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Revista Científi ca do Claretiano – Centro Universitário

LINGUAGEM ACADÊMICADossiê: EngenhariasLINGUAGEM ACADÊMICA

Dossiê: Engenharias

ISSN 2237-2318

v. 6, n. 1, jan./jun. 2016

Revista Científica do Claretiano – Centro Universitário

LINGUAGEM ACADÊMICADossiê: Engenharias

Reitoria / RectorateReitor: Prof. Dr. Pe. Sérgio Ibanor PivaPró-reitor Administrativo: Pe. Luiz Claudemir BotteonPró-reitor Acadêmico: Prof. Me. Luís Cláudio de AlmeidaPró-reitor de Extensão e Ação Comunitária: Prof. Me. Pe. José Paulo Gatti

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Informações Gerais / General InformationCirculação: SemestralNúmero de páginas: 150 páginasNúmero de artigos: 6 artigos neste volumeMancha/Formato: 11,3 x 18 cm / 15 x 21 cm

Os artigos são de inteira responsabilidade de seus autores.

Ling. Acadêmica Batatais v. 6 n. 1 p. 1-150 jan/jun. 2016

ISSN 2237-2318

Revista Científica do Claretiano – Centro Universitário

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© 2016 Ação Educacional Claretiana

Equipe editorial / Editorial teamEditor responsável: Prof. Me. Rafael Menari Archanjo

Equipe técnica / Technical staff Normatização: Dandara Louise Vieira MatavelliRevisão: Eduardo Henrique Marinheiro, Felipe Aleixo, Rafael Antonio Morotti e Talita Cristina BartolomeuProjeto gráfico: Bruno do Carmo BulgarelliCapa: Bruno do Carmo Bulgarelli

Direitos autorais / CopyrightTodos os direitos reservados. É proibida a reprodução, a transmissão total ou parcial por qualquer forma e/ou qualquer meio (eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação e distribuição na web), ou o arquivamento em qualquer sistema de banco de dados sem a permissão por escrito do autor e da Ação Educacional Claretiana.

Permuta / ExchangeOs pedidos de permuta devem ser encaminhados à Biblioteca da instituição:[email protected] Bibliotecária / LibrarianAna Carolina Guimarães – CRB-8/9344

370 L727 Linguagem acadêmica: revista científica do Claretiano - Centro Universitário – v.6, n.1, jan./jun. 2016) -. – Batatais, SP : Claretiano, 2016. 150 p. Anual. ISSN: 2237-2318 1. Educação - Periódicos. I. Linguagem acadêmica : revista científica do Claretiano - Centro Universitário.

Sumário / Contents

Editorial / Editor’s note ............................................................ 7

ARTIGO ORIGINAL / ORIGINAL PAPER

Análise da viabilidade econômico-financeira do projeto de abertura de uma empresa de alimentação coletiva ..................... 9Analysis of the economic and financial viability of the opening project of a food company

Análise do semieixo homocinético utilizado no veículo Baja da equipe Clarengex e proposta de melhoria para o sistema .......... 27Analysis of the homokinetic half-shaft used in the Baja vehicle of Clarengex team and a proposal for improving the system

Estudo de caso da seletividade e coordenação de um sistema de proteção de sobrecorrente instantânea e temporizada de uma subestação de 13,8kv de uma indústria metalúrgica com a utilização do relé Pextron URPE 6104 ...................................... 45Case study of the selectivity and coordination of an instantaneous and timed overcurrent protection system on a 13,8 kV substation of a metallurgical industry with the use of the relay Pextron URPE 6104

O aterramento elétrico como forma de prevenção a sobretensões causadas por descargas atmosféricas ......................................... 71 Electrical grounding as a form of preventing overvoltage caused by atmospheric discharges

Uso do planejamento ortogonal de Taguchi para a melhoria de parâmetros de fresamento com ferramenta de metal duro ......... 103Use of Taguchi’s orthogonal planning for the improvement of milling parameters with a hard metal tool

Células de hidrogênio como combustível .................................. 129

Hydrogen cells as fuel

Política Editorial / Editorial Policy .......................................... 147

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Ling. Acadêmica, Batatais, v. 6, n. 1, p. 7, jan./jun. 2016

Editorial / Editor’s note

Estimados leitores,A décima primeira edição da Revista Linguagem Acadêmica

do Claretiano – Centro Universitário chega, oportunamente, no momento em que uma crise assombra nosso país, oriunda da falta de planejamento e auditorias públicas sobre nosso sistema político. Entretanto, em todo momento de crise, podemos destacar uma célebre frase: “É na crise que surgem as oportunidades” – e é em meio a essa crise que o Claretiano busca, por meio de sua Missão, levar educação a vários pontos do Brasil com o oferecimento de diferentes cursos, com destaque para as áreas de Engenharia, que têm o objetivo de propor soluções e promover o crescimento de um país.

Atualmente, o Claretiano oferece cursos presenciais e a distância de Engenharia de Produção, Engenharia Elétrica, Engenharia Mecânica, Engenharia Ambiental e Engenharia Mecatrônica, em que percebemos a ampla área de ferramentas e soluções em diferentes contextos e situações-problema. Nessa confluência, encontramos, na presente edição, respostas para algumas reflexões. Os artigos abordam temas relevantes, como análise de custos e planejamento de operações que afetam diretamente as empresas, alternativas de combustíveis em face da preocupação mundial com o meio ambiente, proteção de descarga elétrica enfatizando a segurança dos trabalhadores, entre outros.

Com o desejo de buscarmos sempre a melhor solução mediante um determinado problema, propomos a leitura do atual exemplar, resultado das pesquisas da comunidade acadêmica do Claretiano – Rede de Educação.

Boa leitura!

Prof. Me. Eng. Thiago Francisco MalaguttiCoordenador dos Cursos de Engenharia

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Ling. Acadêmica, Batatais, v. 6, n. 1, p. 9-26, jan./jun. 2016

Análise da viabilidade econômico-financeira do projeto de abertura de uma empresa de alimentação coletiva

Diego Fernandes SILVA1

Carmelinda PARIZZI2

Resumo: Este estudo está centrado na análise da viabilidade econômico-finan-ceira, possibilitando ao empreendedor análises do retorno e das projeções de receitas, custos e despesas antes da possível constituição da empresa. Nesse con-texto, o presente artigo teve como objetivo analisar a viabilidade econômico--financeira do projeto de abertura de uma empresa de alimentação coletiva. A metodologia utilizada foi de caráter exploratório, configurando um estudo de caso com fonte de dados secundária. Os arranjos e articulações teórico-metodo-lógicos fundamentaram-se em autores como: Degen, Gitman, Hisriche e Peters. O estudo sustenta-se em dados reais, visto o interesse de um terceiro em investir nesse ramo. A análise foi realizada a partir da projeção do fluxo de caixa e da demonstração de resultados do exercício para um período de doze meses. Os resultados dessa avaliação mostraram ser viável a abertura do empreendimento.

Palavras-chave: Viabilidade. Alimentação. Empreendedorismo.

1 Diego Fernandes Silva. Mestrando em Administração das Organizações pela Universidade de São Paulo (USP). Graduado em Engenharia de Produção pela Universidade de Franca (UNIFRAN). Tem MBA em Engenharia e Inovação pelo Centro Universitário Uniseb. Atualmente é Professor e Auxiliar de Coordenação do curso de Engenharia de Produção no Claretiano - Centro Universitário. E-mail: <[email protected]>. 2 Carmelinda Parizzi. Mestre em Educação pelo Centro Universitário Moura Lacerda (CUML). Especialista em Implementação e Gestão de Educação a Distância pela Universidade Federal Fluminense (UFF).

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Analysis of the economic and financial viability of the opening project of a food company

Diego Fernandes SILVACamerlinda PARIZZI

Abstract: This study is focused on the analysis of the economic and financial viability, allowing the entrepreneur to analyze the return and the projections of revenue, costs and expenditures before the possible constitution of the company. In this context, this article aimed at analyzing the economic and financial viability of the opening project of a food company. The methodology used in this research was exploratory, and this is a case study with a secondary data source. The theoretical and methodological arrangements and articulations were based on authors such as: Degen, Gitman, Hisriche and Peters. The study is based on actual data, considering the fact that there is a third part which is interested in investing in this branch. The analysis was performed from the projection of the cash flow and the demonstration of results of the exercise for a period of twelve months. The results of this evaluation show that the opening of the entrepreneurship is viable.

Keywords: Viability. Feeding. Entrepreneurship.

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1. INTRODUÇÃO

As escolhas estão presentes em vários momentos de nossas vidas. Em um deles, surge um importante processo de análise e decisão entre ocupar um emprego remunerado ou abrir o próprio empreendimento. Porém, atreladas a esse processo decisório, vá-rias histórias de negócios de sucesso que trazem incentivos são apresentadas. Surge, também, em contrapartida, a situação de ques-tões como o despreparo para enfrentar situações de mudanças e o medo pelo desconhecido. Fatos como esses podem impactar direta-mente as decisões dos futuros empreendedores.

Independentemente dos fatores que influenciam essa decisão, ela é tomada, e o sucesso dependerá da realização de um bom tra-balho. A abertura do próprio negócio, além da independência finan-ceira, segundo Hisrich e Peters (2005), pode levar à realização pro-fissional e pessoal ao permitir que as pessoas inovem na orientação e na evolução do empreendimento.

O Serviço Brasileiro de apoio às Micro e Pequenas Empre-sas – SEBRAE (2013) aponta que 25% das empresas morrem em seus dois primeiros anos de mercado. A falta de planejamento, a ausência de conhecimento relacionada às necessidades financeiras, a competitividade do mercado, a dificuldade na regulamentação do negócio e incapacidade administrativa são alguns dos fatores mais comuns para o insucesso.

Percebe-se, nesse momento, que a atividade empreendedora que leva ao sucesso tem alguns riscos associados. Uma possível saída e quantificação para esses riscos está apoiada na pesquisa e no conhecimento científico.

O estudo de viabilidade de um projeto é utilizado para de-monstrar ao empreendedor a importância de uma análise que prece-de a abertura do negócio, em que podem ser levantados noções de riscos e pontos de sustentabilidade para o negócio. Nesta pesquisa, o estudo de viabilidade foi utilizado para projetar os custos e as receitas, a fim de se avaliar a viabilidade econômico-financeira do projeto de abertura de uma empresa de alimentação coletiva, com objetivo de esclarecer a rentabilidade e a lucratividade do negócio.

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O setor de alimentação teve poucos avanços tecnológicos com o passar dos tempos. Os equipamentos utilizados na prepara-ção dos alimentos ficaram mais precisos, eficientes e seguros, mas as técnicas empregadas na culinária e algumas características do preparo alimentar são um tanto quanto antigas. Consumidores até acreditam que quanto mais artesanais forem as técnicas e os equi-pamentos utilizados, mais saboroso é o alimento (MATOS, 2000).

Nesse sentido, a busca pela oportunidade, pela colocação prá-tica dos conhecimentos e pelo uso da força de trabalho em um novo negócio, comparada à possibilidade de escolha pela dependência de um emprego sem estabilidade, pelo qual se pode ser mal remu-nerado, associada à ausência tecnológica no setor alimentício que demanda um baixo investimento, pode levar um cozinheiro sem nenhum conhecimento administrativo a abrir seu próprio negócio sem a realização de um prévio estudo.

Um pressuposto para o tema escolhido é que a abertura da empresa após a análise de viabilidade acarreta maiores chances de sucesso no mercado, visto que, no segmento alimentício, a com-petitividade não é diferente dos outros setores, em que temos uma grande diversidade de estabelecimentos oferecendo refeições fora de casa.

Neste contexto, esta pesquisa será norteada pela seguinte questão: a abertura de uma nova empresa de alimentação coletiva com atuação na região do estado de Minas Gerais, na região do triângulo mineiro, poderá apresentar resultados positivos na análise de viabilidade e de rentabilidade, ao ponto de se tornar uma boa opção de investimento?

Este estudo permitirá a aplicação de conhecimentos adquiri-dos tendo como base o mercado real, visto o interesse de um ter-ceiro em investir nesse ramo. Serão abordados quatro métodos de avaliação para o empreendimento: Payback, Valor Presente Líqui-do, Taxa Interna de Retorno e o Retorno Sobre o Investimento, em virtude de o artigo não permitir maior abrangência.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A revisão bibliográfica resgata os conhecimentos científicos a respeito do tema a ser tratado e serve como base teórica para os estudos do qual este trabalho se propõe.

Empreendedorismo

Vemos que, ao longo do tempo, a definição de empreendedor, caracterizado, hoje, como um ser inserido no cenário econômico, sofreu algumas evoluções. “A palavra empreendedor origina-se da palavra entrepreneur, que é francesa, literalmente traduzida, signi-fica aquele que está entre ou intermediário” (HISRICH; PETERS, 2005, p. 96).

No século XVIII, o filósofo Rousseau (2008), em uma de suas frases utilizadas para explanar a origem das desigualdades en-tre os homens, ressalta que “o homem transcende a sua natureza”. Essa definição se torna interessante pelo fato de narrar as origens das desigualdades humanas, que surgiram por conta da capacidade do homem em transcender, entendida no mesmo sentido de empre-ender, criar, inovar, ir além. Embora o contexto tenha abordado um cenário em que o homem buscava descobrir novos meios para a sobrevivência, sem ligações no contexto econômico, já era possível entender o empreendedorismo no sentido de superação.

Uma definição de Ely e Ress (1937, p. 488) associa o empre-endedor na perspectiva econômica e coloca-o como ator do geren-ciamento e da administração de um negócio:

No final do século XIX e no início do século XX, a defi-nição do empreendedor passou a ser vista por perspectiva econômica. Dito deste modo, [...] o empreendedor organiza e opera uma empresa para lucro pessoal. Paga os preços atuais pelos materiais consumidos no negócio, pelo uso da terra, pelo serviço de pessoas que emprega e pelo capital de que necessita contribuindo com sua própria iniciativa, habilidade e engenhosidade no planejamento, organização e administração da empresa. Também assume a possibili-dade de prejuízo e de lucro em consequência de circuns-

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tâncias imprevistas e incontroláveis. Os resíduos líquidos das receitas anuais do empreendimento, após o pagamento de todos os custos, são retidos pelo empreendedor.

No sentido de que a atividade empreendedora está ligada ao avanço, podemos entender sua importância para a sociedade e para o crescimento econômico do país. Britto e Wever (2003, p. 15), em um contexto mais moderno, envolvendo o sistema comercial e financeiro, citam que o empreendedorismo:

[...] é a criação de valor por pessoas e organizações trabalhando juntas para implementar uma ideia através da aplicação de criatividade, capacidade de transformação e o desejo de tomar aquilo que comumente se chamaria de risco.

Diante do apresentado, é possível perceber que a atividade empreendedora está definida em um comportamento baseado na tomada de decisões e na organização de mecanismos econômicos com intuito de transformar recursos para proveito prático e econô-mico, aceitando riscos.

Análise de viabilidade

O estudo de viabilidade de um projeto é apresentado no sen-tido de fornecer informações para o empreendedor escolher se irá ou não aceitar os riscos e as possibilidades associadas à abertura de um novo empreendimento. Segundo Dolabela (1999), um bom ne-gócio é fruto da identificação de uma oportunidade e seu posterior estudo de viabilidade, a fim de tomar uma decisão satisfatória que proporcione avanços na empresa.

Neste estudo, serão abordados quatro métodos de avaliação (Payback, VPL, TIR e ROI), que serão estudados de forma isola-da, a fim de promover a análise de viabilidade do negócio a partir da projeção futura, das previsões de entradas e saídas. Assim, será constituído o fluxo de caixa, que proporciona a base das análises necessárias para o estudo de viabilidade que orientará o empreen-dedor para uma decisão mais assertiva para esse projeto (DEGEN, 1989).

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Payback

Segundo Degen (1989), o payback é o tempo necessário para que a empresa tenha o retorno do investimento inicial aplicado no empreendimento. Trata-se de uma técnica simples, que pode ser analisada em qualquer periodicidade e que tem a viabilidade de um projeto definida como positiva, quando o período do payback está dentro do previsto pelo empreendedor e é menor que o prazo total analisado. O payback pode ser calculado a partir da seguinte fórmula:

Investimentoinicial totalPaybdecai

acxa no

kEnt perrada íodo

=

Vale lembrar que, na análise realizada pelo método do payback, não é considerado o valor do dinheiro no tempo.

Valor Presente Líquido (VPL)

O valor presente líquido, segundo Gitman (1997), pode ser calculado pela diferença entre o valor presente das entradas e saí-das de caixa que ocorrem durante o tempo de vida de um projeto, descontado a uma taxa de desconto de mercado. O VPL pode ser calculado por meio da seguinte fórmula:

0 (1 )

nt

tt

FCVPLi=

=+∑ , onde:

• tFC : Fluxo de caixa no período t;

• i : taxa de desconto;• t : período.Assim, quando o resultado do VPL for positivo, indicará que

as entradas serão maiores que as saídas de caixa em um momento

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zero; dessa forma, o projeto deverá ser aceito, pois o retorno supera o investimento.

Taxa Interna de Retorno (TIR)

A taxa interna de retorno de um investimento, segundo Brom e Balian (2007), é a taxa exigida de retorno que garante a reposição exata de um investimento realizado e, quando utilizada como taxa de desconto, resulta em um VPL igual a zero. Ela pode ser calcula-da por meio da seguinte fórmula:

0( 0)

(1 )

nt

tt

FCTIR VPLTIR=

= = =+∑ , onde:

• tFC : Fluxo de caixa no período t ;• 0VPL = ;• t : período.Nesta análise, quando a taxa de desconto aplicada for menor

que a TIR, o valor presente líquido do projeto será positivo e ele pode ser aceito.

Retorno sobre o Investimento (ROI)

O índice de retorno sobre o investimento, segundo Gitman (1997), representa o tamanho da rentabilidade que um empreen-dedor terá caso opte por investir no projeto analisado. Ele indica o percentual de rendimento financeiro a ser obtido com o projeto diante do capital inicial investido. O cálculo do ROI pode ser feito por meio da seguinte fórmula:

100

lucroROI xinvestiment

líquidodo períodoinicial totalo

=

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Essa ferramenta de análise tem uma vasta utilização em es-tudos de viabilidade econômico-financeira, visto que sua aplicação pode ser dada em situações passadas ou potenciais futuros.

Com a apresentação dessas teorias, finaliza-se a revisão bi-bliográfica, que apoiará as situações e cálculos apresentados no de-correr deste artigo.

3. METODOLOGIA

Na busca de analisar a viabilidade econômico-financeira do projeto de investimento, em uma empresa de alimentação coletiva, o método de pesquisa selecionado foi de caráter exploratório, sendo utilizado o Estudo de Caso, que é caracterizado por uma aplicação prática dos conceitos estudados em uma potencial empresa.

Segundo Barros e Lehfeld (2007), o estudo de caso consis-te na coleta e registro de informações sobre um ou vários casos, elaborando relatórios críticos, organizados e avaliados, que darão origem a decisões sobre o objeto escolhido para a investigação.

A abordagem do caso será feita pelo método quantitativo, que, segundo Richardson (1999, p. 70), “[...] representa, em princí-pio, a intenção de garantir a precisão dos resultados, evitar distor-ções de análise e interpretação, possibilitando, consequentemente, uma margem de segurança quanto às inferências”.

O presente trabalho utiliza dados secundários, que, de acordo Kotler (1998), são obtidos por meio de informações já colhidas por outros para algum propósito.

4. ESTUDO DE CASO

Com base no conhecimento levantado na revisão bibliográ-fica e nas informações colhidas por terceiros, interessados em in-vestir na abertura desse empreendimento, foi possível constatar os seguintes resultados.

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O empreendimento

A proposta de abertura do empreendimento está fundamenta-da em uma empresa de alimentação coletiva, localizada no estado de Minas Gerais, na região do triângulo mineiro, que oferecerá uma alimentação saudável, equilibrada e dentro de um padrão de quali-dade que atenda às necessidades dos clientes.

Segundo Matos (2000), o ritmo de vida moderno contribui para o crescimento do mercado de alimentação fora de casa, que está subdividido em: alimentação comercial (restaurante, fast food, lanchonetes etc.) e alimentação coletiva, em que a produção da re-feição é realizada para uma clientela definida (escolas, indústrias, hospitais, bancos etc.).

Neste estudo, abordaremos o cenário da alimentação coleti-va, tendo em vista que a estrutura da empresa contará com uma cozinha dimensionada para a produção de 750 refeições diárias. Ela estará equipada com fogão, chapa, grelha, batedeira, liquidificador, geladeira, freezer, carro térmico, forno, balança digital, espremedor de frutas, espátulas, ralador, jarras, copos e outros utensílios indis-pensáveis para a preparação de alimentos. A equipe será formada por um cozinheiro, três auxiliares de cozinha, uma nutricionista e um administrador, que, juntos, trabalharão nos dias úteis para entre-gar o produto contratado.

O empreendimento não pretende comercializar bebidas e tra-balhará com a demanda e seus cardápios acertados em um contrato fixado nas quantidades e nos períodos, de modo que a indústria interessada no serviço será atendida de acordo com suas exigências nutricionais e de custos.

Projeção de vendas

A determinação dos preços de vendas teve como base uma pesquisa de mercado realizada pela indústria contratante; pela aná-lise dos custos e das despesas operacionais; e pelo retorno espera-do. Os dois últimos são provenientes deste estudo.

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A indústria contratante exigiu o cumprimento dos valores nu-tricionais recomendados e contrata a entrega de 250 refeições des-tinadas ao desjejum; 250 refeições para o almoço; e 250 refeições para o lanche da tarde, que devem ser montadas com combinações distintas, de forma que não se repitam em um intervalo de 20 dias.

Essa variedade de pratos nos leva a uma variação diária rela-cionada aos custos de preparo dos alimentos. Para facilitar a proje-ção financeira, foi calculado um ticket médio dos valores de venda para cada uma das três refeições que serão servidas ao longo do dia. O preço de venda para os produtos e a projeção de faturamento mensal podem ser vistos na Tabela 1:

Tabela 1. Ticket médio do preço de venda das refeições.

Fonte: elaborado pelo autor.

As refeições serão servidas apenas nos dias úteis, que, em média, são 21 dias ao mês. Dessa forma, encontramos o valor espe-rado para o faturamento bruto na ordem de R$ 69.405,00 mensais. O contrato de fornecimento de alimentação terá um prazo de vigên-cia de 12 meses, podendo ser renovado. O pagamento pelos produ-tos será realizado por depósito bancário, onde a empresa contratada receberá o valor integral de suas vendas, sempre no primeiro dia útil do mês seguinte ao trabalhado.

Investimento inicial, despesas e custos

Para constituir a estrutura física da empresa, será necessária a montagem de um escritório simples e de uma cozinha em um local apropriado. Para a aquisição dos bens imóveis, dos equipamentos e

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dos utensílios, foi levantada a necessidade de um investimento de R$36.853,00.

O capital de giro, segundo Gitman (1997), é um montante de dinheiro suficiente para que uma determinada empresa cumpra suas obrigações com assiduidade, sem ser penalizada pelo desca-samento entre as contas a pagar e as contas a receber. Para o em-preendimento, ele foi calculado de forma a garantir a cobertura dos custos fixos mensais mais as contas a pagar, descontadas as contas a receber no período, resultando, assim, em uma necessidade de capital de giro igual a R$51.125,30. Esses valores são apresentados na Tabela 2:

Tabela 2. Investimento total e despesas fixas mensais.


Os custos e despesas fixas apresentados na Tabela 2 são re-ferentes às necessidades mensais da empresa e somam a quantia de R$18.279,70. Dentro desse valor, já foram considerados os en-cargos e provisões trabalhistas, a depreciação dos bens imóveis, aluguel, as despesas operacionais, as alimentações destinadas aos

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funcionários e, além disso, uma margem de 5% para cobrir os des-perdícios que podem surgir durante o preparo dos alimentos.

Os custos variáveis estão relacionados com as refeições que serão servidas e sofrem variações a cada dia devido às diferentes combinações de ingredientes utilizados. Dessa forma, para facilitar a projeção financeira, foi calculado um ticket médio dos valores de custo para cada uma das três refeições oferecidas ao longo do dia. Esses custos incluem apenas os gastos com matérias-primas dos pratos montados de acordo com as exigências nutricionais. Eles podem ser vistos na Tabela 3:

Tabela 3. Ticket médio do preço de custo das refeições.


Com esses dados, será possível projetarmos o fluxo de caixa e extrapolar um possível demonstrativo de resultados para o perío-do estudado, a fim de promovermos a avaliação de viabilidade para o investimento.

Demonstração de resultados do exercício

Os dados de custos levantados anteriormente foram ordena-dos de forma a compor a demonstração dos resultados do exercício para primeiros 12 meses de funcionamento da empresa de alimen-tação coletiva e podem ser visualizados na Tabela 4:

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Tabela 4. Demonstração do Resultados dos Exercícios.


A empresa enquadra-se no regime tributário do simples na-cional e, de acordo com a Resolução CGSN nº 117 (2014), para um faturamento anual entre $720.000,00 e $900.000,00, a alíquota de imposto incidente é de 8,1% sobre a receita bruta. Essa despesa pode ser visualizada no cs de despesa variável. O investimento ini-cial foi projetado para ser abatido em forma de uma despesa finan-ceira e apresenta-se no campo de mesmo nome na tabela.

Dessa forma, é possível verificar que os lucros líquidos são positivos em todos os períodos analisados. Devemos, agora, pro-mover a aplicação dos métodos de avaliação de investimento apon-tados anteriormente nos referenciais teóricos a fim de verificar a viabilidade do empreendimento.

Avaliação do empreendimento

A avaliação da viabilidade do empreendimento foi realizada a partir da construção do fluxo de caixa, onde foi considerado o investimento inicial de R$36.853,00 a ser gasto no período zero. Em seguida, foram calculados os indicadores VPL, Payback, TIR e ROI, de forma a encontrar os resultados de rentabilidade e de lucra-tividade para o projeto. Esses cálculos estão apresentados de forma sucinta na Tabela 5:

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Tabela 5. Resumo dos Indicadores de viabilidade para o empreen-dimento.


Considerando o cenário projetado para 12 meses de forneci-mento de alimentação, conforme o contrato firmado, o empreen-dimento demonstra ser viável e atrativo para todos os indicadores analisados.

O VPL apresentou um resultado positivo em R$62.566,02 a uma taxa de desconto de 1% a.m., que representa a realizada do cenário econômico. O tempo de retorno do capital inicial investido está previsto para o quinto período após a abertura do negócio. A TIR em 22,20% demonstra ser superior à taxa de desconto, o que confirma a possibilidade de um bom negócio.

Quando analisado o indicador de Rentabilidade (ROI), é verificado que ele está positivo em 14,15%. Isso mostra que este é um excelente negócio, pois nenhuma aplicação do mercado oferece rentabilidade similar.

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Segundo Gitman (1997, p. 53), a “Lucratividade representa a proporção monetária de receita de vendas restante após a dedução de todos os custos e despesas, incluindo juros e impostos”. Seu cálculo demonstrou uma lucratividade média mensal de 7,51%, in-dicando que o negócio é lucrativo.

Dessa forma, verificamos que todos os indicadores apontam para um cenário positivo e atrativo, confirmando a viabilidade eco-nômico-financeira do empreendimento.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O presente trabalho teve como objetivo a verificação da aná-lise econômico-financeira da abertura de uma empresa de alimen-tação coletiva, localizada na região do triângulo mineiro, no estado de Minas Gerais.

Durante o processo de realização da análise de viabilidade, foi possível observar a importância do estudo para a minimização dos riscos associados às incertezas, além de nortear o empreende-dor quanto às expectativas e ao andamento do projeto.

O empreendimento foi descrito de forma clara, como um es-tabelecimento que trabalha com alimentação coletiva, onde é fir-mado um contrato fixo para o fornecimento de refeições que cita os valores, as quantidades e os prazos a serem cumpridos.

Os investimentos fixos, a necessidade de capital de giro e as despesas fixas foram apuradas, possibilitando a verificação da necessidade de capital para a abertura do negócio. Em seguida, fo-ram levantados os custos, com intuito de traçar um fluxo de caixa e esboçar o demonstrativo de resultados do exercício a fim de possi-bilitar a aplicação dos indicadores de análise de viabilidade.

A projeção do fluxo de caixa e do demonstrativo de resulta-dos do exercício permitiu a constatação, por meio do Valor Presen-te Líquido (VPL), de um potencial de lucro líquido na ordem de R$ 62.566,02 durante o primeiro ano da empresa. A lucratividade apresentou um índice de 7,51%, a rentabilidade foi calculada em

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14,15% e o tempo de retorno do capital inicial investido está pre-visto para o quinto período após a abertura do negócio.

Por fim, todos os indicadores estudados validaram o sucesso do projeto e permitiram atingir o objetivo deste estudo, confirman-do que a abertura do empreendimento é viável.

REFERÊNCIAS

BARROS, A. J. D. S.; LEHFELD, N. A. D. S. Fundamentos de Metodologia Científica. 3. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.

BRASIL. Resolução CGSN nº 117. Alíquotas e Partilha do Simples Nacional – Indústria. 2014. Disponível em: <http://www.receita.fazenda.gov.br/publico/Legislacao/Resolucao/2011/ResolucaoCGSN/Anexo_II_Resolucao_CGSN_94.doc>. Acesso em: 6 out. 2015.

BRITTO, F.; WEVER, L. Empreendedores brasileiros: vivendo e aprendendo com grandes nomes. 4. ed. Rio de Janeiro: Campus, 2003.

BROM, L. G.; BALIAN, J. E. A. Análise de investimentos e capital de giro: conceitos e aplicações. São Paulo: Saraiva, 2007.

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Análise do semieixo homocinético utilizado no veículo Baja da equipe Clarengex e proposta de melhoria para o sistema

Felipe Muniz ARNALDO1

Rodrigo dos Santos ANTUNES2

Eduardo CASARIM3

Resumo: Este trabalho tem o objetivo principal de compreender a metodologia de especificação de linha de transmissão de torque através de semieixo homo-cinético e avaliar o quanto o resultado oriundo desta aplicação influenciou na falha e, consequentemente, no desacoplamento do semieixo homocinético em uma aplicação real. Foram realizadas três linhas de trabalhos distintos: primeiro, foi compreendida toda a história e metodologia de utilização do semieixo homo-cinético; em seguida, foram isoladas as possíveis causas do desacoplamento do eixo homocinético, realizado cálculos e simulada a aplicação no Baja via MEF (Método dos elementos finitos); e, por fim, foram coletados os dados obtidos na primeira e segunda metodologia e a proposta de melhoria a fim de otimizar o semieixo homocinético, para uma futura aplicação no veículo Baja.

Palavras-chave: Semieixo homocinético, análise por elementos finitos, propos-ta de melhoria.

1 Felipe Muniz Arnaldo. Graduado em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP).2 Rodrigo dos Santos Antunes. Graduado em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP).3 Eduardo Casarim. Especialista em Metodologia de Educação a Distância pelo Claretiano – Centro Universitário, Especialista em Logística Empresarial pelo Instituto Nacional da Pós-graduação, Especialista em Administração Industrial pelo Instituto Nacional de Pós-graduação, Graduado em Engenharia Mecânica pela Escola de Engenharia de Piracicaba (EEP-FUMEP). E-mail: <[email protected]>.

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Analysis of the homokinetic half-shaft used in the Baja vehicle of Clarengex team and a proposal for improving the system

Felipe Muniz ARNALDORodrigo dos Santos ANTUNES

Eduardo CASARIM

Abstract: This work has the main objective of understanding the methodology for specifying a torque transmission line through a homokinetic half-shaft and evaluate how the result derived from this application influenced the fault and, consequently, the uncoupling of the homokinetic half-shaft in a real application. Three different work approaches were carried out: firstly, all the history and use methodology of the homokinetic half-shaft was understood; secondly, the possi-ble causes for the disconnection of the homokinetic half-shaft were isolated, and, also, calculations were made and the application in the Baja via MEF (Method of finite elements) was simulated; and, finally, the data obtained in the first and second methodologies were collected and the improvement proposal in order to optimize the homokinetic half-shaft, for a future application in the Baja vehicle.

Keywords: Homokinetic half-shaft, finite element analysis, improvement pro-posal

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1. INTRODUÇÃO

Análise do semieixo homocinético utilizado no veículo Baja da equipe Clarengex e proposta de melhoria para o sistema.

O objetivo geral deste trabalho é analisar as possíveis falhas que ocorreram no semieixo homocinético e, assim, buscar propor soluções para que o próximo veículo não apresente os mesmos pro-blemas.

Nosso objetivo específico é analisar o sistema homocinético do veículo Baja, coletar dados e informações em campo para com-pararmos com os atuais, observar e analisar o semieixo homociné-tico trabalhando no veículo e, também, avaliar todo o sentido da homocinética.

Este trabalho é importante, pois, inicialmente, gerará conhe-cimentos que contribuirão para o embasamento técnico na utili-zação adequada do sistema do semieixo homocinético do veículo Baja. Além disso, este estudo ajudará a identificar as deficiências do projeto da equipe Clarengex e também auxiliará na escolha de um modelo de junta homocinética ideal para o projeto.

É importante, ainda, em nível pessoal, pois a vivência em grupo durante o projeto nos proporcionou o aprimoramento de ati-vidades como: trabalho em equipe, desenvolvimento pessoal, pla-nejamentos diversos, entre outros.

No âmbito acadêmico, ele será muito significativo, já que contribuirá com ideias científicas para as questões aqui propostas dentro da área de Engenharia Mecânica, fazendo com que possa contribuir com mais esse aporte científico de estudos e reflexões nas universidades brasileiras. Além disso, o projeto nos permitiu colocar toda a teoria adquirida em sala de aula na prática, até a construção final do veículo Baja.

Os dados obtidos em nossa pesquisa cientifica vão ficar à disposição dos alunos que farão parte da nova formação da equi-pe Clarengex; além disso, a abordagem do problema é qualitativa, complementando a realização dos objetivos de forma explicativa, analisando, dessa forma, soluções para o problema durante a com-

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petição SAE Baja Brasil 2015. O procedimento técnico adotado foi experimental, onde serão apontadas as correções necessárias para o novo projeto do conjunto homocinético.

Em março de 2015, ocorreu a 21ª Competição Baja SAE Bra-sil, onde a Faculdade Claretiano de Rio Claro – SP teve sua primeira participação com a equipe Clarengex. Cada instituição participante deveria construir um veículo off road (veículo fora da estrada) se-guro e capaz de superar os mais variados tipos de terrenos.

Durante a prova de enduro, a junta homocinética sofreu um deslocamento axial em seu trabalho, fazendo com que ela se de-sacoplasse do eixo. Nesse trabalho, levantamos algumas hipóteses para nos auxiliar a encontrar a causa raiz do problema proposto.

1.1. Torque do motor muito alto.1.2. Rolamento do semieixo homocinético com fadiga.1.3. Vibração excessiva.1.4. Limites de trabalho angular muito alto.

2. DESENVOLVIMENTO

A junta homocinética vem do grego homos = igual + kinein = movimento e foi criada pelo francês Pierre Fenaille em 1927, com o objetivo de se obter a tração dianteira, por ela possibilitada, per-mitindo a tração e a direção estarem no mesmo eixo. Antecessora da junta homocinética, existia a junta universal, que basicamente consistia em dois “U” unidos por um pino transmitindo movimento para o outro, fazendo que esses eixos pudessem ter um movimento independente e gerar um ângulo. Porém, esse tipo de junta possuía um problema: quando o “U“ transmitia movimento para o outro, existia a diferença de velocidade e aceleração entre as duas peças, causando movimentos indesejáveis do volante de direção, ocasio-nando um desconforto nas curvas para o piloto.

A maior falha da junta universal foi eliminada na junta homo-cinética. Nesse modelo, há esferas entre a parte condutora e a parte conduzida, mantidas espaçadas por meio de pistas.

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A junta homocinética surgiu devido à necessidade de anular o efeito de desequilíbrio da transmissão e, também, à necessida-de de conseguir ângulos maiores de trabalho, pois a junta univer-sal possuía uma limitação nesse quesito. Com esse tipo de junta, o movimento é transmitido de uma forma uniforme à velocidade constante. Por essa razão, esta junta também é denominada junta de velocidade constante (constant velocity joint ou, abreviadamente, CV joint).

Em um projeto de um semieixo homocinético, devem ser levados em consideração quatro parâmetros básicos, que variam conforme a aplicação: Torque, Rotação, Ângulos e a Variação de comprimentos (NETO, 2012). O projeto do sistema de transmis-são da equipe Clarengex foi dimensionado para que o veículo Baja alcançasse um torque alto e conseguisse superar terrenos acidenta-dos; para isso, a variação de comprimento da junta homocinética auxiliaria na transmissão de torque em diferentes ângulos, fazendo com que o Baja não tenha perda de tração, independentemente do tipo de terreno.

Com o projeto Baja SAE, os estudantes de engenharia con-seguem colocar todo o conhecimento adquirido em sala de aula na prática. Cada equipe que participa da competição Baja SAE BRA-SIL deverá projetar um veículo fora de estrada (off road) visando à sua comercialização. O veículo tem de ser seguro, de fácil ma-nutenção e operação. Deve, também, ser capaz de superar todos os tipos de terrenos. Os alunos deverão desenvolver todo o projeto do veículo (projeto, construção, testes, promoção e sua operação) respeitando todas as regras disponibilizadas que foram impostas (REGULAMENTO BAJA SAE BRASIL, 2013).

Com o objetivo de melhor compreender o sistema de jun-tas homocinéticas, realizamos nossas pesquisas a fim de entender a real falha do sistema.

No projeto Baja, da equipe Clarengex, foi utilizada a junta ho-mocinética birfield do VW Gol, marca Spicer, modelo 952042HD e modelo VW 5X3407272. Utilizamos esse tipo de junta para trans-mitir a força gerada pelo motor para as rodas do veículo, indepen-dentemente do tipo de terreno em que o Baja estivesse operando.

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Segundo Cepra (2000), a junta homocinética birfield permite trans-mitir trabalho em diferentes ângulos e certo deslocamento axial. Esse tipo de homocinética é a mais bem-sucedida de todos os tipos de uniões homocinéticas. Na aplicação no veículo Baja, o desloca-mento axial não foi o suficiente para o ângulo máximo necessário para nosso projeto.

Uma necessidade do projeto foi trabalhar em conjunto com a suspensão, que é constituída por um sistema independente, e, por essa necessidade, precisávamos de um sistema que permitisse um desalinhamento angular e paralelo dos eixos. Para tal função, apli-camos o semieixo homocinético. Outra possibilidade seria usarmos as cruzetas (juntas universais) conforme Figura 1 a seguir, porém, estas apresentam maiores perdas para um desalinhamento elevado, bem como vibração excessiva.

Figura 1. Desenho de uma junta universal (cruzeta).

Fonte: Ningbo Rito (2015).

Entretanto, os semieixos homocinéticos (Figura 2) são de di-fícil fabricação, o que nos levou a adquirir um modelo comercial empregado no VW gol, mais leve e compacto dentro dos encontra-dos nos veículos populares.

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Figura 2. Semieixo homocinético (modelo 3D).

Fonte: Ningbo Rito, 2015.

De acordo com SENAI, 2005, o semieixo homocinético (Fi-gura 3) pode ser dividido em:

Figura 3. Vista explodida de um semieixo homocinético.

Fonte: Senai (2005).

A Figura 3 mostra: 1) Árvore de saída (ponta de eixo com junta homocinética

fixa).2) Anéis de travamento.3) Braçadeiras.4) Coifas de proteção.

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5) Semiárvore.6) Junta homocinética deslizante.7) Arruelas Belleville.8) Anel Centralizador. O eixo semiárvore ou eixo monobloco foi desenvolvido para

a indústria automotiva, compondo o conjunto semieixo homoci-nético. Sua função é a transmissão do torque entre as juntas ho-mocinéticas, devendo possuir elevada rigidez à torção. Ele possui ranhuras/entalhes e rasgos para a fixação das juntas homocinéticas.

De acordo com Steyer (2006, p. 2) “Os semieixos homociné-ticos são compostos por duas juntas homocinéticas, duas sanfonas (chamadas de mangas ou coifas) e um eixo interconector e sua con-figuração depende do tipo de aplicação.” O veículo Baja possui um semieixo para cada roda motriz, dessa forma, a tração é transmitida para as duas rodas traseiras.

Os eixos de interconexão das juntas (Figura 4) podem ser maciços, tubulares soldados ou monobloco tubular, e são confec-cionados normalmente em SAE 1045 ou SAE 1050 e temperados por indução.

Figura 4. Desenho 2D de um eixo de interconexão.

Fonte: GKN do Brasil (2015).

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Análise por elementos finitos

No Projeto Baja, realizamos análises do semieixo homoci-nético, que é uma das partes do veículo que mais sofreu impacto durante a competição Baja SAE Brasil 2015.

Nessa análise, colhemos informações do RPM do motor uti-lizado no Baja, câmbio cvt, redutor, mancais e coroa, criamos um memorial de cálculo, logo após os cálculos, aplicamos os resulta-dos por método de elementos finitos com o software Solid Works Simulation.

Memorial de cálculo

Todos os eixos que giram e transmitem potência sofrem fle-xão e torção (flexo-torção). A torção ocorre devido, pelo menos, a dois momentos que agem, no eixo, em sentidos contrários (a carga puxa de um lado, e o torque puxa do outro, e tendem a cisalhar o eixo).

Para eixos totalmente fixos em uma extremidade, basta ape-nas um momento aplicado em qualquer ponto do seu comprimento para provocar torção. Assim, todos os eixos que transmitem potên-cias terão de ser calculados à flexo-torção.

Porém, o engenheiro, sem correr nenhum risco, poderá cal-cular esses eixos somente à torção, desde que use um artifício para atenuar a flexão, segundo Niemann (1996). O semieixo homociné-tico possui um diâmetro de 24,2 mm, material SAE 1045 tempera-do pelo método de indução.

RPM na saída da redução:Onde:N final = Rotação máxima final (RPM) - 3800Redução do redutor – 1:7,44Redução do CVT – 1: 0,543800 / 0,54 X 7,44 = 945,83 RPM

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O motor que equipa o Baja possui 10 HP, mas, devido à perda de potência no sistema, logo, a potência final é de:

HP x CVT x redutor x mancais x coroa = CV10 x 0,97 x 0,96 x 0,985 x 0,98 = 8,98 CVCálculo de torção no semieixo homocinético:A atuação da torção, basicamente, se segue conforme a Figu-

ra 5 a seguir:

Figura 5. Aplicação de torção em um eixo.

Fonte: Vicentini (2013).

Aplicamos o momento torçor: nNMt ×= 71620

Onde: N = potência do eixo (cv) e n = rotação do eixo (rpm) MT = 716200 x N / nMT = 716200 X 8,98 / 945,83 MT = 6799,8 Kgf / mmAplicando a fórmula de torque máximo:Ƭ max = Mt / WtƬ max = Mt / (π x d³) / 16 Ƭ max = 6799, 8 / (π x 24, 2³) / 16Ƭ max = 2, 44 kgf/mm²

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Portanto, a Ƭ max (torque máximo) = 2, 44 kgf/mm², esse resultado será utilizado posteriormente para a realização de cálculo por elementos finitos.

No caso da torção e do cisalhamento puro, conforme Figura 6 a seguir, as tensões aparecem no plano da seção da peça, ou seja, perpendiculares ao eixo, e são chamadas de Tensões de cisalhamen-to e expressas pela letra (Ƭ).

Figura 6. Atuação da tensão de cisalhamento em um eixo.


Valores sugeridos para Fator de segurança (N) na Tabela 1 a seguir:Tabela 1. Tabela de valores sugeridos para fator de segurança (N).

Tipo de solicitação

AçosMateriais Frágeis

Ferro FundidoSobre Escoamento Sobre a Ruptura

Estática 1,5 a 2 3 a 4 5 a 6Oscilante 3 6 7 a 8Alternante 4 8 10 a 12Choques 5 a 7 10 a 15 15 a 20


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Adotamos o número 4 como nosso coeficiente de segurança, pois aplicamos uma carga estática e com uma tensão sobre ruptura do material.

Adotaremos para o aço 1045 temperado o valor de 680 Mpa, conforme mostra a Tabela 2 a seguir:

Tabela 2. Tabela de valores de tensões para alguns tipos de aço (Mpa), segundo a AISI.

AçoRecozido Normalizado Temperado /

Revenidoσe σr σe σr σe σr

1020 250 380 - - - -1030 320 480 345 520 500 7001045 360 580 400 620 680 8801060 375 630 420 780 670 9854130 360 560 440 670 910 12804140 780 1000 - - 1360 14704340 900 1100 - - 1400 15608640 680 900 - - 1000 1170


Aplicando a fórmula de tensão admissível:

NE

ADMt

t =

Onde: tADM = Tensão admissível, tE = Tensão de escoamento, N = Fator de segurança.

2,72 = 0,6 x 68 / N portanto N = 15. O fator de segurança encontrado foi de N= 15, o que nos mos-

tra que o semieixo homocinético estava superdimensionado para esse tipo de aplicação.

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O valor ideal para o fator de segurança para a aplicação no Baja é de N= 4.

Devido à necessidade que encontramos no nosso projeto, pre-cisaríamos de uma junta que transmitisse movimentos do torque do motor para as rodas e, também, que sofresse variações de ângulos. Segundo Generoso (2009, p. 69), “Esse tipo de junta é usado para transmitir movimento entre árvores que precisam sofrer variação angular, durante sua atividade”. A transmissão de trabalho entre ár-vores que operam em diferentes planos só é possível com a utiliza-ção de alguns tipos de junta.

Análises realizadas para encontrar a real causa do problema de desacoplamento do semieixo homocinético:

Torque do motor muito altoCom os resultados obtidos nas equações, será possível reali-

zar a análise por elementos finitos. Para a simulação por software, travaremos um lado do semieixo homocinético e aplicamos a ten-são de cisalhamento calculada na outra extremidade. Com o resul-tado, conseguiremos identificar pontos de maior concentração de tensão no material e se o torque exercido pelo motor ocasionou a falha do sistema.

Análise no software Solid Works Simulation de elementos fi-nitos, conforme Figuras 7 e 8:

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Figura 7. Dados do eixo analisado.

Fonte: acervo do autor.

Figura 8. Resultado da tensão por Von Mises.


As tensões aplicadas no eixo foram baixas e não causaram impacto no material. O fator de segurança (N) foi 15, mas o valor ideal para o fator de segurança era 4, porem, já esperávamos esse

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comportamento, pois utilizamos o semieixo homocinético, que foi projetado para atender ao VW gol no Baja. Esses fatores indicam que a homocinética utilizada estava superdimensionada para essa aplicação, ou seja, ela foi projetada para atender um veículo que opera em uma RPM e potência muito maior do que a aplicação no nosso projeto Baja.

Rolamento do semieixo homocinético com fadigaDurante a prova de frenagem da competição Baja SAE Brasil

2015, o veículo Baja da equipe Clarengex desacoplou o sistema homocinético da ponta de eixo. Após análises realizadas pelos me-cânicos da equipe, foi identificado que o sistema não tinha sido comprometido, somente desacoplado.

A inspeção realizada no conjunto homocinética após a falha do sistema indica que o material não estava comprometido, todas as peças estavam dentro dos limites de operação, sem a presença de desgaste, fadiga e folga. Com isso, a fadiga do rolamento está descartada de ser uma possível falha do sistema.

Vibração excessivaO veículo apresentava certa vibração no sistema homociné-

tico quando em movimento. Ao confrontar informações do projeto com teorias de ampliação do semieixo homocinético, foi constata-do que o sistema estava com um ângulo alto para aplicação daquele modelo de junta. De acordo com SENAI-SP (2005), a transmissão de trabalho com limite angular muito alto pode ocasionar vibrações no conjunto da junta homocinética.

Limites de trabalho angular muito altoAnalisando o semieixo homocinético, foi constatado que o

sistema estava trabalhando no limite máximo de ângulo admissível para aquele tipo de homocinética, sendo esta a real causa do proble-ma encontrado no semieixo homocinético do veículo Baja.

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3. CONCLUSÃO

Com o estudo da teoria adquirida e as análises feitas para a realização deste trabalho, foi possível identificar que a causa raiz do problema encontrado no projeto do veículo Baja da equipe Clarengex foi a utilização do tipo de semieixo homocinético inadequado. O modelo de junta homocinética birfield limitou o ângulo de trabalho da suspensão do veículo Baja para o máximo de 22°. A melhor escolha para o nosso tipo de aplicação seria a junta homocinética fixa Rzeppas, pois esse tipo de junta permite trabalho com ângulos superiores a 50°. Com essa liberdade angular, o veículo Baja não encontraria problemas para transpor barreiras e terrenos irregulares.

O melhor modelo a ser adotado para o semieixo homociné-tico é a junta fixa UF (Undercut Free) Rzeppa. Esse modelo trans-mite velocidade constante com ângulos máximos superiores a 50° (SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS, 2014).

Acoplamentos, segundo Norton (2013, p. 608):[...] são usados em eixos motores em automóveis, um par de acoplamento de Hooke no eixo motor da tração traseira e Rzeppas (chamado de juntas CV) em automóveis de tra-ção dianteira. Os acoplamentos Rzeppas são os mais uti-lizados em automóveis e apresentam velocidade constante para a tração dianteira.

A junta Rzeppas consiste, basicamente, em um anel interno forjado e usinado conectado ao eixo e um anel externo forjado e usinado que é preso ao cubo da roda. Ambos os anéis são ligados entre si por seis esferas que são posicionadas e mantidas em um plano através de uma gaiola que fica entre os anéis (NETO, 2012).

De acordo com Neto (2012, p. 47):A principal vantagem deste tipo de junta é a habilidade de transmitir potência a uma velocidade constante e a ân-gulos relativamente elevados, podendo chegar a mais de 50º. Além disso, quando comparada a outras juntas, tem alta capacidade de torque para o seu tamanho e é bastante resistente a esforços axiais. Estes esforços axiais são mui-to frequentes em aplicações com suspensão independente onde a distância entre a roda e o diferencial muda constan-temente [Figura 9].

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Figura 9. Vista de uma junta fixa de esferas, Rzeppas Undercut Free.

Fonte: Society of Automotive Engineers (2014).

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Estudo de caso da seletividade e coordenação de um sistema de proteção de sobrecorrente instantânea e temporizada de uma subestação de 13,8kv de uma indústria metalúrgica com a utilização do relé Pextron URPE 6104

Alick Giovanna Friol BOIM1

Jacson Messias PANAGGIO2

Julio Cesar BELLAN3

Resumo: O trabalho tem como objetivo demonstrar a aplicação das teorias de Proteção em sistemas de potência. Por meio do estudo de caso de uma indústria do ramo metalúrgico, por meio de cálculos e, posteriormente, apresentado na forma de coordenogramas, foi buscado o ajuste fino das proteções existentes, de forma a obter uma boa seletividade e coordenação entre os sistemas existentes. Neste trabalho, foram tratadas, especificamente, as proteções de curto-circuito e sobrecorrente de longa duração dentro de uma subestação de uma indústria atendida em 13,8kV. Os resultados mostram que foi possível atingir essa coor-denação na maior parte do sistema, ficando um pouco comprometida apenas nos dispositivos que não permitem ajustes, como os fusíveis.

Palavras-chave: Proteção. Coordenação. Seletividade. Sobrecorrente. Curto--circuito.

1 Alick Giovanna Friol Boim. Bacharel em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro. E-mail: <[email protected]>. 2 Jacson Messias Panaggio. Bacharel em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro. E-mail: <[email protected]>.3 Julio Cesar Bellan. Especialista em Proteção de Sistemas Elétricos de Potência pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Graduado em Engenharia Elétrica pela Faculdades Integradas Einstein. Professor do Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro. E-mail: <[email protected]>.

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Case study of the selectivity and coordination of an instantaneous and timed overcurrent protection system on a 13,8 kV substation of a metallurgical industry with the use of the relay Pextron URPE 6104

Alick Giovanna Friol BOIMJacson Messias PANAGGIO

Julio Cesar BELLAN

ABSTRACT: This study aims at demonstrating the application of the protection theories in power systems. By means of the case study of a metallurgical industry and calculations, posteriorly presented as coordination diagrams, we sought the fine-tuning of the existing protections in order to obtain a good selectivity and coordination among the existing systems. In this study, specifically, we approached the long-term short-circuit and overcurrent protections within a substation of an industry attended at 13.8kV. The results show that it was possible to achieve this coordination in most parts of the system, being slightly compromised only on the devices that do not allow adjustments, as the fuses.

Keywords: Protection. Coordination. Selectivity. Overcurrent. Short-circuit.

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1. INTRODUÇÃO

Na operação dos sistemas elétricos de potência, surgem, com certa frequência, falhas nos seus componentes que resultam na interrupção do fornecimento de energia aos consumidores conectados a esses sistemas [...]. A princi-pal função de um sistema de proteção é assegurar a des-conexão de todo o sistema elétrico submetido a qualquer anormalidade que o faça operar fora dos limites previstos. (MAMEDE FILHO; MAMEDE, 2011, p. 1).

Segundo Gómez-Expósito et al. (2011), para uma rede elé-trica, um curto circuito acontece quando dois ou mais pontos que se encontrem sob tensões diferentes acidentalmente entram em contato direto ou através de uma impedância muito pequena. Isso acontece quando há uma falha de isolação causada por efeitos am-bientais, mecânicos e/ou perdas e propriedades do isolante. Esses curtos devem ser estudados durante o planejamento da rede elétri-ca, principalmente no dimensionamento dos condutores e estrutu-ras mecânicas dessa rede, tendo em vista que os efeitos prejudiciais dessas faltas são numerosos, estando principalmente relacionados aos altos valores de corrente que podem aparecer nesse sistema.

Segundo Courvy et al. (2011), os primeiros relés de proteção projetados eram eletromecânicos e faziam o uso de interação ele-tromagnética entre correntes e fluxos; porém, com a expansão dos sistemas de potência, houve a necessidade de sistemas de proteção mais confiáveis e de alto desempenho. Por isso, atualmente, os dis-positivos empregados nas subestações são exclusivamente digitais, graças ao desenvolvimento das tecnologias dos dispositivos semi-condutores e microprocessadores.

Um sistema de energia está propenso a inúmeras anomalias, que podem ser decorrentes de intempéries naturais, como venda-vais, temporais, descargas atmosféricas, além de acidentes que po-dem acontecer no dia a dia, como abalroamentos, quedas de ob-jetos sobre as redes e, também, por ação criminosa de vândalos que podem deliberadamente danificar os sistemas de distribuição de energia.

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Como esses sistemas de distribuição de energia geralmente estão inseridos dentro do ambiente cotidiano, em caso de eventu-ais falhas podem provocar inúmeros riscos à integridade física das pessoas.

Como se sabe, hoje muito mais que no passado, a energia elé-trica está a cada dia mais importante para qualquer que seja a tarefa a ser executada, pois dela se depende para movimentar máquinas, iluminar os caminhos, sinalizar trânsito, realizar o fluxo de infor-mação, a movimentação de determinados transportes coletivos, como trens e metrôs, bem como permitir o uso de itens de conforto, como condicionamento de ambientes, aquecimento de água e até a operação e manutenção de sistemas vitais, como as salas cirúrgicas e UTIs. Dessa forma, a confiabilidade e a perfeita operação desse sistema são muito importantes, pois os transtornos que podem ser causados pela ineficiência ou mal funcionamento podem ter dimen-sões dantescas dependendo do caso, além de provocar perdas eco-nômicas de grande monta.

Os sistemas de proteção tiveram, no decorrer dos anos, uma constante evolução e modernização, que, a exemplo dos equipa-mentos eletrônicos que nos permeiam, fazem uso das mais avança-das técnicas da eletrônica e processamento digital de informações.

Objetivos específicos

Pretendemos, por meio do entendimento das filosofias de proteção de Sistemas de Potência:

• conhecer as particularidades, deficiências e vantagens da aplicação dos relés eletrônicos microprocessados;

• através do estudo de caso de uma subestação na tensão de 13,8kV de uma indústria metalúrgica, dimensionar e parametrizar corretamente o relé Pextron URPE 6104, de modo que ele ofereça a máxima eficiência para a proteção do sistema;

• prevenir que o referido relé atue indevidamente, provo-cando recorrentes e desnecessárias interrupções do abas-

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tecimento de energia dessa empresa e, quando for impres-cindível, que essa interrupção atinja tão somente a parte afetada pela falta.

Problema

A proposta deste projeto envolve o estudo de caso de uma in-dústria metalúrgica atendida pela concessionária Elektro, em Média Tensão (13,8kV), que tem uma cabine de medição, transformação e proteção, e a jusante desta, interligada através de redes trifásicas, também em média tensão, com cabos isolados dispostos em bande-jas, mais duas cabines de proteção e transformação, de forma que o sistema de proteção é composto por três relés de proteção indireta que atuam diretamente em três disjuntores, sendo um em cada uma dessas cabines, além das proteções com fusíveis existentes em cada transformador e, também, no circuito de tomada da cabine princi-pal, conforme ilustrado no Diagrama 1.

O problema identificado foi que o sistema de proteção não tem operado na forma esperada e desejada, atuando de maneira in-devida em determinados momentos e, provavelmente, não tem se prestado à proteção devida em outros, principalmente pela falta de uma seletividade mais refinada entre esses dispositivos.

Hipótese e método

A hipótese levantada como mais provável e óbvia é que, como o sistema de distribuição dessa indústria não foi montado concomitantemente, mas sim foi crescendo no decorrer dos anos, os ajustes dos parâmetros dos relés e/ou o dimensionamento das demais proteções, como os fusíveis e transformadores de corrente, não condizem com a atual realidade da carga no citado parque in-dustrial, sendo, portanto, necessário um novo estudo para redimen-sionamento e parametrização desses dispositivos.

O método envolverá duas etapas distintas, sendo que, no primeiro momento, será desenvolvida uma pesquisa bibliográfi-ca, onde as filosofias de proteção que melhor se aplicarem a esse

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caso serão estudadas, e, em um segundo momento, o estudo de caso propriamente dito, no qual serão realizados os levantamentos em campo com apuração das características dos dispositivos de pro-teção existentes no sistema e, também ,os detalhes da carga, para, posteriormente, através da realização de cálculos e simulação em gráficos, apurar se a hipótese levantada se confirma e, assim, apre-sentar uma proposta de solução efetiva.

Generalidades

Segundo Delgado (2011), o sistema pode ser afetado por de-feitos (curto-circuito, falta de fase por abertura indevida) e também por condições anormais (variação de frequência, tensão, falta de sincronismo).

Os curtos-circuitos devem promover o disparo de disjuntores, responsáveis pela abertura destes e, assim, pela eliminação do pro-blema; as outras condições anormais devem sofrer intervenções de maneira a evitar as interrupções.

Dispositivos de proteção

De acordo com Mamede Filho e Mamede (2011), existem, de um modo geral, dois tipos de proteção distintas, que são os fusíveis e os relés, os quais são geralmente utilizados na proteção dos siste-mas de potência.

Os fusíveis são dispositivos que têm como princípio de fun-cionamento o rompimento de seu elemento por fusão, o qual obe-dece a características específicas de tempo x corrente; já os relés englobam uma grande família de dispositivos que, por suas carate-rísticas, oferecem as mais variadas proteções.

Os dispositivos de proteção, a exemplo de tudo que nos per-meia, sofreram uma notável evolução no decorrer do tempo. Se-gundo Mamede Filho e Mamede (2011, p. 7):

Os relés têm evoluído progressivamente desde que surgiu o primeiro dispositivo de proteção eletromecânico em 1901.

51


Consistia em um relé de proteção de sobrecorrente do tipo de indução. Por volta de 1908 foi desenvolvido o princípio da proteção diferencial de corrente, seguindo-se, em 1910, o desenvolvimento das proteções direcionais. Somente por volta de 1930 foi desenvolvida a proteção de distância.

A qualidade e a complexidade da tecnologia dos disposi-tivos eletromecânicos evoluíram ao longo dos anos, per-mitindo que os esquemas de proteção alcançassem cada vez mais um elevado grau tanto de sofisticação quanto de confiabilidade.

Na década de 1930, surgiram os primeiros relés de pro-teção com tecnologia à base de componentes eletrônicos, utilizando semicondutores. Os relés eletrônicos ou estáti-cos não alcançaram aceitação imediata no mercado, devi-do à forte presença dos relés eletromecânicos, que já nessa época eram fabricados com tecnologia de alta qualidade, robustez, praticidade e competitividade. Eram e ainda hoje são verdadeiras peças de relojoaria de precisão.

Antes da introdução dos relés eletrônicos nos países tropi-cais, em função das elevadas temperaturas ambiente, es-ses relés não encontraram uma aceitação generalizada por parte dos profissionais de proteção, e essa tecnologia não chegou a ameaçar o mercado dos relés eletromecânicos.

Na década de 1980, com o desenvolvimento acelerado da microeletrônica, surgiram as primeiras unidades de pro-teção utilizando a tecnologia digital. O mercado nacional não absorveu prontamente a tecnologia de proteção digital devido ao fracasso tecnológico das proteções eletrônicas, com as sucessivas falhas desses dispositivos.

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Diagrama 1. Diagrama unifiliar do sistema objeto deste estudo.

Fonte: acervo dos autores.

2. ESTUDO DE CASO

A seguir, são apresentados alguns dados importantes para o Estudo de Caso que nos propomos a fazer:

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• Cliente: Indústria Metalúrgica.• Endereço: Limeira – SP.• Objeto: Cabines de medição e proteção e transformação

atendida pela chave LIM01416.

Sistema elétrico da indústria metalúrgica

O sistema elétrico da indústria metalúrgica recebe energia da ELEKTRO em nível de distribuição primária (13,8 kV), e a capa-cidade de transformadores instalada é demonstrada no Quadro 1:

Quadro 1. Potência nominal de cada transformador das cabines e sua respectiva impedância de curto-circuito.

CABINE 1 CABINE 2 CABINE 3

POT(kVA) Z(%) POT(kVA) Z(%) POT(kVA) Z(%)

TRAFO A 750 5 750 5 500 4,5

TRAFO B 300 4,5 - - 150 3,5

SUBTOTAL 1050 750 650


Correntes de curto-circuito e ajustes de proteção

Quadro 2. Correntes de curto-circuito no ponto de entrega.

SIMÉTRICA ASSIMÉTRICA

TRIFÁSICO Icc3f 3970A Icc3f 5498AFASE-FASE Icc2f 3438A Icc2f 4672A

FASE TERRA FRANCO

Iccft (Zn = 0Ω) 1989A Iccft (Zn =

0 Ω) 2088A

FASE TERRA MÍNIMO Iccft (Zn = 100 Ω) 221A Iccft (Zn =

100 Ω) 227A


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Proteção da concessionária a montante do ponto de entrega

Quadro 3. Ajustes da proteção a montante.

FASE NEUTRO RAI

PICK-UP 600 90 12A

TIME LEVEL 0,1 0,25 3sPADRÃO DE

CURVA Normal Inversa Normal Inversa Tempo Definido

INSTANTÂNEO 4800 960


Demanda contratada

De acordo com a verificação no contrato de fornecimento com a concessionária, o valor da demanda contratada é de 1200kW para a ponta e de igual valor para fora de ponta.

Demanda verificada

Com o acesso ao sistema de medição on-line do cliente, foi obtido o histórico de demanda dos últimos 21 meses, o qual se pode verificar nos gráficos das Figuras 1 e 2 (Anexos A e B), e, na aná-lise desses gráficos, pode-se observar que o valor máximo ocorreu na competência de outubro de 2013 com a magnitude de 1085kW. Com base nisso, entende-se que o valor de demanda contratada de 1200kW contempla uma relativa margem de segurança, com folga de aproximadamente 10,6%; portanto, será considerado esse valor para os cálculos de corrente de Pick-up.

Corrente máxima prevista (demanda máxima prevista)

IDem. = 1200 KW/ (13,8x√3x0,92) = 54,63A

55


Foi considerado, nesse cálculo, um valor de Fator de Potên-cia de 0,92, que é o mínimo estabelecido como aceitável de acordo com a resolução ANEEL 569 de 23 de julho de 2013.

Corrente nominal primária dos transformadores

Quadro 4. Valores nominais de corrente primária dos transforma-dores e totais (valor calculado).

CABINE 1 CABINE 2 CABINE 3 TOTAL (kVA)

POT(kVA) Inom. POT(kVA) Z(%) POT(kVA) Inom. 2450

TRAFO A 750 31,38 750 31,38 500 20,92

TRAFO B 300 12,55 - - 150 6,28 TOTAL

(A)TOTAL 1050 43,93 750 31,38 650 27,19 102,50

Fonte: quadro elaborado pelos autores.

Ajustes atuais nos respectivos relés de cada subestação

Quadro 5. Atuais parâmetros ajustados no relé URPE 6104 da ca-bine 1.

Código ANSI Localização Fabricante/Tipo Grandeza Ajustes

50/51

Cabine de Medição/proteção e

transformação (Cabine 1) da Indústria Metalúrgica

PEXTRON URPE 6104

TC 300/5=60Pick UP 2xRTC(120A)Curva EIDial Tempo 2sIdef 4xRTC(240A)Tdef 240sI Inst. 4,20xRTC=252A

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50/51N



PEXTRON URPE 6104

Pick UP 1xRTC(60A)Curva MIDial Tempo 1sIdef 1,5xRTC(90A)Tdef 240sI Inst. 1,5xRTC(90A)


Quadro 6. Ajuste atual no relé URPE 6104 da cabine 2.


50/51



PEXTRON URPE 6104

TC 40/5=8

Pick UP 3,75xRTC(40A)

Curva EI

Dial Tempo 2s

Idef 4xRTC(32s)

Tdef 5s

I Inst. 15xRTC=120ª

50/51N


transformação (Cabine 2) da

IndústriaMetalúrgica

PEXTRON URPE 6104

Pick UP 1xRTC(8A)

Curva EI

Dial Tempo 1s

Idef 1,2xRTC(9,6A)

Tdef 240s

I Inst. 10xRTC(80A)

Fonte: dados obtidos em campo.

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Quadro 7. Atuais parâmetros setados nos relés URPE 6104 da ca-bine 3.


50/51


transformação (Cabine 3)

PEXTRON URPE 6104

TC 40/5=8

Pick UP 3xRTC(24A)

Curva MI

Dial Tempo 1s

Idef 4xRTC(32A)Tdef 5sI Inst. 15xRTC=120ª

50/51N


transformação (Cabine 3)

PEXTRON URPE 6104

Pick UP 1,1xRTC(8,8A)

Curva EI

Dial Tempo 1s

Idef 1,4xRTC(11,2A)

Tdef 240s

I Inst. 10xRTC(80A)

Fonte: dados obtidos em campo.

Foram plotados em um gráfico em escala Log-Log, também conhecido como coordenograma, os ajustes acima listados para que se pudesse ter uma ideia real da atual situação do sistema de prote-ção em termos de Coordenação e Seletividade. Esse coordenogra-ma está apresentado no Anexo A. Nesse mesmo gráfico, aparecem as respectivas curvas dos fusíveis HH existentes junto aos transfor-madores e, também, do elo fusível presente na chave no poste de tomada 13,8kV do cliente.

Corrente de transitório de magnetização (InRush)

Na energização de transformadores quando do fechamento de seus circuitos através de chaves ou seccionadores, pode-se ob-servar um elevado valor de corrente, conhecida como InRush, que é devido ao transitório no circuito magnético desses componentes, cujo valor depende de determinados fatores como as características

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do núcleo desse transformador ou do instante em quem é fechado o circuito em relação à onda da tensão.

Para o dimensionamento da corrente instantânea dos elemen-tos de sobrecorrente de fase (considerando-se transformadores com ligação triângulo estrela), considera-se que essa corrente atinja va-lores de 6 vezes a corrente nominal do transformador (CESP, 1995)

InRushTot = 6 x 102,61A = 615,66ª

Limites de Suportabilidade dos transformadores

Foi considerado o limite de suportabilidade de curta duração dos transformadores de acordo com o estabelecido na norma ANSI/IEEE C57.109.

Estudo de seletividade

Por atuação seletiva da proteção, entende-se a sua operação coordenada, de modo que, em caso de falta, apenas a parte afetada seja rapidamente desligada, assegurando a máxima continuidade no fornecimento de energia elétrica aos consumidores finais e agi-lidade na identificação do local da falha (MAMEDE FILHO; MA-MEDE, 2011).

A verificação dessa seletividade é feita graficamente através da plotagem das diversas curvas em um coordenograma e, então, pela comparação das curvas Tempo x Corrente de atuação entre os diversos dispositivos de proteção presentes no sistema.

O ajuste das proteções de fase foi realizado considerando a demanda contratada e potência instalada, além das correntes de In-Rush. Os ajustes de seus diais de tempo objetivaram torná-las sele-tivas e coordenadas com as proteções de “maior ajuste” localizadas logo a montante, procurando-se adotar um tempo de coordenação não entre 0,2 e 0,4 (MAMEDE FILHO; MAMEDE, 2011).

Neste estudo de caso, foi considerado o intervalo mínimo de 0,4s, pois essa é a recomendação da concessionária local.

59


A eficácia da proteção dos transformadores será verificada pela atuação das respectivas proteções em tempos inferiores a pon-to de suportabilidade a curto-circuito conforme as normas ABNT.

Verificação do dimensionamento dos transformadores de cor-rente

Conforme visto anteriormente: IPRIM. = 102,61 A, IMax.Dem = 54,63ª.

Segundo Mamede Filho et al. (2011), os TCs destinados à proteção somente devem entrar em saturação para valores de eleva-da indução magnética, os quais correspondem a uma corrente de 20 vezes a corrente nominal primária; portanto, considerando-se que a máxima corrente a que ele pode ser submetido é a corrente de CC trifásica assimétrica, considera-se que a máxima corrente primária que ele pode ser submetido é:

INP = 5498 / 20 = 274,90 AComo os TCs existentes no sistema de proteção em questão

são de 300:5-10B50, então, a corrente máxima primária estará den-tro do limite de não saturação do TC empregado.

Carga Nominal dos TCs

Utilizando o relé URPE 6104 da PEXTRON e condutores de cobre de 2,5mm² (20metros), temos:

CTC = 0,6 + [(2 x 10 x 8,8882) / 1000 + j (2 x 10 x 0,1345) / 1000].5² = 5,0 VA

Cálculo da Saturação dos TCs (considerando ICC=6kA)

ZTOTAL = ZTOTAL + ZCONDUTORES + ZTC = 24mΩ + 160 mΩ + 100 mΩ = 284 mΩ

ISECUNDÁRIO (considerando ICC=6kA) = 6.000 / 60 = 100AVSATURAÇÃO = ICC SECUNDÁRIO x ZTOTAL = 100 x 0,284 = 28,4V

60


Considerando uma corrente de curto-circuito de 6kA (supe-rior à máxima informada pela concessionária), a tensão máxima que aparecerá no secundário do TC está abaixo do ponto de sa-turação que é 50v, já que a precisão do equipamento é 10B50, e, portanto, dentro do padrão.

Verificação da corrente de curta duração (corrente térmica)

ITÉRMICA (1 s) = (6kA / INOM. PRIM. TC) = 6.000/300 = 20A corrente deverá ser igual ou superior a 20 vezes por 1 se-

gundo.

Transformadores de Potencial (TP´s)

Em cada uma das cabines, estão instalados 02 transformado-res de potencial, potência 500VA com relação 13.800/220V com classe de exatidão 0,3P75 interligados em Delta – aberto, que ser-vem tanto para a alimentação dos relés como para atender o circuito auxiliar de iluminação da cabine

Proteção de Sobrecorrente – relé empregado:

Tipo: URPE 6104 - Fabricante: PEXTRONSegundo a PEXTRON, esse relé tem as seguintes caracterís-

ticas e possibilidades: • N° de elementos: 3 de fase e 1 de terra. • Corrente nominal: IN = 5A• Faixas de ajuste disponíveis: I partida FASE = 0,25...16A

x RTC; Curva FASE = NI – MI – EI – LONG – IT – I2T; D.T. FASE (AJUSTE DIAL DE TEMPO DE FASE) = 0,10... 2,00 s; I def. FASE (Tempo da unidade definido de fase) = 0,25...100A X RTC; T def. FASE (Tempo da unida-de definido de fase) = 0,10... 240s; I Inst. FASE (Corrente

61


da unidade instantânea de fase) = 0,25... 100A X RTC; I partida NEUTRO = 0,15... 6,5A x RTC; Curva NEU-TRO = NI – MI – EI – LONG – IT – I2T ; D.T. NEUTRO (AJUSTE DIAL DE TEMPO DE NEUTRO) = 0,10... 2,00 s; I def. NEUTRO (Tempo da unidade definido de neutro) = 0,15... 50A X RTC; T def. NEUTRO (Tempo da uni-dade definido de neutro) = 0,10... 240s; I Inst. NEUTRO (Corrente da unidade instantânea de neutro) = 0,15... 50A X RTC.

3. DEFINIÇÃO DOS AJUSTES

A partir das considerações apresentadas e da simulação atra-vés da plotagem do coordenograma, em que foram verificadas a coordenação e seletividade, definimos os ajustes que estão apresen-tados nos quadros 8, 9 e 10 respectivamente para as cabines 1, 2 e 3.

Quadro 8. Proposta de ajuste para o relé URPE 6104 da cabine 1.


50/51



PEXTRON URPE 6104

TC 300/5=60

Pick UP 2xRTC(120A)

Curva MI

Dial Tempo 0,3

Idef 21xRTC(660A)

Tdef 240s

I Inst. 21xRTC=660A

50/51N



PEXTRON URPE 6104


Curva MI

Dial Tempo 0,1s

Idef 1,5xRTC(90A)

Tdef 240s

I Inst. 1,5xRTC(90A)


62




50/51

Cabine de proteção e


PEXTRON URPE 6104

TC 40/5=8


Curva MI

Dial Tempo 0,1s

Idef 4xRTC(32A)

Tdef 240s

I Inst. 27,5xRTC=120A

50/51N

Cabine de proteção e


PEXTRON URPE 6104

Pick UP 1xRTC(8A)

Curva MI

Dial Tempo 0,11s

Idef 10xRTC(80A)

Tdef 240s

I Inst. 10xRTC(80A)




50/51



PEXTRON URPE 6104

TC 40/5=8


Curva MI

Dial Tempo 1s

Idef 4xRTC(32A)

Tdef 5s

I Inst. 15xRTC=120ª

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50/51N



PEXTRON URPE 6104

Pick UP 1,1xRTC(8,8A)

Curva EI

Dial Tempo 1s

Idef 1,4xRTC(11,2A)

Tdef 240s

I Inst. 10xRTC(80A)


4. COORDENOGRAMA

Com a finalidade de uma melhor visualização da seletividade obtida através dos ajustes acima propostos, é apresentado o gráfico de coordenação em escala Log-Log, conhecido como coordenogra-ma, o qual está no Anexo B. Nele, também estão demonstradas as curvas características dos fusíveis HH e do fusível elo proposto a ser instalado nos postes de tomada em 13,8kV do cliente.


Por meio do estudo de proteção de sistemas de potência e critérios para obtenção de seletividade e coordenação, ficou claro que não há um resultado definitivo e único, até mesmo porque em cada caso se deve especificar quais as prioridades a serem atingi-das, sendo que o intuito deverá ser sempre proteger os sistemas contra danos, a fim de que as falhas ou faltas jamais representem riscos à integridade física das pessoas e ao patrimônio, bem como para que esse sistema de proteção seja seletivo ao ponto de sacri-ficar a menor parcela possível do sistema de potência em questão.

Durante o estudo de caso, verificamos que os ajustes presen-tes no sistema em questão não se prestavam plenamente ao exposto, pois, conforme se pôde analisar, a busca da seletividade e coor-denação estava comprometida por alguns fatores pontuais, como o ajuste dos diais de tempo, tipo de fusível empregado, além dos ajustes de corrente instantânea, de forma que a hipótese levantada no início deste trabalho se confirmou.

64


Através do coordenograma dos ajustes propostos, vimos que foi conseguida uma boa seletividade entre as proteções que com-põem o sistema estudado.

Ficou claro, ainda, que os fusíveis HH não cumprem por si só o papel de proteger os transformadores, visto que apenas uma parte da curva de suportabilidade deles está resguardada, pois, apesar de serem dispositivos de fácil utilização e baixo custo, não permitem um dinâmica de ajuste como a dos relés, de modo que é necessário o emprego da aplicação de dispositivos complementares de prote-ção no circuito secundário desses transformadores, como os disjun-tores ou, até mesmo, os relés de proteção secundária, a exemplo do utilizado no sistema em questão e aqui apresentado, porém, agora, sendo aplicados no barramento de baixa tensão desses transforma-dores. Portanto, a partir dos pontos aqui abordados, podem ser pro-postos estudos aprofundados nesse sentido.

REFERÊNCIAS

CAMINHA, A. C. Introdução à proteção dos sistemas elétricos. São Paulo: Blucher, 1977.

CESP, DE/078/PR. Proteção de redes aéreas de distribuição: diretrizes de Engenharia, versão 1, 1995.

DE COURY, D. V.; OLESKOVICS, M.; GIOVANINI, R. Proteção digital dos sistemas elétricos de potência: dos relês eletromecânicos aos microprocessados inteligentes. São Carlos: USP - EESC, 2011.

DELGADO, M. Protecção das redes eléctricas de distribuição, transporte e interligação. Porto: Publindustria, 2011.

ELEKTRO. ND62 – Proteção de Subestações de Distribuição: norma. Campinas. 2009.

GÓMEZ, A. E.; CONEJO, A. J.; CANIZARES, C. Sistemas de Energia Elétrica: análise e operação. Rio de Janeiro: LTC, 2011.

MAMEDE FILHO, J.; MAMEDE, D. R. Proteção de sistemas elétricos de potência. Rio de Janeiro: LTC, 2011.

MAMEDE FILHO, J. Instalações elétricas industriais. Rio de Janeiro: LTC, 1997.

PEXTRON. URPE 6104, Manual de Operação, São Paulo, Revisão 05 – 1997.

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ANEXO A

Figura 1. Coordenograma das proteções com os ajustes originais.

Em análise a esse modo gráfico de representar as proteções, podemos identificar os seguintes pontos, que podem ser considera-dos problemáticos:

1) O fusível de proteção do circuito de tomada M.T. que é de 65A do tipo K apresenta uma curva de atuação que so-brepõe tanto o ajuste de corrente de fase da cabine 1 como a do fusível HH de 63ª, que protege o transformador de 750KVA.

2) A corrente de InRush Total está acima da corrente do relé instantâneo da cabine 1, de modo que muito provavelmen-te atuará no religamento total do sistema.

3) Os diais de tempo estão muito altos tanto para as proteções de fase como de neutro para as 3 cabines, o que pode ser

66


observado pelo salto na corrente instantânea que ocorre num instante de tempo relativamente alto da curva.

4) As curvas de suportabilidade dos transformadores não es-tão resguardadas por seus respectivos fusíveis HH de pro-teção.

ANEXO B

Figura 2. Coordenograma das proteções com os ajustes propostos.

Com os novos ajustes, pode-se resolver boa parte dos proble-mas iniciais apresentados, sendo os mais notáveis:

1) Foi proposta a utilização de fusível Elo do tipo H em vez de K, de maneira que este apresentou na simulação das curvas uma melhor coordenação com os demais fusíveis presentes no sistema e também com o relé de fase da ca-bine 1.

67


2) A corrente instantânea do relé da cabine 1 foi ajustado para um valor, no qual não atuará durante a reenergização total do sistema (InRush TOTAL).

3) Com a redução dos diais de tempo de praticamente todas as proteções, possibilitou-se uma operação mais “suave” do sistema, pois o salto da corrente instantânea ocorre em instante menor de tempo da curva.

4) Através do ajuste do tipo de curva de fase da cabine 1, pode-se garantir a suportabilidade dos transformadores de 500 e 750KVA.

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O aterramento elétrico como forma de prevenção a sobretensões causadas por descargas atmosféricas

Júlio Cesar BELLAN1

Demétrio Tadeu CECCATTO2

Deryck Ditteman MACARIO3

Marco Donizete SGARBOSA4

Resumo: Este trabalho visa reunir informações sobre como prevenir que as sobretensões provocadas por descargas atmosféricas atinjam os aparelhos ele-troeletrônicos instalados em instalações de baixa tensão, esclarecendo o papel fundamental exercido pelo aterramento elétrico. Serão apresentados conceitos advindos da pesquisa bibliográfica específica que orienta quanto às formas cons-trutivas do sistema, partindo da análise do solo, condutores e Dispositivos de Proteção contra Surto (DPS). Este artigo, assim como a grande parte dos autores, se baseia na norma brasileira regulamentadora NBR 5410. Para melhor caracte-rização dos DPS, foram utilizados catálogos e manuais dos fabricantes. Por meio da pesquisa bibliográfica, este trabalho buscou levantar problemas e mostrar que as soluções são compostas pelo conjunto de medidas descritas pela norma e pela correta instalação dos dispositivos protetores.

Palavras-chave: Aterramento. Proteção. Descarga Atmosférica. Sobretensão.

1 Julio Cesar Bellan. Especialista em Proteção de Sistemas Elétricos de Potência pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Graduado em Engenharia Elétrica pela Faculdades Integradas Einstein. Professor do Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.2 Demétrio Tadeu Ceccatto. Mestre em Física Aplicada pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP), Campus de Rio Claro (SP). Licenciado em Matemática pela mesma instituição. Docente do Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.3 Deryck Ditteman Macario. Graduado em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.4 Marco Donizete Sgarbosa. Graduado em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.

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Electrical grounding as a form of preventing overvoltage caused by atmospheric discharges

Júlio Cesar BELLANDemétrio Tadeu CECCATTODeryck Ditteman MACARIOMarco Donizete SGARBOSA

Abstract: This work aims at gathering information on how to prevent power surges caused by atmospheric discharges from reaching electronics devices ins-talled in low-voltage installations, clarifying the fundamental role played by the electrical grounding. Concepts arising from the specific literature that guides about the mounting positions of the system will be presented, starting from the soil analysis, conductors and surge protection devices (SPD). This article, like most authors, is based on the Brazilian regulatory norm NBR 5410. To better characterize the DPS, catalogs and manuals from the manufacturers were used. Through bibliographical research, this study sought to raise issues and show that solutions are composed by the set of measures described by the standard and the correct installation of protective devices.

Keywords: Grounding. Protection. Atmospheric Discharge. Overvoltage.

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1. INTRODUÇÃO

O uso da energia elétrica tornou-se indispensável para a ma-nutenção da vida como a conhecemos hoje. Este estudo tratará do uso da energia elétrica, recurso cada vez mais importante na vida das pessoas, pois, sem ele, não seria possível todo o desenvolvi-mento atingido pela sociedade. A interrupção do fornecimento de energia, tão necessária, acarreta uma série de prejuízos para a nossa existência, seja por comodidade ou necessidade; logo, torna-se ne-cessária a manutenção do seu fornecimento contínuo.

Interrupções no fornecimento e variações dos níveis de ten-são implicam em uma série de prejuízos que podem ser evitados. O aterramento elétrico é um fator determinante no funcionamento correto de disjuntores, fusíveis, estabilizadores de tensão, seguran-ça da rede e pessoas.

Nesta pesquisa, tratamos da aplicação como um elemento responsável pela dissipação da sobretensão causada por descargas atmosféricas. Será apresentado o levantamento da literatura exis-tente relacionada com esse assunto. Como, muitas vezes, a exis-tência de um bom aterramento não impede o funcionamento dos equipamentos, aquele acaba sendo ignorado, o que causa outros problemas ainda mais sérios.

O objetivo deste trabalho é fornecer subsídios para a confec-ção de um aterramento seguro e funcional, que atenda às necessi-dades do sistema de distribuição de energia elétrica, reduzindo os desligamentos não programados pela ocorrência de descargas at-mosféricas e sobretensões que atinjam o consumidor final em baixa tensão tanto nas indústrias como nas residências.

As pessoas estão envolvidas pela dependência de aparelhos eletroeletrônicos, pois, assim como em uma planta industrial ou em nossas residências, o nível de automação vem ocupando cada vez mais espaço na realização de atividades, como a execução mais rápida e eficiente de tarefas, segurança de dados ou patrimônio, contribuindo para o entretenimento e o lazer. Isso conduz para a de-pendência de um fornecimento contínuo e de qualidade dos níveis de tensão especificados para o bom funcionamento dos aparelhos.

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Um estudo mais aprofundado contribuirá para a formação do Engenheiro Eletricista, trazendo informações muito relevantes sobre um assunto de vital importância para o funcionamento do sistema elétrico e que, muitas vezes, não é tratado com a devida atenção, seja por falta de conhecimento técnico ou por uma falsa ideia de economia que se verifica, principalmente, nas instalações de interesse social.

Durante as tempestades ocorrem muitas descargas atmosféri-cas que, quando atingem a rede elétrica, interferem no fornecimen-to contínuo de energia elétrica, provocam sobretensões que danifi-cam aparelhos eletroeletrônicos sensíveis trazendo prejuízo.

Algumas das causas desse problema estão no fato de não se conhecer a importância do aterramento que, ausente em um siste-ma, contribui para uma instalação que, mesmo equipada com dis-positivos capazes de reduzir os efeitos das sobretensões, não atua a contento. Quando se dispõe de um condutor de aterramento na instalação, a falta de manutenção também contribui para aumentar esse problema, pois, com o tempo, as condições físicas do eletrodo de aterramento e do solo podem variar muito e somente uma verifi-cação periódica conseguirá apontar esse fato.

Recentemente, esse assunto ficou mais presente na vida dos brasileiros pela adoção do novo padrão de tomadas que, além de não deixar partes energizadas disponíveis ao toque acidental, in-cluiu o pino de aterramento, mas, infelizmente, não faltaram “solu-ções” para que esse benefício fosse inutilizado em favor da ligação de equipamentos novos em instalações antigas.

Também se buscou estudar como prevenir que a sobretensão oriunda de uma descarga atmosférica direta ou indireta na rede elé-trica danifique os aparelhos nela instalados. Um Sistema de Prote-ção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) (Figura 1) é construí-do como forma de proteção para edifícios e pessoas que estejam abrigadas nele, mas não protegerão os aparelhos eletroeletrônicos sensíveis.

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Figura 1. Elementos que compõem SPDA.

Fonte: Creder (2007, p. 258).

Muitos dos problemas que atingem o sistema elétrico, inter-ferindo na Qualidade de Energia Elétrica (QEE), estão relaciona-dos com o aterramento e condutores em geral. No Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e as Concessionárias de Energia Elétrica estabelecem valores mínimos que devem ser seguidos para se obter um sistema que suporte de forma satisfatória os impactos das variações na QEE (harmônicas, transitórios e ruí-dos) nos equipamentos interligados à rede (TELÓ, 2007).

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No entanto, é comum encontrarmos instalação sem aterra-mento:

Na maioria das instalações elétricas, principalmente aque-las de interesse social, são simplesmente ignorados. O con-dutor de proteção que deve existir em todas as tomadas para aterramento das massas (partes metálicas de apare-lhos normalmente não energizados), bem como o dispo-sitivo DR, necessários para a proteção contra contatos in-diretos, não são previstos (CAVALIN; CERVELIN, 2011, p. 388).

As origens das correntes elétricas que podem fluir por um condutor de aterramento podem ser de várias naturezas: descar-gas atmosféricas, descargas eletrostáticas, filtros instalados na rede elétrica, supressores de surto, para-raios de linha e curtos- -circuitos para a terra (CREDER, 2013).

A descarga atmosférica representa um grande problema para as redes elétricas, pois trata-se de um fenômeno natural que não pode ser eliminado nem previsto. Sua incidência, seja direta ou in-direta na rede elétrica, provoca transientes de tensão que interferem no funcionamento normal do sistema elétrico.

“O transiente é um pulso de alta amplitude. É comum um transiente ultrapassar quatro ou cinco vezes o valor da tensão de pico de uma forma de onda, sendo, assim, perigoso. Um dos cau-sadores do transiente é a descarga atmosférica” (CAPELLI, 2013, p. 99).

Um raio não precisa atingir diretamente um cabo elétrico para que a sobretensão se propague pela instalação, basta que des-carregue próximo ao condutor elétrico para que os efeitos sejam percebidos, devido ao acoplamento capacitivo entre as nuvens e a linha (CAPELLI, 2013).

Uma das formas para que essa variação de tensão não atin-ja os equipamentos finais instalados em uma rede elétrica é a uti-lização de um Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS), que, segundo Cavalin e Cervelin (2011, p. 379), “[...] é um dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias (surtos de tensão)

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anulando as descargas indiretas na rede elétrica causada por descargas atmosféricas”.

A norma NBR 5410 (ABNT-NBR 5410, 2004, p. 10) orien-ta sobre o cuidado com relação às sobretensões presentes na rede elétrica: “As pessoas, os animais e os bens devem ser protegidos contra as consequências prejudiciais de ocorrências que possam re-sultar em sobretensões, como faltas entre partes vivas de circuitos sob diferentes tensões, fenômenos atmosféricos e manobras”.

Para que o aterramento tenha um desempenho adequado, é necessário o conhecimento das características do solo da região onde o aterramento será executado, mediante medições específi-cas (o solo é estratificado em camadas horizontais com valores de resistividade elétrica diferentes). Após o término da confecção do aterramento, é realizada uma medição para conferir os valores reais encontrados e compará-los com os de projeto. Esse procedimento servirá também para acompanhar o desempenho do sistema de ater-ramento durante a vida útil da instalação (TELÓ, 2007).

Entende-se por aterrar um sistema o ato de conectar de forma intencional um elemento condutor à terra, com a função de manter os níveis de tensão em relação ao potencial de terra em valores previstos. Essa conexão representa um caminho seguro para que o fluxo de uma corrente indesejada seja transmitido dos condutores vivos para a terra, fazendo com que dispositivos de proteção da rede atuem de forma correta, garantindo a segurança de pessoas e instalações (PINHEIRO, 2008).

Em geral, a falta do sistema de aterramento não impede que um equipamento seja ligado, mas considerando que as tensões são referidas ao potencial de referência chamado terra, o funcionamen-to adequado somente será garantido quando a condição de ligação à terra estiver satisfeita (PINHEIRO, 2008).

A construção adequada de uma malha terra é um dos fatores que influenciam na segurança e funcionalidade de uma instalação elétrica. Os valores de resistência dessa malha devem garantir o mí-nimo de proteção exigido por instituições como a IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional). Esse valor de resistência é encontrado por meio de medições realizadas nos eletrodos da malha pelo ter-

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rômetro, que é o instrumento utilizado para esse fim. Uma tensão é aplicada ao sistema a ser medido e um terra auxiliar (que serve como referência para o levantamento do valor de resistência da ma-lha), a resistência é medida até o local desejado (MAMEDE, 2013).

2. OBJETIVOS DO ATERRAMENTO ELÉTRICO

Um sistema de aterramento é utilizado para várias aplicações, como proteção contra choque, contra sobretensões, descargas at-mosféricas, descargas eletrostáticas e proteção de linhas de sinais. Todas essas funções podem levar a imaginar que exista fisicamente um aterramento para cada uma, porém, para que todos esses bene-fícios sejam possíveis, o aterramento deverá ser único, conforme ilustra a Figura 2.

Figura 2. Funções do Aterramento.

Fonte: Procobre.org (2016).

O aterramento elétrico é a conexão intencional de partes con-dutoras de um circuito ou aparelho, que não devem estar energiza-das quando em funcionamento, a um eletrodo conectado diretamen-te ao solo ou uma grande massa. A terra cumpre essa função, sendo considerado o potencial zero ao qual todas as tensões são referidas, principalmente se tratando da comunicação entre sistemas de infor-mação que se utiliza de um ponto apropriado para referência.

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Os eletrodos de aterramentos que farão o contato com o solo poderão ser: a própria armadura do concreto das fundações; fitas e barras metálicas embutidas no concreto; malhas metálicas enterra-das cobrindo a área da edificação ou anel metálico enterrado cir-cundando a área da edificação.

Os materiais e dimensões que comporão esses eletrodos são escolhidos em função da resistência mecânica para garantir a inte-gridade da malha, além da resistência e da corrosão. Suas medidas são conhecidas pela Tabela 1, a seguir, dependendo do tipo de ma-terial.

Tabela 1. Materiais comumente utilizáveis em eletrodos de ater-ramento – dimensões mínimas do ponto de vista da corrosão e da resistência mecânica, quando os eletrodos forem diretamente en-terrados.

Diâmetromm

Seçãomm²

Espessura do

materialmm

Espessura média do

revestimentoµm

Fita 100 3 70Perfil 120 3 70

Haste de seção

circular 15 70Cabo de seção

circular 95 50Tubo 25 2 55

Capa de cobre

Haste de seção

circular 15 2000Revestida de

cobre poreletrodeposição

Haste de seção

circular 15 254

Fita 50 2Cabo de seção circular 50

Cordoalha1,8 (cada

veio) 50Tubo 20 2

Zincada Fita 50 2 40

NúCobre

Dimesões Minimas

FormaSuperfícieMaterial

Zincada a quente

ou inoxidável

Aço

Fonte: ABNT NBR 5410 (2004, p. 143).

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Quando se utiliza uma única haste como aterramento, o valor da resistência que suportará uma elevada corrente no momento da falta será muito alto, devido à dependência do valor da resistivida-de do solo na profundidade em que o eletrodo está enterrado. Essa situação causa uma má distribuição da tensão pelo solo que estará concentrada em um raio ao redor da haste. Esse valor de tensão, co-nhecido como tensão de passo, poderá ser perigoso caso haja a pre-sença de pessoas em pé no momento da dissipação (Figura 3). Por esse motivo, em algumas situações, há a necessidade de construção de malhas de aterramento constituídas de várias hastes interligadas por condutores horizontais.

Figura 3. Tensão de passo.

Fonte: Procobre.org (2016).

3. PROJETO DO ATERRAMENTO

A NBR 5410-2004 não especifica um valor mínimo para a resistência do aterramento. A norma esclarece que mais importante que esse valor é a equipotencialização da instalação elétrica com o solo; no entanto, é exigido que essa impedância de aterramento seja suficientemente baixa para a atuação dos dispositivos de proteção

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e seccionamento como disjuntores e DR (diferencial residual) de forma segura.

Esses valores levam em consideração o tipo de aterramento adotado e os dispositivos empregados. A NBR 5419-2005, que trata exclusivamente de SPDA, ressalta que um subsistema de aterra-mento único é preferível, além de atender às necessidades de pro-teção contra raio, sistemas de potência de baixa tensão e sistemas de sinais.

Sobre o valor mínimo de resistência, a norma cita:Para assegurar a dispersão da corrente de descarga atmos-férica na terra sem causar sobretensões perigosas, o arran-jo e as dimensões do subsistema de aterramento são mais importantes que o próprio valor da resistência de aterra-mento. Entretanto, recomenda-se, para o caso de eletrodos não naturais, uma resistência de aproximadamente 10 Ω, como forma de reduzir os gradientes de potencial no solo e a probabilidade de centelhamento perigoso. No caso de solo rochoso ou de alta resistividade, poderá não ser pos-sível atingir valores próximos dos sugeridos. Nestes casos a solução adotada deverá ser tecnicamente justificada no projeto (ABNT NBR 5419, 2001, p. 9).

A resistividade do solo onde poderá ser instalado o sistema de aterramento pode variar muito em função da sua formação geológi-ca. Normalmente, apresentam-se em camadas horizontais compos-tas por diversos tipos de materiais, conforme Figura 4, podendo ser inclinadas e, em casos raros, até verticais.

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Figura 4. Solo estratificado n + 1 camadas.

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 27).

Considerando esse fato, o primeiro passo para se elaborar um projeto de aterramento é conhecer o valor da resistividade do solo. Para simplificação dos cálculos, alguns autores fixam esse valor como ρ = 100 (Ω m), mas, como sabemos que o solo possui diver-sas camadas com variação da composição, a melhor forma de se estabelecer um valor confiável é a medição em campo.

Alguns valores de resistividade podem ser conhecidos, como o disposto na Tabela 2.

Tabela 2. Tipo de solo e sua respectiva resistividade.

Tipo de solo Resistividade (Ω m)

Lama 5 a 100

Terra de jardim com 50% de umidade 140

Terra de jardim com 20% de umidade 480

Argila seca 1.500 a 5.000

Argila com 40% de umidade 80

Argila com 20% de umidade 330

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Areia molhada 1.300

Areia seca 3.000 a 8.000

Calcário compacto 1.000 a 5.000

Granito 1.500 a 10.000


Para se obter os valores de resistividade do solo onde será instalada a haste de aterramento, utilizam-se métodos de prospec-ção geoelétricos, sendo o mais utilizado, pela sua simplicidade e precisão, o de Wenner. Esse método se utiliza da instalação de qua-tro eletrodos, dois de corrente e dois de tensão, conectados ao solo. O aparelho utilizado é chamado Megger. Dependendo do grau de precisão que se deseja do valor necessário para a atuação dos dis-positivos de proteção da instalação elétrica, será necessária a reali-zação do procedimento em diferentes períodos do ano; com isso, é possível obtermos um perfil de comportamento deste solo durante os vários períodos do ano, uma vez que temperatura e umidade do solo influenciarão no valor encontrado. A pior situação onde o va-lor de resistividade será mais alto é durante o período seco.

Figura 5. Método de Wenner.


82


Para um ponto que será analisado pelo aparelho, deve-se cravar as duas hastes de injeção de tensão a uma profundidade de 20cm ou até se obter uma boa fixação mecânica, de modo a estabe-lecer um contato elétrico satisfatório com o solo com uma distância da metade do comprimento da distância estabelecida que poderá ser: 2, 4, 6, 8, 16 e 32m em relação ao ponto. A partir desses ele-trodos, deverão ser fixadas as hastes de corrente com uma distância em relação às de tensão igual ao comprimento utilizado, conforme representa a Figura 5. O local deverá ser distante de áreas sujeitas a interferências como aterramento do neutro, solos com condutores, tubulações metálicas e cercas aterradas.

O valor da resistividade do solo com uma profundidade igual ao espaçamento será dado pela fórmula:

ρ = 2.π.a.R [Ω.m], (1)

Onde: a: distância entre eletrodos;R : valor indicado no potenciômetro do Megger (Ω).

A quantidade de pontos que serão medidos depende da im-portância da área ou de valores muito divergentes obtidos. Para cada ponto deverá ser realizada a medição em três direções diferen-tes, defasadas 60º entre si, conforme a Figura 6, a seguir. Para cada ponto, os espaçamentos são indicados pela Tabela 3.

Figura 6. Direções do ponto de medição.


83


Tabela 3. Valores de Espaçamento.

Espaçamentoa (m)

LeituraR(Ω)

Calculadoρ(Ω.m)

24681632


Para cada ponto medido, será calculada a média aritmética com os três valores de resistividade das direções diferentes, porém, com o mesmo espaçamento. Para efeito de demonstração esses va-lores estão dispostos na Tabela 4, a seguir.

Tabela 4. Medições em campo.

1 2 3 4 52 340 315 370 295 3504 520 480 900 550 4906 650 580 570 610 6158 850 914 878 905 1010

16 690 500 550 480 60232 232 285 196 185 412

Resistividade Elétrica Medida por ponto(Ω.m)

Espaçamento a (m)


Por meio da média entre os pontos com o mesmo espaça-mento, obtém-se a resistividade média. Com esse valor, calcula-se o desvio para cada ponto da tabela anterior. Valores com desvio acima de 50% deverão ser desprezados e uma nova média será cal-culada, como na última coluna da Tabela 5.

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Tabela 5. Determinação da média e desvios relativos.

1 2 3 4 52 1,7 5,6 10,77 11,37 4,79 334 3344 11,56 18,36 53,06 6,46 16,66 558 5106 7,43 4,13 5,78 0,82 1,65 605 6058 6,73 0,28 3,66 0,7 10,81 911,4 911,4

16 22,25 11,41 2,55 14,95 6,66 564,4 564,432 11,45 8,77 25,19 29,38 57,25 262 224,5

Espaçamento a (m)

Desvios Relativos(%)

Resistividade Média (Ω.m)

Resistividade MédiaRecalculada (Ω.m)


O próximo passo consiste na estratificação do solo, que sig-nifica definir valores de resistividade em camadas de acordo com a profundidade. Para essa atividade, alguns métodos são utiliza-dos, como o de Pirson e Tagg, que, embora não sejam rápidos, são mais precisos, o Simplificado, que traduz o solo em apenas duas camadas e só apresenta bons resultados em certos tipos de solo, e o método Yokogawa, que se utiliza de gráficos e apresenta resultados satisfatórios.

Pelos valores de resistividade média encontrados, traça-se a curva ρ x a, que representa o local de construção do aterramento, conforme exemplo a seguir.

Tabela 6. Valores para exemplo.

Espaçamento a (m)

Resistividade medida (Ω.m)

1 6842 6114 4156 2948 23716 18932 182


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Gráfico 1. Resistividade x espaçamento.


Observando o gráfico e prolongando a curva, tem-se que para ρ1 = 700 Ω.m. Escolhe-se um espaçamento a1= 4 m e encontramos ρ(a1) = 415 Ω.m. De acordo com a curva, o valor do coeficiente de reflexão k pode ser negativo ou positivo.

Gráfico 2. Curvas ρ(a) x a Descendente e Ascendente.


86


Nesse caso, como a curva é descendente, o valor de K é negativo, dado pela relação:

(2)

A partir desse valor, traça-se uma linha paralela ao eixo das abcissas no gráfico teórico para o valor de K correspondente.

Gráfico 3. Curvas para o valor de K < 0.


Teremos os valores de K e h/a, que, multiplicados pelos valo-res de a1, comporá uma nova tabela.

87


Tabela 7. Valores de profundidade (h) para espaçamento a1

k h/a h [m]-0,1 - --0,2 - --0,3 0,263 1,052-0,4 0,423 1,692-0,5 0,547 2,188-0,6 0,625 2,5-0,7 0,691 2,764-0,8 0,752 3,008-0,9 0,8 3,2-1 0,846 3,384


Escolhemos outro valor para a2 como, por exemplo, 6 m:

a2 = 6 m, ρ(a2) = 294 m, ρ(a2)/ρ1 = 294/700 = 0,42.

Novamente, recorremos ao gráfico teórico traçado para os valores de K negativo e uma segunda tabela será composta.

Tabela 8. Valores de profundidade (h) para espaçamento a1.

a1 = 6 m ρ(a2)/ρ1 = 0,42

K h/a h[m]

-0,1 0 0-0,2 0 0-0,3 0 0-0,4 0 0-0,5 0,305 1,83-0,6 0,421 2,526-0,7 0,488 2,928-0,8 0,558 3,348-0,9 0,619 3,714-1 0,663 3,978


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Com os valores de K e h das tabelas construídas pelos dois espaçamentos a1 e a2 de, plotamos os dois gráficos e o ponto onde as duas linhas se cruzam indica a profundidade h do solo em que o valor de resistividade é igual ρ1.

Gráfico 4. Curvas h x K.

Fonte: Adaptado de Kindermann e Campagnolo (1995, p. 38).

Tem-se, então, que, para uma camada com profundidade de 2,574m, a resistividade aparente ρa = 700 Ω.m e o k = -0,616. Pela fórmula k =(ρ2-ρ1)/ (ρ2+ρ1), o valor ρ2 = 166,36 Ω.m.

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Figura 7. Solo estratificado em duas camadas.

Fonte: Adaptado de Kindermann e Campagnolo (1995, p. 39).

O valor da resistência de aterramento para uma haste é dado pela fórmula:

(3)

Onde: ρa : resistividade aparente do solo no local de instalação da haste [Ω.m];

l: comprimento enterrado da haste [m];d: diâmetro da haste [m].

No entanto, dificilmente uma haste será suficiente para o fun-cionamento correto do sistema de aterramento. Alternativas pode-rão ser utilizadas, como o aumento do diâmetro da haste, instalação de hastes em paralelo, utilização de hastes profundas e o tratamento químico do solo, porém, a forma que reduz os riscos de uma ele-vada tensão de passo é a construção de uma malha de aterramento.

Para a primeira camada de solo nessa modalidade de aterra-mento, considera-se a resistividade superficial (ρs) igual a da brita molhada, que equivale a 3.000 Ω.m.

90


4. CONDUTOR DE PROTEÇÃO

A partir do eletrodo ou malha de terra construído, deverá ser conectado um condutor de proteção até o BEP (Barramento de Equipotencialização Principal).

Figura 8. Barramento de equipotencialização principal.

Fonte: Adaptado de NBR 5410 (2004).

Legenda:BEP = Barramento de equipotencialização principalEC = Condutores de equipotencialização1 = Eletrodo de aterramento (embutido nas fundações)2 = Armaduras de concreto armado e outras estruturas metálicas da edificação3 = Tubulações metálicas de utilidades, bem como os elementos estruturais metálicos a elas associados:3.a = água3.b = gás3.c = esgoto3.d = ar-condicionado4 = Condutos metálicos, blindagens, armações, coberturas e capas metálicas de cabos:

91


4.a = Linha elétrica de energia4.b = Linha elétrica de sinal5 = Condutor de aterramento principal

A conexão deverá apresentar excelente contato elétrico e resistência mecânica para garantir a continuidade. Em uma malha de terra, deverá ser executada a conexão preferencialmente através de solda exotérmica. A bitola do condutor PE ou terra utilizada é definida em função do condutor fase de alimentação da instalação, conforme o Quadro 3.Quadro 3. Seção mínima do condutor de proteção.

Seção dos condutores de fase Smm²

Seção mínima do condutor deproteção correspondente

mm²S<_ 16 S

16<=S<=35 16S>35 S/2

Fonte: ABNT NBR 5410 (2004, p. 150).

Nesse BEP, deverão estar conectados individualmente e pelo uso exclusivo de ferramenta adequada (e que não seja removido manualmente): armaduras do concreto armado, estruturas metáli-cas da edificação, tubulações metálicas diversas, condutos metáli-cos de energia e sinal, blindagens e capas metálicas de cabos das linhas de energia e sinal, condutores de proteção, outros eletrodos de aterramento existente e condutor neutro da alimentação elétrica.

Além dessas estruturas utilizadas para proteção, a norma pre-vê outra utilização para o BEP:

O barramento de equipotencialização principal (BEP) da edificação pode ser utilizado para fins de aterramento fun-cional e, para tanto, ele pode ser prolongado, por meio de um condutor de baixa impedância. No caso de edificações com uso extensivo de equipamentos de tecnologia da in-formação (ETI), esse barramento de equipotencialização funcional deve constituir preferencialmente um anel fe-

92


chado, internamente ao perímetro da edificação (ABNT NBR 5410, 2004, p. 153).

Com essa atribuição, deverão estar ligados conectores de aterramento de dispositivos de proteção contra sobretensão; con-dutores de aterramento de antenas de radiocomunicação; condutor de aterramento de polo aterrado de fontes de corrente contínua para os ETI (Equipamento de Tecnologia da Informação); condutores de aterramento funcional e de equipotencialização suplementares.

5. PROTEÇÕES CONTRA SOBRETENSÃO

A NBR 5410 prevê a utilização de proteção contra sobreten-sões transitórias nos seguintes casos:

a) Quando a instalação for alimentada por linha total ou par-cialmente aérea, ou incluir ela própria linha aérea e se si-tuar em região sob condições de influências externas AQ2.

b) Quando a instalação se situar em região sob condições de influências externas AQ3.

Quadro 4. Descargas Atmosféricas.

Código Classifica-ção Característica Aplicações exemplos

AQ1 Desprezí-veis ≤25 dias por ano --

AQ2 Indiretas>25 dias por anos

Risco proveniente de redes de alimentação

Instalações alimentadas por redes aéreas

AQ3 DiretasRisco proveniente da expo-sição dos componentes da

instalação.

Partes da instalação situa-das no exterior das edifi-

cações

Fonte: ABNT NBR 5410 (2004, p. 29).

O número de dias de trovoadas por ano é calculado pela seguinte fórmula:

93


Ng, = 0,04. Td1,25, (4)Onde: Ng : Densidade de descargas atmosféricas para a terra [km²/

ano]; Td: Número de dias de trovoadas por ano ou índice

cerâunico.

O valor de Ng está disponível no site do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e para o município de Rio Claro-SP, este valor é igual a 8,85 km²/ano. Realizando os cálculos, temos:

(5)

Portanto, para essa região, é necessária a utilização de meios para a proteção contra sobretensões, como os DPS, para a entrada de energia elétrica, e de sinais eletrônicos como telefone, comuni-cação de dados, sinais de antenas externas ou qualquer outro sinal eletrônico.

Os dispositivos selecionados para a proteção da instalação e dos equipamentos eletroeletrônicos sensíveis deverão suportar os limites de tensão de impulso, para os quais os aparelhos foram projetados para operar sem que ocorra a ruptura da isolação. Esse valor-limite deverá ser fornecido pelo fabricante e indicado por ca-tegorias, conforme o Quadro 5.

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Quadro 5. Suportabilidade a impulso exigível dos componentes da instalação.

Produto a ser utilizado na

entra da instalação

Produto a ser utilizado em circuitos de distribuição

e circuitos terminaisEquipamentos de utilização

Produtos especialmente

protejidos

4 3 2 I

120/208127/220

115-230120-240127-254

4 2,5 1,5 0,8

220/380, 230/400,277/480

_ 6 4 2,5 1,5

400/690 _ 8 6 4 2,5

SistemasTrifásicos

Tensão nominal da instalaçãoV

Tensão de impulso suportável requeridakV

Categoria do produto

Categoria de suportabilidade a impulsos

Sistemas monofásicos com neutro

Fonte: NBR 5410 (2004, p. 71).

As quatro categorias citadas estão em ordem crescente de su-portabilidade. Para a categoria I, estão contidos os equipamentos conectados de forma fixa a uma instalação, porém, protegidos por algum dispositivo externo que exerça a proteção contra sobreten-sões. Para os da categoria II também estão aparelhos conectados diretamente à rede elétrica, como eletrodomésticos, ferramentas elétricas e similares.

Na categoria III, estão os produtos que mais exigem confia-bilidade aos impulsos, como quadros de distribuição, condutores, caixas de passagem, disjuntores, interruptores, tomadas, painéis, contatores e motores elétricos conectados diretamente à rede. Na categoria IV, estão os elementos de entrada da instalação, como me-didores de energia, dispositivos de seccionamento e demais acessó-rios contidos nesse ponto da instalação.

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6. INSTALAÇÃO E SELEÇÃO DE DPS

Os DPS funcionam com a diminuição da impedância inter-na em função do aumento da tensão entre os terminais de ligação, desviando para o aterramento o surto de tensão, evitando que uma sobretensão ultrapasse o valor da suportabilidade do equipamento que está sendo protegido. São construídos basicamente por varisto-res, diodos ou centelhadores.

Esses dispositivos estão subdivididos em três classes. Os DPS classe 1 foram projetados para a proteção de sistemas de baixa tensão para altas correntes de surto causadas por descargas diretas ou indiretas. Possuem o nível de proteção de tensão de até 1,5 kV.

Para os dispositivos classe 2, está prevista a proteção contra descargas indiretas. Estes são os mais utilizados em instalações re-sidenciais, complementando a proteção exercida pelo DPS classe 1.

O DPS classe 3 finaliza a proteção para os equipamentos ele-troeletrônicos mais sensíveis e deve ser instalado o mais próximo possível dessas cargas. Como conduzirão baixas correntes, os mo-delos 5 a 10 kA são os mais utilizados, normalmente são construí-dos por diodos.

Deverão ser ligados em série após o dispositivo de proteção contra sobrecorrentes, com o valor de corrente determinado pelo fabricante, para que, em caso de defeito apresentado pelo disposi-tivo, este seja seccionado da rede, evitando danos à instalação. De-verá ser instalado um DPS com número de polos igual ao número de fases da instalação e, caso o neutro não esteja aterrado no local de instalação do dispositivo, deverá ser previsto, também, um polo para a proteção do condutor neutro.

A seleção dos dispositivos de proteção contra surto deverá seguir as características mínimas em relação ao nível de proteção, tensão máxima de operação contínua, capacidade para suportar as sobretensões temporárias, corrente nominal de descarga ou de im-pulso e corrente de curto circuito.

A especificação do DPS para o nível de proteção (Up) está descrita no Quadro 5. Por exemplo: caso a instalação seja alimen-

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tada por uma tensão de 220/380 V, o nível de proteção não poderá exceder 2,5 kV no ponto de utilização dos equipamentos.

Para a tensão máxima de operação contínua (Uc), o Quadro 6, a seguir, descreve os valores, também em função da tensão da instalação.

Quadro 6. Valor mínimo de Uc exigível do DPS, em função do esquema de aterramento.

Fonte: ABNT NBR 5410 (2004, p.133).

A capacidade de suportar as sobretensões temporárias está es-tabelecida pela NBR IEC 61643-1:2007 – Dispositivos de proteção contra surtos em baixa tensão; Parte 1: Dispositivos de proteção conectados a sistemas de distribuição de energia de baixa tensão; ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas e deve garantir que o dispositivo não ofereça risco em caso de dano provocado por sobretensão causada por falhas externas na média tensão ou perda do condutor neutro.

A característica de suportar a corrente nominal de descarga (In) e de impulso (Iimp) passa pela análise de, ao menos, duas si-tuações básicas, quando o DPS tem a função apenas para prote-

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ção por descargas atmosféricas indiretas transmitidas pela rede de alimentação ou manobras na rede elétrica externa, esse valor não deverá ser menor que 20 kA para rede trifásica e de 10 kA para a rede monofásica. Para a proteção contra descarga direta, os valores descritos passam para 50 kA para rede trifásica e 25 kA para a mo-nofásica.

A corrente de curto-circuito suportada pelo DPS não deve ser inferior à do dispositivo de proteção contra sobrecorrente da insta-lação (disjuntores e fusíveis). Em caso de ligação entre neutro e o condutor PE, esse valor não deve ser inferior a 100 A.

Os dispositivos de proteção contra surto deverão ser instala-dos na entrada de energia elétrica em baixa tensão do consumidor ou no quadro de distribuição principal. É possível que seja insta-lado com a medição de consumo de energia elétrica, desde que o condutor de aterramento esteja conectado ao barramento de equi-potencialização principal da instalação. Uma sugestão de instala-ção é indicada pela Figura 9, a seguir.

Figura 9. Sugestão de instalação do DPS.

Fonte: WEG (2016).

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Os DPS que fazem parte de uma mesma instalação deverão estar distantes em relação ao outro, por uma distância elétrica in-formada pelo fabricante, de modo a garantir a seletividade de sua atuação. Dessa forma, cada DPS atuará sequencialmente, um após o outro, prolongando a vida útil do dispositivo.

Figura 10. Sequência de DPS.

Fonte: adaptação dos autores.

O dispositivo de proteção contra surto pode atuar por mui-tas vezes, porém, quando esse limite de atuações for atingido, um indicador localizado no corpo desse dispositivo informará sobre a necessidade de substituição.


Após a análise das obras que tratam sobre o assunto, entende-mos que o dimensionamento do aterramento se trata de uma etapa que envolve a análise de solo considerando a formação geológica (composição, umidade e profundidade das camadas existentes de acordo com as respectivas resistividades elétricas), dimensão do espaço disponível, máxima corrente de circulação pela malha de terra e tensão de passo admissível.

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O valor da resistência de aterramento não foi um dos critérios mais importantes para a proteção contra a sobretensão como acre-ditávamos. A grande preocupação está na equipotencialização dos barramentos existentes para essa finalidade, visto que o DPS pode atuar, inclusive, por meio de um sistema com neutro aterrado.

Descobrimos que o SPDA garante apenas a proteção de edi-fícios e pessoas no seu interior, mas não oferece qualquer função quanto a sobretensões que possam estar presentes na instalação elé-trica no momento da descarga.

Reproduzimos o método de Wenner para o cálculo da resisti-vidade do solo, atingindo o objetivo proposto de conhecer as etapas de construção do aterramento. Para estudos posteriores, há a possi-bilidade de uma verificação mais detalhada quanto à distribuição da corrente elétrica pelo solo pelas medições reais, com a verificação dos diferentes tipos de sistemas de aterramento.

Constatamos que o aterramento elétrico é importante no com-plemento das ações para redução da sobretensão, no entanto, o uso de DPS mostrou-se decisivo na solução do problema, a seleção e a instalação desses dispositivos complementam a proteção pelo fun-cionamento sequencial que oferecem.

REFERÊNCIAS

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100


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Uso do planejamento ortogonal de Taguchi para a melhoria de parâmetros de fresamento com ferramenta de metal duro

Tiago Henrique BRANDT1 Diego Fernando BRANDT2 Silvio Nunes dos SANTOS3

Resumo: Atualmente existe uma grande variedade de ferramentas para usinagem de aços em geral. As ferramentas em metal duro têm apresentado uma grande melhora no contexto da usinagem, aumentando o seu rendimento e sua vida útil. Para analisar fatores que melhorem o desempenho dessas ferramentas, será ve-rificado o desempenho obtido através da pesquisa de campo. Nessa pesquisa, realizou-se o teste de usinagem em aço 4140 com e sem tratamento térmico, utilizando fresa com e sem melhorias, como revestimento e fluido de corte. Os testes foram realizados com base em Delineamento de Experimentos (DOE) do tipo Taguchi, os quais forneceram resultados que permitirão a análise de qual aplicação é a mais indicada para esse tipo de usinagem.

Palavras-chave: Metal Duro. Usinagem. DOE. Taguchi.

1 Tiago Henrique Brandt. Graduando em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.2 Diego Fernando Brandt. Graduando em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP)3 Silvio Nunes dos Santos. Mestre em Engenharia Mecânica pela Universidade de Taubaté (UNITAU). Especialista em Engenharia de Produção pela Universidade São Judas Tadeu (USJT). Especialista em Docência no Ensino Superior pelo Claretiano - Centro Universitário. Docente e Coordenador de Curso pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP) E-mail: <[email protected]>.

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Use of Taguchi’s orthogonal planning for the improvement of milling parameters with a hard metal tool

Tiago Henrique BRANDT Diego Fernando BRANDT Silvio Nunes dos SANTOS

Abstract: Currently, there is a big variety of tools for machining steels in ge-neral. Hard metal tools have shown a great improvement in the context of ma-chining, increasing its yield and useful life. To analyze factors that improve the performance of these tools, the performance throughout the field research will be verified. In this study, a machining test using the 4140 steel was held with and without thermal treatment, using a milling cutter with and without improve-ments, as coating and cutting fluid. The tests were carried out based on the De-sign of Experiments (DOE), Taguchi type, which provided results that will allow the analysis of which application is the most suitable for this type of machining.

Keywords: Hard Metal. Machining. DOE. Taguchi.

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1. INTRODUÇÃO

Atualmente, os processos de usinagem requerem ferramentas que suportem altos níveis de desgaste e atendam as expectativas da produção. Para isso é necessária a melhoria contínua das ferramen-tas utilizadas no processo de fabricação. Na atualidade, a produção em série utilizando máquinas cada vez mais produtivas e precisas necessita de ferramentas com maior desempenho, como as fresas de topo de metal duro, que possuem uma demanda de mais de 40 milhões por ano (ROSA, 1999).

A fabricação de moldes e matrizes é o caso mais comum no uso de ferramentas de metal duro, já que o material a ser usinado é de dureza elevada. Algumas inconveniências podem ser observa-das, tais como desgaste das ferramentas, uso de porta ferramentas de precisão devido ao alto giro que ela necessita para trabalhar e o investimento em máquinas-ferramenta de boa qualidade (OLIVEI-RA, 2007).

“Durante a usinagem, a superfície gerada sofre solicitações mecânicas e térmicas que podem alterar de forma significativa as características da superfície e abaixo da mesma” (ZEILMANN, 2013, p. 75), e isso não pode acontecer em moldes e matrizes, pois causam irregularidades geométricas, alteração na microestrutura e deformação plástica na sub superfície, podendo assim alterar as propriedades mecânicas e as tensões residuais do material (ZEILMANN, 2013).

Justificativa, objetivos, problema e hipótese

O tema abordado foi escolhido pelo fato de ser um assunto que abrange grandes proporções no mercado metal mecânicas. Fer-ramentas fabricadas em metal duro oferecem grande desempenho por sua alta resistência a temperaturas elevadas, desgastes e por proporcionar um ótimo acabamento à superfície a ser trabalhada.

A usinagem com ferramentas de metal duro é uma opção para se trabalhar com diversos tipos de materiais, sejam eles de fácil usinagem ou não, mas apenas a utilização dessas ferramentas não é

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o suficiente para atender as expectativas, é necessário buscar meios que aumentem a sua vida útil, como, por exemplo, na usinagem em moldes e matrizes, em que os materiais são de alta dureza, gerando altos desgastes e a perda dessas ferramentas. Existem dois fatores que influenciam diretamente no rendimento de uma ferramenta: o 1º é a refrigeração quando em processo de usinagem, pois a utiliza-ção de óleos refrigerantes específicos garantem ainda mais precisão pelo fato de a ferramenta e peça não sofrerem alterações por altas temperaturas no processo de usinagem.

O 2º é a aplicação de um revestimento de aproximadamente 5µm que penetra na ferramenta prolongando sua vida útil e melho-rando o seu rendimento. Se esses dois fatores forem trabalhados juntos, os resultados serão ainda melhores. Os objetivos desse es-tudo, portanto, são:

• Demonstrar que com a utilização do revestimento e do fluido de corte o rendimento da ferramenta é maior. (Hi-pótese 0)

• Comparar o desgaste gerado em ferramentas de metal duro na usinagem do aço 4140 endurecido entre 38 e 42 HRC.

O problema que envolve o estudo é o alto desgaste e a que-bra das ferramentas, com consequentes danos ao produto, gerando custo de má qualidade e de reposição da ferramenta. Se a causa desse problema for o desgaste, será aplicado revestimento e fluido refrigerante à usinagem e verificaremos os resultados.

2. DELINEAMENTO DE EXPERIMENTOS

Nas mais diversas áreas de pesquisa se aplicam experimentos cujos resultados finais representam o objetivo principal. Para obter-mos esses resultados, muitas vezes, faz-se necessário ajustar vari-áveis inerentes aos processos e procedimentos experimentais. Para levar a efeito os resultados expectados, numa visão estritamente industrial, denominados resultados robustos, utilizam-se técnicas especiais reunidas em uma metodologia chamada planejamento de experimentos (MONTGOMERY, 2004).

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Calegare apud Santos, Cardoso e Chaves (2006) diz que o planejamento de experimentos é usado para aperfeiçoar o processo, aproximando os valores de saída aos requisitos nominais, e para reduzir a variabilidade e os custos totais. A metodologia do planeja-mento experimental ou delineamento de experimentos é usada para definir as variáveis de influência direta no desempenho de projetos e processos, com consequente:

1) Redução da variação do processo e melhor concordância entre os valores obtidos e os valores pretendidos.

2) Redução dos “lead times” de processo.3) Redução dos custos operacionais.4) Melhoria no rendimento do processo.A Figura 1 mostra um exemplo da relação existente entre as

entradas e saídas (Y):

Figura 1. Relação entre processo e fatores.

Fonte: baseado em Montgomery (2004).

Algumas aplicações típicas do planejamento de experimentos são:

1) Avaliação e comparação de configurações básicas de pro-jeto.

2) Avaliação de diferentes materiais.

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3) Seleção e determinação de parâmetros de projeto que me-lhorem o desempenho de produtos.

4) Obtenção de produtos que sejam mais fáceis de fabricar, que tenham melhor desempenho e confiabilidade que os produzidos pelos competidores.

Existem três princípios básicos em um planejamento de ex-perimentos, que são: replicação, aleatoriedade e blocagem. Repli-cação consiste em “repetição”, isto é, não repetição com a mesma amostra, e sim das mesmas condições de experimentos anteriores. Este procedimento é importante na obtenção do erro experimental. Aleatoriedade se refere à escolha não sequencial das amostras; deve haver a aleatoriedade, pois fatores críticos que não estão no estudo como temperatura ou lote de matéria-prima podem influenciar as variáveis de interesse. Por fim, há a blocagem, que consiste em uma técnica com o objetivo de aumentar a precisão do experimento. A blocagem é usada quando uma determinada aferição é feita por pes-soas diferentes, não havendo homogeneidade nos dados (SANTOS; CARDOSO; CHAVES, 2007).

Todo planejamento experimental começa com uma série ini-cial de experimentos, com o objetivo de definir as variáveis e os níveis importantes. Podemos ter variáveis qualitativas e quantita-tivas. Os resultados devem ser analisados e as modificações perti-nentes devem ser feitas no planejamento experimental. A Figura 2 apresenta um resumo desta estratégia inicial.

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Figura 2. Objetivos do Planejamento de Experimentos.

Fonte: adaptada de Montgomery (2004).

Existem diversos tipos de planejamento de experimentos, mas, para a pesquisa de campo, foram estudadas duas categorias.

• Experimentos Fatoriais: são aqueles que incluem todas as combinações de vários conjuntos de tratamentos ou fa-tores. O planejamento fatorial é indicado quando se deseja estudar os efeitos de duas ou mais variáveis de influência. Normalmente, codificam-se os níveis dos fatores com o sinal (+) atribuído ao nível superior e (-) atribuído ao nível inferior. Podem ser completos ou fracionados. Um experi-mento fatorial completo ocorre quando todas as possíveis combinações de níveis dos fatores são testadas. Um ex-perimento fatorial fracionado ocorre quando apenas uma fração do fatorial completo é testada (OEHLERT, 2010).

• Experimentos de Taguchi: a metodologia de projeto ex-perimental baseada em Taguchi acentua a importância de reduzir a variabilidade do processo em torno de um “valor alvo” especificado, ou seja, reforça a necessidade de tra-zer a média do processo para o valor nominal especificado no projeto. Isto pode ser conseguido tornando os proces-sos insensíveis às várias fontes do ruído (ANTONY et al., 2006).

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O método Taguchi busca a melhoria das características de um produto ou processo, identificando e ajustando os fatores controlá-veis para estabelecer o mínimo de variação do produto final com relação ao objetivo; assim, ao ajustar esses fatores no seu nível óti-mo, pode-se produzir de forma a tornar o produto mais robusto a qualquer alteração que ocorra causada por fatores incontroláveis (condições ambientais, variação dimensional, etc.). O Dr. Taguchi definia a qualidade visando o cliente final de uma maneira negati-va: “má qualidade é a perda imposta ao cliente a partir do momento em que seu produto é expedido”.

A Figura 3 mostra a função perda de Taguchi (TANER; ANTONY, 2006).

Figura 3. Função Perda de Taguchi.

Fonte: Fowlkes e Creveling (2000).

A figura mostra que a perda é chamada “A”. A função-perda designada por L(y) é derivada de uma série de Taylor em torno do valor nominal “m”. Essa série é apresentada pela equação (1) (TANER; ANTONY, 2006):

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22

1( )

k

kk

AL y σ=

= ∑∆

= L (m) + [L’ (m)/1!](y-m) + [L’’ (m)/2!](y-m) 2 +…] (1)

Visto que L(y) = 0 quando y = m (ou seja, a perda da quali-dade é zero quando y = m, valor nominal, N. Conforme Taguchi, atinge-se o valor mínimo da função nesse ponto (ver figura 3), sua primeira derivada com relação a m, L’(m), é zero. Os dois primeiros termos da equação (1), por conseguinte, são iguais a zero. Quando se desprezam os termos de ordem superior a 2, a equação fica redu-zida a (TANER; ANTONY, 2006):

L(y) = [L’’(m) /2!](y-m) 2 (2)

L(y) = k (y-m) 2 (3)

Onde k é uma constante de proporcionalidade desconhecida que pode ser calculada por meio do conhecimento da L(y) para algum valor de y. É normal obter-se a constante k pelo conhecimento das perdas causadas ao se ultrapassarem as tolerâncias (custos ou perdas representadas por refugo ou retrabalho) (TANER; ANTONY, 2006).

Taguchi dá uma grande ênfase na aproximação entre a engenharia e a qualidade. Ele afirma que, produzindo com determinados objetivos ou requisitos de maneira a minimizar a variação do desempenho de um determinado produto, vai-se aumentar a qualidade e a satisfação dos clientes. A essa variação ele chama ruído (TAGUCHI; CHOWDHURY; WU, 2004).

Taguchi identifica 3 tipos distintos de ruído.1) Ruído externo: variáveis ambientais ou condições de uso

que perturbam as funções do produto (temperatura, umi-dade, poeira, etc.).

2) Ruído interno: mudanças que sucedem como resultado de um desgaste.

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3) Ruído peça a peça: diferenças entre produtos que são fa-bricados de acordo com as mesmas especificações.

O objetivo é de minimizar o ruído através de atividades de qualidade on-line e off-line. Taguchi propõe o uso de técnicas e teo-rias de otimização, juntamente com o projeto de experiências, com o objetivo final de minimizar as perdas para a sociedade.

Menciona-se o termo “confundimento”. Confundimento ocorre quando o efeito de um fator ou tratamento não pode distin-guir-se de outro fator ou tratamento. Os dois fatores ou tratamentos são ditos confundidos. Exceto em circunstâncias muito especiais, o confundimento deve ser evitado. Considere o plantio de uma varie-dade de milho “A” em Limeira e uma variedade de milho “B” em Rio Claro. Nessa experiência, não podemos distinguir efeitos de localização e de variedades; os efeitos dos fatores variedade e local são confundidos (OEHLERT, 2010).

Deparamo-nos com algumas questões: qual tipo de experi-mento deveríamos realizar? Experimentos clássicos ou de Taguchi? Quais as vantagens dos métodos clássicos e do método de Taguchi?

A Tabela 1 mostra uma comparação entre os métodos clássi-cos e o método de Taguchi com base nos processos: planejamento, seleção da matriz ortogonal, condução do experimento, análise e confirmação.

Tabela 1. Comparação entre processos no Método de Taguchi e no Método Clássico.

Etapa Taguchi Clássico

Planejamento

Concentra-se na função de engenharia. A função objetiva eliminar causas. Um número mínimo de experimentos.Escolha adequada de fatores, níveis e respostas para diminuir as interações. Pensa no projeto robusto. Possui 80 a 90% de chances de ser bem-sucedido.

Brainstorm de fatores e respostas. Respostas contínuas são mais facilmente tratadas do ponto de vista da análise estatística.Considera os riscos alfa e beta ao selecionar o tamanho da amostra.

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Seleção da Matriz Ortogonal

L12, L18 e L36 são altamente recomendadas, uma vez que ocultam pequenas interações.

Permite usar uma infinidade de matrizes ortogonais. Depende da necessidade.

Condução do experimento

Atribuir fatores de colunas na redução do custo/hora associado ao experimento.

Usa uma ordem de execução aleatória para diluir o fator ruído não aferido em outros efeitos.

Análise

Trata os dados usando os índices S/N Sinal/Ruído para reduzir as interações. Usa e recomenda S/NS, S/NI e S/NN, mas prefere S/NDinamics.Incluir na equação de predição regras sobre o tratamento dos fatores. Usa análise gráfica de S/N.

Usa a ANOVA e a Regressão para analisar dados. Usa testes matemáticos significativos para selecionar os fatores a serem inclusos na equação de predição. 80% de chances de se obter bons experimentos.

ConfirmaçãoConfirma as definições previstas contra valor previsto e seus referenciais.

Não enfatizado até recentemente.

Fonte: Adaptado de Launsby (1994).

Launsby (1994) afirma que os experimentos realizados pelo método de Taguchi reduzem o número de experimentos. Sabe-se que as variáveis de um problema podem se apresentar na forma de um bloco heterogêneo. O tratamento em blocos propõe uma análise agrupando os elementos em blocos homogêneos. Esse tratamento reduz a quantidade de experimentos a serem realizados. Os trata-mentos fatoriais, por sua vez, requisitam uma quantidade enorme de ensaios, um experimento fatorial 2k com k acima de 5 fatores gera dificuldades no experimento, porque 25 resultam em 32 ex-perimentos. Usando-se 4 corpos de prova em cada ensaio, serão necessários 128 ensaios.

Comparando-se e usando-se o mesmo número de fatores em um exemplo com o método de Taguchi com uma matriz ortogonal L9, teríamos: L9: um experimento L9 usando 4 fatores e 3 níveis, 1+k(n-1) = 1 + 4. (3-1) = 1 + 8 = resulta em 9 alternativas ou en-saios (LAUNSBY, 1994).

112


A Tabela 2 resume os principais experimentos de Taguchi, relacionando o número de fatores, níveis e quantidade de colunas considerando as interações.

Tabela 2. Quadro dos Arranjos Ortogonais de Taguchi.Arranjo

OrtogonalNúmero de

ensaiosNº. Máximo de Fatores Nº. Máximo de Colunas e seus Níveis

L4 4 3 2 3 4 5L8 8 7 3 - - -L9 9 4 - 7 - -L12 12 11 - 4 - -L16 16 15 11 - - -L18 18 8 - - 5 -L25 25 6 1 7 - -L27 27 13 - - - 6L32 32 31 1 13 - -L36 36 23 1 - 9 -L50 50 12 3 13 - -L54 54 26 1 - - 11L64 64 63 1 25 - -L81 81 40 - - 21 -

Fonte: adaptado de Montgomery (2004).

Análise de variância em experimentos de Taguchi

Segundo Taguchi, Chowdhury e Wu (2004), a seleção do ar-ranjo ortogonal a ser usado depende do:

1) Número de parâmetros e interações de interesse.2) Número de níveis para os parâmetros de interesse. Esses dois itens determinam também o total de graus de liber-

dade exigidos para todos os experimentos. Segundo Stamatis (2002), a perda representa custo para o fa-

bricante e para o cliente por ter o produto defeituoso. Esta foi defi-nida no tópico anterior como a perda média para a sociedade a par-tir do momento em que o produto é enviado. Isso é indicado por L.

MSDTolerância

defeituoso produto de produção à devido PerdaL ×= (4)

Onde:

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A perda devido à produção de produto defeituoso é a perda da média para o cliente. MSD é o desvio quadrático médio e tolerância é o Δ de especificação m ± Δ. A definição e cálculo da variância, ou, mais corretamente, o MSD, são o foco da ANOVA de Taguchi (STAMATIS, 2002).

É importante entender que em qualquer teste de experimentos os resultados são comparados por meio de uma análise geralmente denominada Análise de Variância (ANOVA). Para facilitar o enten-dimento, podemos dizer que a ANOVA separa a variabilidade do conjunto de dados em variabilidade entre os grupos e variabilidade dentro dos grupos de dados e compara esses dois grupos de variabi-lidades (STAMATIS, 2002).

3. REVISÃO SOBRE FUNDAMENTOS DE USINAGEM

Este trabalho estuda o comportamento de ferramentas de me-tal duro com e sem revestimento, usinando materiais metálicos com e sem fluido de corte, o que requisita uma explicação prévia sobre termos, conceitos e fundamentos de usinagem dos metais.

Segundo Diniz, Marcondes e Coppini (2010), são os mo-vimentos entre ferramenta e peça que permitem a ocorrência do processo de usinagem. Existem movimentos ativos e passivos. Os movimentos ativos sempre ocorrem entre a ferramenta e a peça gerando remoção de material, nesse caso chamado cavaco. Esses movimentos são:

• Movimento de corte: trata-se de um movimento que, ocor-rendo em um curso da ferramenta ou rotação, promove a remoção de cavaco, mesmo se não houver movimento de avanço.

• Movimento de avanço: trata-se de um movimento que, combinado com o movimento de corte, permite a remoção contínua do cavaco. Pode ser contínuo como o que ocorre em tornos ou intermitente como o que ocorre em plaina-doras.

114


Diniz, Marcondes e Coppini (2010) afirmam que os movi-mentos passivos são movimentos necessários que ocorrem entre a ferramenta e a peça, mas nunca promovem remoção de cavaco. Es-ses movimentos são:

• Movimento de ajuste: trata-se de um movimento relacio-nado à camada de material a ser removida.

• Movimento de correção: trata-se de um movimento de compensação de posição da ferramenta em relação à traje-tória programada.

• Movimento de aproximação: trata-se do movimento de aproximação para o início da usinagem.

• Movimento de recuo: trata-se do movimento de afasta-mento da ferramenta após o trabalho de usinagem.

Nos processos de usinagem existem grandezas que descre-vem geometricamente a relação de penetração entre a ferramenta e a peça, são elas:

• Profundidade ou largura de usinagem aP: refere-se à pro-fundidade ou largura de penetração perpendicular ao plano de trabalho.

• Penetração de trabalho ae: refere-se à penetração da ferra-menta perpendicular à direção de avanço.

A figura 4 apresenta algumas variáveis dos conceitos descri-tos até o momento.

Figura 4. Grandezas de avanço.

Fonte: Diniz, Marcondes e Coppini (2010, p. 21).

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Conforme Machado et al. (2011), grandezas de corte são aquelas ajustadas direta ou indiretamente na máquina. Grandezas relativas ao cavaco são aquelas derivadas das grandezas de corte e obtidas por meio de cálculos.

Força e potência de corte

A força de corte pode ser entendida como uma pressão aplica-da a uma área. De acordo com Diniz, Marcondes e Coppini (2010), Kienzle propõe uma formulação semelhante. A constante KC1 e o expoente (1-mc) são definidos experimentalmente e tabelados.

mc-1C1C hbKF ××= (5)

Onde:• Fc: força de corte [N]• kc: pressão específica de corte [N/mm2]• b: comprimento do gume ativo [mm]• h: espessura do cavaco [mm]• kC1: Pressão específica de corte [N/mm2] para cavaco de seção

de 1mm2 • (1- mc): Expoente de KienzleO fresamento, parte fundamental de nossos testes de campo,

possui as seguintes complicações: • Espessura do cavaco variável (cálculo de h) • Diferença entre o fresamento frontal e o periférico (cálcu-

lo de φs) • Ferramenta multicortante (vários dentes, cálculo de Zc) • Variedade de geometrias de ferramenta e de gume (cálculo

de b)

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A equação da força de corte no fresamento é então modifica-da a partir da equação do torneamento, considerando as particula-ridades do processo.

mc-1mCC1C hzbKF ×××= (6)

A Figura 5 resume o conjunto de equações que acompanha a equação principal da força de corte para o fresamento.

Figura 5. Resumo de equações da força de corte no fresamento.

Fonte: acervo dos autores com base em Machado et al (2011).

Onde:• hm : espessura média do cavaco [mm]• fz : avanço por dente [mm/dente]• ae : penetração de trabalho [mm]• φs : ângulo de contato ferramenta peça [graus]• D : diâmetro da fresa [mm]• kr : ângulo de direção do gume principal [º]• Zc : número de dentes em contato com a peça • Z : número (total) de dentes da fresa [dentes]• b : comprimento do gume ativo [mm]

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• kr : ângulo de inclinação do gume principal [º]• ap : profundidade de corte [mm]Uma máquina-ferramenta gera potência para girar seu eixo-

-árvore e executar o movimento de corte e de avanço. A potência de Avanço (Pf) é normalmente muitas vezes menor do que a de corte (Pc), chegando a ser até 140 vezes menor.

A equação 7 mostra a potência de corte para kW.

ç1060Kfva

P 6ccp

C ×××××

= (7)

Onde: vc : é a velocidade de corte [m/min.]

f: é o avanço. [mm/rot.]ƞ: é o rendimento da máquina [%]

Metal duro

As máquinas-ferramenta modernas desenvolvem altas velo-cidades e exigem ferramentas de corte construídas com materiais que suportem altas temperaturas. Entre outras propriedades, ideal-mente essas ferramentas deveriam possuir:

• Resistência à compressão.• Dureza.• Resistência à flexão e tenacidade.• Resistência do gume.• Resistência interna de ligação.• Resistência a quente.• Resistência à oxidação.• Pequena tendência à difusão e caldeamento.

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• Resistência à abrasão.• Condutibilidade térmica.• Calor específico adequado.• Expansão térmica adequada.O metal duro é um material de ferramenta de corte criado na

década de 30 usando-se processos da metalurgia do pó e que reúne muitas das características descritas anteriormente.

A figura 6 mostra uma relação entre as propriedades tenaci-dade e flexão contra velocidade de corte, resistência ao desgaste e dureza a quente de diversos materiais de ferramenta de corte.

Figura 6. Propriedade de diversos materiais de ferramentas.

Fonte: acervo dos autores com base em Zelinski (s.d.).

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Fluido de corte

Usinagem é um processo complexo envolvendo muitos fato-res críticos, sendo que um desses fatores é a aplicação correta de fluidos de usinagem.

Fluidos de corte são compostos químicos complexos encar-regados de executar várias funções no processo de usinagem. Com sua aplicação, espera-se um alto nível de rendimento de corte, além de uma excelente estabilidade química e biológica. Frederick W Taylor, já em 1894, observou que o uso de fluido de corte permitia aumentar em 40% a velocidade de corte na usinagem (MACHADO et al., 2011).

4. PESQUISA DE CAMPO

Usinagem de canal C x L x P em Aço 4140 endurecido en-tre 38 e 42 HRC e ao natural em Máquina CNC com ferramentas de metal duro (MD) em condições descritas seguindo as seguintes etapas:

• Fresa de MD sem adição de melhoria. • Fresa de MD sem cobertura, mas com uso de fluido refri-

gerante. • Fresa de MD com revestimento, mas sem uso do fluido

refrigerante. • Fresa de MD com revestimento e com uso do fluido refri-

gerante. As ferramentas de metal duro usadas tinham as seguintes es-

pecificações:• Fresas de Ø10,0mm com quatro facas.• Passo da hélice 54,414mm.• Comprimento de corte 30mm.• Comprimento total 75mm.

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• Quatro peças com revestimento hélico e quatro sem reves-timento.

O fluido de corte usado tinha a seguinte especificação:• Nome do produto: QUAKERCOOL 2880 BF.• Aplicação: fluido para usinagem de aços.• Produto base aquoso, não inflamável.• Produto nocivo para ambiente aquático.• Não biodegradável.A máquina CNC usada tinha as seguintes especificações:• 5 eixos sincronizados.• Magazine para 20 ferramentas.• Eixo da ferramenta: potência de 25HP e RPM máximo

12000.• Eixo de fixação do produto: potência de 30HP e RPM má-

ximo 5000.Em resumo, os fatores são: revestimento na condição pre-

sente e não presente. Fluido refrigerante presente e não presente. Dureza HRC presente e não presente.

Procedimento

Cada uma das 8 ferramentas passará pelo mesmo processo de usinagem, sempre com os mesmos parâmetros de corte, mesma fixação e mesma máquina. Para efeito de análise será observado o esforço de corte através do potenciômetro da máquina, o cavaco produzido e o desgaste da ferramenta após os testes. Para esses tes-tes usamos um plano de experimentos L9 de Taguchi.

121


5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A tabela 4 mostra os resultados do experimento.

Tabela 4. Plano de Experimentos L9 completo.

Exp. No Nome Ordem Cobertura Fluido Material Esforço Desgaste Cavaco

1 N1 7 -1 -1 -1 7,23 0,173 2

2 N2 12 1 -1 -1 7,07 0,001 2

3 N3 8 -1 1 -1 6,93 0,083 2

4 N4 14 1 1 -1 6,47 0,001 3

5 N5 10 -1 -1 1 7,69 0,232 1

6 N6 6 1 -1 1 7,33 0,001 2

7 N7 3 -1 1 1 7,08 0,145 2

8 N8 13 1 1 1 6,87 0,001 3

9 N9 5 -1 -1 -1 7,42 0,262 1

10 N10 1 1 -1 -1 7,15 0,001 2

11 N11 2 -1 1 -1 7,03 0,171 2

12 N12 16 1 1 -1 6,53 0,001 3

13 N13 15 -1 -1 1 7,86 0,419 1

14 N14 11 1 -1 1 7,41 0,001 2

15 N15 9 -1 1 1 7,14 0,327 2

16 N16 4 1 1 1 6,94 0,001 3


Os resultados apresentados na Tabela 4 estão sintetizados na Figura 7.

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Figura 7. Teste de Usinagem.


A Figura 7 apresenta as retas de regressão dos parâmetros de resultados de onde pode se destacar os valores de R2 que infor-mam sobre a qualidade da predição. Para o parâmetro “esforço”, por exemplo, R2 = 95%, significando que a reta de regressão ajusta 95% das determinações levantadas. A Tabela 6 representa a tabela ANOVA do teste de usinagem realizado para este trabalho.

A tabela 5 mostra dados da experiência referentes ao desgaste de ferramentas após a usinagem.

Tabela 5. Desgaste das ferramentas após usinagem e tipos de ca-vaco.

Fresa 1: com cobertura; sem refrigeração; aço temperado.

Fresa 2: com cobertura; com refrigeração; aço temperado.

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Fresa 3: com cobertura; sem refrigeração; aço sem têmpera.

Fresa 4: com cobertura; com refrigeração; aço sem têmpera.

Fresa 5: sem cobertura; sem refrigeração; aço temperado.

Fresa 6: sem cobertura; com refrigeração; aço temperado.

Desgaste de 0,419mm. Desgaste de 0,327mm.

Fresa 7: sem cobertura; sem refrigeração; aço sem têmpera.

Fresa 8: sem cobertura; com refrigeração; aço sem têmpera.

Desgaste de 0,262mm. Desgaste de 0,171mm.Fonte: acervo dos autores.

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6. CONCLUSÕES

A partir dos testes realizados, chegou-se à conclusão de que o fato de se utilizar cobertura e fluido de corte não interfere direta-mente no esforço de corte da ferramenta, mas sim em sua vida útil. Assim, podem-se analisar os seguintes dados, após os testes em aços endurecidos e sem tratamento térmico:

• Testes sem cobertura e sem refrigeração: as ferramentas apresentaram um grande desgaste e seu cavaco foi de co-loração azulada, o que indica alta temperatura no momen-to da usinagem.

• Testes sem cobertura, mas com refrigeração: a ferramen-ta apresentou menor desgaste e o cavaco ficou com uma tonalidade marrom, o que indica que o fluido refrigerante conseguiu dissipar parte do calor gerado pela usinagem. Porém, ao ocorrer o desgaste da ferramenta, esta ficou sem corte, o que dificulta a usinagem, elevando a temperatura.

• Testes com cobertura, mas sem refrigeração: neste caso, a ferramenta não apresentou desgaste, mas o cavaco teve uma coloração marrom, pois a cobertura ajuda a dispersar o calor na usinagem.

• Testes com cobertura e com refrigeração: com a combina-ção da cobertura e o fluido, além de manter a ferramenta sem desgaste, a temperatura de usinagem foi baixa, assim, o cavaco ficou com uma tonalidade bem clara, indicando que houve remoção de material sem aquecimento.

Uma possibilidade para verificar a variação de esforço seria comparar ferramentas de geometria e parâmetros de corte diferen-tes. Como resultado final, obteve-se que a ferramenta que possui cobertura e refrigeração não terá menor esforço de trabalho, mas sim uma vida útil muito maior que as demais ferramentas.

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Células de hidrogênio como combustível

Leonardo Giacomelo QUINELATO1

Mário Almir FERES JUNIOR2

Resumo: Com a preocupação mundial em desenvolver meios que substituam os atuais combustíveis fósseis, este trabalho vem demonstrar um procedimento que poderá ser utilizado no futuro para a utilização do gás hidrogênio como combus-tível. Durante o trabalho, a ideia inicial foi contemplar a história do surgimento do hidrogênio, mostrando uma breve descrição dos anos mais importantes, desde seu surgimento, que foi ao acaso, até sua certeza, anos depois. Nesse sentido, foi proposta a construção de uma célula de combustível para a demonstração em laboratório do poder explosivo do hidrogênio e, se possível, acoplar esse sistema a um motor de combustão. Foi explicado o funcionamento de geração do hidrogênio em uma célula de combustível, através da utilização de uma energia externa (bateria automotiva) gerando a eletrólise da água e consequentemente se-paração dos elementos que a constituem. Durante o experimento, foi constatado que, com apenas um litro de água juntamente com soda cáustica, para acelerar o processo de eletrólise, foi gerada uma grande quantidade de hidrogênio pelo sistema. Por se tratar de um elemento químico altamente inflamável, foi decidido realizar apenas uma explosão em pequena escala, para demonstração do resulta-do. Chegou-se à conclusão de que, com esse mesmo equipamento, se houvesse a possibilidade de utilizar um motor convencional à combustão interna, haveria a possibilidade de conseguir uma redução no consumo de combustível, já que a força da combustão do hidrogênio seria suficiente para diminuir o combustível injetado na câmara de combustão.

Palavras-chave: Células de combustível. Célula de hidrogênio. Hidrogênio.

1 Leonardo Giacomelo Quinelato. Bacharelado em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.2 Mário Almir Feres. Pós-doutorado pelo Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA) – Universidade de São Paulo (USP). Doutorado em Química na Agricultura e Ambiente pela mesma instituição. Mestre em Química Analítica pela Universidade Federal do Maranhão (UFMA). Licenciado em Química pela mesma instituição. Docente do Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP) nos cursos de Engenharia. E-mail: <[email protected]>.

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Hydrogen cells as fuel

Leonardo Giacomelo QUINELATOMário Almir FERES JUNIOR

Abstract: With the global focus on developing means to replace current fossil fuels, this work demonstrates a procedure that can be used in the future for the use of hydrogen gas as fuel. During the work, the initial idea was to contemplate the history of the emergence of hydrogen, showing a brief description of the most important years, since its emergence, which was by chance, until his certainty, years later. Accordingly, the construction of a fuel cell to demonstrate, in a labo-ratory, the explosive power of hydrogen and, if possible, the attachment of this system to a combustion engine were proposed. The operation of the hydrogen ge-neration in a fuel cell was explained by the use of an external energy (automotive battery) generating the electrolysis of water and, consequently, the separation of the elements that constitute it. During the experiment, it was found that, with only one liter of water with caustic soda, to accelerate the process of electrolysis, the system generated a large amount of hydrogen. Because it is a highly flamma-ble chemical element, it was decided to hold only one explosion on a small scale to the income statement. The conclusion reached by the experiments was that, with the same equipment, if there was the possibility of using a conventional internal combustion engine, there would be the possibility to achieve a reduction in fuel consumption, since the strength of the hydrogen combustion would be enough to decrease the fuel injected into the combustion chamber.

Keywords: Fuel cells. Hydrogen cell. Hydrogen.

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1. INTRODUÇÃO

Segundo Hoffmann (2001), a primeira descoberta significati-va sobre as células de hidrogênio foi do médico, alquimista e astró-logo, nascido na Suíça, Theophrastus Paracelsus (1493-1541), que verificou a presença de um gás durante a dissolução de amostras de ferro em meio sulfúrico.

Após esse acontecimento, Turquete de Mayeme (1573-1655) observou, também, uma queima que era derivada do hidrogênio quando misturou ácido sulfúrico com ferro. Esse mesmo fenôme-no foi observado pelo químico francês e boticário Nicolas Lemery (1645-1715), que descreveu a queima do gás como algo fulminante e violento; mesmo assim, ele não chegou à conclusão final de que aquilo seria um elemento químico – apenas pensou que seria uma espécie de enxofre inflamável.

Já na metade do século XVIII, Henry Cavendish (1731-1810) foi o primeiro a descrever as qualidades do hidrogênio. Porém, não foi ele que deu o nome ao gás de “hidrogênio”, pois ainda acredi-tava na teoria do “flogisto” criada pelo alemão Georg Ernst Stahl – a de que aquilo nada mais era do que o próprio flogisto no seu estado mais puro. A partir de outras investigações feitas por outros cientistas, Henry descobriu que havia dois tipos diferentes de ar: um seria o ar fixo (CO2) e o outro o ar inflamável (hidrogênio). Em 1766, ele apresentou à Sociedade Real de Londres seu artigo cien-tifico que apresentava leituras específicas do peso e densidade para ambos os gases. Ele também provou que esse material (hidrogênio) seria o mesmo do ar inflamável, apesar de ter sido retirado através de metais e ácidos (HOFFMAN, 2001).

Lavoisier, um grande químico francês, já vinha, há algum tempo, tentando descobrir a natureza real desse ar inflamável. Como todos os outros que já tinham descoberto algo, ele tinha ob-tido o ar inflamável através da dissolução de metais em ácido. Na mesma época, ele ouviu sobre o trabalho de Cavendish e resolveu tentar melhorá-lo, mas não houve uma comoção muito grande da academia científica. Com essa resposta negativa, tentou inverter o processo, que era dividir as moléculas de água em um tubo de cobre

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aquecido. As limalhas de ferro do tubo começaram a ficar pretas e frágeis, deixando escapar o oxigênio e o ar inflamável, um gás que somente poderia ser retirado da água. Então, Lavoisier combinou oxigênio e hidrogênio e produziu 45 gramas de água. Em 1785, ele provou para a Academia de Ciências que o hidrogênio e o oxigê-nio provinham de um elemento básico: a água. Então, publicou sua obra principal “O método de nomenclatura química”, em que ele rotulou o oxigênio como ar de sustentação da vida, e o hidrogênio como ar inflamável (HOFFMAN, 2001).

Já em 1839, um físico chamado Willian Grove, por meio de experimentação com o hidrogênio, desenvolveu a primeira célula de combustível; segundo o estudioso, ao se passar eletricidade atra-vés da água, conseguem-se obter gases de hidrogênio e oxigênio.

Com o passar dos anos, a situação atual mundial começou a se agravar e, com isso, surgiu a preocupação com as fontes de energia não renováveis, devido ao seu esgotamento eminente. Com essa crise que está começando a assolar os tempos modernos, novas tecnologias estão sendo desenvolvidas e já começaram a mostrar o seu potencial para substituição dos atuais sistemas de produção de energia.

Considerando-se essa preocupação, o trabalho vai contem-plar um sistema de célula de hidrogênio como combustível, para que possa fornecer energia tanto para automóveis ou outros meios de utilização de energia. Busca-se mostrar, por intermédio de pes-quisa bibliográfica e experimentação em laboratório, a funciona-lidade e o detalhamento da produção de uma célula além da sua situação atual mundial.

Células de hidrogênio

O hidrogênio pode ser produzido através da água e da ele-tricidade. Quando queimado com oxigênio, o hidrogênio não gera poluentes: libera somente água, que pode facilmente ser retornada para a natureza. Contudo, há alguns problemas: o hidrogênio não é encontrado livremente na natureza – é necessário que se realizem algumas transformações químicas para que, consequentemente, se

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consiga o hidrogênio como elemento final; e há o problema de lo-gística, uma vez que é preciso pensar numa forma viável de arma-zenamento e distribuição do hidrogênio (ULF et al., 2003).

Ulf et al. (2003) relatam que, considerando que o hidrogênio seja usado como fonte de energia, temos de nos perguntar se é pos-sível a sua armazenagem eficaz. A partir desse pensamento, será necessário entender quanto terá de ser produzido desse hidrogênio de alta qualidade, para que fique interessante sua armazenagem, o manuseio, o transporte e o abastecimento. Seria um grande proble-ma se a maior parte dessa energia criada fosse perdida antes mesmo que chegasse a seu uso final.

Almeida et al. (2010) mencionam que esse elemento químico possui um valor energético elevado por unidade de massa. Mas, como o hidrogênio se apresenta em forma gasosa, normalmente há complicações em sua armazenagem, pois sua unidade por volume é bem reduzida por estar em estado gasoso. Sendo assim, há a reco-mendação de transformá-lo na forma líquida para que seja viável o seu armazenamento.

A célula a combustível é uma tecnologia que utiliza a com-binação química dos gases oxigênio (O2) e hidrogênio (H2) para gerar energia elétrica e térmica, sendo seu resíduo principal a elimi-nação de água. [...] Podemos comparar uma célula de combustível a um sanduíche: ela é dividida em fatias, onde cada fatia tem uma função. Os eletrodos constituem duas destas fatias. São porosos para que possa ocorrer a passagem dos gases até a fatia do meio, o eletrólito (RODRIGUES et al., 2010, p. 2).

Mesmo sendo um tipo de combustível muito promissor para o futuro, se as empresas não focarem no avanço das tecnologias, nunca serão alcançados resultados satisfatórios.

Atualmente, uma equipe de desenvolvimento da NASA está analisando métodos para a substituição das células de combustí-veis atuais utilizadas em aeronaves de passeio, que são de origens fósseis, substituindo por outra tecnologia que ajude a economizar combustível durante a viagem. Para isso, estão desenvolvendo uma célula de hidrogênio específica que vai trabalhar com as atuais, ou seja, realizando uma mistura do combustível de avião junto à célula

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de hidrogênio, podendo gerar, segundo fontes da NASA, de 20 a 30 por cento de economia em um voo de duas horas.

Segundo a agência municipal de Seixal, que está localizada em Portugal, países como Estados Unidos e Japão estão investindo cada vez mais na tecnologia do uso do hidrogênio para carros. Nos últimos cinco anos, os EUA investiram cerca de dois bilhões de dólares em um programa para acelerar o desenvolvimento do carro movido a hidrogênio.

Já no Japão, desde 2002, já foram investidos cerca de 240 mi-lhões de dólares para a implementação do uso do hidrogênio como combustível. A previsão do governo é que, em 2020, a venda de veículos com células de hidrogênio chegue perto dos cinco milhões de unidades.

Conforme os experimentos forem sendo realizados, serão co-mentadas as dificuldades encontradas para que o sistema funcione com facilidade, e quais os desafios futuros que poderiam ser melho-rados, para que, no final desta pesquisa, consigamos mostrar a sua real eficácia nos dias de hoje.

O tema tratado terá como meta mostrar a necessidade do uso de um tipo de combustível que seja abundante e, ao mesmo tempo, ecologicamente correto. Assim, tem como intuito provar a viabili-dade desse sistema como gerador de energia limpa. Seguindo essa linha de desenvolvimento, o projeto trará os benefícios e as razões sobre por que devemos utilizar esse tipo de combustível. A meta final a ser alcançada visará o custo de um projeto, a quantidade de células de combustíveis necessárias para a movimentação de um carro de passeio, a diferença entre motor à combustão e o motor a hidrogênio, e outros meios de utilização.

Como todo combustível não renovável, o petróleo um dia en-contrará seu fim devido à alta demanda global, acarretando dispu-tas políticas e até militares pelas últimas reservas mundiais. Como formas de solução imediata, já existem combustíveis de fontes re-nováveis, como o etanol, derivado da cana de açúcar, do milho, e do biodiesel, que vem da mamona, mas nenhum deles é totalmente renovável. Partindo da ideia de que são necessárias grandes áreas para que possa realizar o plantio, temos como resultado o desmata-

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mento da vegetação natural do local, causado pelos fazendeiros que buscam suprir a demanda das usinas.

Com esse cenário, abriu-se uma corrida na busca de uma fon-te de energia definitiva e renovável, que não cause danos ao nosso ecossistema.

Para a engenharia, não está sendo um trabalho fácil fazer que o hidrogênio funcione como combustível. Diferentemente do mo-tor à gasolina, que funciona através de explosões em seu interior, o hidrogênio necessita de uma célula de combustível que é carrega-da com hidrogênio gerando energia elétrica para o motor, criando, assim, uma transmissão de potência entre a célula e o motor do carro, sendo que o motor é um modelo diferente dos que utilizam combustíveis fósseis.

A utilização da célula traz benefícios para o condutor do car-ro, como: produz baixo impacto ambiental, sem vibrações, sem ru-ídos, sem combustão, sem emissão de particulados e, dependendo da tecnologia, sem emissão de gases de efeito estufa. Além disso, no atual estágio de desenvolvimento, não há emissão de gases áci-dos, com baixa poluição.

Porém, nem tudo é fácil para as células de combustíveis, uma vez que o custo ainda é elevado, pois, para um aproveitamento to-tal, seria necessário o armazenamento do hidrogênio puro, que se apresenta sob o estado gasoso. Atualmente, o que segue mais viável é extração da célula de hidrogênio do etanol, mas que, no final, ain-da resulta em uma pequena emissão de gases poluentes.

Mesmo utilizando o etanol como base primária para a retira-da do hidrogênio, ainda temos um sistema conhecido como híbrido, que é mais ecológico do que só puramente etanol.

Já existem alguns motores com esse tipo de funcionamento, os quais são extremamente econômicos e com grande autonomia. Há estudos que dizem que, com apenas alguns mililitros de com-bustível mais a célula de hidrogênio, é possível fazer mover um pequeno carro, para apenas uma pessoa, por quase cem quilôme-tros. Isso levando em consideração que o carro só possui um banco, carenagem e a parte mecânica necessária para movimentação.

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A criação desse tipo de combustível só trará benefícios para a humanidade, como a redução da poluição sonora, uma vez que os motores serão mais silenciosos, além da baixa geração de resíduos ou a geração de substâncias mais limpas que podem ser reaprovei-tadas, como a água.

Outro ponto é que, a partir da água, se pode retirar o hidrogê-nio, criando, assim, um ciclo infinito, onde é retirado o hidrogênio da água e sua combustão resulta na recomposição da molécula an-terior.

2. FUNCIONALIDADE

Segundo Almeida et al. (2010), as células de combustível são dispositivos eletroquímicos que convertem, diretamente, sem com-bustão, a energia química contida num combustível rico em hidro-gênio, em eletricidade e energia térmica, firmando-se como uma das tecnologias mais promissoras do momento.

Na figura a seguir, são apresentados os componentes básicos de uma célula de combustível, os quais incluem um eletrodo positi-vo (ânodo), um eletrodo negativo (cátodo) e um eletrólito.

O hidrogênio é fornecido ao ânodo, enquanto o oxigênio é fornecido ao cátodo. O combustível é oxidado eletroqui-micamente na superfície do ânodo, onde o catalisador pro-move a separação dos elétrons dos átomos de hidrogênio, criando íons positivos. O eletrólito permite a passagem dos íons do ânodo para o cátodo, mas bloqueia a passagem dos elétrons, os quais são forçados a seguirem pelo circuito elétrico exterior da célula. Os íons de hidrogênio, quando chegam ao cátodo, combinam-se simultaneamente com os elétrons que retornam do circuito elétrico e com os átomos de oxigênio fornecido ao cátodo, formando água (ALMEI-DA et al., 2010 p. 51).

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Figura 1. Processo de uma célula combustível.

Fonte: Almeida (2010, p. 51).

3. CUSTOS E APLICAÇÕES DAS CÉLULAS DE COM-BUSTÍVEL

Os custos dos materiais e das células de combustíveis são os mais variáveis possíveis; o intuito, portanto, será mostrar alguns dos tipos e seus respectivos valores.

Rodrigues (2010) menciona que a célula PEM (do inglês Proton Exchange Membrane), que é constituída por uma membrana plástica e sólida e que tem a capacidade de transportar a carga positiva quando está úmida, é um tipo muito aplicado no setor automobilístico, na geração de energia e em equipamentos portáteis, e seu ponto positivo é que possui a capacidade de funcionar em baixa temperatura, sendo entre 60° a 140°C, resultando, consequentemente, em um rápido funcionamento, propriedade não encontrada em outras tecnologias. Porém, a célula tem uma desvantagem, que é a utilização da platina como catalisadora, o que aumenta seu valor de produção.

136


Segundo Hoffmann (2001), a utilização desse tipo de célula de combustível só será viável no setor automobilístico se a vida útil tiver de 5 a 8 mil horas, o que é equivalente a 170.000 em um motor de combustão convencional.

Outra tecnologia disponível que Rodrigues (2010) comenta é a SOFC ou célula a combustível de sólido de óxido, que é constitu-ída normalmente de material cerâmico, permitindo a passagem dos íons, passando de cátodo para ânodo formando água e elétrons no próprio ânodo. Por ser uma tecnologia que trabalha em alta tempe-ratura (entre 600° a 1000°), seu funcionamento é mais lento, só que elimina a utilização de platina, tendo a possibilidade de utilização de catalisadores mais baratos no mercado.

Outro sistema importante que vem sendo desenvolvido é o ACFS ou células de combustível alcalinas. Sua diferença está, como o próprio nome diz, no fato de utilizar eletrólitos alcalinos em vez de eletrólitos ácidos, que são usados normalmente em ou-tras tecnologias. O ponto positivo é a utilização de materiais mais baratos na construção; em contrapartida, é necessário utilizar hidro-gênio e oxigênio extremamente puros.

Tabela 1. Características físico-químicas de algumas células de combustível.

Célula de combustível Eletrólito Temperatura de

operaçãoReações

Eletroquímicas

PEM = Membrana de troca de prótons

P o l í m e r o s orgânicos 50° – 100°C

Ânodo: H2 2H+ +2e-

Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e-H2OCélula: H2 + ½ O2® H2O

AFCS = Alcalina

S o l u ç ã o aquosa de hidróxido de potássio

90° – 100°C

Ânodo: H22H+ + 2e-Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e-H2OCélula: H2 + ½ O2H2O

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SOFC = Óxido Sólido

Óxido de Zircônia 500° – 1000°C

Ânodo: H2 + O2- H2O + 2e-Cátodo: ½ O2 + 2e-O2-Célula: H2 + ½ O2H2O

Fonte: Rodrigues (2010).

Segundo Bent et al. (2005), conceitos como carbonato fun-dido ou células a combustível de óxido sólido podem não chegar a uma fase comercial durante a próxima década. Estimativas de custos para uma possível comercialização do SOFC (célula de óxi-do) estão em US$ 3.200 KW-1 em 2010 e, em 2050, entre US$ 350KW-1 a US$ 1.300 KW-1.

Células como as AFCS (células de combustível alcalinas) ou as PEM (células de combustível com membrana de troca de pró-tons) aparecem como menos caras no mercado, mas muito acima da viabilidade do uso comercial atual. Entretanto, mesmo que am-bas andem juntas para o declínio do custo, seus respectivos valores ainda terão uma diferença considerável, sendo que as AFCS têm um custo de US$ 1.750 kW-1 com a possibilidade de redução para US$ 155 Kw-1 para produção em larga escala. Já a célula PEM tem um valor maior, cerca de US$ 2.000 kW-1, mas com previsão de redução para chegar próximo a US$ 20 kW-1 com a produção em massa de automóveis com baterias de 50 kW.

Na Tabela 2, é possível ter uma estimativa dos valores, para que se torne viável a utilização de células de combustível no dia a dia.

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Tabela 2. Comparação entre demanda de energia e capacidade de produção das células.

AplicaçãoPreço ideal para viabilidade comercial

(US$)Por KW produzido

Transporte US$ 50 kWResidência US$ 300 a 500 kW

Centros comerciais, Hospitais, Hotéis US$ 1200 a 3000 kW

Estação de Energia US$ 1000 a 1500 kWPortáteis US$ 5000 a 10000 kW

Fonte: Rodrigues (2010).

4. PROCEDIMENTOS

Materiais necessários

Para a realização da montagem da célula de combustível, fo-ram necessários os seguintes materiais:

• 2 placas de Celeron com medidas de 6mm de espessura e 120mm de comprimento e largura.

• 4 parafusos de aço inox 420 com medidas de 6mm de diâmetro e 132mm de comprimento.

• 18 porcas sextavadas de aço inox 420 com medidas de 10mm de diâmetro.

• 1 tubo de pvc com medidas de 168mm de comprimento e 111,5mm de diâmetro.

• 2 tampas de pvc utilizadas para vedar o tubo.• Silicone para vedação das tampas e dos conectores.

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• 19 placas de aço inox 304 com 4 arestas chanfradas, com medidas de 60mm na parte reta e 29mm na chanfrada, e dois furos paralelos de 6mm.

• 3 placas de aço inox 304 com 3 arestas chanfradas e dois furos paralelos de 6mm.

• 5 conectores pneumáticos – hidráulicos, todos com entrada de 6mm. 3 possuem saída de 9mm e 2 com 4,8mm.

• 3 mangueiras pneumática-hidráulicas com 6mm de diâmetro.

• 23 o-rings para vedação.• Bateria automotiva de 50 amperes.• 2 cabos para realizar a passagem de energia da bateria para

a célula. • 200mL de solução 4,0mol/L de hidróxido de sódio (soda

cáustica).

Montagem

A montagem desse equipamento é relativamente simples, depois de reunidos todos itens necessários para sua construção. A ideia principal por trás da montagem é construir um modelo san-duíche, repetindo todo o procedimento até a última placa metálica.

Inicialmente, utilizamos uma placa de Celeron para começar a montagem, sendo necessário um furo com diâmetro de 4,8mm para o posicionamento de um dos conectores de saída, que é aco-plado à placa. Com a base pronta, colocamos na sequência: o-ring, placa com 3 arestas chanfradas, o-ring, placa com 4 arestas chan-fradas. Após a utilização da primeira placa com 4 arestas chanfra-das, é repetida a sequência até chegar na metade, em que inserimos novamente uma placa metálica de 3 arestas, seguindo pela de 4 arestas, até chegar à última placa, que será a de 3 arestas. O motivo pela utilização dessas 3 placas com 3 arestas chanfradas é para que haja uma forma de conexão entre a diferença de potencial vinda da bateria e a água, que sofrerá eletrólise. Finalmente, uma placa de

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Celeron com o mesmo tipo de furo da inicial foi inserida, para que seja acoplado o conector pneumático-hidráulico.

Para que a célula combustível mantenha a sua forma, são co-locados os 4 parafusos e as 18 porcas. Uma atenção especial é dada quando a placa de 3 arestas, que tem sua localização central, é al-cançada durante a montagem, sendo necessária a inserção de uma porca antes e uma depois da referida placa. Esse procedimento é importante para uma melhor fixação dos componentes e contato elétrico satisfatório.

O reservatório de combustível (água) foi construído em pvc e cortado no tamanho descrito anteriormente, sendo as suas extremi-dades fechadas com conector apropriado, sendo estas vedados com silicone. A tampa móvel foi perfurada com broca de 9mm para o perfeito acoplamento dos conectores pneumático-hidráulicos. Ou-tros dois furos foram feitos lateralmente para permitir a passagem dos gases além do fluxo de água. No furo superior, o gás hidrogênio é recolhido através de um tubo equidistante 120 mm da saída da água.

Funcionamento do experimento

Com o sistema proposto devidamente montado, é iniciado o experimento. Os testes foram realizados nos laboratórios da Clare-tiano – Centro Universitário, devido ao alto risco envolvido.

Inicialmente, o reservatório de água foi preenchido com cer-ca de 1 litro desse líquido, volume suficiente para manter livre a saída do gás combustível. A esse volume, foi inserida uma solução 4,0mol/L em hidróxido de sódio (soda cáustica) necessária para que a eletrólise da água seja mais energética, melhorando a produção de hidrogênio.

Com o sistema devidamente preenchido com a mistura de água e soda cáustica, são conectados os dois cabos, que saem da ba-teria para os parafusos que são ligados nas placas com 3 chanfros. Para o perfeito funcionamento do sistema, utilizou-se uma bateria

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automotiva, em virtude de sua grande capacidade de fornecimento de carga.

Em função ao elevado fluxo de elétrons inerentes aos acumu-ladores automotivos, notou-se a geração em larga escala de bolhas visíveis no interior de uma vidraria com água, caracterizando a que-bra da molécula da água em seus componentes gasosos.

Devido ao risco envolvido, foi realizado um teste em propor-ções reduzidas através de um pequeno tubo de ensaio, por cerca de 6 a 8 segundos. Com isso, foi possível a realização de uma combus-tão controlada e em pequena escala, conforme as figuras a seguir.

Figura 2. Visão geral da célula combustível proposta.


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Figura 3. Esquema final da montagem para os testes.


Figura 4. Detalhe da liberação de gás hidrogênio.


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Figura 5. Detalhe da combustão do gás hidrogênio produzido.


5. CONCLUSÃO

A teoria mostra-nos que produzir hidrogênio em grande esca-la é algo possível, mas com certo nível de dificuldade, em função da complexidade do seu armazenamento e do seu elevado poder de combustão.

Como visto no experimento em laboratório, quando foi depo-sitado o hidrogênio em um pequeno tubo de ensaio e por um curto período de tempo, a explosão já foi suficientemente visível, exigin-do atenção durante o experimento.

A utilização desse gás como alternativa ao uso de combustí-veis fósseis tem sido largamente explorada pela indústria automo-tiva através de mecanismo semelhante ao apresentado neste artigo.

O gás hidrogênio pode ser misturado ao ar atmosférico que é aspirado para dentro do motor como comburente enriquecendo o seu nível energético garantindo um menor consumo de gasolina ou etanol.

Seu uso pode ainda ser incentivado como combustível princi-pal em veículos automotores através da substituição completa dos combustíveis de origem vegetal ou fósseis. Nesse caso, tecnologias avançadas são necessárias para aplicação do hidrogênio em dispo-sitivos como tanques de combustíveis especiais, mangueiras con-dutoras de gases, ligas metálicas de alta resistência etc.

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Nossa proposta vislumbrou agregar informações técnicas e teóricas sobre a produção e uso desse combustível no Brasil e no mundo como fonte alternativa para eliminação das emissões de car-bono, uma vez que os subprodutos da combustão desse gás se limi-tam à água e a outros produtos não tóxicos.

REFERÊNCIAS

AGÊNCIA SEIXAL. Energias renováveis. Disponível em: <http://www.cmseixal.pt/ameseixal/municipe/energiasRenovaveis/documents/celulascombustivel.pdf>. Acesso em: 3 set. 2014.

ALMEIDA, A. T. Células de combustível. Revista Gazeta de Física, p. 50-55, 2010.

BENT, S. Hydrogen and Fuel Cells, Academic Press, 2005.

EG&G, Technical Services. Fuel Cell Handbook, 2000. Disponível em: <http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/769283-sD4TGw/native/769283.pdf>. Acesso em: 23 mar. 2014.

HOFFMANN, P. et al. Tomorrow energy hydrogen, fuel cells and prospect for a cleaner planet. Cambridge: The MIT Press, 2001.

NASA. Fuel cells to save energy supplying electricity on commercial aircraft. Disponível em: <http://www.nasa.gov/content/fuel-cells-to-save-energy-supplying-electricity-on-commercial-aircraft/>. Acesso em: 1 set. 2014.

RODRIGUES, R. A. Células de hidrogênio: construção, aplicações e benefícios. Revista Brasileira de Gestão e Engenharia, São Gotardo, n. 1, p. 47-62, jan./jun. 2010.

ULF, B. et al. The future of hydrogen economy: bright or bleak? 2004. Disponível em: <www.pacificsites.net/~dglaser/h2/General_Articles/hydrogen_enconomy.pdf>. Acesso em: 23 mar. 2014.

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Ling. Acadêmica, Batatais, v. 6, n. 1, p. 145/150, jan./jun. 2016

Política Editorial / Editorial Policy

A Revista Linguagem Acadêmica é uma publicação digital semestral do Claretiano – Centro Universitário, des tinada à divul-gação científica dos cursos, bem como de pesquisas e projetos co-munitários.

Tem como objetivo principal publicar trabalhos que possam contribuir com o debate acerca de temas variados do ensino acadê-mico.

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Serão considerados apenas os textos que não estejam sendo submetidos a outra publicação.

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Análise dos trabalhos

A análise dos trabalhos é realizada da seguinte forma: a) Inicialmente, os editores avaliam o texto, que pode ser

desqualificado se não estiver de acordo com as normas da ABNT, apresentar problemas na formatação ou tiver reda-ção inadequada (problemas de coesão e coerência).

b) Em uma segunda etapa, os textos selecionados serão en-viados a dois membros do conselho editorial, que avaliarão as suas qualidades de escrita e conteúdo. Dois pareceres negativos desqualificam o trabalho e, havendo discordân-cia, o parecer de um terceiro membro é solicitado.

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d) A expressão “RESUMO” seguida do respectivo resumo em língua portugue sa (entre 100 e 150 palavras). Sugere--se que, no resumo de artigos de pesquisa, seja especifica-da a orientação metodológica.

e) A expressão “ABSTRACT” seguida do respectivo resumo em língua inglesa (entre 100 e 150 palavras).

f) A expressão “PALAVRAS-CHAVE” seguida de 3 até 5 palavras-chave em língua portuguesa, no singular.

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2) Para citações longas, usar corpo 10, entre linhas simples, recuo duplo, espaço antes e depois do texto. Citações cur-

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tas, até 3 linhas, devem ser colocadas no interior do texto e entre aspas, no mesmo tamanho de fonte do texto (12).

3) Tabelas, quadros, gráficos, ilustrações, fotos e anexos devem vir no interior do texto com respectivas legendas. Para anexos com textos já publicados, deve-se incluir re-ferência bibliográfica.

4) As referências no corpo do texto devem ser apresentadas entre parênteses, com nome do autor em letra maiúscula, seguida de vírgula, seguida de espaço, da expressão “p.”, espaço e o respectivo número da(s) página(s), quando for o caso. Ex.: (FERNANDES, 1994, p. 74). A norma utili-zada para a padronização das referências é a da ABNT em vigência.

5) As seções do texto devem ser numeradas, a começar de 1 (na introdução) e ser digitadas em letra maiúscula; subtí-tulos devem ser numerados e digitados com inicial maiús-cula.

6) As notas de rodapé devem estar numeradas e destinam-se a explicações com plementares, não devendo ser utilizadas para referências bibliográficas.

7) As referências bibliográficas devem vir em ordem alfabé-tica no final do artigo, conforme a ABNT.

8) As expressões estrangeiras devem vir em itálico.

Modelos de Referências Bibliográficas – Padrão ABNT

Livro no todo PONTES, Benedito Rodrigues. Planejamento, recrutamento e seleção de pessoal. 4. ed. São Paulo: LTr, 2005.

Capítulos de Livros BUCII, Eugênio; KEHL, Maria Rita. Videologias: ensaios sobre televisão. In: KEHL, Maria Rita. O espetáculo como meio de subjetivação. São Paulo: Boitempo, 2004. cap. 1, p. 42-62.

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Periódico no todo GESTÃO EMPRESARIAL: Revista Científica do Curso de Administração da Unisul. Tubarão: Unisul, 2002.

Artigos em periódicos SCHUELTER, Cibele Cristiane. Trabalho voluntário e extensão universitária. Episteme, Tubarão, v. 9, n. 26/27, p. 217-236, mar./out. 2002.

Artigos de periódico em meio eletrônico PIZZORNO, Ana Cláudia Philippi et al. Metodologia utilizada pela bibliote-ca universitária da UNISUL para registro de dados bibliográficos, utilizando o formato MARC 21. Revista ACB, Florianópolis, v. 12, n. 1, p. 143-158, jan./ jun. 2007. Disponível em: <http://www.acbsc.org.br/revista/ojs/viewarticle. php?id=209&layout=abstract>. Acesso em: 14 dez. 2007.

Artigos de publicação relativos a eventos PASCHOALE, C. Alice no país da geologia e o que ela encontrou lá. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE GEOLOGIA, 33. 1984. Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro, SBG, 1984. v. 11, p. 5242-5249.

Jornal ALVES, Márcio Miranda. Venda da indústria cai pelo quarto mês. Diário Cata-rinense, Florianópolis, 7 dez. 2005. Economia, p. 13-14. Site XAVIER, Anderson. Depressão: será que eu tenho? Disponível em: <http:// www.psicologiaaplicada.com.br/depressao-tristeza-desanimo.htm>. Acesso em: 25 nov. 2007.

Verbete TURQUESA. In: GRANDE enciclopédia barsa. São Paulo: Barsa Planeta Internacional, 2005. p. 215.

Evento CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA MECÂNICA, 14, 1997, Bauru. Anais... Bauru: UNESP, 1997.

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