PRODUÇÃO TEXTUAL INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG PRODUÇÃO TEXTUAL. Engenharia Mecânica INTERDISCIPLINAR EM GRUPO PTG. CURSO: Engenharia Mecânica

CURSO: Engenharia Mecânica

EM GRUPO – PTG

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Curso: Engenharia Mecânica Semestre: 5º / 6º Disciplinas:  Dinâmica de Corpos Rígidos;

 Eletrotécnica Geral;  Mecânica dos Fluidos;

 Fundição e Processos Siderúrgicos;  Metrologia e Controle Geométrico.

Professores  Eduardo Ferracin Moreira;

 Katielly Tavares dos Santos;  Rafael Misael Vedovatte;  Renato Kazuo Miyamoto;  Rennan Otavio Kanashiro.

Competências:  Aplicar os conceitos de fundição e processos siderúrgicos no

desenvolvimento de um novo produto.

 Aplicar os conhecimentos de mecânica geral sobre corpos rígidos em problemas realistas de engenharia.

 Aplicar os conhecimentos adquiridos em eletrotécnica geral para análise e resolução de problemas eletrotécnicos.

 Aplicar conceitos de mecânica de fluidos, mediante o uso de equações básicas, na análise de movimentos dos fluidos e de suas implicações em situações adversas de engenharia.

 Aplicar os conceitos de metrologia e controle geométrico no desenvolvimento de equipamentos, ferramentas e produtos.

Habilidades: Ao concluir as etapas propostas neste desafio, você terá desenvolvido as seguintes competências e habilidades:

 Possibilitar o desenvolvimento de trabalhos em grupo, promovendo a capacidade de adaptação, comunicação e integração do espírito de equipe.

 Fornecer sólida formação humanística e visão global que habilite o acadêmico a compreender os meios social, político, cultural e econômico.

 Promover formação teórico-prática possibilitando a vivência concreta nas organizações, estimulando uma postura investigativa e de análise crítico-reflexiva.

 Formar profissionais com visão integral, capacidade de adaptação e flexibilidade, que atuem de forma interdisciplinar.  Capacitar para que os indivíduos possam tomar decisões

complexas com ética e responsabilidade.

 Permitir que os indivíduos consigam ampliar sua visão de forma competitiva, promovendo melhorias nas organizações.

Objetivos da Aprendizagem:

A produção textual é um procedimento metodológico de ensino aprendizagem que tem por objetivos:

• Favorecer a aprendizagem.

• Estimular a corresponsabilidade do aluno pelo aprendizado eficiente e eficaz.

• Promover o estudo dirigido a distância.

• Desenvolver os estudos independentes, sistemáticos e o auto aprendizado.

• Oferecer diferentes ambientes de aprendizagem.

• Promover a aplicação da teoria e conceitos para a solução de problemas práticos relativos à profissão.

• Direcionar o estudante para a busca do raciocínio crítico e a emancipação intelectual.

Prezados alunos,

Sejam bem-vindos a este semestre!

A proposta de Produção Textual Interdisciplinar em Grupo (PTG) terá como temática

Desenvolvimento de uma turbina para geração distribuída. Escolhemos esta temática para

possibilitar a aprendizagem interdisciplinar dos conteúdos desenvolvidos nas disciplinas desse semestre.

ORIENTAÇÕES DA PRODUÇÃO TEXTUAL

Formação dos grupos

 O trabalho será realizado em grupos composto por no mínimo 2 e, no máximo, 7 integrantes, do mesmo curso e mesmo semestre.

 A formação dos grupos é de responsabilidade dos alunos. No entanto, solicitamos que sigam as orientações passadas pelo tutor sobre a formação dos grupos.

 A produção textual é um trabalho original e, portanto, não poderá haver trabalhos idênticos ao de outros alunos ou grupos.

 É importante que você leia os materiais disponíveis das disciplinas do semestre.

 A Produção Textual deverá ser desenvolvida inteiramente dentro das Normas da ABNT (Capa, Folha de rosto, Sumário, Desenvolvimento, Conclusão, Referências, etc).

Situação Geradora de Aprendizagem (SGA)

Situação-problema: Desenvolvimento de uma turbina para geração distribuída.

Atualmente, a utilização de energia elétrica está relacionada diretamente com as necessidades humanas. Ou seja, o consumo é determinado pela demanda referente ao bem-estar da sociedade, tais como áreas da saúde, habitação, alimentação, transporte e desenvolvimento tecnológico. Dessa forma, dia após dia, cresce o consumo de energia elétrica.

Para suprir os diversos tipos de consumo de energia elétrica, a geração deve ser ampliada, priorizando a utilização de técnicas de geração de energia renovável. Lembrando que a energia gerada no Brasil é, em sua maioria, proveniente de usinas hidrelétricas, usando o potencial energético da água. Porém, a energia elétrica pode ser produzida também em usinas eólicas, termoelétricas, solares, nucleares e outras.

Contudo, é possível a obtenção de energia elétrica através de diferentes matrizes energéticas, através de fontes alternativas que atuem ao mesmo tempo otimizando recursos disponíveis e novas tecnologias, com o objetivo de produção de energia com menor custo, respeitando o meio ambiente. Dentre as possibilidades de fontes alternativas de energia, destacam-se as Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH). Nessa situação, pequenas usinas geradoras de energia são instaladas em rios ou canais de pequeno e médio porte, com desníveis em seus leitos capazes de conceber potência hidráulica satisfatória para acionar os reatores das turbinas.

Unidades do tipo PCH, diferem das hidrelétricas comuns devido à dimensão do reservatório e pela capacidade de geração conforme descrito nos Artigos 2º e 3º da Resolução nº 394/1998 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL):

 Potência igual ou superior a 1 MW e igual ou inferior a 30MW;  A capacidade do conjunto turbina-gerador entre 1MW a 5MW;  Máxima área de reservatório: 3 km2_;

 Cota d’água associada à vazão de cheia com tempo de recorrência de 100 anos.

Comparando as PCHs com as hidrelétricas, algumas vantagens são apresentadas, tanto no âmbito socioeconômico quanto ambiental:

 Maior adaptabilidade a pequenos cursos d’agua, já que possuem características menores, proporcionando projetos mais simples;

 Menor prazo de implantação;  Impactos ambientais reduzidos;

É importante frisar que, no Brasil, o incentivo a construção de PCHs se deu a partir do ano de 1997, quando foi extinto o monopólio do Estado no setor energético. Dessa época, até os dias atuais, foram aplicados nesse setor mais de um bilhão de reais por investidores.

Diante desse cenário, apresentamos a Indústria de Motores de Combustão à Diesel para Veículos. O diretor dessa indústria verificou uma possibilidade na redução de custos relacionados à energia elétrica, com o desenvolvimento e implantação de uma PCH, aproveitando o leito do rio que corre na propriedade da Indústria. Sendo assim, ele solicitou à equipe de engenheiros, da qual você faz parte, a desempenhar algumas tarefas na elaboração e implantação do projeto.

Agora, é com vocês!

TAREFAS: Desenvolvimento de uma turbina para geração distribuída

O desafio é elaborar e implantar o projeto de uma PCH (Pequena Central Hidrelétrica) na Indústria de Motores de Combustão à Diesel para Veículos, cujo objetivo principal é diminuir os gastos com energia elétrica da empresa. Para isso, são necessárias soluções para as tarefas propostas pelo diretor da indústria, considerando os aspectos pertinentes às disciplinas do semestre.

Agora que vocês já sabem desta missão, elaborem um relatório dessa análise a ser entregue a seu superior, em que deverá ser apresentado obrigatoriamente os passos descritos a seguir, nessa sequência.

Tarefa 1: Turbina Francis

A tubuna Francis, mostrada na figura 1, foi desenvolvida por James Bicheno Francis, em 1847, como forma de melhoria de uma turbina patenteada por Samuel Dowd, em 1838. Elas são as mais versáteis e as mais utilizadas em PCH’s.

Figura 1 – Turbina Francis

Fonte: https://www.hidroenergia.com.br/produtos/turbinas/turbina -francis/, acesso em 13/07/2021.

A queda e vazão são as duas características determinantes na geração de energia hidrelétrica e variam muito de acordo com a sazonalidade, com épocas de pouca ou muita chuva. Por isso, o distribuidor da Turbina Francis possui um conjunto de pás móveis, cujo objetivo é ajustar o ângulo de entrada da água, dando maior rendimento à turbina em uma grande faixa de operação.

A faixa de operação a qual essa turbina funciona com eficiência varia entre 45 à 400 m, com 10 a 700m³/s de vazão. E ainda, a adaptabilidade é uma característica positiva da utilização dessa turbina, pois faz com que as Turbinas do tipo Francis sejam as mais versáteis e mais utilizadas em PCHs, chegando apresentar eficiência de 90%.

Dessa forma, sua equipe decidiu ampliar os conhecimentos a respeito da turbina Francis, compreendendo as principais características (Figura 2) e propriedades. Dentre elas, calcular o momento de inercia.

Figura 2 – Componentes da Turbina Francis.

Fonte: http://abre.ai/blwK, acesso em 13/07/2021.

Para facilitar os cálculos, considere a turbina como um disco, conforme a Figura 3, sendo o corpo da turbina com diâmetro de 90 cm, representado em cinza, feito de aço inox e as pás , com diâmetro 90 a 100 cm, representada em vermelho, é feita de fibra de carbono. A espessura da turbina apresenta um valor de 30 cm.

Figura 3 – Vista superior da turbina Francis.

Sua equipe deve calcular o momento de inércia da turbina, sabendo que a densidade do inox é de 7,85 g/cm³ e a densidade da fibra de carbono é de 1,76 g/cm³ e, também, considerando que o eixo de rotação coincide com o eixo da turbina.

Com o valor do momento de inércia da turbina em mãos, defina o momento de inércia e explique o porquê da importância de conhecer esse valor no desenvolvimento dos cálculos.

Tarefa 2: Sistema de captação do movimento de água

Toda usina de geração de energia elétrica possui algum tipo de máquina elétrica configurada como gerador. Porém, cada tipo de usina utiliza uma máquina específica e componentes diferentes para fazer o acionamento e controle dessa máquina.

Com a PCH que você está projetando, não será diferente. Basicamente, as PCHs possuem uma máquina síncrona configurada como gerador. Ao eixo dessa máquina está acoplado um sistema de pás, responsável por captar o movimento da água canalizada e transferi-lo ao rotor do motor.

Esse movimento, como consequência das características construtivas da máquina, irá produzir uma determinada tensão nos terminais da máquina. Essa tensão é então ajustada e utilizada para acionar cargas ou alimentar baterias. A Figura 4 ilustra o posicionamento dessa turbina acoplada ao eixo de um motor e captando a energia cinética provinda do movimento da água.

Figura 4 – turbina e eixo do motor.

Seu desafio nesta etapa será determinar as características de um sistema que possua um tipo de hélice acoplada ao eixo de um gerador síncrono, de tal forma que, quando inserido no sistema de captação do movimento de água, irá ter suas hélices girando a uma velocidade suficiente para alimentar as cargas ligadas no gerador.

Considere que para o sistema em questão, foi utilizado um gerador síncrono de 480 V, operando em 60 Hz, ligado em triângulo. Ele possui 2 polos e possui uma reatância síncrona de 0,15 Ω e resistência de armadura de 0,01 Ω. Quando está operando a plena, esse gerador fornece 1100 A com fator de potência 0,85 atrasado. Nessa condição, as perdas por atrito e ventilação somam 32 kW e as perdas no núcleo são de 25 kW. A Figura 5 apresenta a relação entre a tensão de terminal a vazio e a corrente de campo desse gerador.

Figura 5 – Característica a vazio do gerador.

Sabendo disso, responda as seguintes perguntas sobre esse gerador e as condições de funcionamento citadas:

a) Qual é a velocidade de rotação desse gerador?

b) Quanta corrente de campo deve ser fornecida ao gerador para que a tensão de terminal seja de 480 V a vazio?

c) Se o gerador for ligado a uma carga que solicita 1100 A com FP 0,85 atrasado, quanta corrente de campo será necessária para manter a tensão de terminal em 480 V?

d) Quanta potência o gerador está fornecendo agora? Quanta potência é fornecida ao gerador pela máquina motriz? Qual é a eficiência total dessa máquina? Obs.: considere que a potência de entrada é igual a potência de saída, somadas as perdas elétricas devido à resistência da armadura, as perdas do núcleo e as perdas mecânicas (atrito e ventilação).

e) Se a carga do gerador for repentinamente desligada da linha, que acontecerá à sua tensão de terminal?

Tarefa 3: Direcionamento da água para o rotor

Os engenheiros mecânicos utilizam princípios de Mecânica dos Fluidos em diversas aplicações, como em projetos de bombas, compressores, turbinas, equipamentos de calefação e resfriamento.

Em Usinas Hidrelétricas, inclusive em PCH (Pequena Central Hidrelétrica), as turbinas elétricas são projetadas para transformar a energia hidráulica (pressão e cinética) de um fluxo de água em energia mecânica, especificamente em torque e velocidade de rotação.

As turbinas podem ser classificadas em diferentes tipos. A mais comum de ser utilizada para energia hidrelétrica é a turbina Francis, cujo escoamento pode ser radial ou uma mistura de escoamento radial e axial e, por isso, pode ser projetada para diversas vazões e cargas piezométricas.

Para a elaboração e implantação do projeto de uma PCH (Pequena Central Hidrelétrica), ilustrada através da Figura 6, na Indústria de Motores de Combustão à Diesel para Veículos, decidiu-se que palhetas guia de uma turbina Francis direcionarão a água para as pás do rotor a um ângulo. A água é direcionada ao rotor por um conduto de aço carbono com 3,75 m de diâmetro e 20 m de

comprimento. As pás giraram a 150 rev/min, descarregando água a 282,517 ft³/s na direção radial, ou seja, perpendicularmente para o centro da turbina.

Figura 6 – Representação de uma PCH

Fonte: Lima (2017, p. 121) disponível em < https://biblioteca-virtual.com/detalhes/ebook/6087054154aa8872fb666aca> Acesso em 13/07/2021.

Dessa forma:

a. Pesquise a equação do torque para turbina Francis e relacione a potência produzida pela turbina com o torque.

b. Sabendo que as componentes tangenciais da velocidade da água para cada pá (considere) e da borda de fuga do rotor são, respectivamente, 5,125 m/s e 0 m/s, determine a potência desenvolvida pela turbina. Explique o significado do resultado obtido.

c. Considerando o conduto descrito e a vazão descarregada axialmente na turbina, verifique se o escoamento é laminar ou turbulento. Além disso, é possível determinar de forma analítica a diferença de pressão deste escoamento? Considere a temperatura da água como 10 o_C.

d. Sabendo que unidades do tipo PCH, diferem das hidrelétricas comuns devido à dimensão do reservatório e pela capacidade de geração conforme descrito nos Artigos 2º e 3º da Resolução nº 394/1998 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a qual afirma que a potência deve ser igual ou superior a 1 MW e igual ou inferior a 30MW, estime o número mínimo e o máximo de turbinas necessárias para adequar-se a essa limitação.

Atenção: todos os procedimentos de cálculos devem ser apresentados.

Tarefa 4: Fabricação de Rotores

Em função da implantação da PCH, o diretor gostaria de saber mais sobre os componentes desse sistema. Uma curiosidade que ele pediu para observar é quanto aos rotores das turbinas, onde ele imagina que ela seja feita a partir do processo fundição. Deste modo, seu trabalho é apresentar um relatório com os materiais utilizados para fabricação desses rotores, e qual o processo de fabricação utilizado para obtenção do rotor.

Para facilitar a apresentação para o diretor, responda as seguintes perguntas. a. Quais os materiais e sua composição utilizados para fabricação desta turbina? b. Por que esses materiais são utilizados?

Tarefa 5: Metrologia dos componentes da turbina

Medir é um procedimento experimental pelo qual o valor momentâneo de uma grandeza física é determinado como um múltiplo e/ou uma fração de uma unidade, estabelecida por um padrão e reconhecida internacionalmente. Denomina-se processo de medição o conjunto de métodos e meios utilizados para efetuar uma medição. Do ponto de vista técnico, a medição pode ser empregada para monitorar, controlar e/ou investigar processos ou fenômenos físicos.

Sob essa temática, sua equipe foi convocada para realizar a inspeção final da turbina recém-fabricada a fim de verificar se o perfil hidráulico, milimetricamente estudado, calculado e fabricado, atende os requisitos para a obtenção do melhor aproveitamento do fluxo de água que, consequentemente, afeta o desempenho da turbina. O modelo final é demonstrado na Figura 7.

Figura 7 – Modelo da Turbina

Fonte: elaborada pelos autores.

Com intuito de verificar as geometrias finais dos componentes da turbina, sua equipe está discutindo a forma mais adequada de colher esses dados. Lembre-se que, o relatório técnico proveniente da inspeção final, habilitará ou não o uso do equipamento.

Sendo assim, com base na Figura 7, e no conhecimento técnico de sua equipe em Metrologia e Controle Geométrico, responda:

1. Quais equipamentos/ferramentas podem ser utilizados para efetuar a inspeção visando obter medidas de precisão? Descreva cada ferramenta e as formas pelas quais pode(m) ser empregada(s).

2. Quais são as variáveis constituintes do processo de medição e as possíveis fontes de erro? 3. Um de seus colegas de inspeção ficou com uma dúvida em relação a algumas leituras

encontradas. A Figura 08 apresenta as medidas nos instrumentos. Logo, com intuito de auxiliar seu colega você informou que as leituras encontradas são: A =_________ e B = _________. Explique como você chegou a esses resultados.

ORIENTAÇÕES

Para nortear o desenvolvimento do que está sendo proposto, indicamos, que sejam apresentados no relatório um conjunto de tópicos a serem apresentados na seguinte sequência, segundo as normas da ABNT:

1. Título: Título do trabalho.

2. Introdução: Façam uma introdução envolvendo uma fundamentação teórica com os itens mais importantes referentes ao tema do trabalho (mínimo uma página).

3. Desenvolvimento: Nesta seção deve-se realizar as tarefas descritas acima, com detalhamento dos cálculos (sempre indique as equações utilizadas), gráficos, etc. Cada Tarefa será um tópico do desenvolvimento, podendo ser nomeada através da disciplina.

4. Conclusões: Nesta seção você fará a ligação entre os objetivos e os resultados alcançados, fazendo uma discussão dos resultados, dos métodos de medida utilizados, tendo em vista o objetivo do trabalho. De um modo geral, a conclusão deve ser redigida de tal modo que a ideia central do relatório se revele e se fixe claramente ao leitor.

5. Referências bibliográficas: Toda a bibliografia utilizada para elaborar o relatório deverá ser citada. Utilize a norma ABNT para a colocação das referências.

6. Anexos (se necessário): Os anexos são utilizados para colocar alguma dedução que seja importante e tenha sido utilizada nos cálculos das grandezas físicas da experiência, fotos do experimento, etc.

NORMAS PARA ELABORAÇÃO E ENTREGA DA PRODUÇÃO TEXTUAL

A resolução da situação-problema deverá ser registrada em forma de um relatório descritivo que deverá ser postado em seu ambiente virtual. Neste texto você deverá obedecer às normas a seguir:

a) Abra um documento no Word seguindo as normas da ABNT. Acesse a Biblioteca Digital, clique em “Padronização” e escolha as opções “Trabalhos acadêmicos – Apresentação” e “Modelo para elaboração de Trabalho Acadêmico”;

b) Este relatório deverá ser redigido na seguinte estrutura: capa de abertura, descrição separada de cada um dos itens solicitados na SP, acompanhada do detalhamento solicitado para cada um desses itens.

c) Ao definir quem serão os participantes do grupo, informe seu tutor presencial. Isto é importante para ele acompanhar e saber quem são os grupos que já estão formados.

Lembre-se que é responsabilidade do aluno acompanhar o cadastro do grupo pelo aluno responsável (aluno líder), bem como acompanhar a inserção da atividade.

d) Quando o aluno responsável pelo cadastro do grupo e pelo cadastro de atividade não realiza os procedimentos dentro do prazo devido, todo o grupo fica prejudicado.

e) A postagem do arquivo final relacionado a PTG no AVA deve ser em um único arquivo, no formato .DOC (Word ou editor de textos) pelo aluno líder.

f) Salientamos que todos os alunos devem acompanhar a formação do grupo e a inserção da atividade direta de sua área restrita.

g) Em caso de dúvida para elaboração do trabalho, você deverá buscar orientações com o tutor presencial e o seu tutor à distância.

h) Atenção aos prazos de postagens!

Critérios avaliativos: Apresentamos os critérios avaliativos que nortearão a devolutiva escrita e o

conceito a ser dado pelo tutor a distância:

Critério Significado Valor/peso

Coerência, clareza e coesão

A produção textual apresenta uma linguagem de fácil compreensão, apresentando os argumentos de modo claro e coeso.

10%

Aplicação dos conteúdos interdisciplinares

No texto escrito (com as justificativas e argumentações) as ideias apresentam relação direta com a situação descrita e explicitam

50% (10% por passo)

no texto argumentativo

conteúdos trabalhados nas disciplinas de forma clara.

Riqueza de argumentação

As ideias apresentadas no texto (com as justificativas e argumentações) têm relação direta com o tema e traduzem uma perspectiva crítica e variedade de pontos de vista.

20%

Conclusão

Todo o registro de ideias foi feito com um mínimo de termos, sem repetições ou redundâncias.

10%

Normalização Respeito às normas da ABNT, respeito a escrita

ortográfica e estrutura solicitada. 10%

Um ótimo trabalho! Equipe de professores.