Turbinas Hidrocinéticas

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Relatório Audiovisual de 5 minutos da Disciplina MEC008 – Sistemas Fluido Mecânicos

Grupo:
Johnnatan Pessoa Carpanez David
Jorge José Sá Filho
Leonardo de Aquino Siqueira
Leonardo Morandi de Castro Santos

Hidrocinética

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.

 

Hidrocinética estuda o movimento de fluidos.

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A turbina hidrocinética é um modelo alternativo de geração de energia, que utiliza somente a correnteza dos rios, sem a necessidade de construção de barragem e formação de lago. Ela requer uma velocidade acima de 1,5 m/s (5,4 km/h) e uma profundidade mínima de 1m.

Nessas condições, é possível obter 400 kWh por mês. Em melhores condições, pode-se atingir uma produção de energia da ordem de 3000 kWh por mês, equivalente ao consumo médio de 4 apartamentos de 3 quartos, em um bairro de classe média.

Mecânica dos fluidos

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.

mecânica dos fluidos é a parte da física que estuda o efeito de forças em fluidos. Os fluidos em equilíbrio estático são estudados pela hidrostática e os fluidos sujeitos a forças externas não nulas são estudados pela hidrodinâmica.[1]

Propriedades físicas dos fluidos hidráulicos

As propriedades dos fluidos hidráulicos relevantes para o estudo do escoamento dos fluidos são a massa volúmica, a tensão superficial, a viscosidade, e restantes propriedades reológicas.

Mecânica do contínuo
Estudo da física de materiais contínuos
Mecânica dos sólidos
Estudo da física de materiais contínuos com uma forma de repouso definida.
Elasticidade
Descreve materiais que retornam à sua forma de repouso depois que as tensões aplicadas são removidas.
Plasticidade
Descreve materiais que se deformam permanentemente após uma tensão aplicada superar um determinado limite.
Reologia
Estudo de materiais com características de sólido e fluido.
Mecânica dos fluidos
Estudo da física de materiais contínuos que se deformam quando submetidos a uma força.
Fluidos não newtonianos não apresentam taxas de deformação proporcionais às tensões cisalhantes aplicadas.
Fluidos newtonianos apresentam taxas de deformação proporcionais às tensões cisalhantes aplicadas.

Teoria

Os fluidos respeitam a conservação de massaquantidade de movimento ou momentum linear e momentum angular, de energia, e de entropia. A conservação de quantidade de movimento é expressa pelas equações de Navier Stokes. Estas equações são deduzidas a partir de um balanço de forças/quantidade de movimento a um volume infinitesimal de fluido, também denominado de elemento representativo de volume.

Atualmente, o estudo, análise e compreensão da fenomenologia da maior parte dos problemas em dinâmica de fluidos e em transferência de calor, como macro-áreas que compõem a dinâmica de fluidos, são desenvolvidos através da Modelagem Computacional. Nesta, um modelo matemático é desenvolvido, com base na fenomenologia do problema considerado. A partir deste modelo, geralmente um sistema de equações diferenciais parciais ou equações diferenciais ordinárias, é desenvolvido um modelo computacional ou utilizado um código computacional comercial, para a execução de simulações numéricas, em fluidodinâmica computacional, obtendo-se assim projeções temporais da solução do problema. Esta solução é condicionado pelas condições iniciais e condições de contorno do problema, que estabelecem as condições de evolução deste no tempo e no espaço.

Teoria do Contínuo fundamenta a conceituação teórica que justifica a maior parte das análise em CFD. O fluido, um meio contínuo, é discretizado com base no modelo das partículas fluidas. Esta abstração conceitua um elemento representativo de volume (representative element of volume, REV). Neste elemento de volume, de micro ou nano dimensões, uma propriedade ou quantidade física mantem um valor médio, sob as mesmas condições, passível de reprodução em laboratório, sob as mesmas solicitações externas ao fluido. Assim uma partícula representativa de um volume de fluido, o REV, é o menor volume em que as propriedades do fluido se mantém. As moléculas de um contínuo vibram constantemente, cessando esta vibração somente no estado de repouso termodinâmico, o zero absoluto. Fisicamente em um REV o caminho médio percorrido pelas moléculas do fluido entre duas sucessivas é no mínimo da ordem de grandeza das próprias moléculas deste fluido.

Hoje em dia os modernos aviões usam um artifício para driblar a formação de vórtices nas pontas das asas, como o winglet, um pequeno leme na extremidade da asa, permitindo que pelo menos um metro e meio de asa seja aproveitada na sustentação da aeronave, que é perdida para os vórtices que se formam na sua ausência. O vórtice ocorre quando o ar mais denso que flui abaixo da asa escapa para a parte superior menos densa, prejudicando sua sustentação naquela ponta de asa. Vórtices no sentido horário surgem na ponta da asa esquerda, anti-horário na asa direita. Nos profundores não se formam vórtices, pois não há diferença entre densidades do ar nos dois lados da empenagem.[carece de fontes]

Experiências recentes dão conta de que uma superfície irregular da fuselagem, tipo “bola de golfe”, com aqueles sulcos em concha, tem mais fluidodinâmica do que a mesma superfície quando plana e polida. Este efeito se verifica com as asas das aves, onde a superfície apresenta um arrasto mínimo, mesmo com a aparente irregularidade das penas.

Também se faz experiência com bordos de ataque enrugados, tais como as nadadeiras de uma baleia, com reais vantagens para as mesmas áreas quando lisas e retas, por exemplo. Em ambos os casos, diminui-se a resistência do meio e melhora a performance e o consumo de energia de empuxo.

Os navios mais rápidos hoje construídos são aqueles em que o roda de proa (chapa enformada onde convergem a quilha, as balizas reviradas e as longarinas de proa; que é a parte do navio que corta a água) possui uma longa protuberância ogival abaixo da linha d’água, que permite uma excelente hidrodinâmica ao anular a formação das ondas com outras ondas de valores contrários.

Tipos de escoamentos

Os escoamentos podem ser classificados quanto à compressibilidade e quanto ao grau de mistura macroscópica.

Um escoamento em que a densidade do fluido varia significativamente é um escoamento compressível. Se a densidade não variar significativamente então o escoamento é incompressível.

O grau de mistura de um fluido em escoamento depende do regime de escoamento, que pode ser laminarturbulento ou de transição.

No regime laminar, as linhas de fluxo são paralelas ao escoamento, fazendo com que o fluido escoe sem que ocorra mistura. Em um duto circular, o escoamento é laminar até um Coeficiente de Reynolds de aproximadamente 2100.

Na transição entre os regimes laminar e turbulento, percebe-se que as linhas de fluxo se tornam onduladas, o que indica que começa a haver mistura entre uma camada e outra. Para um duto circular, esse regime ocorre para um valor de Re entre 2100 e 2300.

Para valores de Re acima de 2300, têm-se regime turbulento. Nesta fase, percebe-se uma mistura entre as camadas de fluxo.

Métodos experimentais

O escoamento de fluidos é actualmente estudado por velocimetria laser e por velocimetria por imagem de partículas.

Abordagem computacional

A dinâmica de fluidos tem sido solicitada a fornecer soluções a problemas complexos em hidrodinâmica, projetos de edificaçõesaeronavesnavios e veículos espaciais, em hemodinâmica e em biofísica. Nestas áreas a obtenção e o de tratamento de soluções considera um elevado número de dados, informações e variáveis, resultando em densos sistemas de equações. A modelagem computacional propõe um conjunto de métodos e técnicas para a abordagem destes problemas.

Leis da Hidrodinâmica

Por forma a melhor compreender a física do deslocamento de fluidos em regime não turbulento, criou-se uma série de leis, que levaram à equação de Bernoulli. O que se estabelece segundo a equação é que

{\displaystyle C=p+\rho gh+{\rho v^{2} \over 2}}

em que {\displaystyle C} é um valor relativo e constante, {\displaystyle p} é uma pressão relativa de outro ponto, {\displaystyle h} corresponde à diferença de alturas entre eles, e {\displaystyle v} à diferença de velocidades a que se encontram. A equação de Bernoulli está de certo modo relacionada com o porquê dos aviões voarem, e das garrafas de perfume expelirem líquido quando pressionadas.

O que se passa com as asas do avião é que a sua periferia é feita de tal forma que o ar que passa por cima da asa tem que percorrer um maior percurso em relação ao ar que passa por baixo da asa. Ou seja, o ar sobre a asa move-se a uma velocidade maior. Dado este fato, a equação de Bernoulli prediz que a pressão acima da asa torna-se menor que abaixo da asa e, por este motivo, a uma determinada velocidade, a diferença de pressão é suficiente grande para fazer o avião levantar voo.

O mesmo se passa no perfume: ao passar sobre a “boca” do frasco, o tubo estreita-se, sendo o ar nesse ponto obrigado a circular a uma velocidade maior. Assim, isso cria uma variação de pressão que empurra o perfume para a sua superfície, sendo depois disparado para o ar.

As equações de Bernoulli não possuem aplicação soberana na mecânica dos fluidos. As complexas Equações de Navier-Stokes são também utilizadas na análise da Mecânica dos fluidos.

Elas são não-lineares e com uma infinidade de soluções não-analíticas, ou seja, somente obtidas com aporte computacional. São equações que relacionam densidade dos fluidosaceleraçõesvariação de pressãoviscosidade e gradientes de velocidade.

Contudo, estas equações podem aproximar boas soluções algébricas quando feitas as devidas aproximações. Assumir, por exemplo, que o fluido é incompressível e sem viscosidade (idealização) faz com que estas equações sejam simplificadas e permitem soluções mais simples.[9]

Ver também

Referências

  1.  Weisstein, Eric W. “Fluid mechanics.” Eric Weisstein’s World of Physics. http://scienceworld.wolfram.com/physics/FluidMechanics.html
  2.  Günther., Garbrecht,; Research., International Association for Hydraulic (1987). Hydraulics and hydraulic research : a historical review. Rotterdam: A.A. Balkema. ISBN 9061916216OCLC 18020091
  3.  A., Tokaty, G. (1994). A history and philosophy of fluid mechanics. New York: Dover. ISBN 0486681033OCLC 30031491
  4.  Rouse, Hunter; Ince, Simon (1957). History of Hydraulics. Dover, New York, 1963: Iowa Institute of Hydraulic Research
  5.  C., Reid, Robert; E., Poling, Bruce (1987). The properties of gases and liquids 4th ed. New York: McGraw-Hill. ISBN 0070517991OCLC 14520133
  6.  Roy., Munson, Bruce; Hisao., Okiishi, Theodore (2004). Fundamentos da mecânica dos fluidos. São Paulo: Edgard Blücher. ISBN 8521203438OCLC 57525426
  7.  «labtri – 10 livros»www.fau.usp.br. Consultado em 1 de maio de 2018
  8.  «Simon Stevin»Wikipédia, a enciclopédia livre. 21 de março de 2017
  9.  INTRODUÇÃO À MECÂNICA DOS FLUIDOS – Autores: Fox – McDonald – LTC Editora (no Brasil).

Turbina hidráulica

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.

Turbina hidráulica

Tipo
hydro power machine (d)
turbina
water engine (en)
máquina

As turbinas hidráulicas são turbinas projetadas especificamente para transformar a energia hidráulica (a energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água em energia mecânica na forma de torque e velocidade de rotação.

As primeiras turbinas hidráulicas de que se tem notícia foram construídas na colônia romana de Chemtou, na atual Tunísia, no século III ou IV d.C, para acionar moinhos. As primeiras turbinas modernas foram desenvolvidas na França e Inglaterra, no século XVIII, para substituir as rodas de pás como fonte de energia mecânica para fábricas. Nessa aplicação, as turbinas acionavam diretamente as máquinas de fábricas próximas, através de longos eixos ou correias. Desde o final do século XIX elas são usadas quase que exclusivamente para acionar geradores elétricos — quer isoladamente, em fazendas e outros locais isolados, quer agrupadas em usinas ou centrais hidrelétricas.

Princípios

Em toda turbina a água entra vindo de um reservatório ou canal de nível mais elevado (e portanto com maior energia) e escapa para um canal de nível mais baixo (e portanto com menor energia). A água de entrada é levada através de um duto fechado até um conjunto de lâminas curvas (palhetas), bocais ou injectores que transferem a energia da água para um rotor. Consequentemente, a pressão e/ou a velocidade da água na saída são menores do que na entrada. A água que sai da turbina é conduzida por um duto, o tubo de sucção, até o reservatório ou canal inferior.

Algumas palhetas são estáticas, outras são fixas no rotor; ambas podem ser ajustáveis para controlar o fluxo e a potência gerada ou, para geração de energia elétrica, a velocidade de rotação. O rotor é suportado axialmente por mancais de escora e contra-escora, e radialmente por mancais de guia. O tubo de sucção geralmente tem diâmetro final maior que o inicial para reduzir a velocidade da água antes de despejá-la no canal inferior.

potência P que uma turbina pode extrair do fluxo de água será proporcional ao produto da vazão volumétrica (Q) e da queda d’água disponível (H), segundo a fórmula P = ρQHgη; onde ρ é a densidade da água, g é a aceleração da gravidade, e η é a eficiência da turbina, a fração (entre 0 e 1) da energia potencial e cinética da água que é convertida em trabalho mecânico de rotação do eixo ao passar pela turbina. As principais causas da baixa eficiência nas turbinas são as perdas hidráulicas (a energia cinética da água na saída da turbina) e as perdas mecânicas (atrito nos mancais, que converte parte da energia extraída da água em calor). A eficiência típica de uma turbina moderna varia entre 85% e 95%, dependendo da vazão de água e da queda. Para maximizar a eficiência, grandes turbinas hidráulicas são em geral projetadas especificamente para as condições de queda e vazão onde serão instaladas.

Tipos

Os principais tipos de turbinas hidráulicas são:[1]

Escoamento no rotor Designação corrente
de acção ou impulsão turbina Pelton e turbina Michell-Banki-Ossberger
de reacção helico-centrípeta (ou radiais-axiais) turbina Francis
mista (ou diagonal) Turbina Mista e Turbina Dériaz
axial Turbina HéliceTurbina KaplanTurbina bolbo e Turbinas Straflo

Cada um destes tipos tem suas vantagens para certas combinações de altura de queda e vazão. As turbinas podem também ser montadas com o eixo no sentido vertical ou horizontal.

Pelton

17px Magnifying glass 01.svg Turbinas HidrocinéticasVer artigo principal: Turbina Pelton

Nas turbinas Pelton não há palhetas estáticas e sim um conjunto de bocais ou injectores, cada qual com uma agulha móvel (semelhante a uma válvula) para controlar a vazão. Nessas turbinas, a pressão da água é primeiro transformada em energia cinética pelo bocal, que acelera a água até uma alta velocidade. O jato d’água é dirigido para uma série de conchas curvas montadas em torno do rotor.

Turbinas Pelton trabalham com velocidades de rotação mais altas que os outros tipos. Elas são adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1 100 m, sendo por isto muito mais comuns em países montanhosos. Por outro lado as conchas podem sofrer erosão pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de montanhas. Elas tem eficiência constante dentro de uma ampla gama de condições de operação.

Usina Hidrelétrica Parigot de Souza, no Paraná, tem 4 turbinas tipo Pelton de 65 MW, com queda bruta normal de 754 m.

S vs pelton schnitt 1 zoom.png TurbinaPelton.jpg
Desenho. Turbina Pelton real.

Francis

17px Magnifying glass 01.svg Turbinas HidrocinéticasVer artigo principal: Turbina Francis

As turbinas Francis possuem um rotor na forma de um cilindro vazado com a parede lateral formada por palhetas curvas. A água de entrada é dirigida por um tubo em espiral e um sistema de palhetas estáticas que a forçam a atravessar radialmente a parede do rotor, empurrando as palhetas deste. A água sai pela base do rotor praticamente com pressão e velocidade muito reduzidas.

Possui pré-distribuidor e distribuidor. O pré-distribuidor é um conjunto de pás fixas, responsável por dar um ângulo de entrada para a água, aumentando o rendimento. O distribuidor é um conjunto de pás móveis, responsável pelo controle da quantidade de água que entra no rotor, assim variando a potência gerada.

Turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de TucuruíFurnas e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda d’água.

Francis turbine parts.png GeradorWestingHouse.jpg HydroElectricTurbine.jpg
Partes de uma turbina Francis. Turbina Francis de 100 hp (azul). Turbina Francis, do
tipo de fluxo radial
de fora para dentro.

Kaplan

17px Magnifying glass 01.svg Turbinas HidrocinéticasVer artigo principal: Turbina Kaplan

A única diferença entre as turbinas Kaplan e Francis é o rotor, que se assemelha a um hélice propulsora de navio. O ângulo de inclinação das pás é controlado por pistões hidráulicos, normalmente em conjunto com as palhetas de distribuição.

Turbinas Kaplan são adequadas para operar em quedas até 60 m. Elas apresentam eficiência constante em ampla faixa de operação. A Usina Hidrelétrica de Três Marias utiliza turbina Kaplan.

Water turbine-de.png S vs kaplan schnitt 1 zoom.jpg 2017-11-14 (568) Kaplan turbine from Kraftwerk Ybbs-Persenbeug in Ybbs an der Donau.jpg
Partes de uma… …turbina Kaplan. Rotor.

Bulbo

17px Magnifying glass 01.svg Turbinas HidrocinéticasVer artigo principal: Turbina bolbo

A turbina bulbo (ou bolbo) é uma turbina Kaplan conectada diretamente pelo eixo a um gerador, que é envolto por uma cápsula hermética. O conjunto fica imerso no fluxo d’água.

Turbinas bulbo são geralmente usadas em quedas abaixo de 20 m. A maior unidade desse tipo, com um rotor de 6,70 m de diâmetro e 65,8 MW de potência, está instalada na usina de Tadami, Japão, com uma queda de 19,8 m. Deverá ser ultrapassada pelas turbinas das usinas hidrelétricas de Santo Antônio e Jirau, com 73 MW e 75 MW, respectivamente.

TubularGearTurbineSketch.svg Kraftwerk Ybbs-Persenbeug 7829 legende.jpg Turbine armour for kaplan straflo turbine-power plant in Albbruck.jpg
Esquema. Componentes. Turbina real.

Ver também

Referências

  1.  QUITELA, A (2007) “Hidráulica”. Fundação Gulbenkian, Lisboa.

 

https://lookedtwonoticia.com.br/wp-content/uploads/2021/09/2021-09-15-2.png

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