LER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTELER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTEDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURALDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL

EDIÇÃO: 2.006EDIÇÃO: 2.006 Prof. Tomaz Caetano Cannavam RipoliProf. Tomaz Caetano Cannavam Ripoli

1. MOTORES EÓLICOS.1.1. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO.

O QUE É VENTO?“MASSA DE AR EM MOVIMENTO”

E SUA ENERGIA CINÉTICA (eV ) É EXPRESSA POR:

eV = m . V2 / 2 (MASSA DE AR . VELOCIDADE) (1)

UMA MASSA DE AR QUE PASSA NUMA ÁREA “A”, NAUNIDADE DE TEMPO, SERÁ:

m = d . A . V (2)

ONDE d = DENSIDADE DO AR (1290 g/m3)

LER 332 - MECÂNICA E MÁQUINAS MOTORASTÓPICO: FONTES ALTERNATIVAS DE POTÊNCIA: MOTORES EÓLICOS, MOTORES HIDRÁULICOS e ENERGIA DE BIOMASSA PROF. CAETANO RIPOLI_____________________________________________________________________________

Pe = k . A . V3

EQUAÇÃO GERAL DA POTÊNCIA TOTAL DISPONÍVELPARA DIFERENTES UNIDADES DE POTÊNCIA, ÁREA E VELOCIDADE

A POTÊNCIA EÓLICA (Pe) É OBTIDA SUBSTITUINDO-SE (2) EM (1):

Pe = d . A . V3 / 2 (EMPÍRICA)

Pe = k . A . V3

VALORES DE k A SEREM EMPREGADOS NO CÁLCULO DA POTÊNCIA DISPONÍVEL NO VENTO----------------------------------------------------------------------------------------------------- UNIDADES DEPOTÊNCIA ÁREA VELOCIDADE VALOR DE k-----------------------------------------------------------------------------------------------------CV m2 m/s 0,0008766565kW m2 m/s 0,00006449924kW m2 km/h 0,0000138244hp pé2 m.p.h. 0,0000071316kW pé2 m.p.h. 0,0000053215------------------------------------------------------------------------------------------------------

Adaptado de Golding(1955)

SEGUNDO BETZ(1922): APENAS UMA FRAÇÃO DO APENAS UMA FRAÇÃO DO POTENCIAL DISPONÍVEL SE TRANSFORMA EM TRABALHO POTENCIAL DISPONÍVEL SE TRANSFORMA EM TRABALHO ÚTIL.ÚTIL. PERDAS OCORREM DEVIDO A :PERDAS OCORREM DEVIDO A :POTÊNCIA DE ATRITO, VARIAÇÃO DA VELOCIDADE, TIPO DE POTÊNCIA DE ATRITO, VARIAÇÃO DA VELOCIDADE, TIPO DE ROTOR E POR QUESTÕES ERODINÂMICAS.ROTOR E POR QUESTÕES ERODINÂMICAS.

A ESSA FRAÇÃO DEU-SE O NOME DE COEFICIENTE A ESSA FRAÇÃO DEU-SE O NOME DE COEFICIENTE DE EFICIÊNCIA MÁXIMA - CpDE EFICIÊNCIA MÁXIMA - Cp (VARIA DE 0,3 A 0,4)(VARIA DE 0,3 A 0,4)

OUTROS ESTUDOS EM AEROMOTORES DE OUTROS ESTUDOS EM AEROMOTORES DE ÁRVORES ÁRVORES HORIZONTAIS E DE PÁSHORIZONTAIS E DE PÁS DEMONSTRARAM QUE HÁ LIMITES DEMONSTRARAM QUE HÁ LIMITESNAS RELAÇÕES ENTRE:NAS RELAÇÕES ENTRE:

VELOCIDADE ANGULAR (VELOCIDADE ANGULAR ()) , , RAIO DO ROTOR (R)RAIO DO ROTOR (R) E E VELOCIDADE DO VENTO VVELOCIDADE DO VENTO V

A RELAÇÃO ÓTIMA ENTRE ESSAS VARIÁVEIS É :A RELAÇÃO ÓTIMA ENTRE ESSAS VARIÁVEIS É :. . RR / / VV = 0,9 = 0,9

ASSIM, A EQUAÇÃO DE ASSIM, A EQUAÇÃO DE POTÊNCIA MECÂNICA- PmPOTÊNCIA MECÂNICA- Pm OBTIDA OBTIDAÉ EXPRESSA POR:É EXPRESSA POR:

PmPm = = CpCp . . k k . . A A . . VV33

EXEMPLO APLICATIVO:

AVALIAR O AVALIAR O POTENCIAL EÓLICO(Pe)POTENCIAL EÓLICO(Pe) EM EM cvcv, A , A POTÊNCIA MECÂNICA POTÊNCIA MECÂNICA OBTIDA (Pm), OBTIDA (Pm), EMEM cv cv; ; A VELOCIDADE DO ROTORA VELOCIDADE DO ROTOR, EM, EM rpm; rpm; E O E O TORQUE(T), TORQUE(T), EMEM mkgf mkgf DESENVOLVIDOS PORDESENVOLVIDOS POR

UM AEROMOTOR TIPO BETZ NO.2, CUJO UM AEROMOTOR TIPO BETZ NO.2, CUJO COEFICIENTE DE COEFICIENTE DE POTÊNCIA MÁXIMA (Cp) = 0,35POTÊNCIA MÁXIMA (Cp) = 0,35; PARA UMA ; PARA UMA VELOCIDADE NOMINAL VELOCIDADE NOMINAL DO VENTO (V) = 5,9 m/sDO VENTO (V) = 5,9 m/s E COM UM E COM UM DIÂMETRODIÂMETRO

DA RODA-DE-PÁS(D)= 3,95 m.DA RODA-DE-PÁS(D)= 3,95 m.

1. CÁCULO DA ÁREA DA RODA-DE-PÁS(A):1. CÁCULO DA ÁREA DA RODA-DE-PÁS(A):

A = PI . DA = PI . D22 / 4 = 3,1416 . 15,60 / 4 = 12,25 m / 4 = 3,1416 . 15,60 / 4 = 12,25 m22

2. CÁLCULO DO POTÊNCIAL EÓLICO (Pe) EM cv:2. CÁLCULO DO POTÊNCIAL EÓLICO (Pe) EM cv:

Pe = k . A . VPe = k . A . V3 3 k = 0,0008766565 (tabela)k = 0,0008766565 (tabela)

Pe = 0,0008766565. Pe = 0,0008766565. 12,25 m12,25 m2 2 . . 205,38 m/s205,38 m/s

Pe = 2,20 cvPe = 2,20 cv

3. CÁCULO DA POTÊNCIA MECÂNICA OBTIDA (Pm):3. CÁCULO DA POTÊNCIA MECÂNICA OBTIDA (Pm): Pm = Cp . Pe Pm = Cp . Pe

Pm = 0,35 . 2,20 cv = 0,77 cv Pm = 0,35 . 2,20 cv = 0,77 cv

4. CÁLCULO DA VELOCIDADE DO ROTOR (N):4. CÁLCULO DA VELOCIDADE DO ROTOR (N):

Para rotor tipo Betz no.2, tem-se que : Para rotor tipo Betz no.2, tem-se que : . R = 0,9 . V. R = 0,9 . V = 2 . = 2 . . n (rps) . n (rps) ASSIM:ASSIM:

2 . 2 . . n . R = 0,9 . V . n . R = 0,9 . V PORTANTO:PORTANTO:

n = 0,9 . V / 2 . n = 0,9 . V / 2 . . R . R

MAS O PROBLEMA PEDE A ROTAÇÃO EMMAS O PROBLEMA PEDE A ROTAÇÃO EM rpm rpm! PORTANTO:! PORTANTO:

N(rpm)N(rpm) = n(rps) . 60 = n(rps) . 60

N(rpm) = (0,9 . V / 2 . N(rpm) = (0,9 . V / 2 . . R) . 60 . R) . 60 PORTANTO:PORTANTO:

N = (0,9 . 5,9 m/s / 2 . 3,1416 . 1,975) . 60N = (0,9 . 5,9 m/s / 2 . 3,1416 . 1,975) . 60 N = 25,67 rpmN = 25,67 rpm

5. CÁLCULO DO TORQUE (mkgf):5. CÁLCULO DO TORQUE (mkgf): QUAL É A EQUAÇÀO BÁSICA DE POTÊNCIA MECÂNICA, QUAL É A EQUAÇÀO BÁSICA DE POTÊNCIA MECÂNICA, (em cv)?(em cv)?

P = (2 . . N . T) / (75 . 60) PORTANTO:

T = (P . 60 . 75) / (2 . . N) ASSIM: T = (0,77 . 60 . 75) / 2 . 3,1416 . 25,67)

T = 21,48 mkgfT = 21,48 mkgf

EXEMPLO: NUM CERTO LOCAL OBTEVE-SE OS SEGUINTES VALORES DE VELOCIDADES MÉDIAS DOS VENTOS: ----------------------------------------------------------------------------------------V (MILHAS/h) t (horas) POTENCIAL ENERGÉTICO EÓLICO ANUAL (V3 . t) -------------------------------------------------------------------------------------------------- 0 87860 0,00 10 7850 7,85 x 106

20 5550 44,00 x 106

30 3000 81,00 x 106 (máximo) 40 1250 80,00 x 106

50 500 62,50 x 106

60 120 25,92 x 106

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

PARA UTILIZAÇÃO DE AEROMOTORES DEVE-SE OBSERVAR ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DOS VENTOS:- ALTITUDE ; 30- 60 m- A VARIAÇÀO DA VELOCIDADE, POR HORA DURANTE O ANO- VELOC. MÉDIA ANUAL:24 h/dia.365 dias/ano=8760 VALORES

PARA SELECIONAR UM AEROMOTOR, DEVE-SE ANALISAR:- POTENCIAL EÓLICO DO LOCAL: ALTITUTE; VARIAÇÃO DA VELOCIDADE, NO ANO; VELOC. MÉDIA PARA VÁRIOS NÍVEIS DE TEMPO E VELOCIDADE MÁXIMA INSTANTÂNEA.- CARACTERÍSTICAS DO AEROMOTOR: COEFICIENTE DE EFICIÊNCIA MÁXIMA; ÁREA DAS PÁS; VELOCIDADES DE ABERTURA E FECHAMENTO E RELAÇÃO W . R/ V

Todos aeromotores de árvore horizontal, apresentam, como uma de suas especificações, as velocidades velocidades de ABERTURAABERTURA e de FECHAMENTOFECHAMENTO..

S I S T E M A ?S I S T E M A ?““É UM CONJUNTO DE PARTES COORDENADAS ENTRE SI, É UM CONJUNTO DE PARTES COORDENADAS ENTRE SI, DE FORMA QUE CONCORRAM PARA UM CERTO DE FORMA QUE CONCORRAM PARA UM CERTO RESULTADO”RESULTADO” (LIMA & BARROSO, 1943) (LIMA & BARROSO, 1943)

PROCESSO ?PROCESSO ?““É UMA SÉRIE DE FENÔMENOS QUE SE SUCEDEM E É UMA SÉRIE DE FENÔMENOS QUE SE SUCEDEM E SÃO LIGADOS POR RELAÇÕES DE CAUSA E EFEITO; SÃO LIGADOS POR RELAÇÕES DE CAUSA E EFEITO; SÃO DIVERSOS PERÍODOS DA EVOLUÇÃO DE UM SÃO DIVERSOS PERÍODOS DA EVOLUÇÃO DE UM SISTEMASISTEMA”. (LIMA & BARROSO, 1943)”. (LIMA & BARROSO, 1943) OS SISTEMAS ESTABELECIDOS SÃO RESPONSÁVEIS OS SISTEMAS ESTABELECIDOS SÃO RESPONSÁVEIS PELOS PROCESSOS. PELOS PROCESSOS. A RECÍPROCA NÃO É VERDADEIRA!A RECÍPROCA NÃO É VERDADEIRA!

-PROCESSO DE SEMEADURA EM UM SISTEMA- MECANIZADO

-PROCESSO DE COZIMENTO DE FEIJÃO EM PANELA- DE PRESSÃO

EXEMPLOS:EXEMPLOS:1 - SISTEMA DIGESTIVO APRESENTA MUITAS PARTES1 - SISTEMA DIGESTIVO APRESENTA MUITAS PARTES DISPOSTAS DE FORMA ORGANIZADA. É O LOCALDISPOSTAS DE FORMA ORGANIZADA. É O LOCAL PROVEDOR DE CONDIÇÕES PARA QUE OCORRAM OSPROVEDOR DE CONDIÇÕES PARA QUE OCORRAM OS PROCESSOS DIGESTIVOS COM OBJETIVOS PROCESSOS DIGESTIVOS COM OBJETIVOS METABÓLICOS ESPECÍFICOS.METABÓLICOS ESPECÍFICOS.2 - MICROCOMPUTADOR É UM SISTEMA ELETRÔNICO2 - MICROCOMPUTADOR É UM SISTEMA ELETRÔNICO DESENVOLVIDO PARA RESOLVER CERTOS PROBLEMAS.DESENVOLVIDO PARA RESOLVER CERTOS PROBLEMAS. O OPERADOR É O RESPONSÁVEL PELOS PROCESSOS DE O OPERADOR É O RESPONSÁVEL PELOS PROCESSOS DE RESOLUÇÃO.RESOLUÇÃO.

BIBLIOGRAFIA BÁSICA GERAL:BIBLIOGRAFIA BÁSICA GERAL:Mialhe, L.G. Máquinas motoras na agricultura. v.1. EPU. São Paulo. 289 p. 1980. Mialhe, L.G. Máquinas motoras na agricultura. v.1. EPU. São Paulo. 289 p. 1980. Hinrichs, R.A. Energy. Cap. 8. Sauders College Publishing. New York. 540 p. 1992.Hinrichs, R.A. Energy. Cap. 8. Sauders College Publishing. New York. 540 p. 1992.