conclusões Com a finalização das pesquisas e demais atividades, podemos concluir que o trabalho APS/2017 é de grande importância para o nosso aprendizado, visto que junto com as aulas em sala, nos agrega o conhecimento e a vontade de superar os desafios de nossa vida acadêmica e do futuro no mercado de trabalho. Com os desafios do APS conhecemos a importância dos primeiros experimentos para o desenvolvimento dos motores, e como os conceitos termodinâmicos atuam e são importantes em nosso dia a dia. Os conceitos aprendidos nos tornam capazes de desenvolver e produzir um carro a vapor, e com isso podemos observar na pratica a aplicação de nosso aprendizado. Motores a vapor são maquinas que utilizam energia térmica (vapor de água) para transformar em energia mecânica, aproveitado por pistões engrenagens ou mesmo a propulsão e transformando assim e movimento através de rotação ou mesmo por impulso. 10 Comentários e sugestões Este projeto nos exigiu uma série de pesquisas, para podermos elabora-lo conforme as normas estabelecidas, alguns aspectos devido a sua complexidade tiveram que ser estudados mais profundamente, como a caldeira, que é o fator primordial para o carro a vapor, é nela que será produzida toda energia necessária para a realização do trabalho do próprio, caso necessite gerar mais energia poderíamos incluir uma buffer, que nada mais é que um reservatório adicional, onde o vapor de agua seria enviado e mantido sobre pressão, tendo assim uma maior quantidade do mesmo para a movimentação da turbina. 11 Desenhos 12 13 Orçamentos Ao realizarmos o orçamento, focamos sempre priorizar o fator ecológico e custo/benefício, para que fosse desenvolvido um protótipo de qualidade e eficiência com um orçamento relativamente baixo. Após diversas pesquisas de materiais obtivemos a seguinte lista: Qtd. Material Descrição do material Valor 1 Manômetro Manômetro steula horizontal 180 psi R$ 25,00 1 Ventoinha Ventoinha de aço 1020 R$ 0,00 1 Chapa de alumínio Chapa Galvanizada 650x400mm e 1mm de espessura R$ 7,60 1 Mangueira Tubo de cobre 1/4 1m R$ 10,00 4 Rolamento Diâmetro interno 12mm R$ 0,00 1 Válvula Válvula esfera ¼ x ¼ fêmea rosca interna 2 vias aço inox R$ 35,00 1 Válvula de segurança Pressão de trabalho: 10 à 40 psi R$ 13,00 1 Conector Conector Macho Engate Rápido Rosca 1/4 Mangueira 1/4 R$ 10,00 1 Chapa de aço Chapa de aço 1020 60x60 cm e 2mm de espessura R$ 0,00 4 Rodas Rodas usinadas 60mm de diâmetro R$ 0,00 TOTAL R$100,60 Após a cotação do material necessário, concluímos que algumas peças do protótipo poderiam ser desenvolvidas pela própria equipe de acordo com a especialização de cada integrante, com o objetivo de reduzir o custo e também garantir uma qualidade própria. Além da compra dos materiais houve outros gastos necessários, tais como mão de obra de terceiros (soldagem, por exemplo), e ajustes, totalizando um gasto em aproximadamente R$180,00. 14 Bibliografia http://www.infoescola.com/termodinamica/motor-a-vapor/ http://www.museudantu.org.br/QEClassica.htm http://www.museudantu.org.br/moderna6.htm http://professorandrios.blogspot.com.br/2011_08_01_archive.html http://engenhaanhanguera.blogspot.com.br/2012_06_01_archive.html http://www.corel.ind.br/resistencia_tubular_aplicacoes_diversas.php http://www.eurotechniker.com.br/tanques-de-pressao-em-aluminio/tanque-de- pressao-pc-19r- 1-litro.html http://pt.aliexpress.com/store/group/tank-tank-cover/615295_253954438.html http://www.salvatore-espresso.com/comparenew.html http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A2mica http://fisicaequimica2011.blogspot.com.br/2011/02/revisoes-fisica-10-ano.html http://www.madeira.ufpr.br/disciplinasalan/AT101-Aula05.pdf http://www.industrialconsult.com.br/vapor.pdf http://www.infoescola.com/termodinamica/motor-a-vapor/ http://www.museudantu.org.br/moderna6.htm http://professorandrios.blogspot.com.br/2011_08_01_archive.html http://engenhaanhanguera.blogspot.com.br/2012_06_01_archive.html http://pt.aliexpress.com/store/group/tank-tank-cover/615295_253954438.html http://www.salvatore-espresso.com/comparenew.html http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A2mica http://fisicaequimica2011.blogspot.com.br/2011/02/revisoes-fisica-10-ano.html http://www.madeira.ufpr.br/disciplinasalan/AT101-Aula05.pdf http://www.industrialconsult.com.br/vapor.pdf
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