Campus Universitário de Viana

Universidade Jean Piaget de Angola (Criado pelo Decreto n. 44-A/01 de 6 de Julho de 2)

Faculdade de Ciências e Tecnologias

PROJECTO DO TRABALHO DE FIM DO CURSO

DIMENSIONAMENTO DE UMA UNIDADE DE

POTÊNCIA HIDRÁULICA INTELIGENTE PARA

SISTEMAS DE CONTROLO DE ÁGUAS PROFUNDAS

Autor: Álvaro Stanislau João Adolfo

Licenciatura: Electromecânica

Orientador: Eng.º Serafim Anacleto João Adolfo

Co-Orientador: Eng.º Ângelo de Assunção João Adolfo

Viana, Junho de 2015

Campus Universitário de Viana

Universidade Jean Piaget de Angola (Criado pelo Decreto n. 44-A/01 de 6 de Julho de 2)

Faculdade de Ciências e Técnologias

PROJECTO DO TRABALHO DE FIM DO CURSO

DIMENSIONAMENTO DE UMA UNIDADE DE

POTÊNCIA HIDRÁULICA INTELIGENTE PARA

SISTEMAS DE CONTROLO DE ÁGUAS PROFUNDAS

Estudante: Álvaro Stanislau João Adolfo

Licenciatura: Electromecânica

Viana, Junho de 2015

iii

EPÍGRAFE

“Toda nossa ciência, contraposta à realidade, é primitiva e infantil. No

entanto, é a coisa mais preciosa que temos”.

«Albert Einstein (1879-1955)»

iv

DEDICATÓRIA

À memória dos meus Pais, por terem

deixado bases sólidas para que eu

pudesse seguir.

v

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, direção da minha vida;

A todos os docentes que contribuíram de forma séria e competente para a minha

formação;

Aos meus queridos irmãos Leonildo, Guedes, Émidio, Honório, Augusto,

Serafim e Ângelo Adolfo, Anacleto Mulemo e Euclides Lemos, pelo apoio e

encorajamento nos momentos de dificuldade. Minha eterna gratidão vai além de meus

sentimentos;

Agradeço aos meus amigos pelas palavras amigas nas horas difíceis e por

estarem comigo nesta caminhada tornando-a mais fácil e agradável;

Aos meus colegas que ouviram os meus desabafos; que presenciaram e

respeitaram o meu silêncio; que partilharam este longo passar de anos, de páginas, de

livros e cadernos; que tantas vezes machucamos; que fez meu mundo um mundo

melhor; que me acompanharam, choraram, riram, sentiram, participaram,

aconselharam, dividiram; as suas companhias, os seus sorrisos, as suas palavras e

mesmo as ausências foram expressões de amor profundo. As alegrias de hoje também

são suas, pois seus amores, estímulos e carinhos foram armas para essa minha vitória;

A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste

trabalho.

vi

DECLARAÇÃO DE AUTOR

Declaração do autor:

Declaro que este trabalho escrito foi levado a cabo de acordo com os

regulamentos da Universidade Jean Piaget de Angola (UniPiaget) e em particular das

Normas Orientadoras de Preparação e Elaboração do Trabalho de Fim de Curso,

emanadas pelo Departamento de Altos Estudos e Formação Avançada (DAEFA). O

trabalho é original, contém informações extraídas de literaturas ligadas aos cursos

técnicos. Quaisquer visões expressas são as do autor e não representam de modo

nenhum as visões da UniPiaget. Este trabalho, no todo ou em parte, não foi

apresentado para avaliação noutras instituições de ensino superior nacionais ou

estrangeiras.

Assinatura:________________________________________________

Data:___/___/___

vii

ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS

Acum MP - Acumulador de Média Pressão;

Acum AP – Acumulador de Alta Pressão;

AF – Analisador de Fluido;

CLP - Controlador Lógico Programável;

C.P.U - Unidade de Processamento Central;

CRT – Tubos de Raios Catódicos;

ISO - International Standards Organization;

FAS – Fluid Analyser System;

FSK – Frequency Shift Key;

HPFT – High Pressure Flow Transducer;

HPPT – High Pressure Pressure Transducer;

HMI – Human Machine Interface;

LCD - Display de Cristal Líquido;

MPPT – Medium Pressure Pressure Transducer;

MPFT – Medium Pressure Flow Transducer;

MCS – Master Control Station;

NAS – Nível de limpeza do fluído;

NO - Normalmente Aberta;

NF - Normalmente Fechada;

viii

Off-line – Fora de linha;

ON/OFF – Ligado/Desligado;

O2SS – Oxygen System Sensor

PROG – Programa;

RTLT – Return Tank Level Transducer;

SOV - Válvulas Operadas por Solenoide;

STOP – Parar;

STLT – Supply Tank Level Transducer;

TN – Transdutor de Nível;

TP – Transdutor de Pressão;

UPHI - Unidade de Potência Hidráulica Inteligente;

𝑽𝑺 - Volume do sistema submarino

𝑽𝒂𝒄 - Volume dos acumuladores

𝑽𝒕𝒓 - Volume dos tubos rígidos

𝑽𝒕𝒇 - Volume dos tubos flexíveis

𝑽𝒖𝒎 - Volume do umbilical

𝑽𝑳 - Volume das linhas

𝑽𝑻 - Volume total

𝑽𝒖𝒑𝒉𝒊 - Volume da unidade de potência hidráulica inteligente

ix

RESUMO

O presente trabalho é resultado de um estudo minucioso das unidades de

potência hidráulica existentes. As unidades de potência hidráulica são sistemas

desenvolvidos para fornecer energia hidráulica para o acionamento de mecanismos.

Estas unidades são projetos à nível 5, pois são constituídas por multimicrosistemas

híbridos. Equipamentos como bombas, reservatórios, acumuladores de pressão,

PLCs, filtros, válvulas direccionais e de alívio, transdutores de pressão, nível, vazão,

temperatura, etc,…são as estruturas de base destas unidades. O presente trabalho tem

como objetivo desenvolver uma unidade de potência hidráulica livre de algumas das

imperfeições existentes nas unidades actuais. Para atingir este objetivo, um estudo

profundo das unidades existentes foi efetuado, o dimensionamento e selecção de

equipamentos foram feitos seguindo regras práticas, uma série de softwares de

simulação em ambiente virtual foram utilizados de modos a conseguirmos o resultado

esperado.

Palavras-chaves: Automação, BOP, SUBSEA, Unidade de Potência Hidráulica.

x

ABSTRACT

This job is the result of an accurate study of the existent Hydraulic Power Unit.

The hydraulic power unit are system developed to supply hydraulic power to operate

mechanisms. These units are level 5 projects, because they are constituted by multi

hybrid Microsystems. Equipments like pumps, reservoirs, pressure accumulators,

PLCs, filters, directional and reliefs valves, pressure, level, flow and temperature

transdutors, etc…, are the basic structures of this unit. The objective of this job is to

develop an improved hydraulic power unit free of some of the imperfections existents

on the actual units. To achieve this objective a deep study of the existents unit was

done, all calculations and equipment selection were done as per practical rules,

software were used to simulate in virtual environment in order to achieve the expected

result.

Keywords: Automation, BOP, SUBSEA, Hydraulic Power Unit.

xi

ÍNDICE GERAL

EPÍGRAFE......................................................................................................................................... iii

DEDICATÓRIA ................................................................................................................................ iv

AGRADECIMENTOS ........................................................................................................................ v

DECLARAÇÃO DE AUTOR ........................................................................................................... vi

ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS ................................................................................... vii

RESUMO ........................................................................................................................................... ix

ABSTRACT ........................................................................................................................................ x

ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................................... xiv

ÍNDICE DE TABELAS ................................................................................................................... xvi

INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 17

1. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 18

1.1 Objetivo Geral ........................................................................................................................ 18

1.2 Objetivos Específicos ............................................................................................................. 18

2. IMPORTÂNCIA DO ESTUDO .............................................................................................. 19

3. DEFINIÇÃO DE CONCEITOS .............................................................................................. 19

4. ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................................................. 20

CAPÍTULO I – REVISÃO DA LITERATURA TÉCNICA / CIENTIFICA APLICÁVEL AO

PROJECTO ...................................................................................................................................... 21

1. UNIDADE DE POTÊNCIA HIDRÁULICA ........................................................................... 21

1.1 Hardware da Unidade de Potência Hidráulica ....................................................................... 21

1.2 Reservatórios .......................................................................................................................... 21

1.2.1 Funcionamento ................................................................................................................ 22

1.2.2 Tipos de reservatório ....................................................................................................... 23

1.3 Bombas................................................................................................................................... 23

1.3.1 Bomba hidrodinâmica ..................................................................................................... 23

1.3.2 Bomba hidrostática.......................................................................................................... 24

1.3.3 Cuidados na Instalação das Bombas ............................................................................... 25

1.3.4 Eletrobombas................................................................................................................... 26

1.3.5 Bombas Pneumáticas ...................................................................................................... 27

1.4 Acumuladores de Pressão ...................................................................................................... 28

1.4.1 Princípio de funcionamento ............................................................................................ 29

1.4.2 Tipos de acumulador ....................................................................................................... 29

1.4.3 Aplicação dos acumuladores ........................................................................................... 32

xii

1.5 Filtros ..................................................................................................................................... 32

1.5.1 Contaminação .................................................................................................................. 32

1.6 Válvulas ................................................................................................................................. 38

1.6.1 Válvulas de Alívio........................................................................................................... 38

1.6.2 Características ................................................................................................................. 38

1.6.2 Válvulas de Agulha ......................................................................................................... 39

1.7 Discos de Rotura .................................................................................................................... 39

1.8 Tubagens e Conexões ............................................................................................................. 41

1.9 Controlador Lógico Programável (CLP) ................................................................................ 43

1.9.1 Princípio de Funcionamento ........................................................................................... 44

1.10 Transdutor de Pressão .......................................................................................................... 45

1.10.1 Transdutor de Nível ....................................................................................................... 46

1.10.2 Transdutor de Fluxo ...................................................................................................... 46

1.11 LCD ...................................................................................................................................... 47

1.11.1 Características ............................................................................................................... 47

1.12 Eletroválvulas ....................................................................................................................... 48

CAPÍTULO II – PRODUÇÃO TÉCNICA ...................................................................................... 49

2. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................................... 49

2.1 Projecto de Hardware ......................................................................................................... 51

2.1.1 Unidade de Potência Hidráulica Convencional ............................................................... 52

2.1.2 Especificação dos Sistemas de Controlo para Águas Profundas ..................................... 54

2.1.3 Dimensionamento e Seleção de Equipamentos ............................................................... 54

2.1.4 Dimensionamento dos Acumuladores ............................................................................. 54

2.1.5 Gás a ser utilizado ........................................................................................................... 58

2.1.6 Fluido hidráulico a ser utilizado ...................................................................................... 59

2.1.7 Dimensionamento dos reservatórios ............................................................................... 59

2.1.8 Dimensionamento/Seleção de Bombas ........................................................................... 61

2.1.9 Esquemas ........................................................................................................................ 66

CONCLUSÕES ............................................................................................................................... 77

RECOMENDAÇÕES ...................................................................................................................... 78

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................. 79

ANEXOS ......................................................................................................................................... 81

ANEXO I ......................................................................................................................................... 82

ANEXO II ........................................................................................................................................ 83

xiii

ANEXO III ....................................................................................................................................... 84

ANEXO IV ...................................................................................................................................... 85

ANEXO V ........................................................................................................................................ 86

xiv

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Esquema e Fotografia de um reservatório. ....................................................................... 22

Figura 2: Bombas hidráulicas........................................................................................................... 23

Figura 3: Desalinhamento de bomba e motor. ................................................................................. 25

Figura 4: Desalinhamento de bomba e motor. ................................................................................. 25

Figura 5: Alinhamento de bomba e motor. ...................................................................................... 26

Figura 6: Alinhamento de bomba e motor. ...................................................................................... 26

Figura 7: Eletrobombas. ................................................................................................................... 27

Figura 8: Bomba Pneumática. .......................................................................................................... 27

Figura 9: Bomba Pneumática. .......................................................................................................... 28

Figura 10: Acumuladores hidráulicos. ............................................................................................. 29

Figura 11: Funcionamento dos acumuladores. ................................................................................. 29

Figura 12: Acumulador de bexiga. ................................................................................................... 30

Figura 13: Acumulador de Pistão. .................................................................................................... 31

Figura 14: Carcaças de Filtros. ......................................................................................................... 35

Figura 15: Filtro de sucção. .............................................................................................................. 36

Figura 16: Filtro de sucção. .............................................................................................................. 36

Figura 17: Filtro de retorno. ............................................................................................................. 37

Figura 18: Filtro off-line. ................................................................................................................. 38

Figura 19: Válvula de alívio. ............................................................................................................ 39

Figura 20: Válvula de agulha. .......................................................................................................... 39

Figura 21: Disco de Rotura. ............................................................................................................. 40

Figura 22: Tubos e Conexões. .......................................................................................................... 41

Figura 23: Válvulas e Conexões. ..................................................................................................... 42

Figura 24: Diagrama de bloco da construção interna de um P.L.C.................................................. 43

Figura 25: Ciclo de varredura de um P.L.C. .................................................................................... 45

Figura 26: Transdutor de Pressão. .................................................................................................... 46

Figura 27: Transdutor de Nível. ....................................................................................................... 46

Figura 28: Transdutor de Fluxo. ....................................................................................................... 47

Figura 29: LCD. ............................................................................................................................... 47

Figura 30: Electroválvula. ................................................................................................................ 48

Figura 31: Esquema em bloco da UPHI. .......................................................................................... 51

Figura 32: Unidade de Potência Analisada ...................................................................................... 52

Figura 33: Acumulador hidráulico. .................................................................................................. 55

Figura 34: Umbilical e Reel. ............................................................................................................ 60

Figura 35: Bomba de alta pressão. ................................................................................................... 61

Figura 36: Bomba de média pressão. ............................................................................................... 62

Figura 37: Bomba de circulação pneumática. .................................................................................. 63

Figura 38: Esquema Hidráulico. ...................................................................................................... 66

Figura 39: Esquema de Interação do PLC com os demais elementos do sistema. ........................... 67

Figura 40: Circuito de força da UPHI. ............................................................................................. 69

Figura 41: Circuito de comando. ...................................................................................................... 70

Figura 42: Circuito de alimentação da SOV/bomba de circulação. ................................................. 72

Figura 44: Circuito de alimentação da bomba de circulação com a fonte retificada. ...................... 75

xv

Figura 44: Fonte de tensão para os componentes do circuito funcionando em DC. ........................ 76

xvi

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 - Referência dos componentes. .......................................................................................... 63

17

INTRODUÇÃO

«O termo Hidráulica, é uma palavra que vem do grego e é a união de hydra =

água, e aulos = condução/tubo, é, portanto, uma parte da física que se dedica

a estudar o comportamento dos fluidos em movimento e em repouso. É

responsável pelo conhecimento das leis que regem o transporte, a conversão de

energia, a regulação e o controle do fluido agindo sobre suas variáveis

(pressão, vazão, temperatura, viscosidade, etc.).»

(JOSÉ 2014: p.7)

É bastante comum as pessoas confundirem os sistemas hidráulicos com os

sistemas de escoamento de fluidos. Mas é fundamental esclarecermos que os sistemas

de fluidos dividem-se em dois grupos que são respetivamente: os sistemas de

escoamento de fluidos (como são os casos das redes de abastecimento de água, redes

de esgoto, etc…) e os sistemas de potência utilizando fluidos (sistemas hidráulicos e

sistemas pneumáticos), sendo estes últimos a base para a automatização de vários

processos.

«Unidades de potência hidráulica que representam uma parte fundamental dos

sistemas hidráulicos, são sistemas projetados para produzir e fornecer energia

hidráulica para accionar mecanismos em processos de automatização.»

(FIALHO 2006: p. 10)

As unidades de potência hidráulica revolucionaram os sistemas de

automatização hidráulica, pois ultrapassaram a natureza incompressível dos líquidos

que representava um problema para os sistemas hidráulicos, e que exigia elevado

esforço dos geradores de energia hidráulica, e diminuía a velocidade de resposta das

mesmas.

A combinação de eletrobombas, acumuladores de alta e de média pressão,

discos de rotura, válvulas de alívio, filtros altamente fiáveis, PLCs, medidores de

fluxo, sensores de pressão, sensores de nível, reservatórios de alta capacidade, etc…,

18

resultaram neste projeto ao nível 5 que representa uma mais-valia para os sistemas de

automatização hidráulica.

Mas é de tudo verdade que apesar da grande evolução que estes equipamentos

tenham apresentado ao longo dos anos, ainda haja uma série de imperfeições que

precisam ser corrigidas e uma série de aprimoramentos que precisam ser feitos de

modos a adequá-los aos desafios e exigências da indústria moderna.

É nesta linha de raciocínio que surgiu a ideia de projetar uma Unidade de

Potência Hidráulica Inteligente a UPHI-2015, livre de uma série de inconvenientes

vivamente reclamados pelos engenheiros de campo que trabalham diariamente em

operação e manutenção destas unidades nos mais variados segmentos da indústria.

1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo Geral

Dimensionar uma Unidade de Potência Hidráulica inteligente para sistemas de

controlo de águas profundas, capaz de fornecer a pressão necessária para operar

válvulas submarinas que se encontrem à uma profundidade de até 4000 metros, criar

ciclos de limpeza do fluido e dispersar o nitrogénio em caso de fuga nos

acumuladores.

1.2 Objetivos Específicos

(1) Realizar um estudo teórico dos componentes hidráulicos de uma

Unidade de Potência Hidráulica;

(2) Realizar um estudo do funcionamento de uma Unidade de

Potência Hidráulica;

(3) Dimensionar uma Unidade de Potência Hidráulica com um nível

de autonomia superior ao estudado;

(4) Aumentar os meus conhecimentos referentes aos sistemas

hidráulicos, pneumáticos, electro-hidráulicos e

electropneumáticos;

19

(5) Contribuir para o aumento da literatura em língua portuguesa

sobre as unidades de potência hidráulica que se apresenta bastante

limitada até hoje.

2. IMPORTÂNCIA DO ESTUDO

Este tema e a sua materialização representa uma solução exequível para os

anseios da indústria de automatização, pois apresenta um sistema inteligente, livre

dos erros devido ao parâmetro emotivo presente na equação de vida dos seres

humanos, o que aumentaria o tempo entre anomalias, e sem nos esquecer que pela

sua anatomia e fisiologia este sistema representa também uma solução para os

desafios do milénio direcionados à gestão energética.

3. DEFINIÇÃO DE CONCEITOS

«A hidráulica consiste no estudo das características e uso dos fluidos confinados ou

em escoamento como meio de transmitir energia.»

(JOSÉ 2014: p.7)

Com as preocupações ligadas à diminuição do consumo de energia à nível

global, urge novamente a necessidade de se investir em sistemas e subsistemas que

garantam a transmissão de força mas apresentem economia energética. Sistemas de

potência hidráulica bem projectados e bem dimensionados conseguem com muita

facilidade garantir tal proeza.

«Um sistema de potência hidráulica é um conjunto de componentes interligados, cuja

função é transmitir potência de forma controlada através de um líquido confinado

sob pressão, o fluido hidráulico.»

(JOSÉ 2014: p.8)

20

4. ESTRUTURA DO TRABALHO

O trabalho desenvolvido tem a seguinte estrutura:

No capítulo I, Enquadramento Teórico, são descritas de uma forma analítica,

sistematizada e breve, todas as teorias de sustentação do tema, partindo de uma

análise mais profunda dos componentes hidráulico, passando a posterior para um

estudo particular de cada um dos componentes que constituem o esqueleto de um

sistema hidráulico, eletroeletrónico e interfaces de comunicação.

O capítulo II, Enquadramento Prático, começa apresentando todas as técnicas

usadas na aquisição e tratamento de toda a informação associada à este trabalho,

dando uma cobertura resumida dos recursos usados para o desenvolvimento e testes

de todas a arquiteturas associadas à hidráulica, para a posterior, dedicar-se

inteiramente ao dimensionamento, construção e testes, terminando com as conclusões

e recomendações para trabalhos futuros.

21

CAPÍTULO I – REVISÃO DA LITERATURA TÉCNICA /

CIENTIFICA APLICÁVEL AO PROJECTO

1. UNIDADE DE POTÊNCIA HIDRÁULICA

«Uma unidade de potência hidráulica é um projeto de nível 5, resultante de

uma série de multimicrosistemas híbridos, que como um todo têm como função

produzir, armazenar e fornecer energia hidráulica para o acionamento de

mecanismos.»

(LINSINGEN 2001: p. 28)

1.1 Hardware da Unidade de Potência Hidráulica

Os termos hardware e software generalizaram-se universalmente e têm um

significado difícil de traduzir em poucas palavras.

«Por hardware entende-se um conjunto de circuitos integrados, placas de

circuitos impressos, dispositivos mecânicos e eletromecânicos, interfaces de

entrada e saída de informação, enfim, toda a estrutura tecnológica rígida de

um sistema ou microssistema que está associado á uma componente

inteligente.»

(PIRES 2004: p. 360)

«Por software entende-se por programas – códigos de instruções, dados, tabelas,

ficheiros – através dos quais o hardware cumpre os objetivos desejados, pressupondo

que os programas têm suporte material maleável.»

(PIRES 2004: p. 360)

Nesta secção específica, toda a abordagem estará voltada fundamentalmente à

estrutura rígida das unidades de potência hidráulica, deixando a parte lógica para as

secções subsequentes.

1.2 Reservatórios

«Os reservatórios hidráulicos consistem em um recipiente (geralmente de

aço), com uma base abaulada, um topo plano com uma placa de apoio, quatro

pés, linhas de sucção, retorno e drenos, plugue do dreno, indicador de nível

22

de óleo, tampa para respiradouro e enchimento, tampa para limpeza e placa

defletora (Chicana).»

(FIALHO 2006: p, 106)

Figura 1: Esquema e Fotografia de um reservatório.

Fonte: ARAUJO (2006, p. 45)

1.2.1 Funcionamento

Quando o fluido retorna ao reservatório, a placa defletora impede que este vá

diretamente à linha de sucção. Isto cria uma zona de repouso onde as impurezas

maiores sedimentam, o ar sobe à superfície do fluido e dá condições para que o calor,

no fluido, seja dissipado para as paredes do reservatório. Todas as linhas de retorno

devem estar localizadas abaixo do nível do fluido e no lado do defletor oposto à linha

de sucção.

O Reservatório ou tanque é utilizado para o armazenamento do fluido de

trabalho; contribui para a troca de calor e para a decantação das partículas

contaminantes. Devido a essas tarefas o reservatório deverá ter a sua capacidade

determinada conforme a necessidade, um indicativo é que normalmente o

reservatório deve ter capacidade igual ou superior a 3x o volume da vazão da bomba

do sistema.

𝑽𝒐𝒍. 𝑹𝒆𝒔𝒆𝒓. ≥ 𝟑 . 𝑸𝑩

23

1.2.2 Tipos de reservatório

Os reservatórios industriais têm uma variedade de estilos, dentre os quais estão

os reservatórios em forma de L, os reservatórios suspensos e os reservatórios

convencionais. Os reservatórios convencionais são os mais comumente usados dentre

os reservatórios hidráulicos industriais.

1.3 Bombas

«A bomba é sem dúvida o componente mais importante e menos compreendido

no sistema hidráulico. Sua função é converter a energia mecânica em energia

hidráulica, empurrando o fluido no sistema. As bombas são fabricadas em

vários tamanhos e formas, mecânicas e manuais, com diversos e complexos

mecanismos de bombeamento e para várias aplicações. Todas as bombas,

entretanto, são classificadas em categorias básicas: hidrodinâmica e

hidrostática.»

(DE MATTOS 1998: p. 45)

Figura 2: Bombas hidráulicas.

Fonte: DE MATTOS (1998, p. 45)

1.3.1 Bomba hidrodinâmica

Na bomba hidrodinâmica o fluido, absorvido de um depósito em que se achava

em estado de repouso, é posto inicialmente em movimento dentro da bomba, a uma

notável velocidade, e submetido logo a uma diminuição dessa velocidade, o que lhe

permite adquirir pressão e, portanto, vencer as resistências. É característica da bomba

hidrodinâmica a dependência funcional entre o volume do fluido administrado e a

24

pressão. Exemplos típicos e conhecidos de bomba hidrodinâmica são as centrífugas

e as axiais (denominadas de bombas de hélice).

1.3.2 Bomba hidrostática

Na bomba hidrostática ou “bomba volumétrica” o fluido adquire o movimento,

bem como a pressão, sem experimentar dentro da bomba nenhum aumento

substancial de velocidade, visto que é simplesmente aspirado e transportado; além de

que, o fluido administrado não depende da pressão. Facto esse que as torna adequadas

para a transmissão de força.

Neste projeto serão usadas bombas hidrostática, também chamadas de “bombas

de deslocamento positivo”. As bombas de deslocamento positivo subdividem-se

basicamente em três tipos:

Bombas de Engrenagens:

Engrenagens externas;

Engrenagens internas;

De lóbulos

Do tipo gerotor.

Bombas de Palhetas:

Balanceadas;

Deslocamento variável.

Bombas de Pistões:

Radiais;

Axiais.

25

1.3.3 Cuidados na Instalação das Bombas

«Qualquer equipamento eléctrico ou mecânico requer uma série de cuidados para

ser instalado ou mantido, a fim de preservar sua vida útil, os equipamentos

hidráulicos não estão de parte.»

(FIALHO 2006, p.67)

1.3.3.1 Alinhamento Entre os Eixos da Bomba e do Motor

Duas são as possibilidades de desalinhamento entre os eixos da bomba

hidráulica e o motor elétrico: desalinhamento axial e desalinhamento angular.

Figura 3: Desalinhamento de bomba e motor.

Fonte: FIALHO (2006, p. 67)

Quando a bomba está inclinada ou em desnível com o motor, haverá um esforço

sobre o eixo, que será transmitido às partes girantes internas da bomba, ocasionando

o desgaste prematuro e quando não, a quebra instantânea da bomba logo no princípio

do funcionamento.

Figura 4: Desalinhamento de bomba e motor.

Fonte: Fialho (2006, p. 68)

Admitimos, porém, que por mais perfeitos que sejam os processos de medição,

sempre podemos incorrer em um dos dois tipos de erros expostos anteriormente.

Assim, a fim de evitar essa possibilidade, devemos utilizar acoplamentos flexíveis

(acoplamentos elásticos), pois em caso de ter ocorrido algum pequeno

26

desalinhamento entre os eixos, ao entrar em funcionamento, eles se rompem, evitando

com isso dano permanente.

Figura 5: Alinhamento de bomba e motor.

Fonte: FIALHO (2006, p. 68)

Figura 6: Alinhamento de bomba e motor.

Fonte: CHRISPIN (2002, p. 55)

1.3.3.2 Sentido de Rotação

Eventualmente ocorre, por um descuido de não-observância do sentido de

rotação, que uma bomba de rotação à direita seja instalada para girar no outro sentido

(rotação à esquerda). Como resultado, a bomba não irá sugar o fluido, girando então

a seco. Isso fará com que o atrito entre as partes móveis e as fixas da bomba, que

iriam sofrer lubrificação automática pelo fluido sugado, origine geração de calor

excessiva que pode ocasionar, inclusive, soldagem entre as partes, rompendo o eixo

da bomba.

1.3.4 Eletrobombas

«São bombas caraterizadas pelo fato de serem acionadas eletricamente.»

(GEORGINI 2003: p, 28)

27

Podem ser trifásicas ou monofásicas, e a potência vária fundamentalmente em

função da aplicação. Para este projeto estas serão as bombas de eleição.

Figura 7: Eletrobombas.

Fonte: GEORGINI (2003, p.28)

1.3.5 Bombas Pneumáticas

«As bombas pneumáticas utilizam o ar comprimido como fonte de energia. No

entanto, estes equipamentos agregam em um único produto diversas vantagens

técnicas e operacionais, dificilmente atingidas por outros tipos de bombas.

Estas características tornam as bombas pneumáticas tão versáteis que sua

gama de aplicações é praticamente ilimitada.»

(GEORGINI 2003, p. 29)

Figura 8: Bomba Pneumática.

Fonte: RASIA (2002, p. 29)

As bombas pneumáticas são divididas em dois módulos, sendo um deles a parte

molhada (manifoalds e câmara de bombeamento) e o outro parte seca ou bloco

central (área de atuação do ar comprimido). Estes conjuntos são separados por dois

diafragmas, que isolam o líquido bombeado do ar comprimido.

28

1.3.5.1 Funcionamento

O bloco central possui uma válvula de ar que direciona o ar comprimido,

pressurizando inicialmente num dos diafragmas (câmara B), que por sua vez

impulsiona o fluido que está na câmara à sua frente (câmara de líquido). O fluido é

impulsionado para cima, devido à ação dos conjuntos esfera/assento, sendo

direcionado para a saída através dos coletores (manifoalds), enquanto isso o outro

diafragma é puxado para trás pelo eixo que interliga os diafragmas, succionando o

fluido para dentro da outra câmara de bombeamento (câmara A).

«Quando os diafragmas completam seu curso, a válvula pressuriza a câmara do

diafragma oposto, gerando o mesmo processo já descrito acima. O movimento

alternado dos diafragmas executa o bombeamento, com um fluxo pulsante.»

(MUNIZ 2014, p. 29)

Figura 9: Bomba Pneumática.

Fonte: MUNIZ (2014, p. 29)

1.4 Acumuladores de Pressão

«Diferente dos fluidos em estado gasoso, os fluidos usados nos sistemas

hidráulicos não podem ser comprimidos e armazenados para posterior

utilização numa hora ou local distinto. Entretanto, na busca de uma solução

pelo menos aproximada, foram desenvolvidos os acumuladores, que são

elementos capazes de armazenar fluidos incompressíveis sob pressão, para

então serem utilizados durante o ciclo de operação do sistema.»

(FIALHO 2006, p.135)

29

Figura 10: Acumuladores hidráulicos.

Fonte: LORENTZ (2013, p. 29)

1.4.1 Princípio de funcionamento

É conseguido quando o fluido hidráulico, sob pressão entra numa câmara do

acumulador de três modos distintos: comprimindo uma mola, um gás ou então

levantando peso. Qualquer queda de pressão na abertura de entrada criará uma reação

no elemento, a qual forçará o fluido a sair.

Figura 11: Funcionamento dos acumuladores.

Fonte: JOSÉ (2014, p. 37)

1.4.2 Tipos de acumulador

Existem três tipos básicos de acumulador normalmente utilizados em sistemas

hidráulicos. São eles:

Acumuladores com peso (age pela força de gravidade);

Acumuladores de mola;

Acumuladores com gás.

30

Os acumuladores que utilizam gás podem ainda ser divididos em dois

tipos:

Acumuladores com separação;

Acumuladores sem separação.

Os acumuladores que utilizam gás e com separação podem ser dos

seguintes tipos:

Pistão;

Diafragma;

Bexiga.

1.4.2.1 Acumulador do tipo bexiga

Um acumulador de bexiga é composto por uma parte de líquido e uma parte de

gás com uma bexiga como elemento de separação estanque ao gás. A parte do líquido

existente ao redor da bexiga tem comunicação com o circuito hidráulico, de modos

que, com um aumento da pressão o acumulador é preenchido e com isso o volume de

gás é comprimido. Com a diminuição da pressão o volume do gás comprimido se

expande e expulsa assim o fluido hidráulico armazenado para dentro do circuito

hidráulico.

Figura 12: Acumulador de bexiga.

Fonte: José (2014, p. 38)

31

Ele oferece ao projetista de sistemas hidráulicos uma extensa gama de

vantagens, que em certas condições é de fundamental importância. São algumas

delas:

Garantia de uma perfeita separação entre a câmara correspondente

ao gás e a destinada ao líquido;

O elemento separador (bexiga de borracha) não apresenta

praticamente inércia nenhuma;

Por não existir nenhum deslizamento recíproco entre elementos

metálicos, como nos tipos de mola, de peso e de pistão, não é

necessário cuidado particular quanto ao mecanismo interno;

Alta eficiência volumétrica, chegando a 75% do volume e da

garrafa.

1.4.2.2 Acumulador de Pistão

Um acumulador de pistão é composto por um lado de líquido e um lado de

gás com o pistão como elemento separador estanque ao gás. O lado de gás é

preenchido com nitrogênio. O lado de líquido tem comunicação com o circuito

hidráulico, de modos que, com um aumento da pressão, o acumulador de pistão

absorve fluido e o gás é comprimido. Com a diminuição da pressão o gás

comprimido se expande e com isto desloca o fluido hidráulico armazenado para o

circuito hidráulico.

Figura 13: Acumulador de Pistão.

Fonte: JOSÉ (2014: p. 39)

32

1.4.3 Aplicação dos acumuladores

Os acumuladores têm uma variedade de aplicações em sistemas hidráulicos.

Eles são principalmente:

Compensador de vazamentos;

Fonte de potência auxiliar;

Compensador de expansão térmica;

Fonte de potência para emergência;

Compensador de volume;

Eliminador de pulsações e absorvedor de choque;

Fonte de potência em circuito de duas pressões;

Dispositivo de sustentação;

Dispositivo de transferência;

Fornecedor de fluido.

Nota: Os acumuladores de pistão são comummente usados para alta pressão ao

passo que os de membrana ou bexiga são usados para média pressão.

1.5 Filtros

1.5.1 Contaminação

Por representar cerca de 80% das causas de falha em componentes hidráulicos,

a contaminação do fluido deve ser considerada como item crítico, à partir do

momento do projecto até a manutenção. O fato do fluido estar novo não significa

necessariamente que esteja limpo, muitas vezes ao ser retirado de um tambor ele ainda

não é apropriado para uso imediato nos sistemas.

«A contaminação por partículas geralmente é classificada como pequenas partículas

ou sedimento.»

(GEORGINI 2003: p, 39)

33

«Sedimento pode ser definido como o acúmulo de partículas menores que 5 µ,

contaminação que também causa falha no sistema/componente no decorrer do

tempo. Por outro lado, as pequenas partículas são contaminantes maiores que

5 µ e podem causar falhas catastróficas imediatas.»

(GEORGINI 2003: p, 40)

«Sedimento e pequenas partículas podem ser classificadas como partículas

duras (sílica, carbono e metal) e partículas maleáveis (borracha, fibras e

microrganismos). Normalmente, os contaminantes podem ingressar no sistema

através de reservatórios mal vedados, vedações da haste do cilindro,

abastecimento de óleo novo, vazamentos, durante a montagem, consertos ou

reparos.»

(GEORGINI 2003: p, 41)

1.5.2 Elementos Filtrantes

«A fim de detetar ou corrigir problemas, deve ser verificada a classe de

contaminação recomendada pelo fabricante para cada tipo de sistema, baseada

nas folgas dos componentes mais sensíveis do mesmo. “A contagem de

partículas é o método mais comum para obter os níveis de contaminação do

sistema. A ISO 4406 (International Standards Organization) é a norma que

mede o número de partículas/ml e os divide em classes de 6 a 24.»

(THURLER 2013: p, 35)

1.5.3 Escolha do Filtro

Um sistema hidráulico precisa de um sistema de filtragem bom o suficiente para

retirar de circulação a contaminação perigosa para os componentes hidráulicos

(bombas, válvulas e atuadores).

«Do ponto de vista das funções os filtros hidráulicos podem ser de sucção,

pressão, retorno ou off-line. O filtro é dimensionado através da vazão, pressão,

tipo de fluido, temperatura de trabalho e o grau de contaminação, comenta

Augusto, da HYDAC.»

(THURLER 2013: p, 36)

“A forma construtiva poderá também ditar diferenças significativas podendo ser

do tipo Cartucho substituível e os Spin On (como os de motores de automóveis) ”,

34

diz Appolinário da EATON|Vickers. “Outro determinante é o material do filtro

propriamente dito, que pode ser de tela metálica, fibra celulósica ou material sintético

(variando de acordo com cada fabricante) ”.

Devido à evolução da tecnologia que fábrica componentes com folgas cada vez

mais apertadas e para trabalhar com pressões cada vez mais elevadas, se faz

necessária a aplicação de elementos absolutos de alta qualidade, construídos em

camadas múltiplas com alta eficiência de retenção e especificações controladas em

laboratório. “Esses elementos podem ser posicionados na linha de pressão (após a

bomba), na linha de retorno (após o óleo passar pelos consumidores) ou fora do

circuito (off-line) filtrando o óleo do tanque com um conjunto motobomba

independente”, diz Thomsem da POLYTEC. “Outro tipo de filtro são os respiros, que

são colocados no tanque para que sejam removidos os contaminantes sólidos do ar e

também umidade, no caso de respiros com sílica gel ou dessecantes”, comenta.

Pode-se ainda mencionar o filtro de sucção (montado na sucção da bomba).

Entretanto, pela característica de ser bem aberto, geralmente não causa impacto na

classe de limpeza do sistema e serve simplesmente para proteger a bomba contra

contaminantes de grandes dimensões.

1.5.4 Carcaças e a pressão de trabalho

A carcaça é um vaso de pressão que abriga o elemento de filtro. “Normalmente

consiste de duas ou mais submontagens: uma cabeça (ou tampa), com um copo para

permitir o acesso ao elemento e canais de entrada e saída”, diz Sanches.

Características adicionais da carcaça podem incluir furos de montagem, válvulas

bypass e indicadores da condição do elemento. A pressão de trabalho da carcaça pode

ser determinada antes do modelo ser escolhido.

No caso, o indicador da condição indica quando o elemento deve ser limpo ou

substituído. Geralmente, o indicador tem marcas de calibração que também indicam

se a válvula bypass foi aberta. A localização do filtro no circuito é o determinante

principal da pressão de trabalho. As carcaças são projetadas genericamente para três

35

localizações: sucção, pressão ou linhas de retorno. “Uma característica das

localizações é a pressão máxima de operação. Filtros para sucção e linha de retorno

são projetados para pressões mais baixas, até 500 psi (34 bar). Já as localizações dos

filtros de pressão podem requerer taxas de 1500 psi a 10.000 psi (103 a 700 bar) ”.

Figura 14: Carcaças de Filtros.

Fonte: LORENTZ (2013, p. 31)

1.5.5 Filtros de Sucção

«Os filtros de sucção servem para proteger a bomba da contaminação do fluido.

São localizados antes da conexão de entrada da bomba, alguns podem ser de

tela/celulose submersos no fluido, outros podem ser montados externamente.»

(FIALHO 2006: p. 113)

Ambos os elementos são de micragem alta para não provocar perda de carga na

sucção da bomba e a consequente cavitação da mesma. Por esse motivo, são usados

como proteção primária contra a contaminação”.

36

Figura 15: Filtro de sucção.

Fonte: Programa FluidSim H.

1.5.6 Filtros de Pressão

«Servem para filtrar o óleo sob pressão antes que o mesmo seja utilizado pelo

sistema. Os filtros de pressão são adequados especialmente para proteger os

componentes sensíveis do lado filtrado do filtro, tais como servo-válvulas.»

(FIALHO 2006: p. 113)

Figura 16: Filtro de sucção.

Fonte: Programa FluidSim H.

37

1.5.7 Filtros de Retorno

«Permitem a retirada da contaminação gerada pelos componentes do sistema,

juntamente com possíveis contaminantes externos.»

(FIALHO 2006: p. 113)

Na maioria dos sistemas, o filtro de retorno é o último componente pelo qual

passa o fluido antes de entrar no reservatório.

Tanto os filtros de pressão e retorno podem ser encontrados em versão duplex.

Nesse caso a filtragem é contínua e a válvula duplex é acionada quando um elemento

precisa de manutenção, desviando o fluxo para a câmara do filtro oposta.

Figura 17: Filtro de retorno.

Fonte: ARAUJO (2006. p, 45)

1.5.8 Filtragem Off-Line

«Sistema independente de um sistema hidráulico principal de uma máquina.

Fazem parte da filtragem off-line componentes como bomba, filtro, motor

elétrico e os sistemas de conexões. O fluido é bombeado fora do reservatório

através do filtro e retorna para o reservatório em um ciclo contínuo.»

(THURLER 2013: p, 29)

A indústria de filtragem usa os procedimentos da ISO 16889 - Procedimento

para Teste de Múltipla Passagem - para avaliar o desempenho do elemento de filtro.

Além disso, a análise do fluido assegura a conformidade com as especificações do

fabricante, verificado a composição e o nível de contaminação.

38

Figura 18: Filtro off-line.

Fonte: THURLER (2013. p, 29)

Entre os métodos aplicados estão os Contadores de Partículas portátil ou

estacionário, e a Análise Laboratorial. Um dos mais conhecidos também é o Teste de

Membrana, análise feita a partir de uma amostra do fluido que é passada por um meio

filtrante de membrana.

1.6 Válvulas

1.6.1 Válvulas de Alívio

«Tem por função influir sobre a pressão num determinado componente ou

ramo de um circuito. Em todo o sistema hidráulico, é necessário a presença

de elementos reguladores que limitem, regulem, reduzam ou interrompam a

elevação de pressão (como sabemos, ela aumenta com a resistência que se

opõe ao movimento dos atuadores) e permitam também um controle

sequencial de determinadas operações preestabelecidas ou instantâneas.»

(FIALHO 2006, p. 116)

1.6.2 Características

Trabalha normalmente fechada;

Conhecida como válvula de segurança ou de alívio, que

permite que o fluido seja desviado em sua totalidade para

o tanque, sempre que a pressão exceder o valor necessário

à execução do trabalho.

39

Figura 19: Válvula de alívio.

Fonte: BELISQUI (2010, p. 10)

1.6.2 Válvulas de Agulha

«Válvulas montadas em linha, estas válvulas permitem excelente controlo de

velocidade e vedação total para aplicações hidráulicas e pneumáticas.

Controlam o fluxo em ambos os sentidos e são usadas quando não se necessita

bloqueio no retorno.»

(BELISQUI 2010: p. 12)

Figura 20: Válvula de agulha.

Fonte: BELISQUI (2010. p, 12)

1.7 Discos de Rotura

«Um disco de ruptura, também conhecido como um diafragma de ruptura, é um

dispositivo de alívio de pressão de não-selagem, sacrificial, utilizado para a

proteção de um vaso de pressão, de possíveis danos de condições de

sobrepressão ou vácuo.»

(BELISQUI 2010: p. 54)

40

Um disco de ruptura é um dispositivo de segurança sacrificial porque tem uma

membrana de um tempo de uso, que falha ou se rompe a uma pressão diferencial pré-

determinada, positiva ou no vácuo. A membrana é geralmente feita de metal, mas

praticamente qualquer material (ou diferentes materiais em camadas) podem ser

usados para se adequar a uma aplicação em particular.

Figura 21: Disco de Rotura.

Fonte: BELISQUI (2010, p. 54)

Os discos de ruptura fornecem uma resposta imediata (dentro de milissegundos)

a um aumento ou diminuição na pressão do sistema. Mas, uma vez rompido, o disco

de ruptura se não irá selar novamente.

Os discos de ruptura e os painéis de ventilação são construídos a partir de aço

carbono, aço inoxidável, grafite e outros materiais, conforme exigido pelo uso

específico de cada ambiente.

Discos de ruptura são amplamente aceitos em toda a indústria e especificados

na maioria dos equipamentos sob pressão globais em códigos de projeto (ASME,

PED, etc.).

41

1.8 Tubagens e Conexões

Material, tipo, diâmetro externo e espessura do tubo para uma determinada

aplicação, bem como, o tipo da conexão utilizada são críticos para o funcionamento

eficiente e livre de problemas em um sistema hidráulico. A seleção apropriada de

tubos envolve a escolha correta do material e a determinação adequada do seu

diâmetro externo e espessura da parede.

O tamanho correto do tubo para as várias aplicações de montagem em um

sistema hidráulico resulta na combinação otimizada de eficiência e baixo custo. Um

tubo de diâmetro muito pequeno causa alta velocidade do fluido, gerando diversos

efeitos prejudiciais ao sistema.

Em linhas de pressão, isso resulta no aumento de turbulência e atrito, gerando

queda de pressão e calor. Altas temperaturas aceleram o desgaste no movimento das

peças e rápido envelhecimento das vedações e mangueiras, o que resulta na redução

da vida útil dos componentes, bem como, no desperdício de energia e

consequentemente queda na eficiência. Em linhas de sução, isso causa cavitação que

enfraquece e danifica a bomba hidráulica. Um tubo de diâmetro muito grande

aumenta o custo do sistema. Deste modo, a escolha do diâmetro ideal do tubo é muito

crítica.

Figura 22: Tubos e Conexões.

Fonte: BELISQUI (2010, p. 24)

42

Cálculo do Diâmetro do Tubo

Utilize a tabela do Anexo III, para determinar o diâmetro interno do tubo em

função da vazão requerida para cada tipo de aplicação. A tabela é baseada nas

recomendações de velocidade máxima do fluido, abaixo indicadas:

𝐿𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 = 7.6 𝑚 𝑠⁄

𝐿𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 = 3 𝑚 𝑠⁄

𝐿𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑𝑒 𝑆𝑢çã𝑜 = 1.2 𝑚 𝑠⁄

Nota: Velocidades acima de 8 𝑚 𝑠⁄ devem ser evitadas, pois as altas forças

resultantes podem destruir a tubulação.

Se o projetista desejar velocidades diferentes das indicadas nas tabelas do

apêndice, deverá utilizar a fórmula abaixo para determinar o diâmetro interno do tubo.

𝑑𝑖 = 4.61 × √𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (𝑙 min )⁄

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (𝑚 𝑠⁄ )

𝑑𝑖 = 0.64 × √𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (𝑔𝑝𝑚)

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (𝑝ê𝑠 𝑠⁄ )

Um parâmetro muito importante a ter em conta na escolha de tubos e conexões

para um dado sistema hidráulico, são as pressões previstas para o sistema em si. O

mais correto é escolher tubos e conexões com uma tolerância de no mínimo 50% da

pressão prevista para o sistema em desenvolvimento.

É de extrema importância que os tubos e conexões tenham as suas

especificações visivelmente estampadas no corpo, de modos a evitar situações que

venham a resultar em fatalidade em função das altas pressões previstas para estes

sistemas.

Figura 23: Válvulas e Conexões.

43

Fonte: www.parker.com

1.9 Controlador Lógico Programável (CLP)

«Controlador lógico programável (C.L.P), é um dispositivo electrónico que tem

vindo a ganhar cada vez mais espaço no campo industrial e não só, por causa

das vantagens que possui quando comparado com outros dispositivos como por

exemplo os contactores, relés temporizadores e outros.»

(ANTUANE 2008: p. 29)

“Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o

armazenamento interno de instruções para implementação de funções específicas, tais

como lógica, seqilenciamento”. A norma Nema (National Electrical

Manufacturers Association), ICS3-1978, parte ICS3-304.

«O C.L.P. é um sistema microprocessado, ou seja, constitui-se de um

microprocessador (ou micro controlador), um Programa Monitor, uma

Memória de Programa, uma Memória de Dados, uma ou mais Interfaces de

Entrada, uma ou mais Interfaces de Saída e Circuitos Auxiliares.»

(ANTUANE 2008: p. 29)

Figura 24: Diagrama de bloco da construção interna de um P.L.C.

44

Fonte: ANTONELLI (1998, p. 29)

1.9.1 Princípio de Funcionamento

O C.L.P possui o seguinte princípio de funcionamento: No momento em que é

ligado, executa uma série de operações pré-programadas, gravadas em seu Programa

Monitor:

1. Verifica o funcionamento electrónico da C.P.U, memórias e

circuitos auxiliares;

2. Verifica a configuração interna e compara com os circuitos

instalados;

3. Verifica o estado das chaves principais (RUN / , etc.);

4. Desactiva todas as saídas;

5. Verifica a existência de um programa de usuário;

6. Emite um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.

Após este processo, o C.L.P procede da seguinte forma:

Verificar estado das entradas – O CLP lê os estados de cada uma

das entradas, verificando se alguma foi accionada. O processo de

leitura recebe o nome de Ciclo de Varredura (Scan) e

normalmente é de alguns microssegundos (scan time);

45

Transferir para a memória – Após o Ciclo de Varredura, o CLP

armazena os resultados obtidos em uma região de memória

chamada de Memória Imagem das Entradas e Saídas. Ela recebe

este nome por ser um espelho do estado das entradas e saídas. Esta

memória será consultada pelo CLP no decorrer do processamento

do programa do usuário;

Comparar com o programa do usuário – O CLP, ao executar o

programa do usuário, após consultar a Memória Imagem das

Entradas, actualiza o estado da Memória Imagem das Saídas, de

acordo com as instruções definidas pelo usuário em seu programa;

Actualizar o estado das saídas – O CLP escreve o valor contido

na Memória das Saídas, actualizando as interfaces ou módulos de

saída. Inicia-se então, um novo ciclo de varredura.

Figura 25: Ciclo de varredura de um P.L.C.

Fonte: ANTONELLI (1998, p. 30)

1.10 Transdutor de Pressão

«Transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia em outra. Na

maioria dos casos, consiste em converter energia eléctrica num deslocamento

mecânico ou converter alguma grandeza física não eléctrica tal como som,

temperatura, pressão, velocidade ou luz, numa grandeza eléctrica.»

(VASSALO 1999: p. 160)

46

Os transdutores à base de pressão diferencial medem a diferença de pressão em

dois pontos de uma tubulação, onde entre os quais se encontra uma restrição. Esta

restrição pode ser produzida por placas de orifício, bocais ou tubos de Venturi.

Figura 26: Transdutor de Pressão.

Fonte: VASSALO (1999: p. 160)

1.10.1 Transdutor de Nível

«Um transdutor de nível, como o sensor do tipo boia, é muito utilizado para

indicar nível baixo/alto de reservatórios e assim comandar uma bomba.

Quando o nível está baixo, não existe condução elétrica entre os dois eletródos

e esta informação pode ser utilizada para acionar uma bomba. Por outro lado,

quando o nível atinge um valor desejado a bóia flutua permitindo o fechamento

do contato entre os eletrodos através do mercúrio. Este tipo de transdutor envia

a informação na forma digital (discreta) ao controlador.»

(VASSALO 1999, p. 43)

Figura 27: Transdutor de Nível.

Fonte: VASSALO (1999, p. 44)

1.10.2 Transdutor de Fluxo

«Transdutor de Fluxo detecta fluxo de líquidos em tubulações, com contato

ON/OFF como saída, indicando aumento/diminuição de fluxo na tubulação.

Aplicados em água, óleo e líquidos aquosos, com ajuste de sensibilidade para

o fluxo a ser detectado. Também conhecidos como chave de fluxo ou fluxostato,

funcionam com contato Reed Switch e pistão magnético.»

47

(VASSALO 1999: p. 161)

Figura 28: Transdutor de Fluxo.

Fonte: VASSALO (1999, p.45)

1.11 LCD

«Um display de cristal líquido, acrônimo de LCD (em inglês liquid crystal display),

é um painel fino usado para exibir informações por via eletrônica, como texto,

imagens e vídeos. Seu uso inclui monitores para computadores, televisores, painéis de

instrumentos e outros dispositivos, que vão desde cockpit de aeronaves, displays em

computadores de bordo de automóveis, a dispositivos de utilização diárias, tais como

leitores de vídeo, dispositivos de jogos, relógios, calculadoras e telefones.»

(FLOYD 2008: p. 629)

Figura 29: LCD.

Fonte: FLOYD (2008, p. 629)

1.11.1 Características

«Um LCD consiste de um líquido polarizador da luz, eletricamente controlado,

que se encontra comprimido dentro de celas entre duas lâminas transparentes

polarizadoras. Os eixos polarizadores das duas lâminas estão alinhados

perpendicularmente entre si. Cada cela é provida de contatos eléctricos que

permitem que um campo eléctrico possa ser aplicado ao líquido no interior.»

(FLOYD 2008: p. 630)

48

Entre as suas principais características está a sua leveza, sua portabilidade, e sua

capacidade de ser produzido em quantidades muito maiores do que os tubos de raios

catódicos (CRT). Seu baixo consumo de energia elétrica lhe permite ser utilizado em

equipamentos portáteis, alimentados por bateria eletrônica. É um dispositivo

eletrônico-óptico modulado, composto por um determinado número de pixels,

preenchidos com cristais líquidos e dispostos em frente a uma fonte de luz para

produzir imagens em cores ou preto e branco.

1.12 Eletroválvulas

«Electroválvulas, são válvulas que ao receberem um estímulo elétrico ou

eletrónico de certa intensidade, alteram o estado dos seus contactos, permitindo

assim o fluxo do fluido. São comummente chamadas SOVs (do inglês, solenoid

operated valves).»

(PIRES 2004: p. 202)

Figura 30: Electroválvula.

Fonte: CHRISPIN (2002, p.45)

1. Esfera da válvula;

2. Assentamento da válvula;

3. Pino;

4. Solenóide;

5. Âncora;

6. Mola.

1.12.1 Princípio de Funcionamento da válvula solenóide

A bobina que é formada por um fio enrolado através de um cilindro, quando é

atravessada por uma corrente eléctrica, gera uma força no seu centro, fazendo com

49

que o êmbolo da válvula seja accionado, criando assim o sistema de abertura ou

fechamento (dependentemente do estado inicial, se NO ou NF). Por sua vez, o corpo

possui um dispositivo que permite a passagem de um fluido ou não quando a sua

haste é accionada pela força da bobina. Esta força é que faz o pino ser puxado para o

centro da bobina, permitindo a passagem do fluido. A válvula volta ao seu estado

normal quando a bobina perde energia, pois o pino exerce uma força através de seu

peso e da mola que tem.

CAPÍTULO II – PRODUÇÃO TÉCNICA

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Foi realizada uma Pesquisa Bibliográfica e Documental onde foram utilizadas

como fonte de estudo e pesquisa livros, artigos, teses de outros autores que

dissertaram sobre vários subsistemas da arquitetura em questão, Internet e testes em

ambiente virtual.

50

Para os testes em ambientes virtuais foram usados uma série de softwares de

design e simulação de arquitecturas de sistemas digitais, como: FluidSim Hydraulic

4.2.16.0, Automation Studio 6.0, Multisim, e o Proteus.

O FluidSim Hydraulic é uma aplicação para criação, simulação e estudo de

sistemas hidráulicos. Pode ser útil para quem deseja gerar experimentos em tempo

real. Esse aplicativo une um diagrama de editor e descrições dos componentes que

decidir utilizar em seu trabalho, disponibilizando até mesmo fotos deles. Aliás, uma

das melhorias dessa versão de FluidSIM Hydraulics 4.2.16.0 em relação às anteriores

é que ela traz mais detalhes em diagramas e melhoria na simulação.

O Automation Studio é o ambiente integrado de desenvolvimento de software

que contém ferramentas para todas as fases de um projecto. O controlador, o drive, a

comunicação, e a visualização podem todos ser configurados em um único ambiente.

Isso reduz o tempo de integração e custos de manutenção.

É importante lembrar que todo o material utilizado neste projecto provém de

fontes confiáveis e de credibilidade, o que garante a veracidade e qualidade das

informações apresentadas neste. Os resultados obtidos no trabalho, sugerem que esta

aplicação propõe um horizonte de soluções para o controlo e monitoramento de

sistemas hidráulicos.

Proteus e Multisim: Os softwares de desenho e simulação PROTEUS e

MultiSim, são ferramentas úteis para estudantes e profissionais que desenvolvem

aplicações analógicas e digitais. Eles permitem o desenho de circuitos empregando

um entorno gráfico no qual é possível colocar os símbolos representativos dos

componentes e realizar a simulação de seu funcionamento sem o risco de ocasionar

danos físicos aos circuitos. A simulação pode incluir instrumentos de medição e a

inclusão de gráficos que representam os sinais obtidos na simulação. O Proteus

simula circuitos digitais e analógicos simultaneamente. Tanto o Multisim como o

PROTEUS fornecem ainda equipamentos, de forma virtual, comuns de bancadas de

desenvolvimento de circuitos electrónicos, como osciloscópios, multímetros,

geradores de sinais, entre outros.

51

Os softwares são credenciados e mundialmente usados, apresentando níveis de

erros e imprecisões aceitáveis.

Conforme já avançado nos objectivos, o âmago do projecto é a concepção de

uma Unidade de Potência Hidráulica Inteligente para águas profundas que seja capaz

de produzir, armazenar e prover potência hidráulica para válvulas dimensionadas para

uma pressão de trabalho que vai até aos 10000PSI.

Em função da complexidade deste projecto, enquadra-se nos projectos à nível 5

– Projecto de Multimicrossistemas, envolvendo múltiplos processos em tempo real.

A este nível e no domínio do hardware, tomam-se como módulos constituintes

microssistemas referentes à nível 4 (microprocessadores, controladores de discos ou

fitas magnéticas, controladores de comunicação inteligentes), e massa de memória

RAM.

2.1 Projecto de Hardware

Na imagem a seguir apresenta-se o Diagrama de bloco que é a representação

gráfica deste sistema complexo através de figuras geométricas e ligações,

descrevendo-se as relações entre cada subsistema e o fluxo de informação e controle.

Este diagrama é a representação gráfica da solução do problema proposto. Os

símbolos estão dispostos em ordem lógica e com sintaxe correta para atingir o

objetivo de resolver o problema.

Figura 31: Esquema em bloco da UPHI.

52

2.1.1 Unidade de Potência Hidráulica Convencional

Figura 322: Unidade de Potência Analisada

O desenho em tamanho maior consta no Anexo II.

BA

BA

A B

A B

P

T

P

T

A B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

P T P T P T P T

P T

A B A B A B A B

A

B

A B

A

B

0%

A

B

0%

A

B

0%

A

B

A

B

0%

A

B

A

B

0%

A

B

A

B

A B

A B

A

B

Supply Tank Return Tank

BA

BA

A

B

A B

A B

P T

P T

A B

A B

P T

P T

A

B

A

B

A

B

AB

A

B

A B

A B

A B

A B

A B

A B

A

B

BA B A

VAMP 1/1568 BAR

VA 1/2

568 BAR

VA 1/3

568 BAR

VA 1/4

568 BAR

VA 1/5

568 BAR

VAAP 2/1948 BAR

VA 2/2

948 BAR

5.7 L/M862 BAR

15 L/M517 BAR

PT

PT PT PT PT

A

B

VF 1/1

VF 2/1VF 2/2

0%

A

B

0%

A

B

A

B

VF 2/3VF 2/4

VF 2/5

VF 2/10

VF 2/11

VF 2/14 VF 2/15

VF 2/16 VF 2/17

VF 2/19

VF 1/2

VF 1/3

VF 1/4

VF 1/5

VF 1/6

VF 1/7

VF 1/8

VF 1/9

VF 1/10

VF 1/11

VF 1/12

VF 1/13

VF 1/14

VF 1/15

VF 1/16

VF 1/17

VF 1/18

VF 1/21 VF 1/22

VF 1/23 VF 1/24

VF 1/26

M1 /1

M2 /1

M2 /3

M2 /4

M1 /3

M1 /4

M2 /6

M1 /6

VR2/1

VR1/1

VA 2/3

VA 2/3

948 BAR

VA 2/3

948 BAR

VA 1/5

568 BAR

VA 1/5

568 BAR

VE

F/D

VE

F/D

VF

0

VF

1

VF

1/0

VF

2/0

B H

B CP25 L/M6.4 BAR

VF 0/4

FTC 0/0

FTC 0/0

VR 0/0 VR 0/0

DR1/1

V B

DR2/2 DR2/3 DR2/4

VFT00

VFT01

VFT03

VFT05

MP 37L MP 37L MP 37L MP 37L AB 1/1 AB 1/2 AB 1/3 AB 1/4

AP 57L AP 1/1

0%A B

0%A B

0%A B

0%A B

0%

A

B

0%

A

B

1500L

1500L RT1 RT2

A P1

B HM P1

F S

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

VFT02

V B

S P2

S P1 S P1

S P2 S P2 S P2 S P2

S P1

S P1

S P2

S P2

S P2

A B

A B

A B

A B

A

B

A B

A B

A

B

P LC

P LC

25 L/M

10 L/M

F 2

F 1

LCD DISPLAY

PLC GABINTE

F P

F P

VF 2/20 VF 2/21

VF 2/22

VF 2/23

VF 1/27 VF 1/28

VF 1/29

VF 1/30

0% AB

0%

A

B

A B

P T

A B

A

B

Ar 120 PSI

0% ABA

B

L T

L T

P LC

P LC

P LC

P LC

P LC

0%

A

B

0%

A

B

0%

A

B

Number Description

3 Fixed displacement pump

6 Check v alv e

69 Shutof f v alv e

16 Pressure relief v alv e

5 Reserv oir

8 Manometer

10 Filter

2 Analog pressure sensor

2 Flow meter

1 4/2-way solenoid v alv e

2 Tank

53

A unidade de potência hidráulica em estudo contém dois reservatórios de fluido

hidráulico com a capacidade de 1500 litros cada. O enchimento e circulação destes

tanques é feito por meio de uma bomba pneumática de circulação e transferência.

Esta unidade tem instalado duas bombas, sendo uma de média pressão

(5000PSI) e a outra de alta pressão (10000PSI). As bombas são elétricas. A mesma

tem um sistema de controlo que recebe do operador valores predefinidos de pressão

de arranque e de paragem para cada circuito, e em função disto controla o

funcionamento das bombas no intuito de nunca se ultrapassar um certo valor máximo

e nunca descer abaixo de um valor mínimo definido. O PLC é o responsável por este

processo todo. O PLC recebe ainda dados de todos os transdutores, isto é, dos

transdutores de alta e média pressão, dos sensores de nível, dos sensores de fluxo, de

oxigênio e de leitura do NAS do fluido, e em função destes dados e de sua

programação flexível, toma decisões.

A unidade possui ainda dois bancos de acumuladores de pressão (alta e média

pressão) que além de aumentarem a velocidade de resposta do sistema, também ajuda

na compensação da expansão térmica e do consumo passivo do sistema a ser

alimentado.

A mesma tem o auxílio das válvulas de alívio, que despressurizam o sistema

enviando o fluido para o tanque de retorno sempre que a pressão em um determinado

trecho do circuito está acima de um nível perigoso e previamente marcado na válvula

e ainda por uma rede de discos de ruptura que quebram-se liberando o nitrogénio dos

acumuladores em caso de sobrepressão.

A energia hidráulica direcionado é controlada por um sistema de válvulas

direcionais, de esfera, de agulha e unidirecionais, de modos a garantir que haja

pressão ou fluxo apenas nos pontos pretendidos.

Esta Unidade tem as mesmas especificações que a Unidade que será

dimensinada.

54

2.1.2 Especificação dos Sistemas de Controlo para Águas

Profundas

Uma vez que a UPHI será desenvolvida para alimentar um sistema de controlo

para águas profundas, há a necessidade de se definir as especificações reais destes

sistemas, de modos a termos os parâmetros necessários para a seleção e

dimensionamento dos elementos da unidade em desenvolvimento.

Alta Pressão: 10.000PSI

Média Pressão: 5000PSI

Profundidade: 4000 metros

Nível de Limpeza do Fluido de controlo: NAS ≤ 6

Velocidade de vazamento passivo: 0.17 l min⁄

2.1.3 Dimensionamento e Seleção de Equipamentos

Toda a estrutura rígida e lógica da UPHI deverá satisfazer as especificações

mínimas apresentadas acima.

Isto implica que o sistema deverá obrigatoriamente ter a capacidade de

providenciar pressões que vão até aos 10.000PSI no mínimo, ter todo um dispositivo

de segurança capaz de proteger a unidade e os operadores, ter sistemas associados

capazes de automaticamente circular o fluido e mantê-lo dentro dos níveis de limpeza

requeridos, ter uma vazão que compense com facilidade o vazamento passivo dos

sistemas, ter interfaces de comunicação com dispositivos externos como HMIs e

MCSs, e ter todo um sistema de segurança ao nível das exigências do mercado.

2.1.4 Dimensionamento dos Acumuladores

O volume de óleo armazenado está relacionado com a diferença de volume de

gás em cada estágio de pressurização do acumulador. O processo de enchimento é

rápido, então, será adoptado o método de análise isotérmico. Para o projecto, a

utilização do acumulador será de fornecimento de fluido hidráulico quando a bomba

55

estiver inoperante. Desta forma, a pressão de pré-carga será de 5000 psi (344.7 bar)

para alta pressão e 2500 psi (172.4 bar) para média pressão.

Figura 333: Acumulador hidráulico.

Fonte: FluidSim H.

No caso em que a pressão é máxima, o 𝑁2 é comprimido (𝑃1). Esta é a pressão

de operação do sistema. No caso de alta pressão, a pressão escolhida é de 12499 psi,

este é o valor crítico, e para o de média pressão a pressão é de 7496.5 psi, mas nestes

sistemas o PLC e as válvulas de alívio, manterão a pressão em 10000 e 5000 psi.

𝑃0𝑉0 = 𝑃1𝑉1 = 𝑃2𝑉2 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡

𝑃0𝑉0 = 𝑃1𝑉1

𝑃0𝑉0 = 𝑃2𝑉2

Onde:

𝑃0- Pressão de enchimento (pré-carga) do acumulador;

𝑃2- Pressão mínima de operação do sistema;

𝑃1- Pressão máxima do sistema;

2.1.4.1 Acumulador de média pressão

1. Determinação do volume de gás necessário:

a) Pressão de enchimento do gás à 𝑡𝑚á𝑥:

56

𝑃0.𝑡𝑚á𝑥= 0.9 × 𝑃1

𝑃0.𝑡𝑚á𝑥= 0.9 × 2500 𝑝𝑠𝑖

𝑃0.𝑡𝑚á𝑥= 2250 𝑝𝑠𝑖

b) Pressão de enchimento do gás à 𝑡𝑚𝑖𝑛:

𝑃𝑡,𝑡0= 𝑃0.𝑡𝑚á𝑥

×𝑡𝑚𝑖𝑛 + 273

𝑡𝑚á𝑥 + 273

𝑃𝑡,𝑡0= 2250 𝑝𝑠𝑖 ×

25 + 273

45 + 273

𝑃𝑡,𝑡0= 2108.5 𝑃𝑆𝐼

c) Volume ideal de gás:

𝑉0 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =∆𝑉

(𝑃0

𝑃1)

0.714

− (𝑃0

𝑃2)

0.714

𝑉0 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =11𝑙

(2108.52500

)0.714

− (2108.55000

)0.714

𝑉0 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 31.82 𝑙

d) Factor de correcção no Anexo V:

𝑃1

𝑃2

= 2 → 𝐶𝑎 = 1.16

e) Volume real do gás:

𝑉0 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝐶𝑎 × 𝑉0 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

𝑉0 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 1.16 × 31.82 𝑙

𝑉0 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 36.91𝑙 ~ 37 𝑙

2. Determinação da pressão de enchimento de gás de 𝑃0 à 20:

𝑃𝑡,𝑡0= 𝑃0.𝑡𝑚á𝑥

×𝑡𝑚𝑖𝑛 + 273

𝑡𝑚á𝑥 + 273

𝑃𝑡,20 = 2250 𝑝𝑠𝑖 ×20 + 273

45 + 273

57

𝑃𝑡,20 = 2073.1 𝑝𝑠𝑖

3. Acumulador escolhido:

Acumulador de Eleição

Acumulador, bexiga, 37 𝑙, designação pressão 750 𝑏𝑎𝑟𝑔, disco de ruptura

incluído, 3/8” MP AE, 1/4" BSP enchimento de gás macho.

Então, como o nº de acumuladores de média pressão é 4, teremos:

4(𝑉0 − 𝑉1) = 𝑋

4(37𝑙 − 11𝑙) = 104𝑙

Este é o volume restante na linha de média pressão depois da descarga.

2.1.4.2 Acumulador de alta pressão

1. Determinação do volume de gás necessário:

a. Pressão de enchimento do gás à 𝑡𝑚á𝑥:

𝑃0.𝑡𝑚á𝑥= 0.9 × 𝑃1

𝑃0.𝑡𝑚á𝑥= 0.9 × 5000 𝑝𝑠𝑖

𝑃0.𝑡𝑚á𝑥= 4500 𝑝𝑠𝑖

b. Pressão de enchimento do gás à 𝑡𝑚𝑖𝑛:

𝑃𝑡,𝑡0= 𝑃0.𝑡𝑚á𝑥

×𝑡𝑚𝑖𝑛 + 273

𝑡𝑚á𝑥 + 273

𝑃𝑡,𝑡0= 4500 𝑝𝑠𝑖 ×

25 + 273

45 + 273

𝑃𝑡,𝑡0= 4216.9 𝑝𝑠𝑖

c. Volume ideal de gás:

𝑉0 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =∆𝑉

(𝑃0

𝑃1)

0.714

− (𝑃0

𝑃2)

0.714

58

𝑉0 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =17𝑙

(4216.95000

)0.714

− (4216.510000

)0.714

𝑉0 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 49.18 𝑙

d. Factor de correcção no Anexo V:

𝑃1

𝑃2

= 2 → 𝐶𝑎 = 1.16

e. Volume real do gás:

𝑉0 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝐶𝑎 × 𝑉0 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

𝑉0 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 1.16 × 49.18 𝑙

𝑉0 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 57.05 ~ 57 𝑙

2. Determinação da pressão de enchimento de gás de 𝑃0 à 20:

𝑃𝑡,𝑡0= 𝑃0.𝑡𝑚á𝑥

×𝑡𝑚𝑖𝑛 + 273

𝑡𝑚á𝑥 + 273

𝑃𝑡,20 = 4500 𝑝𝑠𝑖 ×20 + 273

45 + 273

𝑃𝑡,20 = 4146.2 𝑝𝑠𝑖

3. Acumulador escolhido:

2(𝑉0 − 𝑉1) = 𝑌

𝟐(𝟓𝟕 − 𝟏𝟕) = 𝟒𝟎 𝒍

Acumulador de Eleição

Acumulador, pistão, 56 𝑙, pressione projeto 1.140 barg, disco de rutura

incluído, 3 / 8′′ MP AE fêmea lado do fluido, 3/ 8′′ MP AE lado fêmea gás, 3 / 8′′

MP AE disco de estouro conectado.

2.1.5 Gás a ser utilizado

O gás escolhido para o acumulador é o nitrogénio, por ser um gás incomburente.

59

2.1.6 Fluido hidráulico a ser utilizado

A Transaqua HT2. Ver ANEXO IV

2.7.1.4 Temperatura de carregamento

A temperatura de carregamento é de 20, tanto na linha de alta como de média

pressão.

2.1.7 Dimensionamento dos reservatórios

As regras apresentadas no enquadramento teórico não se aplicam para este

sistema devido à complexidade do mesmo. Para o correto dimensionamento deste

reservatório, teremos que recorrer a regras práticas adaptadas à natureza do sistema

que será alimentado por esta unidade.

- Os sistemas de controlo de águas profundas têm em média cerca de 5

acumuladores de 13 litros de capacidade associados à um sistemas de tubos rígidos e

flexíveis. Em operação todos elementos estão geralmente pressurizados. Isto implica

termos já neste momento um primeiro volume a ter em conta.

𝑉𝑆 = 𝑛 × 𝑉𝑎𝑐 + 𝑛 × 𝑉𝑡𝑟 + 𝑛 × 𝑉𝑡𝑓

Como:

5 × 𝑉𝑎𝑐 ≫ (𝑛 × 𝑉𝑡𝑟 + 𝑛 × 𝑉𝑡𝑓), 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑡𝑒 − 𝑠𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑉𝑆 = 𝑛 × 𝑉𝑎𝑐

- A potência hidráulica chega até estas válvulas por meio de umbilicais que

são tubos flexíveis capazes de resistir à altas pressões e à condições agrestes como

são os oceanos. Os umbilicais são compostos por linhas elétricas e linhas hidráulicas.

As linhas hidráulicas de controlo são geralmente duas: uma para alta pressão

(10000PSI) e outra para média pressão (5000PSI).

Estas linhas hidráulicas têm um diâmetro interno de cerca de 3 8 𝑝𝑜𝑙𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠⁄ .

Ver ANEXO II

60

Em operação estas linhas estão constantemente pressurizadas. Isto dá-nos um

volume de:

𝑉𝑈𝑚 = 2 × 𝑉𝑙 = 2 × (𝜋𝑟2𝑙)

Figura 344: Umbilical e Reel.

Fonte: MUNIZ (2014, p. 37)

- A unidade em si tem acumuladores e um conjunto de tubos rígidos e flexíveis.

O que leva-nos a:

𝑉𝑢𝑝ℎ𝑖 = 𝑛 × 𝑉𝑎𝑐 + 𝑛 × 𝑉𝑡𝑟 + 𝑛 × 𝑉𝑡𝑓

Como: 5 × 𝑉𝑎𝑐 ≫ (𝑛 × 𝑉𝑡𝑟 + 𝑛 × 𝑉𝑡𝑓), 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑡𝑒 − 𝑠𝑒 𝑞𝑢𝑒 𝑉𝑢𝑝ℎ𝑖 = 𝑛 × 𝑉𝑎𝑐

Logo, os tanques da unidade de potência hidráulica a ser projetada terão um

volume subordinado a seguinte condição:

VT ≥ 5 × [𝑉𝑢𝑝ℎ𝑖 + 𝑉𝑈𝑚 + 𝑉𝑆]

Onde:

Volume da UPHI

𝑉𝑢𝑝ℎ𝑖 = 4 × 37𝑙 + 2 × 57𝑙

𝑉𝑢𝑝ℎ𝑖 = 262𝑙

Volume do umbilical

𝑉𝑈𝑚 = 4500 × 𝐴

61

𝑉𝑈𝑚 = 2 × 4500 ×𝜋 × (0.0095)2

4

𝑉𝑈𝑚 = 0.63761625𝑚3 = 637.61625𝑙

Volume dos acumuladores submersos

𝑉𝑆 = 5 × 13𝑙

𝑉𝑆 = 65𝑙

Portanto, o volume do tanque será de:

VT ≥ 2893,84875𝑙

2.1.8 Dimensionamento/Seleção de Bombas

Bomba de alta Pressão

Uma vez que o circuito de alta pressão tem regularmente um nível de solicitação

muito baixo, com um consumo passivo de aproximadamente 0.007 𝑙 𝑚𝑖𝑛⁄ , isso

levou-me a escolher bombas de alta pressão com as seguintes especificações:

Vazão 5.7 𝑙 𝑚𝑖𝑛⁄

Pressão de Trabalho 12500𝑃𝑆𝐼 (860𝐵𝑎𝑟)

Bomba de Eleição

Conjunto motobomba: 𝑊𝐸𝐺 4 pólos 𝐸𝐸 𝑋𝐷 440𝑉 motor de flange / 3 fases /

60𝐻𝑍 / 𝐼𝑃55 / 17𝐾𝑊, acoplado a bomba tipo 𝑋𝑊11196 − 41 oferece 5,7 𝑙 / 𝑚

1.750 𝑅𝑃𝑀. 12500 𝑝𝑠𝑖𝑔.

Figura 355: Bomba de alta pressão.

62

Fonte: MUNIZ (2014, p. 32)

Bomba de Média Pressão

O circuito de média pressão será um circuito altamente solicitado uma vez que

a maior parte das válvulas de um sistema de controlo de águas profundas usa

fundamentalmente média pressão. Os circuitos de média pressão têm

aproximadamente um consumo passivo de 0.17 𝑙 𝑚𝑖𝑛⁄ , e isso levou-me a escolher

bombas de média pressão com as seguintes especificações:

Vazão 15 𝑙 𝑚𝑖𝑛⁄

Pressão de Trabalho 7500𝑃𝑆𝐼 (517𝐵𝑎𝑟)

Bomba de Eleição

Conjunto motobomba compreendendo: 𝑊𝐸𝐺 4 pólos 𝐸𝐸 𝑋𝐷 440𝑉 motor de

flange / 3 fases / 60𝐻𝑍 / 𝐼𝑃55 / 17𝐾𝑊 160𝐿 quadro, acoplado a bomba tipo

𝑋𝑊11202 − 42 oferece 516,0 𝑙/𝑚 1.750 𝑟𝑝𝑚. 7500 𝑝𝑠𝑖𝑔.

Figura 366: Bomba de média pressão.

Fonte: MUNIZ (2014, p. 33)

63

Bomba de Circulação

Vazão 25 𝑙 𝑚𝑖𝑛⁄

Pressão de ar 150 PSI

Pressão de trabalho 90 PSI

Bomba de Eleição

Bomba de circulação 30 l / m 100 psi (7bar).

Figura 377: Bomba de circulação pneumática.

Fonte: MUNIZ (2014, p. 30)

A referência dos demais componentes é apresentada na tabela a seguir:

Tabela 1 - Referência dos componentes.

ITEM

TAG Nº DESCRIÇÃO FABRICANTE MATERIAL

QUANTIDADE

1 RT Reservatório Hidráulico,

2×1500litros.

Metallteknikk 316 L 2

2 BHAP Bomba Hidráulica de Alta

Pressão. Conjunto motobomba:

WEG 4 pólos EE XD 440V

motor de flange / 3 fases / 60HZ

/ IP55 / 17KW, acoplado a

bomba tipo XW11196-41

oferece 5,7 l / m 1.750 RPM.

12500 psig de água glicol,

montado verticalmente.

Marshalsea Aço

Carbono

2

3 BHMP Bomba Hidráulica de Média

Pressão. Conjunto motobomba

compreendendo: WEG 4 pólos

EE XD 440V motor de flange /

3 fases / 60HZ / IP55 / 17KW

160L quadro, acoplado a

bombear tipo XW11202-42

oferece 516,0 l/m 1.750 rpm.

7500 psig de água glicol,

montado verticalmente.

Marshalsea Aço

Carbono

2

64

4 BCP Bomba de Circulação

Pneumática. bomba de

circulação 30 l / m

Sandpiper Polipropi

leno

1

100 psi (7bar).

5 AB Acumulador de Bexiga. 37 l,

pressão 750 barg, disco de

ruptura e da pintura incluída,

3/8” MP AE óleo lado fêmea,

1/4” BSP enchimento de gás

macho.

QHP Aço

Carbono

4

6 AP Acumulador de Pistão, 56 l,

pressão 1.140 barg, disco de

ruptura e da pintura incluída, 3 /

8'' MP AE fêmea lado do fluido,

3/ 8'' MP AE lado fêmea gás, 3 /

8'' MP AE disco estouro

conectado.

QHP Aço inox

AlSl

4140

2

7 VAAP Válvula de Alívio de Alta

Pressão. SP 11000 psi 3 / 8''

autoclave em (fêmea),

BIS 316 Aço

Inox

8

NPT out (fêmea) válvulas de

alívio, SP 5500 psi 9 / 16''

autoclave em (fêmea), 3 / 8'' NP

out (fêmea)

8 VAMP Válvula de Alívio de Média

Pressão. SP 5500 psi 9 / 16''

autoclave em (fêmea), 3 / 8''

NPT out (fêmea)

BIS 316 Aço

Inox

10

9 FTC Filtro de Circulação. spin-on

elementos, 1'' BSP fêmea. Pall

Ferro

fundido

2

10 FSAP Filtro de Sucção AP. 1 / 2'' BSP,

120 micron, de 70 barg

Pall 316 Aço

Inox

1

65

11 FSMP Filtro de Sucção MP 1''BSP,

120 micron, de 55 barg

Pall 316 Aço

Inox

1

12 FP Filtro da linha de pressão. Pall 316 Aço

Inox

2

13 VEF Válvula de esfera. 20000psi

(1.380 bar), 3/8 "MP.

Butech 316 Aço

Inox

14

14 VF Válvula de agulha,

20000psi(1.380 bar), 3/8" MP

Butech 316 Aço

Inox

56

15 VR Válvula de retenção, 20000psi

(1.380 bar), 3/8 "MP

AutoClave 316 Aço

Inox

10

16 VB Válvula de 3 vias bola, 20000

psi (1380 bar), 3/8" MNPT

Butech 316 Aço

Inox

2

17 SP1 Sensor de pressão. 0-1000 psi Parker 316 Aço

Inox

8

BSP

18 SP2 Sensor de pressão. 0-5000 psi Parker 316 Aço

Inox

10

BSP

19 M1 0-10000 psi pressão, 316 Aço

Inox, vidro de segurança,

medidor de vibração, glicerina

preenchido, parafuso limitador,

1/4"

Stewart &

Buchanan

316 Aço

Inox

7

macho, montada à superfície,

logotipo HITEC

20 M2 0-20000 psi pressão, 316 Aço

Inox, vidro de segurança,

medidor de vibração, glicerina

preenchido, parafuso limitador,

1/4"

Stewart &

Buchanan

316 Aço

Inox

7

macho, montada à superfície,

logotipo HITEC

66

21 F Fluxo, 0.5-25 L/M. Pressão 630

barg max, 1/4” AE. E 0.1-7

L/M. Pressão1000 bar max, 3/8”

AE.

KEM 316 Aço

Inox

1

2.1.9 Esquemas

2.1.9.1 Esquema Hidráulico

O desenho em tamanho maior consta no Anexo I.

Figura 388: Esquema Hidráulico.

Fonte: FluidSim H

A unidade de potência hidráulica tem instalado quatro bombas, sendo duas

de média pressão (5000PSI) e duas de alta pressão (10000PSI).

As bombas são elétricas e foram escolhidas em função de sua vazão e pressão,

de modos a se ajustarem as necessidades reais do projeto.

BA

BA

BA

BA

A B

A B

A B

A B

P

T

P

T

P

T

P

T

A B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

P T P T P T P T

P T P T

A B A B A B A B

A

B

A B A B

A

B

0%

A

B

0%

A

B

0%

A

B

A

B

0%

A

B

A

B

0%

A

B

A

B

A B

A B

A

B

Supply Tank Return Tank

BA

BA

A

BA B

A B

A B

A B

P T

P T

P T

P T

A B

A B

A B

A B

P T

P T

P T

P T

A

B

A

B

A

B

AB

A

B

A

B

A B

A B

A B

A B

A B

A B

A B

A B

A B

A B

A

B

BA B A

AB

VAMP 1/1568 BAR

VA 1/2

568 BAR

VA 1/3

568 BAR

VA 1/4

568 BAR

VA 1/5

568 BAR

VAAP 2/1948 BAR

VA 2/2

948 BAR VA 2/3

948 BAR

5.7 L/M862 BAR

5.7 L/M862 BAR

15 L/M517 BAR

15 L/M517 BAR

VAAP 2/1948 BAR

VAMP 1/1

568 BAR

PT

PT PT PT PT

A

B

VF 1/1

VF 1/1

VF 2/1

VF 2/1VF 2/2

A B

0%

A

B

A B

0%

A

B

A

B

VF 2/3

PT

VF 2/4

VF 2/5

VF 2/6

VF 2/7VF 2/8

VF 2/9

VF 2/10

VF 2/11

VF 2/12 VF 2/13

VF 2/14 VF 2/15

VF 2/16 VF 2/17

VF 2/18 VF 2/19

VF 1/2

VF 1/3

VF 1/4

VF 1/5

VF 1/6

VF 1/7

VF 1/8

VF 1/9

VF 1/10

VF 1/11

VF 1/12

VF 1/13

VF 1/14

VF 1/15

VF 1/16

VF 1/17

VF 1/18

VF 1/19

VF 1/20

VF 1/21 VF 1/22

VF 1/23 VF 1/24

VF 1/25 VF 1/26

M1 /1

M1 /1

M2 /1

M2 /1

M2 /2

M2 /3

M2 /4

M2 /5

M1 /2

M1 /3

M1 /4

M1 /5

M2 /6

M1 /6

VR2/1

VR2/1

VR1/1

VR1/1

VA 2/3

948 BAR

VA 2/3

948 BAR

VA 2/3

948 BAR

VA 2/3

948 BAR

VA 1/5

568 BAR

VA 1/5

568 BAR

VA 1/5

568 BAR

VA 1/5

568 BAR

VE

F/D

VE

F/D

VF

0

VF

1

VF

1/0

VF

2/0

B H

B CP25 L/M6.4 BAR

VF 0/4

FTC 0/0

FTC 0/0

VR 0/0 VR 0/0

DR1/1 DR1/2

V B

DR2/2 DR2/3 DR2/4

VFT00

VFT01

VFT02

VFT04

VFT03

VFT05

MP 37L MP 37L MP 37L MP 37L AB 1/1 AB 1/2 AB 1/3 AB 1/4

AP 57L AP 57L AP 1/2AP 1/1

0%A B

0%A B

0%A B

0%A B

0%A B

0%A B

0%A B

0%A B

0%

A

B

Return Tank

0%

A

B

0%

A

B

Return Tank

1500L

1500L RT1 RT2

A P1

B HA P2

B HM P1

B HM P2

F S

V EF

V EF

V EF

V EF V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

V EF

VFT02

V B

S P2

S P2

S P1

S P1 S P1 S P1

S P2 S P2 S P2 S P2

S P1

S P1

S P1

S P1

S P2

S P2

S P2

S P2

A B

A B

A B

A B

A

B

A B

A B

A

B

P LC

P LC

25 L/M

10 L/M

F 2

F 1

LCD DISPLAY

PLC GABINTE

F P

F P

VF 2/20 VF 2/21

VF 2/22

VF 2/23

VF 1/27 VF 1/28

VF 1/29

VF 1/30

0% AB

0%

A

B

0%

A

B

A

B

A B

P T

A B

A

B

Ar 120 PSI

0% ABA

B

67

O sistema é controlado por um controlador lógico programável (PLC), que

recebe do operador valores predefinidos de pressão de arranque e de paragem para

cada circuito, e em função disto controla o funcionamento das bombas no intuito de

nunca se ultrapassar um certo valor máximo e nunca descer abaixo de um valor

mínimo definido.

O PLC recebe ainda dados de todos os transdutores, isto é, dos transdutores de

alta e média pressão, dos sensores de nível, dos sensores de fluxo, de oxigênio e de

leitura do NAS do fluido, e em função destes dados e de sua programação flexível,

toma decisões.

O sistema possui ainda dois bancos de acumuladores de pressão que além de

aumentarem a velocidade de resposta do sistema, também ajuda na compensação da

expansão térmica e do consumo passivo do sistema a ser alimentado.

O sistema é protegido como um todo por uma rede de válvula de alívio, que

despressurizam o sistema enviando o fluido para o tanque de retorno sempre que a

pressão em um determinado trecho do circuito está acima de um nível perigoso e

previamente marcado na válvula e ainda por uma rede de discos de ruptura que

quebram-se liberando o nitrogénio dos acumuladores em caso de sobrepressão.

A direção do fluxo é controlada por um sistema de válvulas direcionais, de

esfera, de agulha e unidirecionais, de modos a garantir que haja pressão ou fluxo

apenas nos pontos pretendidos.

O sistema está ainda associado à dois reservatórios de fluido hidráulico com a

capacidade de 1500 litros cada. O enchimento e circulação destes tanques é feito por

meio de uma bomba pneumática de circulação e transferência.

Informações mais detalhadas serão apresentadas a seguir.

Figura 399: Esquema de Interação do PLC com os demais elementos do sistema.

68

Fonte: FluidSim H.

2.1.9.2 LCD (Liquid Crystal Display)

Toda a interação do operador com o sistema é feita por meio deste display. À

partir deste, o operador define os valores máximos e mínimos de pressão em cada um

dos circuitos, define os alarmes e recebe do PLC a leitura obtida pelo varrimento na

rede de sensores existente na unidade.

2.1.9.3 Sensores/Transdutores

HPPT, MPPT, HPFT, MPFT, RTLT, STLT, O2SS, FAS, são sensores que

fazem todo o processo de telemetria do sistema e transferem esta informação ao PLC.

HPPT, MPPT são fundamentalmente sensores de pressão, e são estes que

monitoram a pressão em cada uma das linhas. É em função do valor de pressão

adquirido por estes sensores que o PLC tem condição de cruzar com os dados

previamente inseridos pelo operador e então decidir parar ou arrancar as bombas.

HPFT, MPFT são medidores de fluxo, e têm como função fundamentalmente

contar quantos litros de fluido hidráulico foram bombeados e função disto passar esta

informação para o PLC que por sua vez informa ao operador por meio do LCD.

69

RTLT, STLT são sensores de nível, e têm como função medirem os níveis nos

tanques à partir da hidrostática, passar esta informação ao PLC. Esta informação é

crítica, pois à partir dela o PLC terá condições de decidir se arranca ou não as bombas

pois se as bombas forem arrancadas com os tanques vazios, há grandes riscos de se

danificarem.

O2SS, é um sensor que lê o nível de oxigénio dentro da unidade, informa ao

PLC, e caso este estiver muito baixo aciona um alarme de modos a proteger o

operador contra o baixo nível de oxigénio que pode levar a morte.

FAS (Fluid Analyser System), é um sistema que lê o nível de contaminação do

fluido, passa esta informação ao PLC e em função disto o PLC arranca a bomba de

circulação e transferência no intuito de fazer a limpeza do fluido e se certificar de que

este esteja em NAS 6 ou menos.

Em vez de apenas sensores, a unidade usou NÓ-SENSOR, devido ao alto

poder de computação e processamento de dados. Os sensores de pressão foram

determinados a serem de fio único com ciclos de alimentação e transmissão de 0.5

segundos, e utilizando modulação FSK (Frequency Shift Key).

2.1.9.4 Esquema Força das Eletrobombas

Figura 40: Circuito de força da UPHI.

70

Fonte: Programa Cade-Simu

2.1.9.5 Circuito de comando

Figura 41: Circuito de comando.

Fonte: Programa Cade-Simu

O interruptor STM11 é um interruptor de pressão (Botoeira), quando é pressionado,

alimenta o motor M11, acendendo então uma lâmpada SM11 a sinalizar o funcionamento do

71

motor M11. Que por sua vez fecha o contacto M11 que serve de realimentação para continuar

a manter corrente circulando pelo contactor. Mesmo depois de se tirar o dedo da botoeira, o

motor continua funcionando. Só vai parar quando o contacto normalmente fechado K11 for

aberto. O mesmo acontece com os restantes motores.

Quando os quatro motores estiverem em funcionamento, podemos para-los ao mesmo

tempo (pressionando o stop), ou um a um (abrindo os contactos K11, K12, K21 1 K22).

2.1.9.6 Circuito de Acionamento da Bomba de Circulação e

Transferência

A bomba de circulação será acionada por uma SOV que terá a função de permitir ou

fechar o fornecimento de ar à bomba.

A SOV será controlada pelo PLC à partir de uma combinação transístor-relé, com o

transístor a funcionar como chave.

Quando o PLC aplicar 5 volts a base do transístor, então este entrará em saturação o

que permitirá uma passagem de corrente entre o coletor e o emissor. Esta corrente ao passar

pela bobina do relé fará com que esta energize-se, criando um campo magnético com a força

magnética suficientemente forte para vencer a força elástica da mola, e consequentemente

deslocar o contacto. O contacto ao fechar-se permitirá com que 15VDC caiam diretamente

sobre a SOV, o que fará com que circule uma corrente por ela, corrente esta que a semelhança

do relé originará um campo magnética que deslocará o pistão da SOV e permitirá com que

o ar passe e alimente a bomba de circulação.

Parâmetros do Transístor 2N2222 Parâmetros do Relé

𝑉𝐵𝐸𝑠𝑎𝑡 = 0.7𝑉 𝑅𝑅 = 80Ω

𝑉𝐶𝐸𝑠𝑎𝑡 = 0.3𝑉 𝐼𝑅 = 50𝑚𝐴

𝛽𝑠𝑎𝑡 = 10

𝐼𝐶𝑚𝑎𝑥 = 500𝑚𝐴

𝑉𝐶𝐸𝑚𝑎𝑥 = 100𝑉

Cálculo de 𝑅𝐶

𝑅𝐶 =𝑉𝐶𝐶 − 𝑅𝑅 × 𝐼𝑅 − 𝑉𝐶𝐸𝑠𝑎𝑡

𝐼𝑅=

5 − 80 × 50 × 10−3 − 0.3

50 × 10−3= 14Ω

72

Valor Comercial Escolhido 𝑅𝐶 = 15Ω

Potência de 𝑅𝐶

𝑃𝑅𝐶 = 𝑅𝐶 × 𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡2 = 15 × (50 × 10−3)2 = 37.5𝑚𝑉 (

1

8𝑊)

Cálculo de 𝑅𝐵

𝐼𝐵𝑠𝑎𝑡 =𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡

𝛽𝑠𝑎𝑡=

50 × 10−3

10= 5𝑚𝐴

𝑅𝐵 =𝑉𝐸 − 𝑉𝐵𝐸𝑠𝑎𝑡

𝐼𝐵𝑠𝑎𝑡=

5 − 0.7

5 × 10−3= 860Ω

Valor Comercial Escolhido 𝑅𝐵 = 820Ω

Potência de 𝑅𝐵

𝑃𝑅𝐵 = 𝑅𝐵 × 𝐼𝐵𝑠𝑎𝑡2 = 820 × (5 × 10−3)2 = 20.5𝑚𝑉 (

1

8𝑊)

Figura 42: Circuito de alimentação da SOV/bomba de circulação.

Fonte: Programa MultiSim.

Outra opção de Implementação do circuito acima.

Figura 43 Interface de Potência Comando pelo microssistema através de um

optpacoplador

Fonte: Programa MultiSim.

2.1.9.7 Fonte de Tensão Estabilizada para a Solenoide

Tensão média de entrada 220V/50Hz

K

K1

EDR201A05

BOMBACIRCULAÇÃO

SOLENOID

Q1

2N2222A

R1

820Ω

R215Ω

VCC

5V

PLC

15VDC

S1

SOLENOID

K

VCC

20V

VCC

20VVCC

20V

73

Tensão média de saída 17,5V

Ripple 0,1V

Capacitor de filtro:

𝑉𝑟 =𝑉𝑚𝑓

𝑓𝑅𝑙𝐶→ 𝐶 =

𝑉𝑚𝑓

𝑉𝑟𝑓𝑅𝑙

𝐶 =17.5𝑉

0.1 × 100 × 360Ω= 4861𝜇𝐹

Especificação dos diodos:

𝐼𝑚𝑓 =𝑉𝑚𝑓

𝑅𝑙

𝐼𝑚𝑓 =17.5𝑉

360Ω= 48.6𝑚𝐴

𝑉𝑅𝐿𝑃 = 𝑉𝑚𝑓 +𝑉𝑟

2

𝑉𝑅𝐿𝑃 = 17.5𝑉 +0.1

2= 17.55𝑉

𝑉2𝑃 = 𝑉𝑅𝐿𝑃 + 2𝑉𝑟

𝑉2𝑃 = 17.5𝑉 +0.1

2+ 2(0.7) = 31.55𝑉

∴ 𝐼𝐷𝑀 ≥𝐼𝑚𝑓

2

𝐼𝐷𝑀 ≥ 24.3𝑚𝐴

𝑉𝐵𝑟 ≥ 𝑉2𝑃 = 31.55𝑉

Especificação do transformador:

𝑉2𝑟𝑚𝑠 =𝑉2𝑃

√2

𝑉2𝑟𝑚𝑠 = 22.3𝑉

74

𝑃𝑇 = 𝑉2𝑃 × 𝐼𝑚𝑓

𝑃𝑇 = 1.53𝑤

𝑉1 = 220𝑉 𝑉2 = 31.55𝑉

Escolha do díodo zener:

Como a fonte é de 𝑉𝑆 = 15𝑉, o díodo zener deve ter uma tensão de:

𝑉𝑍 = 𝑉𝑆 + 𝑉𝐵𝐸 → 𝑉𝑍 = 15 + 0.7 = 15.7𝑉

Optou-se pelo díodo zener BZW03-C16, com 𝑉𝑍 = 16𝑉 e 𝑃𝑍𝑀 = 6𝑊.

Tem-se, portanto:

𝐼𝑍𝑀 =𝑃𝑍𝑀

𝑉𝑍

𝐼𝑍𝑀 =6

16

𝐼𝑍𝑀 = 375𝑚𝐴

𝐼𝑍𝑚 = 0.1𝐼𝑍𝑀

𝐼𝑍𝑚 = 0.1 × 0.375 → 𝐼𝑍𝑚 = 37,5𝑚𝐴

Embora a sua tensão nominal seja um pouco maior que a tensão necessária, a escolha

se justifica pelo fato de o fabricante prever para este dispositivo uma variação entre 15.3𝑉 e

17.1𝑉. quanto à corrente e potência máximas, mais adiante elas poderão ser comparadas

com a corrente e potência máximas do díodo zener neste circuito.

Escolha do Resistor Limitador 𝑅𝑆 :

𝑅𝑆𝑚 =𝑉𝐸𝑀 − 𝑉𝑍

𝐼𝑍𝑀 → 𝑅𝑆𝑚 =

24 − 16

375 × 10−3 → 𝑅𝑆𝑚 = 21,33Ω

𝑅𝑆𝑀 =𝑉𝐸𝑚𝑉𝑍

𝐼𝑍𝑚 → 𝑅𝑆𝑀 =

19.7 − 16

37.5 × 10−3 → 𝑅𝑆𝑀 = 98.67Ω

Assim: 21.33Ω ≤ 𝑅𝑆 ≤ 98.67Ω

75

Valor adotado: 𝑅𝑆 = 68Ω

Verificação da Corrente e Potência Máximas do Diodo Zener:

𝐼𝑍𝑀𝑐𝑖𝑟𝑐 =𝑉𝑅𝑆𝑀

𝑅𝑆→ 𝐼𝑍𝑀𝑐𝑖𝑟𝑐 =

𝑉𝐸𝑀 − 𝑉𝑍

𝑅𝑆→ 𝐼𝑍𝑀𝑐𝑖𝑟𝑐 =

24 − 16

68→ 𝐼𝑍𝑀𝑐𝑖𝑟𝑐 = 117.65𝑚𝐴

𝑃𝑍𝑀𝑐𝑖𝑟𝑐 = 𝐼𝑍𝑀𝑐𝑖𝑟𝑐 × 𝑉𝑍 → 𝑃𝑍𝑀𝑐𝑖𝑟𝑐 = 117.65 × 10−3 × 16 → 𝑃𝑍𝑀𝑐𝑖𝑟𝑐 = 1.88𝑤

Portanto, os parâmetros 𝐼𝑍𝑀 e 𝑃𝑍𝑀 do diodo zener escolhido estão compatíveis com as

limitações do circuito.

Finalmente, o circuito da fonte de tensão estabilizada fica como mostrada a seguir:

O que se fez até agora, foi projetar uma fonte de tensão de 15𝑉/100𝑚𝐴, podendo ser

utilizada para a alimentação de qualquer circuito de 15𝑉, desde que o mesmo tenha um

consumo máximo de corrente de 100𝑚𝐴, ou seja, desde que esse circuito represente uma

carga 𝑅𝐿, cujo valor mínimo seja de:

𝑅𝐿𝑚 =𝑉𝑆

𝐼𝑆𝑀 → 𝑅𝐿𝑚 =

15

0.1 → 𝑅𝐿𝑚 = 150Ω

Figura 434: Circuito de alimentação da bomba de circulação com a fonte

retificada.

Fonte: Programa MultiSim.

Fonte de tensão para os componentes do circuito funcionando em DC.

Esta fonte de tensão foi desenvolvida no intuito de dar cobertura a larga variação em

termos de alimentação dos vários subsistemas que compõe esta unidade.

T1

TS_PQ4_28

D2

1N4001GP

D3

1N4001GP

D4BZW03-C16

C11000µF

Q2BD137

R3

68Ω

K

K1

EDR201A05

BOMBACIRCULAÇÃO1

SOLENOID

Q1

2N2222A

R1

820Ω

R215Ω

VCC

5V

PLC1

15VDC

V1

220 Vrms

50 Hz

0°

76

Figura 444: Fonte de tensão para os componentes do circuito funcionando em

DC.

Fonte: Programa MultiSim.

D1

3N246

1

2

4

3

D2

3N246

1

2

4

3

D3

3N246

1

2

4

3

J1

HDR1X6

U1LM7805CT

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

U2LM7915CT

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

U3LM7815CT

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

U5LM7815CT

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

GND

GND

GNDGND GND GND

GND GND

GND

VDD1

5VR1

330Ω

5%

GND

R2

1.5kΩ

5%

R3

1.5kΩ

5%

VCC1

-15V

VCC2

15V

VDD2

15V

R7

50K50%

R4

10kΩ

5%

GND GND

R6

1kΩ

5%

Q1

2N3904

R5

2kΩ

5%

GND

VDD1

5V

U4F

74HC14N_4V

INT0

GND

VDD1

5V

F1 Fuse

1A

F2 Fuse

0.5A

F3 Fuse

0.5A

60 Hz Interrupt

C14.7mF

C52.2mF

C94.7mF

C2100nF

C6100nF

C10100nF

C310µF

C710µF

C1110µF

C1310µF

C4100nF

C8100nF

C12100nF

C14100nF

LED1

LED2

LED3

C15100nF

C19100nF

C20100nF

C21100nF

C22100nF

C23100nF

C24100nF

C25100nF

C26100nF

C27100nF

C28100nF

C18100nF

C17100nF

C16100nF

77

CONCLUSÕES

- O circuito hidráulico desenvolvido, foi dimensionado e estruturado em função das

especificações exigidas pelos sistemas de controlo de águas profundas, garantindo assim que

as pressões necessárias estivessem disponíveis, e que a unidade tivesse uma autonomia em

termos de volume suficiente para as exigências das operações em que esta estará envolvida;

- O sistema foi concebido com uma bomba de circulação e um sistema de controlo que

permita que o PLC tenha capacidade de leitura do estado de limpeza do fluido e acionamento

da bomba de circulação e transferência para garantir ciclos de limpeza automatizados do

fluido, o que garantirá a existência de apenas fluido NAS6 ou inferior no interior do tanque

que alimenta as bombas;

- Os tanques foram dimensionados utilizando regras práticas, que garantissem a

existência de fluido suficiente mesmo depois de uma completa pressurização do sistema

como um todo utilizando um umbilical de 4500 metros, o que dá-nos elevada folga e

flexibilidade em termos operacionais;

- O sistema foi ainda desenvolvido com o dobro do número de bombas elétricas, o que

por sí só resolve um problema de muitas das unidades de potência hidráulica existentes no

momento, que possuem apenas um bomba para cada circuito, o que causa elevados

constrangimentos operacionais sempre que haja falha;

- Na unidade foi instalada um sensor que lê constantemente o nível de oxigênio no seu

interior, o que garante que se por alguma razão por dispersão de nitrogénio o nível de

oxigénio estiver baixo e atingir valores perigosos a vida humana, então um alarme alerta o

indivíduo que no momento estiver dentro da unidade;

- Todos os elementos em linhas de pressão foram selecionados de modos a suportarem

de modo seguro pressões que cheguem aos 20000PSI, o que associado aos sistemas de

segurança da unidade diminui os riscos de explosão por sobre pressurização;

- Toda a eletrónica foi rigorosamente equacionada, desenvolvida e testada em

ambiente virtual, de modos a garantir que se implementada obtém-se os resultados

desejados.

78

RECOMENDAÇÕES

Devido a complexidade do projeto, muitos aspetos ficaram resumidos a

abordagens bastante superficiais, o que abre uma larga oportunidade para muitos

estudantes da área de eletromecânica darem o seu contributo no intuito de

melhorarem esta unidade.

O uso de nós sensores em vez de sensores apresenta-se como uma solução

bastante atrativa para as futuras unidades de potência hidráulica, pois aumenta o

poder de computação da unidade como um todo, e aumenta a sua capacidade de

interação com dispositivos periféricos. Por isso abre mais uma oportunidade para

trabalhos futuros.

Toda a mídia de comunicação usada pode ainda ser substituída por cabos de

fibra óptica, o que aumentaria vertiginosamente a velocidade de transmissão e

recepção de dados desta unidade.

Ao longo do tempo, características como pressão e composição modificam-se

e, portanto requerem interferências de projecto. Dessa forma, a compressão e o

bombeamento para equipamentos submarinos podem ser fundamentais para a

continuidade de grande parte da produção mundial de petróleo no futuro. Deste modo

recomenda-se que os estudantes e tecnocratas na área continuem trabalhando no

sentido de melhorarem todos os subsistemas que constituem esta unidade, pois desta

forma haverá mais recursos para a melhoria das unidades de potência hidráulica no

futuro.

Uma vez que esta unidade foi pensada em função de problemas reais vividos

pelos profissionais na área de sistemas hidráulicos, recomenda-se que este trabalho

seja posto à disposição de todos os estudantes de eletromecânica e não só, no intuito

de terem uma ideia dos problemas atuais e das várias brechas existentes para os

estudantes de engenharia deem o seu contributo para a melhoria de tais unidades.

79

BIBLIOGRAFIA

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ANTUANE, Alcir (2008). Controlador Lógico Programável (CLP). França,

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DE MATTOS, E.E., De Falco (1998). Bombas Industriais. Rio de Janeiro, (2ª

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VASSALO, Francisco Ruiz (1992). Eletrónica Aplicada. Minas Gerais, (1ª Ed),

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80

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Monografias:

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do Rio de Janeiro.

THURLER, Daniel Schumacker (2013). Sistemas Elétricos de Potência

Submarinos para Produção de Petróleo e Gás Natural, Tese de licenciatura em

Engenharia Eléctrica, Universidade Federal do Rio de Janeiro.

81

ANEXOS

82

ANEXO I

83

ANEXO II

84

ANEXO III

85

ANEXO IV

86

ANEXO V