Conceito de Energia: Formas, Unidades e Tipos, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Baixe Conceito de Energia: Formas, Unidades e Tipos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! GEM 37 – SISTEMAS DE CONTROLE HIDRÁULICO E PNEUMÁTICO A1: -Origem e Comparação entre as Energias (Pneumática,Vácuo, Hidráulica Industrial e Eletro-Eletrônica) 1 Bruno Alexandre Roque 85732 Guilherme Augusto de Oliveira 85733 Polliana Cândida Oliveira Martins 87298 Salim Jorge Feres Neto 85739 2 Introdução1 Pneumática Hidráulica Vácuo 2 3 4 5 Eletro-eletrônica 6 Conclusões A quantidade que chamamos energia pode ocorrer em diversas formas. Energia pode ser transformada, ou convertida, de uma forma em outra (conversão de energia). 5 UNIDADES DE ENERGIA  A unidade de energia no sistema internacional de unidades é o joule (J). O joule é uma unidade derivada, equivalente a 1 newton metro (1J = 1N.1m) ou ainda a 1 quilograma metro quadrado por segundo quadrado (1J=1Kg \frac {m^2}{s^2} ).  1 joule corresponde à energia transferida a um objeto por uma força resultante constante de 1N que, atuando de forma sempre paralela à trajetória descrita, o faz durante o intervalo de tempo necessário para que este objeto mova-se 1 metro ao longo da trajetória.  Embora a unidade oficial seja o joule, outras unidades de energia são freqüentemente utilizadas em função do contexto. Destacam-se o (quilo)watt-hora (KWh), unidade utilizada na medida do consumo de energia elétrica residencial ou industrial, o elétron-volt (eV), muito utilizada em física nuclear e de física de partículas, e o erg, unidade muito comum em países que ainda não adotaram por completo o estabelecido pelo Sistema Internacional de Unidades. 6  O watt-hora corresponde à energia transformada quando um dispositivo cuja potencia seja de 1 watt opera durante um intervalo de tempo de 1 hora. Uma lâmpada cuja potência nominal é 60W transforma 720Wh (ou seja, 0,72KWh) de energia elétrica em outras formas de energia a cada 12 horas de funcionamento (720Wh = 60W x 12h).  O elétron-volt corresponde à energia cinética ganha quando um elétron move-se entre dois pontos separados por uma diferença de potencial de 1 volt.  O erg é a unidade utilizada ao empregar-se o sistema de unidade cgs, comum em alguns países mesmo hoje em dia. Um erg equivale à um grama centímetro quadrado por segundo quadrado, ou seja, à décima milhonésima parte do joule (1 erg = 10-7 joules). 7 PNEUMÁTICA- DEFINIÇÕES  A existência física do ar, bem como a sua utilização como forma de energia, é reconhecida há milhares de anos. Derivado do termo grego πνευματικός (pneumatikos que significa "fôlego", "sopro"), a pneumática é o uso de fluido pressurizado na ciência e tecnologia.  É também o estudo da conservação da energia pneumática em energia mecânica, através dos respectivos elementos de trabalho. A Energia Pneumática provém da compressão do ar atmosférico em um reservatório, transformando-o em ar comprimido a uma dada pressão de trabalho. O equipamento que executa este processo é chamado de compressor.  Conforme estabelecido pela ISO 5598 a pneumática refere-se à ciência e tecnologia que trata do uso do ar ou gases como meio de transmissão de potência. 10 11 CONCEITOS 12 Compressibilidade do Ar Ar submetido a um volume inicial V 0 Ar submetido a um volume final Vf Vf < V0 F 1 2 Elasticidade do Ar Ar submetido a um volume inicial V 0 Ar submetido a um volume inicial V f Vf > V0 1 2 F Difusibilidade do Ar Volumes contendo ar e gases; válvula fechada Válvula aberta temos uma mistura homogênea 1 2 Expansibilidade do Ar Possuímos um recipiente contendo ar; a válvula na situação 1 está fechada Quando a válvula é aberta o ar expande, assumindo o formato dos recipientes; 1 2 porque não possui forma própria 15 Efeito Combinado entre as Três Variáveis Físicas T1 V1 P1 Mesma Temperatura: Volume Diminui - Pressão Aumenta T2 V2 P2 Mesmo Volume: Pressão Aumenta - Temperatura Aumenta e Vice-Versa T3 V3 P3 Mesma Pressão: Volume Aumenta - Temperatura Aumenta e Vice-Versa T4 V4 P4 Princípio de Blaise Pascal 1 - Suponhamos um recipiente cheio de um líquido, o qual é praticamente incompressível; 2 - Se aplicarmos uma força de 10 Kgf num êmbolo de 1 cm 2 de área; 3 - O resultado será uma pressão de 10 Kgf/cm 2 nas paredes do recipiente. ENERGIA PNEUMÁTICA  Provém da compressão do ar atmosférico em um reservatório, que transforma-o em ar comprimido a uma dada pressão de trabalho. Tal processo é feito por um compressor. Somente a partir de 1950 essa energia foi aplicada industrialmente, principalmente na automação e na racionalização da força humana para trabalhos cíclicos e metódicos. Alguns marcos históricos relevantes na história desta do aproveitamento desta energia são: invenção do barômetro (Torricelli) e Máquina a Vapor (Watts). 16 AR COMPRIMIDO  O ar comprimido é, provavelmente, uma das mais antigas formas de transmissão de energia que o homem conhece, empregada e aproveitada para ampliar sua capacidade física. O reconhecimento da existência física do ar, bem como a sua utilização consciente para o trabalho, são comprovados há milhares de anos.  Somente na segunda metade do século XIX é que o ar comprimido adquiriu importância industrial. No entanto, sua utilização é anterior a Da Vinci, que em diversos inventos dominou e usou o ar. 17 INSTALAÇÃO DE REDE AR COMPRIMIDO 20 CIRCUITO PNEUMÁTICO  O circuito pneumático é entendido como parte de um sistema pneumático o qual engloba também sensores, controladores, circuitos elétricos e demais componentes que viabilizam a automação e controle de um processo.  Os circuitos pneumáticos são alimentados por fontes de ar comprimido que incluem válvulas e cilindros interligados através de tubulações, tendo como objetivo a conversão, de forma controlada da energia pneumática em energia de transição ou de rotação. 21 Rede secundaria ad Valvula de saida Rede principal do compressor fes A Resfriador e RS posterior Em, po A o r É) Engate rapido Ê 3 q E Linha de descida 1-2% Inelhação principal Linhado — ag descida “> Indinação Separador de condensado . Válvula de Compressor . bloqueio | Engate rapido Unidade de condicionamento de ar Reservatorio valulade secador Tubulação de descarga dear drenagem Ligação do ramo principal até o engate rápido SISTEMAS PNEUMÁTICOS  Consumidor: Cilindros lineares, motores, cilindros rotativos, válvulas de vácuo, bicos sopradores, entre outros). 25 VANTAGENS- PNEUMÁTICA  Incremento da produção com investimento relativamente pequeno. Uma vez que as pressões de trabalho são relativamente baixas quando comparadas a hidráulica, seus elementos de comando e ação são menos robustos e mais leves, podendo ser construídos em liga de alumínio, tornando seu custo relativamente menor, portando mais vantajoso.  Redução dos custos operacionais. A rapidez nos movimentos pneumáticos e a libertação do operário (homem) de operações repetitivas possibilitam o aumento do ritmo de trabalho, aumento de produtividade e, portanto, um menor custo operacional.  Robustez dos componentes pneumáticos. A robustez inerente aos controles pneumáticos torna-os relativamente insensíveis a vibrações e golpes, permitindo que ações mecânicas do próprio processo sirvam de sinal para as diversas sequências de operação. São de fácil manutenção. 26  Resistência a ambientes hostis. Poeira, atmosfera corrosiva, oscilações de temperatura, umidade, submersão em líquidos, raramente prejudicam os componentes pneumáticos, quando projetados para essa finalidade.  Simplicidade de manipulação. Os controles pneumáticos não necessitam de operários superespecializados para sua manipulação.  Segurança. Como os equipamentos pneumáticos envolvem sempre pressões moderadas, tornam-se seguros contra possíveis acidentes, quer no pessoal, quer no próprio equipamento, além de evitarem problemas de explosão.  Redução do número de acidentes. A fadiga é um dos principais fatores que favorecem acidentes; a implantação de controles pneumáticos reduz sua incidência (liberação de operações repetitivas). 27  Compressibilidade. O ar é um fluido altamente compressível, portanto, é impossível se obterem paradas intermediárias e velocidades uniformes. O ar comprimido é um poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões para a atmosfera. Esta poluição pode ser evitada com o uso de silenciadores nos orifícios de escape.  Escape de ar – sempre que o ar e expulso de dentro de um atuador, apos seu movimento de expansão ou retração, ao passar pela válvula comutadora, espalhando- se na atmosfera ambiente, provoca um ruído relativamente alto, apesar de que nos dias de hoje, este problema foi quase totalmente eliminado com o desenvolvimento de silenciadores. 30 HIDRÁULICA o INDUSTRIAL t HIDRÁULICA- HISTÓRICO  A força fluida tem sua origem, a milhares de anos antes de Cristo. O marco inicial, de que se tem conhecimento, foi o uso da potência fluida em uma roda d’água, que emprega a energia potencial da água armazenada a uma certa altura, para a geração de energia. Os romanos por sua vez, tinham um sistema de armazenamento de água e transmissão, através de canais ou dutos para as casas de banho ou fontes ornamentais.O uso do fluido sob pressão, como meio de transmissão de potência, já é mais recente, sendo que o seu desenvolvimento ocorreu, mais precisamente, após a primeira grande guerra. 32 HIDRÁULICA 35 O termo Hidráulica derivou-se da raiz grega Hidro, que tem o significado de água, por essa razão entendem-se por Hidráulica todas as leis e comportamentos relativos à água ou outro fluido, ou seja, Hidráulica é o estudo das características e uso dos fluidos sob pressão. É responsável pelo conhecimento das leis que regem o transporte, a conversão de energia, a regulagem e o controle do fluido agindo sobre suas variáveis (pressão, vazão, temperatura, viscosidade, etc). HIDRÁULICA Experiências têm mostrado que a hidráulica vem se destacando e ganhando espaço como um meio de transmissão de energia nos mais variados segmentos do mercado, sendo a Hidráulica Industrial e Móbil as que apresentam um maior crescimento. 36 Atuador hidráulico do leme Reservatórios hidráulicos Atuador do bocal de combustão auxiliar hidráulico do estabilizador Atuador de escamoteação T Atuador principal o hidráulico ! Atuador de traseiro gerslieron Tremde escamoteação Atuador de Atuador da asa pouso dotrem de avanço do dobrável dianteiro pouso Flap Atuações Hidráulicas na aviação Q TIPOS DE SISTEMAS HIDRÁULICOS  Sistemas de potência utilizando fluidos: Circuitos para realizar trabalho (Foco da Automação) ;  Sistemas de transporte de fluidos: Redes de distribuição de água e gás ; 40 APLICAÇÃO DO PRINCIPIO DE PASCAL 41 O acréscimo de pressão produzido num líquido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do líquido. DIVISÃO DA HIDRÁULICA  Para fins didáticos, a hidráulica divide-se em dois ramos: a hidráulica industrial e a hidráulica móbil.  A hidráulica industrial cuida de máquinas e sistemas hidráulicos utilizados nas indústrias, tais como máquinas injetoras, prensas, retificadoras, fresadoras, tornos etc. 42 DESVANTAGENS DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS  Perdas de carga nas tubulações e acessórios;  Fugas internas que afetam os rendimentos;  Sensibilidade à alteração de condições físicas: temperatura, viscosidade do fluido hidráulico, compressibilidade, etc;  Vapores de Óleo: Poluição do meio ambiente, perigo de incêndio);  Ruído devido a vibração hidrodinâmica;  Exige alta qualidade mecânica dos órgãos hidráulicos;  Custos elevados;  Velocidades mais baixas. 45 VANTAGENS DOS SISTEMAS HIDRÁULICOS  Tempo de resposta mais rápido;  Força constante;  Suavidade de movimentos;  Facilidade na obtenção de velocidade variáveis;  Proteção contra sobre-cargas;  Ausência de transmissões mecânicas complexas;  Flexibilidade na disposição dos órgãos componentes;  Facilidade de controle por meio de instrumentos de medição;  Durabilidade e fiabilidade – auto-lubrificação. 46 APLICAÇÕES DA ENERGIA HIDRÁULICA  Hidráulica no setor móvel: Escavadoras, dragas, gruas e guindastes, máquinas rodoviárias e agrícolas e mecânica automobilística. 47 VÁCUO 50 VÁCUO  A energia do vácuo ou energia do vazio é uma energia de fundo existente no espaço inclusive na ausência de todo tipo de matéria. A energia do vácuo tem uma origem puramente quântica e é responsável por efeitos físicos observáveis como o efeito Casimir.  Vácuo é a ausência de matéria (como moléculas e átomos) em um volume de espaço ou energia, pois segundo Albert Einstein o Universo é composto de matéria e energia.  51 O efeito Casimir, previsto em 1948 pelo físico holandês Hendrik Casimir da Phillips, só foi demonstrado em 1997, e constitui evidência de que o vácuo tem uma energia associada. É um fenômeno puramente da mecânica quântica e nele reside uma das maiores icógnitas da física contemporânea: o problema da constante cosmológica. Dois objetos são atraídos devido a força do vácuo existente entre eles  Um vácuo energético parcial é expresso em unidades de pressão. No sistema de medidas SI, a unidade para a pressão chama-se Pascal (Pa). A pressão também pode ser expressa como uma porcentagem da pressão atmosférica usando o bar ou a escala barométrica. Descoberto e provado no século XVI pelo físico alemão Otto von Guericke na cidade de Magdeburgo. 52 DESVANTAGENS DO USO DO VÁCUO  Técnica simples e competitiva;  Sem desgaste (nenhuma peça em movimento);  Reduzidas dimensões, compacto, grande ligeireza permitindo a sua montagem diretamente sobre os sistemas utilizados em robótica;  Reduz o comprimento das tubagens e melhora o tempo de resposta. 55 BOMBAS DE VÁCUO Bomba rotatória de palheta «.. em óleo! Este é também o principio de operação das I -... também em óleo! BOMBAS DE MEMBRANA (SEM ÓLEO) = O principio é bastante similar as bombas rotatórias de pistão sendo o pistão substituído por uma membrana de borracha, algo similar a uma seringa hipodérmica. O Contudo tais bombas atingem pressões na faixa de 10! — 102 mbar. somente! O Possuem fácil manutenção. porem com grande freqiiência! ELETRO- ELETRÔNICA 60 ENERGIA ELÉTRICA Facilidade de Geração, Transmissão, Distribuição e Utilização Transformação em outras formas de energia Universalização 61 A energia elétrica é uma das mais nobres formas de energia secundária… ENERGIA ELÉTRICA  Dificuldade de armazenamento em termos econômicos  Variações em tempo real da demanda, e na produção em caso de fontes renováveis  Falhas randômicas em tempo real na geração, transmissão e distribuição  Necessidade de atender as restrições físicas para operação confiável e segura da rede elétrica 62 ...Mas também possui desvantagens e enfrenta alguns desafios. SISTEMA DE GERAÇÃO  Transformamos as energias primárias em energia elétrica. Abaixo, tipos de energia primária: 65 Hídrica • Energia potencial da água dos rios • Usinas hidroelétricas Termica • Energia de combustão • Biomassa, oleo combustível, carvão mineral Solar • Energia da radiação solar • Células fotosenssíveis Eólica - Energia dos ventos -Fazendas eólicas SISTEMA DE TRANSMISSÃO  Os centros de energia, geralmente, são distantes dos centros consumidores. Então o sistema de transmissão é o meio que possibilita a energia de se transportar da geração para a distribuição. 66 Rede de transmissão SISTEMA DE TRANSMISSÃO  Do gerador sai uma energia com alta potência e voltagem de 13.8 kV. Considerando uma perda por efeito jaule de 2.5%, observe: 67 É necessário elevar a tensão para tornar viável o diâmetro dos cabos de transmissão da rede. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO  Da rede primária, a energia deve se deslocar para os consumidores finais, na rede secundária. Para tanto, a tensão é rebaixada novamente ( por exemplo, para 220 ou 127 V) nos transformadores de distribuição (aqueles nos postes nas ruas): 70 SISTEMA DE UTILIZAÇÃO  Vamos diferenciar a utilização em dois tipos: 71 UTILIZAÇÃO ELÉTRICA  São os motores elétricos que encontramos tanto em aplicações domésticas, quanto em aplicaçòes industriais. 72 UTILIZAÇÃO ELÉTRICA-EFEITO JOULE  A necessidade é transformar a energia eletrica em calor ou luminosidade, atravéz do fluxo de energia por uma resistência. 75 UTILIZAÇÃO ELETRÔNICA  A necessidade é representar, armazenar, transmitir ou processar informações além do controle de processos e servo mecanismos.  Para tanto, há de se controlar a energia elétrica, onde os elétrons tem papel fundamental.  Aplicações: Sitemas de telecomunicações; Sistemas internos de computadores,Transdutores, Sensores... 76 UTILIZAÇÃO ELETRÔNICA  Placa de Circuito Impresso de um HD  Sensores 77 trução de navios & reco de embarcações dna para Aeroespaço Dra N [ / cce o ns 7 e 224 | NS2I Engenharia médica Indústria do plástico el Indúsiria têxtil Indústria alimentícia  E tú Indústria UTILIZAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO SETOR INDUSTRIAL DO PARANÁ 2003 82