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FABRICAÇÃO E ESTUDO DE UM CARNEIRO HIDRÁULICO DE BAIXO CUSTO

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CURSODE ENGENHARIA MECÂNICA FABRICAÇÃO E ESTUDO DE UM CARNEIRO HIDRÁULICO DE BAIXO CUSTO EDGAR HENRIQUE SILVA BARBOSAA NATAL- RN, 2018 UNIVERSIDADE
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CURSODE ENGENHARIA MECÂNICA FABRICAÇÃO E ESTUDO DE UM CARNEIRO HIDRÁULICO DE BAIXO CUSTO EDGAR HENRIQUE SILVA BARBOSAA NATAL- RN, 2018 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA CURSODEENGENHARIA MECÂNICA FABRICAÇÃO E ESTUDO DE UM CARNEIRO HIDRÁULICO DE BAIXO CUSTO EDGAR HENRIQUE SILVA BARBOSAA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico, orientado pelo Prof. Dr. Luiz Guilhermee M de Souza. NATAL - RN 2018 i Dedico Aos meus pais, Wolban Gomes Barbosa e Lucineide Cristina da Silva Barbosa, que me deram os ensinamentos necessários para que eu me tornasse um cidadão de bem, a minha namorada, Karla Alves Araújo, que está sempre ao meu lado, a minha irmã, Anna Wanessa Silva Barbosa, e aos meus amigos. ii Agradecimentos Primeiramente à Deus que possibilitou minha jornada até aqui, me dando coragem e força para enfrentar os obstáculos e dificuldades para conseguir realizar meus sonhos. Aos meus pais, Wolban Gomes Barbosa e Lucineide Cristina da Silva Barbosa, por estarem sempre ao meu lado, me ajudando nas decisões, me dando os sinceros conselhos e me apoiando incondicionalmente. À minha namorada, Karla Alves Araújo, que me deu o devido apoio para ir em busca do meu objetivo. À minha irmã, Anna Wanessa Silva Barbosa. Aos meus colegas e amigos de curso, pelos dias de estudo e cooperação. Ao meu orientador Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza, que aceitou esse desafio, me ajudando com sua experiência e me capacitando para a realização deste presente trabalho. iii BARBOSA, E.H.S..Fabricação e Estudo de um Carneiro Hidráulico de Baixo Custo p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, Resumo A utilização do carneiro hidráulico como opção para bombeamento representa uma das aplicações hidráulica largamente utilizada, onde se dispõe de uma fonte de água. Este estudo tem como objetivo a construção de um carneiro hidráulico de baixo custo, utilizando tubos e conexões de Policloreto de Vinila (PVC). São apresentados os processos de fabricação e montagem do carneiro hidráulico alternativo. Os testes realizados foram para três níveis de vazão, e foram determinados os rendimentos volumétricos e os desperdícios de água. Os valores de vazão volumétrica encontrados após os experimentos não apresentam discordância dos apresentados pela literatura, que para carneiros similares, estariam dentro da faixa de 22 a 45litros/min. Ressalte-se o baixo custo do protótipo fabricado, em torno de 120 reais. Palavras-chave: Carneiro hidráulico, PVC, baixo custo. iv BARBOSA, E. H. S..Manufacture and Study of a low cost Hydraulic Ram p. Conclusion work project (Graduatein Mechanical Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, Abstract The use of hydraulic ram as an option for pumping represents one of the widely used hydraulic applications, where there is a water source. This study has as objective build a hydraulic ram, using tubes and connections of Vinyl Polypropylene (PVC). The manufacturing and assembly processes of the alternative hydraulic ram and test results that diagnose the feasibility of the proposed and manufactured prototype are presented. The tests performed were for three flow rates, and the volumetric yields and the water wastes were determined. The volumetric flow values found after the experiments do not show a disagreement with those presented in the literature, which for similar hydraulic ram would be in the range of 22 to 45 liters for min. Highlight the low cost of the manufactured prototype, around 120 reais. Keywords: Hydraulic ram, PVC, low cost. v Sumário Dedico... i Agradecimentos... ii Resumo... iii Abstract... iv Sumário... v 1 Introdução Apresentação do trabalho Objetivos Gerais Objetivos Específicos Revisão Bibliográfica Energias Renováveis Energia Hidráulica Carneiro Hidráulico Componentes de um carneiro hidráulico Válvula de Sucção Válvula de Retenção Energia Cinética Energia Potencial Gravitacional Policloreto de Vinila (PVC) Metodologia Materiais Montagem Ensaios Resultados e Discussões Conclusões Conclusões... 30 5.2 Sugestões Referências vi 1 1 Introdução 1.1 Apresentação do trabalho O carneiro hidráulico ou bomba de aríete é um mecanismo mecânico que trabalha de forma intermitente transportando água de um nível para outro sem a utilização de energia elétrica. Trata-se de um aparelho bastante simples na sua construção e que é bastante utilizado em fazendas. Uma vez instalado pode operar por 24 (vinte e quatro) horas por dia e tem baixo custo de manutenção, assim como também a baixa necessidade de ocorrer manutenção, podendo assim ter uma vida útil elevada. O aparelho funciona com o golpe de aríete que ocorre quando a água chega numa grande velocidade fazendo com que a válvula de sucção tenha um fechamento abrupto e gerando assim uma sobre pressão o que faz com que a água seja elevada pelo sistema. A utilização deste aparelho em fazendas é muito comum já que ele é totalmente limpo e não necessita de energia elétrica para seu funcionamento ocorrer. O carneiro trabalha somente com a energia potencial e a energia cinética geradas pela queda d água. Como a fonte de energia do carneiro é a água e a mesma é considerada uma fonte renovável de energia pode considerar o carneiro como sendo um mecanismo que não degrada o meio ambiente para realização do seu trabalho. O efeito que o carneiro hidráulico causa ao meio ambiente é mínimo. O carneiro hidráulico ou bomba de aríete apresenta dois tipos de rendimentos distintos. O rendimento volumétrico, onde é calculado com base nas vazões de alimentação e a vazão de recalque. Normalmente esse rendimento apresenta uma variação entre 30 e 50%. Já o outro rendimento do carneiro hidráulico é o rendimento de Rankine que é calculado levando em consideração tanto as vazões de alimentação e vazão de recalque como também as alturas dos desníveis do local de alimentação do carneiro até o local onde será depositado a água elevada pelo equipamento. Já esse rendimento costuma ter uma variação entre 50 a 80%. Neste presente trabalho só iremos abordar o rendimento volumétrico, verificando como se comporta o carneiro hidráulico com a variações das vazões de alimentação, para se chegar a uma conclusão de qual seria uma boa vazão e qual apresentaria um mínimo de desperdício possível. Este trabalho foi proposto a fim de dissertar sobre como é feita a construção do protótipo, realizar experimentos para verificar seu rendimento volumétrico assim como mostrar a importância de ter instrumentos limpos nos dias atuais. A busca presente nesse trabalho é reduzir o máximo do desperdício já que sempre irá ocorrer uma perda d água pela válvula de sucção. Também foi verificado qual o melhor rendimento e buscando uma melhor vazão de recalque, pois com a combinação desses três fatores pode ser considerar o carneiro hidráulico bom ou dispensável. Como é de objetivo do presente trabalho, o custo de construção foi baixo por volta de R$ 120,00 (Cento e vinte reais), pois foi confeccionado com elementos fabricados com o material PVC. Além disso, a válvula de retenção também é fabricada em PVC, assim diminuindo ainda mais o custo do carneiro Objetivos Gerais custo. Demonstrar a viabilidade de utilização de um carneiro hidráulico de baixo 1.3 Objetivos Específicos Projetar o carneiro hidráulico proposto. Fabricar o carneiro hidráulico a ser estudado. Testar o carneiro hidráulico fabricado. 3 2 Revisão Bibliográfica 2.1 Energias Renováveis Umas das fontes renováveis mais presentes em nosso planeta é a água. O carneiro hidráulico é um mecanismo que utiliza essa fonte para a geração de energia mecânica para o seu funcionamento, assim como transporta água para o seu destino final. Em uma visão holística compreende-se que o termo energia renovável é amplamente utilizado para expressar e descrever as fontes de energia que estão disponíveis na natureza na forma cíclica ou continua. Estas fontes de energia também conhecidas por fontes renováveis podem ser utilizadas na produção de energia elétrica, gerando assim eletricidade para uma gama de aplicações. A eletricidade gerada por essas fontes renováveis apresentam diversas finalidades, como produção de combustíveis, setor industrial, setor agrário, maquinário, uso diário pela população, entre outras aplicações. O investimento dos países em busca de ampliar e inserir as fontes renováveis de energia na matriz energética é primordial e vem crescendo a cada ano. Visto que as conhecidas fontes não-renováveis como o petróleo, por exemplo, tem seu esgotamento e um alto grau de poluição do meio ambiente. É de suma importância o aumento da participação das fontes renováveis de energia na produção energética de um país já que estas fontes não apresentam esgotamento e são bem menos poluentes se comparadas às fontes não-renováveis. As fontes renováveis eólica, solar, biomassa, pequena central hidrelétrica (PCH), usinas hidrelétricas - tem contribuído cada vez mais na matriz energética de um país e assim se tornado uma excelente alternativa ás fontes não-renováveis. As energias resultantes das fontes renováveis são: energia hidráulica, energia eólica, energia solar, energia de biomassa. Na energia eólica a fonte renovável é o vento, onde no Brasil se encontra de forma mais considerável nas regiões nordeste e sul do país. Os estados brasileiros que apresentam uma maior potência instalada até fevereiro de 2018 são o Rio Grande do Norte e a Bahia (Abeeolica, 2018). 4 No que diz respeito à energia hidráulica a sua fonte renovável é a água, aproximadamente 70% (setenta por cento) do planeta Terra é coberto por água entre rios, lagos, aqüífero, mares e geleiras. Na energia de biomassa a sua principal fonte renovável é a matéria orgânica como, por exemplo, a cana de açúcar Figura 1 O Sistema elétrico brasileiro Fonte: Atlas do Brasil, HervéThéry e Neli Aparecida de Melo-Théry No que diz respeito à energia hidráulica a sua fonte renovável é a água, aproximadamente 70% (setenta por cento) do planeta Terra é coberto por água entre rios, lagos, aqüífero, mares e geleiras. Na energia de biomassa a sua principal fonte renovável é a matéria orgânica como, por exemplo, a cana de açúcar 5 2.2 Energia Hidráulica A água é um recurso natural de suma importância para o desenvolvimento rural do nosso país. Pois o trabalhador rural necessita de água para a sua sobrevivência assim como a sobrevivência dos animais de suas criações, para a agricultura de comercio e também para a agricultura de subsistência. O recurso natural que se apresenta com maior abundancia em nosso planeta é a água. Mais de 70% (setenta por cento) da Terra é coberto por água, não obstante quase que a totalidade da água disponível está nos oceanos. O restante de água disponível se encontra em rios, lagos e geleiras. Desta forma, para a produção de energia elétrica através da força da água, utiliza-se ainda que de forma menor a força das marés. A energia elétrica é gerada através das águas de rios e lagos, porém nem toda essa água pode ser empregada já que o rio ou lago deve apresentar um acentuado desnível e/ou grande vazão, pois essas características são de suma importância para que haja geração de energia mecânica para mover as turbinas nas hidroelétricas. Entretanto, em alguns locais do planeta a água sofre um esgotamento em algum período de tempo, já que para manutenção dos níveis de água em um reservatório é necessário que se tenha chuva no local a fim de manter o reservatório em seu nível normal.com o crescimento da participação de novas fontes de energia nas matrizes energéticas dos países, houve certo decréscimo da energia hidráulica entre as fontes renováveis para a geração de eletricidade. Debruçando-se pela história, constata-se que a primeira hidroelétrica construída no mundo foi na queda d água das Cataratas do Niágara no final do século XIX, quando as pesquisas sobre a utilização do petróleo como fonte de energia ainda estava no começo e a fonte utilizada na época era a do carvão. No Brasil, a primeira hidroelétrica foi construída para aproveitar a água disponível do Ribeirão do Inferno afluente do rio Jequitinhonha na época do reinado de D. Pedro II. Nos últimos anos os países que tem mais produzido energia elétrica através da força da água é a China e o Brasil. Para a classificação das hidrelétricas é levado em consideração a altura de queda d água, vazão, tipo de turbina utilizada para geração de energia, capacidade 6 de geração ou potência instalada, localização do reservatório, reservatório e tipo de barragem. A vazão e queda d água vão sofrer influência do local de construção da usina. Quanto o que diz respeito a classificação dos reservatórios existem dois tipos: acumulação e fio d água. O tipo fio d água é o que menos sofre com danos ambientais, já que geram energia com um fluxo de água do rio, assim com o mínimo ou nenhum acúmulo de recurso hídrico, além de reduzirem áreas de alagamentos e não formarem reservatórios para estocar água. A estrutura de uma usina hidroelétrica é composta por barragem, sistema de captação e adução de água, casa de força e vertedouro, todo esse conjunto funciona de maneira integrada. Os sistemas de captação e adução são formados por túneis onde estão localizadas as turbinas que por sua vez estão ligadas a um gerador. As turbinas têm como função converter a energia cinética em energia elétrica por meio de geradores que produzem eletricidade. Os principais tipos de turbinas são: Pelton, Kaplan, Francis e Bulbo. As do tipo Bulbo são utilizadas em usinas de fio d água. Já os vertedouros são utilizados em épocas de fortes chuvas e quando o reservatório chega ao seu limite afim de evitar enchentes em regiões periféricas as da usina. A Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), classifica as usinas de 3 (três) maneiras: Centrais Geradores Hidrelétricas (com até 1MW de potência instalada), Usinas Hidrelétrica de Energia (UHE, com mais de 30MW) e Pequenas Centrais Hidrelétricas (entre 1,1 MW e 30MW). 2.3 Carneiro Hidráulico A invenção do carneiro hidráulico foi feita em 1796 e é atribuída ao francês Joseph Michal Montgolfier (CARVALHO, 1998), que ficou mais conhecido pela invenção do balão de ar quente. O carneiro hidráulico consegue elevar água de uma região com um determinado desnível para outra região. O seu funcionamento ocorre pelo efeito do golpe de aríete que cria uma pressão que transfere parte do fluxo de água. A grande vantagem de se fabricar e na utilização de um carneiro hidráulico consiste no seu baixo custo e a não necessidade de utilização de energia elétrica. 7 Em regiões do país menos favorecidas e com falta de abastecimento de energia elétrica o carneiro hidráulico aparece como uma forma de se obter um transporte de água para o abastecimento de diversos locais. O carneiro hidráulico apresenta um funcionamento bastante simples sem necessidade de energia elétrica somente com as energias cinéticas da água, também tem basto custo de produção, pouca manutenção e bastante utilizado no meio rural, pois possibilita o abastecimento de água nas fazendas. Uma vez instalado o carneiro pode ser mantido em funcionamento durante 24 (vinte e quatro) horas por dia. O funcionamentoo do carneiro hidráulico se dá da seguinte maneira: a água que vem do local de abastecimento do carneiro, ganha velocidade até chegar ao aríete hidráulico e empurra o êmbolo da válvula externa, fechando a mesma de forma rápida e criando assim uma sobre pressão em toda a base do carneiro, para esse acontecimento se dá o nome de golpe de aríete. A onda de sobre pressão ao voltar pela tubulação abre a válvula interna do carneiro fazendo com que a água entre pela campânula (região de tubo de PVC com 40 centímetros de altura) comprimindo o ar em seu interior. Figura 2 - Ilustração de funcionamento de um carneiro hidráulico Fonte: UFLA 8 Sucessivamente, quando o ar no interior da campânula começa a se descomprimir ele empurra a água novamente para baixo, a água sairá pela abertura de abastecimento do reservatório a ser preenchido, isso ocorre, pois a válvula interna não deixa que a água volte para a tubulação ligada ao abastecimento. A campânula pode ser fabricada com diversos materiais, o PVC foi utilizado para a construção do carneiro hidráulico proposto neste trabalho, mas também podemos substituir, por exemplo, por uma garrafa pet. Para se ter um bom funcionamento do carneiro hidráulico é necessário respeitar as seguintes condições: evitar corpos estranhos no interior do carneiro, sempre antes de começar a operar deve-se retirar o ar do seu interior, regular para que os golpe de aríete não ocorra com uma freqüência muito grande pois pode desgastar precocemente a válvula e utilizar um bom apoio para sustentar o carneiro. 2.4 Componentes de um carneiro hidráulico Válvula de Sucção A válvula de Sucção tem como seu funcionamento primordial a retenção de fluido em refluxo de tubulações verticais. Ela é ideal para o uso na extremidade da tubulação de sucção de bombas centrífugas em poços. No caso do carneiro hidráulico esta válvula sofre uma adaptação para que proporcione o golpe de aríete. Figura 3 Válvula de Sucção. 9 Na figura 3 acima podemos ter uma visão da válvula de sucção antes de sofrer a adaptação necessária para a geração do golpe. Já na figura 4 abaixo, temos a válvula de sucção já aberta e também podemos observar o furo feito na parte superior da válvula para que se tenha a entrada para o parafuso sem fim. Figura 4 Adaptação da Válvula de Sucção. A adaptação feita na válvula é bastante simples, consiste em fazer um furo na parte superior da válvula a fim de acondicionar um parafuso, com esse parafuso acrescenta-se 3(três) porcas e uma mola. A montagem tem que ter a seguinte configuração: a mola ficará na parte interna da válvula e dará 3 (três) voltas no parafuso e será delimitada por 2 (duas) porcas, na parte externa da válvula se encontrará o restante do parafuso com mais 1 (uma) porca Válvula de Retenção A válvula de retenção tem como função permitir que o líquido ou o ar flua em apenas uma direção e evita o fluxo de retorno (fluxo reverso). No caso do carneiro hidráulico a válvula vai reter a água quando a campânula foi descomprimida. Após a válvula de sucção gerar o golpe de aríete e a água retornar na tubulação, a válvula de retenção irá permitir o fluxo de água no sentido de saída do 10 carneiro e impedir que a água volte para a tubulação de abastecimento do carneiro hidráulico. Na figura 5 temos a vista de como se deve posicionar a válvula de retenção, para que permita somente a passagem de água na direção vertical e no sentido de baixo para cima. Figura 5 Válvula de Retenção vista total. Já na figura 6 mostra-se a parte que se encontra localizada no sentido do fluxo da água, assim permitindo que a água somente suba para a parte superior do carneiro hidráulico. Figura 6 Válvula de Retenção vista do fluxo de água. 11 Figura 7 - Válvula de Retenção vista da retenção. Na figura 7 acima temos a visão do mecanismo de retenção da válvula, impedindo que se tenha o retorno da água para a parte inferior do carneiro. 2.5 Energia Cinética A energia gerada através da movimentação dos corpos é definida como energia cinética. A energia cinética corresponde ao trabalho dos corpos realizado através do movimento. Quanto maior a massa de um corpo maior vai ser sua energia cinética, já que são grandezas diretamente proporcionais. A equação 1 mostra como se calcula a energia cinética (Cengel, 2011), nela podemos observar que a energia é proporcional a massa do corpo e proporcional a velocidade do corpo ao quadrado. E =. ² (1) 12 Onde: E - é a energia cinética, em J. m - é a massa do corpo,em kg. V - é a velocidade do corpo, em m/s. 2.6 Energia Potencial Gravitacional A capacidade que um cor
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