tecnologia em mecatrÔnica industrial · solventes orgânicos como, por exemplo, a gasolina que é...
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Fatec Garça
TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
Carlos Roberto Joly
Cleber José Fabiano
SISTEMA HIDRAULICO DE RECUPERAÇÃO DE FLUIDOS
GARÇA
2014
__________________________________________________________________________________________
Fatec Garça
TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
Carlos Roberto Joly
Cleber José Fabiano
SISTEMA HIDRAULICO DE RECUPERAÇÃO DE FLUIDOS
Artigo Científico apresentado à Faculdade de
Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito
para conclusão do Curso de Tecnologia em
Mecatrônica Industrial.
Orientador: Prof. Dr. Edson Detregiachi Filho
GARÇA
2014
TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
Carlos Roberto Joly
Cleber José Fabiano
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA HIDRAULICO DE
RECUPERAÇÃO DE FLUIDOS
Artigo Científico apresentado à Faculdade
de Tecnologia de Garça – FATEC, como
requisito para conclusão do Curso de
Tecnologia em Mecatrônica Industrial,
examinado pela seguinte comissão de
professores:
________________________________
Prof. Dr. Edson Detregiachi Filho
FATEC Garça
_________________________________
Prof. (a) (membro da banca)
FATEC Garça
_________________________________
Prof. (a) (membro da banca)
FATEC Garça
Data da Aprovação: ---/---/---
GARÇA
2014
4
SISTEMA HIDRAULICO DE RECUPERAÇÃO DE FLUIDOS1
Carlos Roberto Joly2
Cleber José Fabiano [email protected]
Prof. Dr. Edson Detregiachi
Filho [email protected]
RESUMO: Considerando-se a grande quantidade de óleos lubrificantes utilizados em indústrias e seu
consecutivo descarte na natureza, verificou-se a necessidade de melhor aproveitá-los. Destarte, este
artigo, produto de uma pesquisa de conclusão do curso de Mecatrônica Industrial, da Faculdade de
Tecnologia de Garça, teve como objetivo apresentar o desenvolvimento de um protótipo cuja finalidade é
fazer a filtração do óleo lubrificante, removendo partículas metálicas provenientes de desgaste dos
componentes mecânicos e a transferência do óleo lubrificante de seu reservatório de trabalho para um
reservatório provisório, auxiliando a manutenção programada ou corretiva das máquinas. A pesquisa
mostrou que o protótipo é eficiente para a remoção de metais provenientes de desgaste, pois promove
uma reutilização do óleo que seria descartado na natureza, auxiliando, assim, na manutenção da
sustentabilidade ambiental.
Palavras-chave: Óleos lubrificantes. Reutilização. Sustentabilidade.
ABSTRACT: Considering the large amount of lubricating oils used in industries and its frequent disposal
in nature, there is a need to better leverage them. Thus, this article, the product of a search for graduation
Industrial Mechatronics, Faculty of Technology from Garça, aimed to present the development of a
prototype whose purpose is to make the filtration of lubricating oil by removing metallic particles from
wear mechanical components and lube oil transfer your tank work for a temporary reservoir, helping to
scheduled or corrective maintenance of machines. Research has shown that the prototype is effective for
the removal metallic particles from wear, it promotes reuse the oil that would be discarded in nature,
helping thus in the maintenance of environmental sustainability.
Keywords: Lubricating oils. Reuse. Sustainability
1Artigo científico apresentado ao Curso de Tecnologia da Mecatrônica Industrial, da Faculdade de
Tecnologia de Garça – FATEC, como Trabalho de Conclusão de Curso, sob a orientação do professor Dr.
Edson Detregiachi Filho.
2 Alunos do curso de Tecnologia Em Mecatrônica Industrial.
5
INTRODUÇÃO
Óleos lubrificantes são derivados de petróleo e podem ser sintéticos ou não. São
muito utilizados em automóveis, máquinas pesadas e na indústria que, com a
necessidade de manutenção corretiva, preventiva ou preditiva, requer a drenagem desse
óleo. Caso o óleo lubrificante tenha atingido o período máximo recomendado de
utilização, está parcialmente deteriorado, formando compostos oxigenados como ácidos
orgânicos e cetonas, compostos aromáticos polinucleares de viscosidade elevada,
resinas e lacas. Contêm, ainda, aditivos que foram adicionados ao óleo básico no
princípio do refino que foram consumidos parcialmente, metais provenientes de
desgaste de motores e sistemas de lubrificação e ainda diversos contaminantes como
combustíveis, poeira, água e outras impurezas, (SILVEIRA ET AL, 2006, p. 1193).
Quando esse óleo usado é descartado diretamente no ambiente, seja por meio das
redes de esgoto, seja por meios hídricos ou lançados ao chão,provoca grande poluição,
pois infiltra através da água da chuva contaminando o solo, atingindo lençóis freáticos
subterrâneos, poluindo águas de poços e fontes. Se for lançado em drenagem de águas
residuais, dependendo da forma de tratamento do esgoto local, pode poluir os meios
receptores hídricos ou causar sérios problemas nessas estações de tratamento.
Se for queimado de forma não apropriada, o óleo usado pode gerar emissões de
óxidos metálicos, já que contêm elevados níveis de hidrocarbonetos e metais, como, por
exemplo, ferro, chumbo, zinco, cromo, crômio, níquel e cádmio. Os óxidos de enxofre,
provenientes da queima de combustíveis fósseis, são grandes poluentes do ar. Esses
óxidos acontecem através da reação de oxidação do enxofre, durante a qual recebe duas
moléculas de oxigênio em uma reação covalente (SO2) ou através de fontes naturais por
meio de matéria orgânica em decomposição e pela maresia do mar.
O dióxido de enxofre é um gás incolor com um odor sufocante às concentrações
a partir de 3 ppm. Grande parte do dióxido de enxofre é precipitado pela chuva no solo e
nos oceanos e pode causar males à saúde humana e à vegetação. Hinrichset al (2007, p.
237) citam as catástrofes que aconteceram em Donora, Pensilvânia (em 1948) e Londres
(em 1952) onde, por razões meteorológicas e queima de combustíveis fósseis,
expuseram muitas pessoas a níveis elevados de poluição no ar causando muitas mortes.
Igualmente, os hidrocarbonetos ou compostos orgânicos voláteis são
provenientes da queima de derivados de petróleo, incineração de lixo e evaporação de
solventes orgânicos como, por exemplo, a gasolina que é composta por mais de 100
6
diferentes tipos de octanos. Na natureza a emissão desses gases ocorre através da
decomposição biológica da vegetação onde é liberado o metano.
Hinrichset al (2007, p. 237) afirmam que 1 litro de óleo usado pode poluir 1
milhão de litros de água; logo, se queimar 5 litros podem poluir a mesma quantidade de
ar que uma pessoa necessita para respirar por 3 anos. Ademais, 1 litro de óleo pode
formar uma partícula superficial em 5000 m2, pois este óleo usado, queimado de
maneira imprópria, sem controle e sem um tratamento prévio de desmetalização, estará
liberando, através da combustão, gases tóxicos como óxidos metálicos, gases tóxicos
como dióxido de enxofre e dioxina.
O monóxido de carbono (CO), muito comum da mistura incompleta do
combustível em motores à combustão, é um gás venenoso, inodoro e incolor. Seu
envenenamento, cujos sintomas, normalmente, são tontura, dor de cabeça e distúrbios
visuais, acontece quando inalado, pois vai até a corrente sanguínea e liga-se à
hemoglobina ocupando o lugar das moléculas de oxigênio. Segundo Hinrichs et al
(2007, p. 238), o padrão de qualidade do ar determina para o monóxido de carbono o
máximo de 9 ppm para o intervalo de oito horas.
Apesar de agredirem o meio ambiente se forem descartados incorretamente, os
óleos lubrificantes são fundamentais para o funcionamento de máquinas em geral, pois
diminui o atrito e, conseqüentemente, o desgaste, aquecimento e corrosão, tornando-se
indispensáveis para máquinas utilizadas em diversos fins industriais ou agrícolas. A
necessidade de incorporar aditivos aos óleos básicos foi em razão do avanço
tecnológico, já que o óleo mineral puro ou básico não foi mais suficiente para a
lubrificação de máquinas mais sofisticadas.
Os aditivos agregam características importantes tais como, antidesgaste,
antioxidante, anticorrosiva, antiespumante, modificadora de viscosidade, emulsionar,
servem para baixar o ponto de fluidez e aditividade. A quantidade aplicada varia de 0,5
a 28% em volume, (SILVEIRA ET AL, 2006, p. 194). No passado, era necessária a
utilização de quatro ou mais tipos diferentes de lubrificantes. Atualmente, os aditivos
podem ser aplicados individualmente ou em conjunto no óleo básico, reunindo as
características necessárias para a realização do trabalho.
O óleo lubrificante leva, através de seu fluxo, vários tipos de impurezas geradas
pelo desgaste dos componentes metálicos. Por meio do acompanhamento das
propriedades físico-químicas e dos teores de metais encontrados nos lubrificantes, pode-
se determinar e conhecer o teor de contaminação deste óleo. Os óleos lubrificantes não
7
são consumidos totalmente pelo seu uso, preservando parte de suas características,
passando a ter uma vida útil maior. Entretanto, em razão da adição de aditivos, torna-se
mais difícil o processo de regeneração para o óleo básico.
Silveira et al (2006, p. 193) citam um fato ocorrido na Bélgica em 1999, quando
foi descoberta a presença da dioxina na carne do frango e nos derivados lácteos e fez
com que toda a exportação desses produtos fosse suspensa. Investigações concluíram
que a contaminação foi devida à utilização de óleos lubrificantes usados no lugar de
óleos de origem vegetal.
Com objetivo de validar a pesquisa em pauta foi desenvolvido um protótipo com
recursos que façam a filtração do óleo lubrificante, removendo partículas metálicas
provenientes de desgaste dos componentes mecânicos e a transferência de óleo
lubrificante do seu reservatório de trabalho para um reservatório provisório, auxiliando
a manutenção programada ou corretiva a executar com segurança a extração e filtração
do óleo.
O protótipo possui um acionamento direto do motor por indução elétrica que
será mais bem detalhado no item 2.6, e transmite a rotação do rotor para o acoplamento
ligado a bomba hidráulica, cuja função é mais bem detalhado no item 2.2, inicia a
transferência do óleo, com a capacidade de 20 litros por minuto, onde passa por um
filtro antes da bomba hidráulica e 2 filtros após, removendo os resíduos metálicos e
auxiliando na manutenção dos equipamentos.
1 ENERGIA SUSTENTÁVEL: PRESSUPOSTOS TEÓRICOS
Com o desenvolvimento da humanidade, a demanda por energia elétrica está
cada vez maior; porém, cada vez mais há novas formas diferentes de se obter energia
elétrica.
Segundo Campana ET Al (2003, p. 2) a forma mais utilizada de se obter energia
elétrica é a queima do carvão mineral com cerca de 40%, 19% da forma hídrica, 17%
nuclear, 13% gás natural e 11% combustíveis fósseis. No Brasil, a alta disponibilidade
hídrica e a topografia favorecem a utilização de fontes hídricas. O autor afirma que com
relação ao consumo nacional de energia elétrica lideram as regiões Sudeste e Nordeste
com 59,1% e 15,8% respectivamente; entretanto, é a região Sudeste que ocupa maior
8
participação no setor industrial com cerca de 66,8%. As regiões Sul, Centro-Oeste e
Norte são as que menos consomem com cerca de 15,1%, 4,8% e 5,1% respectivamente.
Segundo Rodrigues (2007, pg. 20), o decreto nº4. 508, de 11 de dezembro de
2002, criado pelo governo federal, apresenta em seu segundo capítulo a regulamentação
específica referente aos níveis mínimos de eficiência energética para motores trifásicos
elétricos de indução rotor gaiola de esquilo. O Art. 5º do mesmo decreto relaciona os
níveis mínimos de rendimento nominal a serem atendidos pelos modelos padrão e alto
rendimento, como demonstra na Tabela 1.
Tabela 1- Rendimentos nominais mínimos para motores elétricos no Brasil.
Padrão (standart) Alto Rendimento
Pólos Pólos
CV/HP KW 2 4 6 8 2 4 6 8
1,00 0,75 77,00 78,00 73,00 66,00 80,00 80,50 80,00 70,00
1,50 1,10 78,50 79,00 75,00 73,50 82,50 81,50 77,00 77,00
2,00 1,50 81,00 81,50 77,00 77,00 83,50 84,00 83,00 82,50
3,00 2,20 81,50 83,00 78,50 78,00 85,00 85,00 83,00 84,00
4,00 3,00 82,50 83,00 81,00 79,00 85,00 86,00 85,00 84,50
5,00 3,70 84,50 85,00 83,50 80,00 87,50 87,50 87,50 85,50
6,00 4,50 85,00 85,50 84,00 82,00 88,00 88,50 87,50 85,50
7,50 5,50 86,00 87,00 85,00 84,00 88,50 89,50 88,00 85,50
10,00 7,50 87,50 87,50 86,00 85,00 89,50 89,50 88,50 88,50
12,50 9,20 87,50 87,50 87,50 86,00 89,50 90,00 88,50 88,50
15,00 11,00 87,50 88,50 89,00 87,50 90,20 91,00 90,20 88,50
20,00 15,00 88,50 89,50 89,50 88,50 90,20 91,00 90,20 88,50
25,00 18,50 89,50 90,50 90,20 88,50 91,00 92,40 91,70 89,50
30,00 22,00 89,50 91,00 91,00 90,20 91,00 92,40 91,70 91,00
40,00 30,00 90,20 91,70 91,70 90,20 91,70 93,00 93,00 91,00
50,00 37,00 91,50 92,40 91,70 91,70 92,40 93,00 93,00 91,70
60,00 45,00 91,70 93,00 91,70 91,00 93,00 93,60 93,60 91,70
75,00 55,00 93,00 93,20 2,10 1,50 93,00 94,10 93,60 93,00
100,00 75,00 93,00 93,20 93,00 92,00 93,60 94,50 94,10 93,00
125,00 90,00 93,00 93,20 93,00 92,50 94,50 94,50 94,10 93,60
150,00 110,00 93,00 93,50 94,10 92,50 94,50 94,50 94,10 93,60
175,00 132,00 93,50 94,10 94,10 94,70 95,00 95,00
200,00 150,00 84,10 94,50 94,10 95,00 95,00 95,00
350,00 185,00 94,10 94,50 95,40 95,00
Fonte: adaptada da tabela da ANEEL – Decreto n° 4.508/02 (2.002, p. 4)
9
Além da produção sustentável de energia elétrica, é fundamental para a
preservação do meio ambiente, a preocupação com a eficiência energética dos
equipamentos utilizados. Neste quesito, destaca-se a utilização dos motores elétricos,
essenciais para a indústria e responsáveis pela maior parte da energia elétrica consumida
nas unidades produtivas.
1.1 Fator de potência3
Também relacionado à utilização eficiente da energia elétrica, o fator de
potência tem chamado a atenção dos profissionais ligados a instalações e manutenções
elétricas. Em razão de o custo para obtenção da energia elétrica estar cada vez mais
elevado e haver uma demanda sempre crescente, as concessionárias de energia vêm
cobrando valores adicionais aos estabelecimentos comerciais e industriais referentes à
demanda reativa e de consumo reativo no caso de não atingirem os limites de fator de
potência, entre outros critérios impostos pela ANEEL - Agência Nacional de Energia
Elétrica, em sua resolução nº 456/2000 – Condições Gerais de Fornecimento de Energia
Elétrica, Artigos 64 a 69.
Segundo Creder (2007, p. 273), o baixo fator de potência também pode causar
aumento do desgaste em equipamentos de proteção e manobra, aumento na incidência
de quedas de tensão, perdas no sistema, entre outros. Os principais equipamentos
causadores desse baixo fator de potência nas instalações elétricas são principalmente
motores de indução, transformadores de potência, reatores eletromagnéticos de
lâmpadas fluorescentes, retificadores e equipamentos eletrônicos, pois possuem
enrolamentos que necessitam de energia magnetizante de forma intermediária na
utilização de energia ativa, sendo um consumidor de energia reativa.
A energia reativa é representada pela defasagem de 90º em relação à potência
ativa, podendo estar atrasada ou adiantada, sendo receptora ou fornecedora de energia
reativa. No caso dos consumidores de potência reativa, segundo o autor supracitado,
podemos ter transformadores de potência, motores de indução, motores síncronos
subexcitados e reatores eletromagnéticos. Já fornecedores de potência reativa há
capacitores, motores síncronos superexcitados e compensadores síncronos.
3 É a energia necessária para energizar bobinas e enrolamentos, (criação de um campo magnético)para
habilitá-los a realizar um trabalho.
10
O diagrama mostrado na figura 1 demonstra o método mais utilizado para
correção do fator de potência é a instalação de banco de capacitores em paralelo com a
rede elétrica por ter menor custo de implantação e por serem equipamentos estáticos de
baixo custo.
Figura 1- Diagrama dos Tipos de Instalações de Capacitores em paralelo a carga.
Fonte: Correção do Fator de Potência Manual WEG.
1.2 Inversor de Freqüência Variável
Ainda relacionado à utilização eficiente da energia elétrica recorremos a
Rodrigues (2007, p. 10) que afirma que o inversor de freqüência é capaz, de forma
ordenada e eficiente, sem afetar os processos produtivos aperfeiçoar a utilização de
energia elétrica, de reduzir a demanda mundial de energia administrando fontes
existentes e diminuindo o severo impacto ao meio ambiente.
Segundo o Guia de Aplicação de Partida Suave e Inversores CA da Allen-
Bradley Company, o inversor de freqüência variável parte do princípio de converter a
tensão da linha corrente alternada (CA) em uma tensão corrente contínua (CC), que em
seguida será convertida em corrente contínua pulsada, cujo valor RMS assemelha-se a
uma tensão CA. A freqüência de saída desta tensão CA varia de 0 até a da linha de
entrada CA, embora em certos equipamentos possa ultrapassar a da linha.
Um inversor de freqüência variável que utiliza a modulação por largura de pulso
para criar a onda de saída tem como seus componentes ativos: diodos, SCRs,
transistores, IGBTs, podendo apresentar três seções distintas de seu circuito de
alimentação. A primeira seção para converter a tensão da linha CA em CC utiliza uma
ponte de SCRs de onde completa. Já na segunda seção, a filtragem dessa tensão CC é
11
realizada através de um capacitor para alimentar a ponte inversora com uma tensão CC
estável. Como pode ser observado no diagrama da figura 2, existe um filtro de
barramento CC normalmente encontrado em inversores de 10hp ou mais. A seção final
composta por uma ponte de IGBT ou transistor disponibiliza ao motor tensão corrente
contínua com largura modulada por pulso (PWM).
A expressão volts por hertz refere se aos comandos definidos pelo fabricante
para o inversor onde atua na tensão e freqüência durante o trabalho.
O controle ou lógica do inversor e as configurações programadas do usuário
determinam a saída de freqüência do inversor. De acordo com um algoritmo define-se
rampa linear ou curva S.
Figura 2 - Diagrama de Bloco de um Inversor.
Fonte: Guia de Aplicação de Partida Suave e Inversores CA da Allen-Bradley Company.
1.3 Partida Suave (soft starter)
Segundo o Guia de Aplicação de Partida Suave e Inversores CA da Allen-
Bradley Company, o Soft Starter parte do princípio de que pode se limitar as
características de corrente e torque na partida do motor desde que se ajuste à tensão
aplicada e que, no caso de uma partida direta, será necessária uma demanda de energia
maior na partida, agregando um desgaste nos componentes.
Segundo o Guia, em motores de indução o torque da partida é cerca do quadrado
da corrente de partida consumida na linha. Conseqüentemente, a tensão aplicada é
proporcional ao torque, ou seja, o quadrado da tensão da linha. Através de ajustes de
tensão durante a partida pode se controlar a corrente do motor e o torque produzido,
podendo reduzi-los e controlá-los.
Através da utilização de seis SCRs com uma configuração back to back, é
possível regular a tensão aplicada ao motor durante a partida de 0 volt até a freqüência
da linha. A realimentação do motor para o circuito da lógica responsável pelos disparos
12
do SCR tem a função de estabilizar a aceleração do motor. O chamado “phasing back”,
o ângulo de disparo do SCR, pode ser atrasado ou fechado, fazendo o SCR não disparar
quando a tensão passa de negativo para positivo. É possível observar na figura 3 o ponto
de disparo, que é configurado, programado de acordo com o chamado torque inicial ou
corrente inicial ou configuração limite de corrente, deformando a senoide.
Figura 3 – Senoide deformada
Fonte: Guia de Aplicação de Partida Suave e Inversores CA da Allen-Bradley Company.
1.4 Motores de Alta eficiência
Segundo Garcia (2003, p. 54), o motor elétrico é um conversor que transforma
energia elétrica em energia mecânica e, embora atualmente apresente uma boa
eficiência, pode apresentar perdas gerando desperdício de energia.
As perdas fixas são aquelas que não dependem do carregamento, afirma o autor.
São:
Perda no ferro (núcleo): representa cerca de 15 a 25% do total de perda, que
ocorrem geralmente por desvio de circulação de campo magnético em razão de
histerese e correntes parasitas. O aço silício apresenta ser mais suscetível ao
campo magnético, dependendo da espessura e isolação das chapas.
Perda mecânica: representa cerca de 5 a 15%, geralmente causado por atrito nos
mancais e ventilação.
Já as perdas variáveis dependem do carregamento, são:
Perdas no estator: devido ao aquecimento do condutor em razão pela circulação
de corrente no enrolamento do estator (efeito Joule), pode apresentar uma perda
de 25 a 40%, dependendo dos condutores e da bobina.
13
Perdas no rotor: assim como o anterior, neste caso o aquecimento é nas barras,
dependendo do material seção, comprimento e nos anéis do rotor, representando
cerca de 15 a 25%.
Perdas suplementares: ocorrem devido a imperfeições na distribuição do fluxo
eletromagnético e de corrente, podendo reduzir através do correto
dimensionamento do motor para a carga.
Segundo Garcia (2003, p. 56), pode-se também associar a baixa eficiência em
motores aos seguintes itens:
Motor sobre dimensionado: A faixa ideal de operação de um motor é de 75% a
100% de seu nominal. Em situações em que o motor é submetido à baixa carga
ocorre queda em seu rendimento;
Motor rebobinado: os cuidados como a bitola do fio a ser substituído e a retirada
correta da bobina queimada implicarão diretamente na eficiência do motor e no
trabalho de rebobinamento, sendo fundamental para sua boa eficiência;
Instalação: mediante as condições mecânicas de instalação, fixação, temperatura,
ambiente e alinhamento podem interferir diretamente no rendimento no motor;
Alimentação elétrica: desequilíbrio entre fases proveniente da distribuidora ou
da diferença de indutância no cabeamento de um motor podem gerar torques de
seqüência negativa e harmônico que são distorções de forma senoidal, situações
que geram perda de rendimento;
Manutenção: paradas para manutenção, lubrificação adequada e ambiente limpo
podem interferir no rendimento do motor.
Garcia (2003, p. 56) afirma que um motor é dimensionado pela carga mecânica
exercida. Seu correto dimensionamento é fundamental para um bom rendimento
energético.
Segundo Augusto Jr. e Cabo (2002, p. 1), em caso de manutenção podem ser
substituídos temporariamente por um motor maior, desde que tenha a mesma rotação.
Segundo os autores, o mercado nacional de motores elétricos dispõe de três principais
fabricantes: Kohl Bach, Hebreu e WEG, os quais oferecem duas linhas de motores de
aplicação industrial: Standard e os de alto rendimento. Possuem as mesmas
características técnicas, mecânicas e potência nominal. Embora possuam características
semelhantes, motores de alto rendimento têm seu valor de 20 a 50%, porém, diferem-se
14
pela matéria prima utilizada, menor consumo de energia em operações, menor custo de
manutenção e operacional.
O adequado dimensionamento do motor quanto à carga mecânica a ser acionada
é fundamental para o custo/benefício dos motores de alta eficiência. Segundo Augusto
Jr. e Cabo (2002, p. 1), cargas superiores a 50% da potência nominal apresentam o
rendimento entre 1 e 3%. Quando operam com cargas variadas com baixos
carregamentos, ocorre uma queda substancial nos valores de rendimento. O estudo
prévio do trabalho a ser realizado e das características da carga com a finalidade de
dimensionar a potência adequada, evitando superdimensionamentos, analisou a linha de
motores mais adequada em cada situação. Os fabricantes dispõem de programas de
análise técnica e econômica para auxiliar com a decisão de qual linha de produtos
atende melhor a necessidade do consumidor para cada situação.
Segundo Augusto Jr. e Cabo (2002, p. 2), deve - se atentar aos critérios abaixo:
Dimensionamento pelo critério de Potência Eficaz - O conceito de potência
eficaz do motor de ciclo intermitente e cargas variáveis, com tensão e rotação
constantes e ventilação normal, levando em consideração a quantidade de calor
gerado pelas perdas na condição de potência constante e nominal e a quantidade
de calor gerado em ciclo intermitente;
Dimensionamento pelo critério do conjugado máximo motor - Há momentos em
que é necessário exercer uma força maior que a nominal, como margem de
segurança inclui pelo menos 20% da carga nominal no momento do
dimensionamento;
Dimensionamento pelo critério dos conjugados motor e resistente de partida -
Para garantir uma aceleração adequada no instante da partida, o conjugado
motor deve ser superior ao conjugado resistente;
Dimensionamento pelo critério de tempo de aceleração - Considerar as diversas
cargas mecânicas aplicadas no motor como conjugado de partida da carga,
aceleração do repouso até a rotação de regime, momento de inércia total do rotor
e da carga, conjugado resistente à rotação nominal do motor, conjugado
resistente nulo e conjugado resistente não definido.
Dimensionamento pelo critério da potência disponível - Durante a partida e
aceleração, perda Joule nos enrolamentos e o aumento de temperatura devem ser
levados em consideração. Segundo os autores, para reduzir o tempo de frenagem
15
o motor não é apenas desenergizado, mas também desacelerado através de
reversão elétrica ou com o auxílio de c.c aplicada ao enrolamento do estator.
Segundo Garcia (2003, p. 59), devido à necessidade de reduzir o custo de
fabricação dos primeiros motores, reduziu a quantidade de ferro e cobre, bem como, os
melhores materiais e técnicas ótimas de construção. Menores teores de ferro e cobre
resultaram em maior densidade de fluxo magnético e elétrico, aumentando assim as
perdas de energia.
O mesmo autor cita, ainda, que motores de alto rendimento é uma linha de
motores com maior custo de fabricação, porém menor custo do ciclo de vida útil, custo
de aquisição e custo operacional. Garcia (2003, p. 59) postula que motores de alto
rendimento são motores com desempenho otimizado devido uma série de características
relacionadas à matéria prima e sua estrutura, abaixo relacionados.
Chapas magnéticas de melhor qualidade: ao utilizar aço de maior quantidade de
silício aumenta a suscetibilidade, reduzindo as perdas de ferro;
Maior volume de cobre: o motor passa a trabalhar em temperaturas mais baixas,
pois as perdas são reduzidas por efeito Joule no bobinado do estator;
Enrolamentos especiais: promovem a redução das perdas no estator;
Tratamento térmico para o núcleo do rotor e estator: promove redução das
perdas suplementares;
Desenho das ranhuras: auxiliam na dissipação do calor;
Maiores, barras e anéis de curto-circuito: diminuem as perdas Joule no rotor;
Melhor desenho da ventilação: reduzindo as perdas por ventilação;
Redução do entre ferro: melhor projeto do rotor, com seu formato menos oval,
permitindo a redução do entre ferro.
Em razão dessas melhorias na composição, esses motores de alto rendimento são
mais caros que os motores padrão, porém, durante sua vida útil, o valor a ser
economizado de energia elétrica pode chegar a 100 vezes do preço do valor investido,
segundo Garcia (2006, p. 61).
A fabricante de motores elétricos WEG publicou um estudo de caso realizado
em uma indústria alimentícia, no qual o objetivo era a substituição de motores elétricos
antigos por motores novos, cuja finalidade era de recuperar o investimento através dos
ganhos de eficiência energética, substituindo os motores padrão (standart) por motores
de alto rendimento.
16
A WEG utilizou uma metodologia dividida em 5 etapas, na qual se procurou
analisar as variáveis do processo, definição das reais necessidades, diagnóstico das
condições operacionais, substituição e medição dos resultados.
O quadro 1 mostra que a substituição dos motores consiste em motores com
características semelhantes.
Quadro 1– Medição das potências dos motores padrão e alto rendimento.
Indicadores Motor Padrão (Standart) Motores de alto rendimento
Custo unitário (R$/kWh) (Valor médio Fora de Ponta e na
Ponta) 0,197
Horas de operação / ano 7.920
kWh médio consumido 33 29,9
Consumo anual (kWh) 261.360 236.808
Redução no consumo de energia elétrica (kWh/ano) 24.552
Economia de energia elétrica (%) 9,4
Retorno sobre o Investimento (ROI) 10 meses
Fonte: Adaptado de Weg (2010).
Pode-se observar que com a troca do motor padrão para o motor de alto
rendimento, obteve-se um ganho de 9,4% no consumo de energia; sendo assim, em
torno de 10 meses o investimento é recuperado, além da garantia da eficiência na
utilização adequada de energia elétrica, diminuindo o uso dos recursos naturais.
Segundo Ramos (2005, p. 61), foi realizada a substituição de 382 motores
padrão para motores de alto rendimento, com potência de 1 a 350 CV, proporcionando
uma economia de 3100 mWh por ano, além de redução quanto à manutenção e paradas
de máquinas em uma indústria alimentícia, uma economia próxima a 4,52% de energia
elétrica.
O quadro 2 demonstra a medição Fluke, informando as principais características
do motor padrão a ser substituído. Já no quadro 3, trata se da medição Fluke do motor
de alto rendimento que apresentas as mesas características de rotação e potência
nominal. É aplicada uma carga acima de 75% da capacidade nominal.
17
Quadro 2 – Medição Fluke - motor padrão 100 cv.
Sumarry Information Voltage Current
Frequency 59,81 RMS 378,5 115,45
Power Peak 542 162,09
KW 64,2 DC Offset -0,2 -0,49
KVA 75,69 Crest 1,43 1,4
KVAR -40,02 THD Rms 2,46 4,68
Peak KW - THD Fund 2,46 4,69
Phase 32º Lag TRMS 9,3 5,41
Total PF 0,85 Kfactor 1,12
DPF 0,85
Fonte: Ramos, (2010p. 63)
Quadro 3 – Medição Fluke - motor de alto rendimento - 100 cv.
Sumarry Information Voltage Current
Frequency 59,96 RMS 369,5 119,88
Power Peak 519,3 166,84
KW 61,17 DC Offset -0,4 -0,36
KVA 76,72 Crest 1,41 1,39
KVAR -46,1 THD Rms 2,05 4,09
Peak KW
THD Fund 2,06 4,09
Phase 36º Lag TRMS 7,6 4,9
Total PF 0,80 Kfactor 1,08
DPF 0,80
Fonte: Ramos, (2010p. 64).
O autor afirma que com a troca do motor padrão para o motor de alto
rendimento, obteve-se um ganho de 5,7% no consumo de energia. Sendo assim, em
torno de 12 meses o investimento é recuperado, diminuindo o uso dos recursos naturais
e garantindo a eficiência na utilização adequada de energia elétrica.
2 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO
Para a elaboração deste protótipo, foi necessário desenvolver um apoio para os
componentes fundamentais, que oferecesse segurança, agregando praticidade para o
trabalho diário e mantendo o ambiente organizado e limpo.
A estrutura do suporte iniciou se comum tubo de 1” de diâmetro e 1/8” de
espessura, para verificar a eficácia de filtrar óleos utilizados nos processos.
18
Foi usada uma máquina do tipo curva tubo para fazer as curvas principais no ,
após isso, foi medido e cortado o restante do tubo para ser feito as laterais da estrutura.
Foi feito duas curvas em duas peças de tubo, com a finalidade de reforçar a lateral do
carro onde serão posicionadas as peças.
Com o auxílio da máquina de solda do tipo MIG, foi soldado a estrutura tubular,
com a lixadeira angular, cortado a chapa de 1/8’ em forma retangular. Foi feito um raio
em duas extremidades para que a chapa se tornasse a base inferior, foi posicionado e
realizado a solda na chapa da estrutura tubular, foi recortado outra chapa de espessura
de 1/8’ para fazer a base para a fixação dos filtros, a bomba e o motor como é mostrado
na figura 5. Após soldada a chapa na estrutura tubular, foi cortado duas peças com a
espessura de 1/8’’ para fazer a estrutura onde ficará as rodas.
Figura 4 – Carro transportador
Fonte: elaborada pelos autores da pesquisa
Curvado as duas chapas, foi posicionado uma em cada lateral inferior e as
soldamos na estrutura tabular. Próximo a extremidade, na curva da chapa, foi soldado a
peça de 1/2”, foi utilizada uma barra com diâmetro de 5/16”, para ser utilizada como
suporte das mangueiras de sucção e recalque, como demonstra a figura 4, com o auxílio
de uma campana de roda, que serviu como molde para curvar duas peças e deixá-las no
diâmetro desejado. Foi soldado as partes e o suporte na base lateral do carro
transportador. Depois de pronta a estrutura, o protótipo foi lixado e preparado para a
19
pintura, onde foi utilizado um compressor e uma pistola. Foi utilizado um fundo
preparador e logo após a secagem, a tinta azul no carro e no motor.
Após a secagem da tinta, iniciou se a montagem das peças: foi instalado as duas
rodas, com duas arruelas e duas cupilhas que servem como travas para evitar que saia as
rodas como mostra a figura 4. O motor foi fixado e acoplado na estrutura e unido à
bomba hidráulica e conectado aos filtros. Foi fixado a mangueira de sucção e a
mangueira de descarga, antes da ligação do motor no contator. A figura 5 nos permite a
visualização da peça montada.
Figura 5 - protótipo montado
Fonte: elaborada pelos autores
2.1 Materiais do protótipo experimental
O custo dos componentes para a preparação do protótipo é descrito no quadro 4,
representa uma quantia de aproximadamente R$ 1.900,00.
20
Quadro 4 – Materiais do protótipo experimental
Material Unidade Quantidade Preço (R$)
Tubo aço 1020 1” x 3 mm x 6 metros Barras 05 350,00
Rodas de nylon Unidade 02 20,00
Cupilhas ¼” Peça 02 0,15
Arruelas lisas 5/8 Unidade 02 10,00
Eixo trefilado 5/8” Metros 0,600 7,00
Chave contatora Unidade 01 90,00
Motor WEG bi volt com 2 cavalos de potência Unidade 01 480,00
Mangueira cristal Metros 06 18,00
Abraçadeira Unidade 08 2,50
Filtro 10 micras Unidade 02 120,00
Filtro 6 micras Unidade 01 50,00
Bomba hidráulica Unidade 01 420,00
Cabo PP 1 ½” x 3 Metros 15 300,00
Parafusos 8 x 30 mm Unidade 12 6,50
Porca parlock 8 mm Unidade 12 5,00
Arruela Lisa 8 mm Unidade 08 1,20
Luva de acoplamento em aço Unidade 01 15,00
Eixo ¼ “ trefilado Metros 2,50 3,00
Fonte: Elaborado pelos autores.
2.2 Bombas hidráulicas
Bombas hidráulicas podem ser construídas em vários tamanhos e formas. Podem
ser manuais ou mecânicas, com vários tipos de mecanismos de bombeamento para as
mais variadas aplicações. Em todas elas, a ação mecânica produz um vácuo parcial na
entrada, fazendo com que a pressão atmosférica empurre o óleo para dentro da bomba
através da sucção. Dentro da bomba, o óleo é forçado para fora através do mecanismo
gerando um fluxo hidráulico na saída. Essas bombas são classificadas em duas
categorias; hidrodinâmicas e hidrostáticas, conforme afirma Moreira (2012, p.75).
2.3 Bomba de engrenamento externo
Bomba de engrenamento externo, popularmente conhecidas como bombas de
engrenagens, possui segundo Moreira (2012, p. 77), duas engrenagens: a motora e a
21
movida como é exemplificado na figura 4. Montadas dentro de uma carcaça justa, a
engrenagem motora é acionada pelo eixo de saída e arrasta a engrenagem movida no
sentido de rotação contrária ao seu. Ao girarem, produzem vácuo parcial na entrada
através da sucção dentro da bomba, como demonstrado à direita da figura 4, o óleo é
conduzindo nos espaços formados entre os dentes das engrenagens e a superfície interna
da carcaça até a saída.
Figura 4 - Bomba de engrenamento externo ou bombas de engrenagens.
Fonte: Moreira (2012, p. 78).
2.4 Filtro de óleo
O filtro de óleo, que pode ser blindado ou com cartucho de papel, é um item
indispensável em um sistema hidráulico, visto que funciona retendo variados tipos de
sujidades, impurezas e partículas. Entretanto, devido ao atrito de peças móveis do
sistema no qual é aplicado (motores, maquinas e unidades hidráulicas), os
contaminantes provocam desgastes em peças e perda de potência. Quando necessário,
os filtros blindados são substituídos integralmente e no filtro com cartucho de papel é
apenas trocado o elemento filtrante.
2.5 Tipos de filtro para sistema hidráulico
Os filtros para sistema hidráulico podem ser:
i) De sucção- são construídos de papel com reforço de tela ou com telas
metálicas, instalados próximos às bombas ou dentro dos reservatórios.
22
ii) De pressão, resistentes a pressão dos sistemas, retém partículas em
suspensão que o filtro de sucção não reteve – são instalados na saída da
bomba.
iii) Filtros de retorno, utilizados em bombas de alto rendimento, sua
finalidade é a retenção de partículas pequenas que podem estar em
suspensão antes que voltem ao reservatório.
2.6 Motor de indução elétrico WEG padrão (Standart)
Composto por rotor em gaiola de esquilo, ou seja, possui o núcleo formado por
chapas ferromagnéticas, isoladas entre si, cujos condutores, feitos de alumínio, estão
posicionados de forma paralela entre si. O estator do motor é composto com um núcleo
ferromagnético laminado, por meio do qual os enrolamentos são alimentados. Possui
várias desvantagens quando comparado ao motor de alta eficiência como maior
consumo de energia elétrica, pois possui uma corrente de partida de até 10 vezes a
corrente nominal e um conjugado de partida fraco, possui um fator de potência mais
baixo, maior temperatura de trabalho e perda de rendimento com baixas cargas.
No o desenvolvimento deste protótipo foi utilizado um motor padrão (standart)
em razão do custo, por limitações econômicas. Porém, recomenda-se na utilização
comercial deste protótipo, a utilização de motor elétrico de alta eficiência, pois,
conforme demonstrado no corpo teórico deste trabalho, os motores de alta eficiência,
contribuem para economia e utilização racional de energia elétrica.
O funcionamento do protótipo é simples, é necessária uma fonte de energia
trifásica 220 v (entre fases) por razão do motor utilizado neste protótipo. Após ligar
devidamente a tomada, é necessário certificar da boa colocação dos filtros para evitar
vazamentos. Coloca se a ponta da mangueira de sucção no reservatório a ser esvaziado e
a mangueira de recalque no reservatório provisório. Aperta se o botão verde da caixa de
comando do protótipo e inicia se a filtração. Ao observar intervalos de óleo na
mangueira de recalque pode se desligar o protótipo através do botão vermelho será o
fim do transporte e filtração do óleo lubrificante.
23
CONCLUSÃO
Os óleos lubrificantes, apesar de agredirem o ambiente se não forem tratados de
forma correta e sustentável, são de muita importância para o bom funcionamento de
equipamentos, pois contribuem para diminuir o atrito e o desgaste, melhorando o
arrefecimento e minimizando a corrosão. Os aditivos, soluções adicionadas ao óleo
básico, agregam características importantes para o bom funcionamento como
antidesgaste, antiespumante, modificador de viscosidade, (SILVEIRA ET AL, 2006, p.
1194). Se descartados na natureza, esses óleos espalham-se com grande facilidade,
poluindo lençóis freáticos e rios. Se incinerados de forma incorreta geram os óxidos dos
metais, causando diversos males como a chuva ácida. (HINRICHS ET AL, 2007, p.
237)
A finalidade de se desenvolver esse protótipo é, através dos recursos que façam
a filtração do óleo lubrificante, remover partículas metálicas provenientes do desgaste
dos componentes mecânicos e transferir óleo lubrificante do seu reservatório de trabalho
para um reservatório provisório, auxiliando assim a manutenção programada ou
corretiva para executar com segurança a extração e filtração do óleo.
Para comprovar a eficácia do protótipo, e a certificação do correto
funcionamento do equipamento quando há rotação do motor, conexões, possíveis
vazamentos e eventuais falhas. Foi utilizada uma amostra proveniente de um diferencial
de uma máquina agrícola, com várias horas de uso. Deste óleo foi retirado 400 ml para
análise levando o nome “Amostra 1 Sujo” como é demonstrado no Anexo 1. Foi feito a
filtragem do óleo enviando para um reservatório previamente limpo para evitarmos
contaminação cruzada4. Do óleo filtrado foi retirada mais uma amostra de 400 ml, sendo
identificada como “Amostra 2 Filtrado” como é demonstrado no Anexo 2. As amostras
foram armazenadas em recipiente estéril e enviadas para o laboratório do Centro de
Treinamento SENAI - Lençóis Paulista, para analisar e quantificar os metais
encontrados nas amostras.
4Contaminação cruzada ocorre quando há um arraste de um contaminante para a amostra a ser
analisada, alterando o resultado.
24
Tabela 2 – Teor de partículas metálicas
Amostra 1 (antes da filtragem) Amostra 2 (depois da filtragem)
Per
cen
tag
em
da
dif
eren
ça
Teor de partículas Metálicas em
óleo “ppm”
Teor de partículas Metálicas em
óleo “ppm”
IT-LTV-015/09 – VER.15 IT-LTV-015/09 – VER.15
Cu 50 Si 18 Cu 46 Si 15 -8,0 -17
Fe 145 Pb 2 Fe 127 Pb 2 -12,4 0
Ag - P 42 Ag - P 42 - 0
Mg 1 Zn 71 Mg 1 Zn 71 0,0 0
Na 2 Li 20 Na 2 Li 20 0,0 0
Ti - Al 5 Ti - Al 4 - -20
Ni 1 Sn - Ni 1 Sn - 0,0 -
Cr 3 Mo 3 Cr 2 Mo 3 -33,3 0
Ca 6 B 1 Ca 6 B 1 0,0 0
Ba 1 W - Ba 1 W - 0,0 -
V 1 V 1 0,0
Co - Co - -
Fonte: adaptada da tabela do resultado da análise feita pelo SENAI.
Legenda:
Cor verde: principais componentes de aditivos
Cor vermelha: metais com que foram removidos após a filtragem.
Segundo o Grupo OILCHECK, os aditivos mais utilizados apresentam os
seguintes metais em sua composição:
A presença dos metais Cálcio (Ca) e Magnésio (Mg) estão relacionados com
aditivos que têm por finalidade a função de detergentes/dispersantes. Auxilia
na manutenção das superfícies limpas, inibe a formação de ácidos e mantém
os materiais insolúveis em suspensão;
A presença de Zinco (Zn) e Fósforo (P) refere-se a um aditivo com várias
funções. Os ditiodostados de Zinco (ZDDPs) são aditivos que tem a
importante função de antidesgaste, antioxidante e também inibidor de
corrosão;
A presença de Molibdênio (Mo) é responsável por modificar o atrito,
facilitando o deslizamento entre peças;
25
A presença de Silício (Si), presente em amostras novas, é muito utilizado em
óleos e tem a função de antiespumante. A empresa afirma que o valor médio
encontrado é de cerca de 10 ppm, não oferecendo risco de desgaste por se
tratar de moléculas orgânicas não abrasivas. O Grupo afirma que acima de
20 ppm pode ser indício de contaminação externa por poeira, o que é muito
abrasivo.
Observa-se, através do resultado da análise, que os metais relacionados aos
aditivos, como o caso do Magnésio (Mg), Cálcio (Ca), Fósforo (P), Zinco (Zn) e
Molibdênio (Mo), permanecem com a mesma quantidade, possivelmente por estarem
solubilizados no óleo. No caso do Si reduziu 17% da quantidade inicial.
No caso dos metais com boa relação entre resistência mecânica e resistência à
fratura, é normalmente comum ter em sua composição química Manganês (Mn), Silício
(Si), Cromo (Cr), Alumínio (Al), Fósforo (P) e Enxofre (S), GGD Metais. No caso dos
metais como o cobre (Cu) houve uma redução de 8%, o ferro (Fe) houve uma redução
de 12,4%, o Cromo (Cr) houve uma redução de 33,3% das partículas e o alumínio (Al)
houve uma redução de 20% das partículas encontradas em relação à amostra antes da
filtragem do óleo.
Conclui se que a seqüência de filtros foi eficiente para a remoção de metais
provenientes de desgaste, pois promove uma reutilização do óleo, oferecendo uma
remoção das principais partículas que podem oferecer desgaste ao equipamento. Além
disso, auxilia na sustentabilidade, já que se evita o descarte do óleo contaminado que
ofereceria muitos riscos para o meio ambiente.
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28
Anexo 1 – Relatório de Ensaio “Amostra 1 – Sujo”
29
Anexo 2 – Relatório de Ensaio “Amostra 2 – Filtrado”