(PDF) TCC UNIP - ENGENHARIA MECÂNICA (BOMBAS DE ENGRENAGENS)

PROJETO E ANÁLISE DO BOMBEAMENTO POSITIVO ENTRE MÚLTIPLAS CONFIGURAÇÕES DE ENGRENAMENTO EXTERNO Trabalho de conclusão de curso apresentado a Universidade Paulista Campus Flamboyant como exigência parcial para obtenção do título de bacharel em Engenharia Mecânica.

UNIVERSIDADE PAULISTA ENGENHARIA MECÂNICA LEONIDAS LÁZARO MARTINS FILHO LUCIANO NERES AZEVEDO VICENTE RAPHAEL SOUZA FREITAS PROJETO E ANÁLISE DO BOMBEAMENTO POSITIVO ENTRE MÚLTIPLAS CONFIGURAÇÕES DE ENGRENAMENTO EXTERNO Goiânia - GO 2019 ENGENHARIA MECÂNICA LEONIDAS LÁZARO MARTINS FILHO LUCIANO NERES AZEVEDO VICENTE RAPHAEL SOUZA FREITAS PROJETO E ANÁLISE DO BOMBEAMENTO POSITIVO ENTRE MÚLTIPLAS CONFIGURAÇÕES DE ENGRENAMENTO EXTERNO Trabalho de conclusão de curso apresentado a Universidade Paulista Campus Flamboyant como exigência parcial para obtenção do título de bacharel em Engenharia Mecânica. Orientador(a): Prof. Ma. Adriane Faria de Almeida Goiânia - GO 2019 FICHA CATALOGRÁFICA Martins, Leônidas; Azevedo, Luciano Neres; Freitas, Vicente Raphael Souza Projeto e análise do bombeamento positivo entre múltiplas configurações de engrenamento externo / Leônidas Martins, Luciano Neres Azevedo, Vicente Raphael Souza Freitas Goiânia, 2019 Orientador: Prof. Ma. Adriane Almeida Trabalho de conclusão de curso (Graduação) – Curso de Engenharia Mecânica Universidade Paulista Campus Flamboyant – UNIP. Inclui biografia. 1. Bomba de Engrenagens. 2. Deslocamento Positivo. 3. Ensino Didático. ENGENHARIA MECÂNICA LEONIDAS LÁZARO MARTINS FILHO LUCIANO NERES AZEVEDO VICENTE RAPHAEL SOUZA FREITAS PROJETO E ANÁLISE DO BOMBEAMENTO POSITIVO ENTRE MÚLTIPLAS CONFIGURAÇÕES DE ENGRENAMENTO EXTERNO Aprovado em: 21/06/2019 Nota final: 9.3 BANCA EXAMINADORA __________________________________ Prof. Ma. Adriane Faria de Almeida Universidade Paulista – UNIP Campus Flamboyant __________________________________ Prof. Me. Christian Carlos A. Moura Universidade Paulista – UNIP Campus Flamboyant __________________________________ Prof. Esp. Ricardo Tadeu Ferracioli Universidade Paulista – UNIP Campus Flamboyant “Não existe triunfo sem perda, não há vitória sem sofrimento, não há liberdade sem sacrifício.” - O Senhor dos Anéis (J.R.R. Tolkien) RESUMO O presente projeto tem como predominante proposta a análise em caráter didático das diferentes configurações de bombeamento engrenado externo utilizado em máquinas de deslocamento positivo de fluidos viscosos e não viscosos. Com base nos testes realizados em bancada dimensionada e confeccionada com o intuito de dinamizar o ensino de engenharia mecânica, este escopo acadêmico tem por objetivo a apresentação dos resultados vinculados ao estudo de desempenho energético e das características mecânicas durante o trabalho de bombeamento de uma bomba de engrenagens externas. Em cada uma das baterias de ensaios, o referido equipamento teve o seu conjunto girante alterado em virtude da configuração de suas engrenagens sendo elas de perfil de dentes retos e helicoidais. Além disso, será descrita todo a metodologia aplicada e o embasamento teórico pertinente a montagem do protótipo. Palavras Chaves: Bomba de engrenagens, Deslocamento Positivo, Ensino didático. ABSTRACT The present project has as predominant proposal the didactic analysis of the different configurations of external meshing pumping used in achines of positive displacement of viscous and non-viscous fluids. Using bench-scale tests designed to dynamize the teaching of mechanical engineering, the objective of this academic scope is to present the results related to the study of energy performance and the mechanical characteristics during the work of pumping of na external gear pump. In each of test batteries, said equipment had its rotating assembly altered by virtue of the configuration of its gears being of spur and helical profile. In addition, it will be described all the applied methodology and the theoretical basis pertinent to the assembly of the prototype. Key Words: Gear Pump, Positive Displacement, Didactic teaching. LISTA DE FIGURAS Figura 01: Canal de irrigação da Mesopotâmia ......................................................... 12 Figura 02: Parafuso de Arquimedes .......................................................................... 17 Figura 03: Teorema de Pascal .................................................................................. 20 Figura 04: Reserva de potência ................................................................................ 23 Figura 05: Bomba de engrenagens externas ............................................................ 25 Figura 06: Curva de NPSH requerido ........................................................................ 27 Figura 07: Bomba de engrenagens Edral .................................................................. 32 Figura 08: Dimensional ED12X19 ............................................................................. 34 Figura 09: Tipos de motores elétricos ....................................................................... 35 Figura 10: Simbologia grau de proteção ................................................................... 40 Figura 11: Forma construtivas motores elétricos ....................................................... 42 Figura 12: Motor elétrico do projeto ........................................................................... 43 Figura 13: Dimensional motor elétrico ....................................................................... 44 Figura 14: Inversores de frequência .......................................................................... 45 Figura 15: Inversor CFW100 ..................................................................................... 48 Figura 16: Blocodiagrama de ligação ........................................................................ 50 Figura 17: Tipos de acoplamentos ............................................................................ 51 Figura 18: Fatores de serviço .................................................................................... 53 Figura 19: Acoplamento ACIONAC modelo AE ......................................................... 55 Figura 20: Forma construtiva ACIONAC AE.............................................................. 55 Figura 21: Reservatório bombona ............................................................................. 59 Figura 22: Painel de força e comando ....................................................................... 60 Figura 23: Diagrama elétrico painel........................................................................... 61 Figura 24: Tubos aço galvanizado ............................................................................ 62 Figura 25: Válvula de esfera tripartida ....................................................................... 64 Figura 26: Dimensional válvula de esfera tripartida ................................................... 65 Figura 27: Válvula de alívio ....................................................................................... 66 Figura 28: Esquema funcionamento manômetro metálico ........................................ 67 Figura 29: Maquete eletrônica ................................................................................... 68 Figura 30: Estrutura metálica .................................................................................... 71 Figura 31: Conjunto motobomba ............................................................................... 72 Figura 32: Protótipo finalizado ................................................................................... 73 Figura 33: Teste de vazão reservatório ..................................................................... 74 Figura 34:Gráfico de vazão volumétrica .................................................................... 75 Figura 35:Gráfico Bancada x Fabricante ................................................................... 76 Figura 36:Gráfico teste de pressão ........................................................................... 78 Figura 37: Medidor Decibéis - Teste de ruído ........................................................... 79 Figura 38: Gráfico teste de ruído ............................................................................... 80 LISTA DE TABELAS Tabela 01: Características operacionais ED12X19 ................................................... 33 Tabela 02: Velocidades motores síncronos............................................................... 38 Tabela 03: Classe de isolamento .............................................................................. 41 Tabela 04: Seleção rápida de acoplamento .............................................................. 52 Tabela 05: Custos materiais e serviços ..................................................................... 69 Tabela 06: Resultados de vazão volumétrica ............................................................ 75 Tabela 07: Pressão x Amperagem ............................................................................ 77 Tabela 08: Teste de ruído ......................................................................................... 80 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 12 1.1 Objetivos gerais --------------------------------------------------------------------------------- 14 1.2 Objetivos específicos -------------------------------------------------------------------------- 14 1.3 Justificativa --------------------------------------------------------------------------------------- 14 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 16 2.1 Contextualização: Máquinas de fluxo ---------------------------------------------------- 16 2.2 Conceitos físicos básicos -------------------------------------------------------------------- 18 2.2.1 Fluido ............................................................................................................ 18 2.2.2 Viscosidade ................................................................................................... 18 2.2.3 Massa específica e peso específico.............................................................. 19 2.2.4 Pressão ......................................................................................................... 19 2.2.4.1 Teorema de Stevin.................................................................................. 19 2.2.4.2 Teorema de Pascal ................................................................................. 19 2.2.5 Vazão ............................................................................................................ 21 2.2.5.1 Equação da continuidade para regime permanente ............................... 21 2.2.6 Energia.......................................................................................................... 21 2.2.7 Potência ........................................................................................................ 23 2.3 Bombas de deslocamento positivo ------------------------------------------------------- 24 2.3.1 Bomba de engrenagens externas ................................................................. 25 2.4 Cavitação ------------------------------------------------------------------------------------------- 26 2.4.1 NPSH e altura de sucção máxima ................................................................ 26 2.5 Fluidos hidráulicos ----------------------------------------------------------------------------- 28 2.6 Análise adimensional -------------------------------------------------------------------------- 30 3 PROJETO E DIMENSIONAMENTO ...................................................................... 32 3.1 Bomba de engrenagens ----------------------------------------------------------------------- 32 3.1.1 Capacidade ................................................................................................... 33 3.1.2 Característica ................................................................................................ 33 3.1.3 Tabela de seleção característica .................................................................. 33 3.1.4 Aplicações..................................................................................................... 33 3.1.5 Dimensional Edral ......................................................................................... 34 3.2 Motor elétrico ------------------------------------------------------------------------------------- 34 3.2.1 Seleção do motor elétrico ............................................................................. 36 3.2.1.1 Potência nominal requerida .................................................................... 36 3.2.1.2 Tipo de motor elétrico ............................................................................. 38 3.2.1.3 Rotação .................................................................................................. 38 3.2.1.4 Tensão .................................................................................................... 39 3.2.1.5 Grau de proteção .................................................................................... 40 3.2.1.6 Classes de isolamento ............................................................................ 41 3.2.1.7 Forma construtiva ................................................................................... 42 3.2.2 Desvios no motor utilizado ............................................................................ 43 3.3 Inversor de frequência ------------------------------------------------------------------------ 45 3.3.1 Seleção do inversor de frequência ................................................................ 46 3.3.1.1 Potência do inversor ............................................................................... 46 3.3.1.2 Tipo de inversor ...................................................................................... 47 3.3.1.3 Modelo e fabricante ................................................................................ 47 3.3.2 Escolha do inversor de frequência ................................................................ 48 3.4 Acoplamento -------------------------------------------------------------------------------------- 50 3.4.1 Dimensionamento de um acoplamento ......................................................... 52 3.4.1.1 Tabela de seleção rápida........................................................................ 52 3.4.1.2 Método de seleção convencional ............................................................ 53 3.4.2 Seleção do acoplamento............................................................................... 54 3.5 Fluido hidráulico--------------------------------------------------------------------------------- 56 3.6 Reservatório -------------------------------------------------------------------------------------- 57 3.6.1 Características construtivas .......................................................................... 58 3.6.2 Reservatório utilizado.................................................................................... 58 3.7 Painel de força e comando------------------------------------------------------------------- 60 3.7.1 Dimensionamento do painel elétrico ............................................................. 61 3.8 Tubos, conexões e acessórios ------------------------------------------------------------- 62 3.8.1 Tubos em aço galvanizado ........................................................................... 62 3.8.2 Conexões em aço carbono ........................................................................... 63 3.8.3 Válvula de esfera tripartida ........................................................................... 64 3.8.4 Válvula de alívio ............................................................................................ 66 3.8.5 Manômetro metálico...................................................................................... 67 3.9 Maquete eletrônica------------------------------------------------------------------------------ 68 4 CONFECÇÃO E MONTAGEM DA BANCADA ..................................................... 69 4.1 Materiais, serviços e custos do projeto ------------------------------------------------- 69 4.2 Confecção e montagem ----------------------------------------------------------------------- 71 5 COLETA E ANÁLISE DOS DADOS ...................................................................... 74 5.1 Teste de vazão do reservatório------------------------------------------------------------- 74 5.2 Teste de vazão tubo de Venturi ------------------------------------------------------------ 76 5.3 Teste de pressão: intensidade x amperagem ----------------------------------------- 77 5.4 Teste de ruído ------------------------------------------------------------------------------------ 79 6 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 81 7 REFERÊNCIAS ...................................................................................................... 83 1 INTRODUÇÃO O estudo da mecânica remete ao ramo da física que está relacionada a análise dos movimentos cinemáticos e dinâmicos. Desde o início das primeiras sociedades, o homem tem voltando a sua atenção a esta área de conhecimento com o intuito de entender melhor o mundo que o cerca e desta maneira criar oportunidades de melhorias contínuas em seu dia a dia, utilizando-se de equipamentos e sistemas desenvolvidos exclusivamente para a progressividade de sua qualidade de vida. Em seu livro, Henn (2012, p. 25) destaca que, mesmo cerca de 3000 anos antes de Cristo, os mesopotâmios já manifestavam interesse na energia e na utilização econômica dos fluidos visto no emprego dos primeiros sistemas de irrigação datados pela humanidade. Além disso, outros povos como egípcios e gregos também tiveram o seu desenvolvimento otimizado graças ao constante interesse pelas ciências exatas, sobretudo, pela mecânica. Figura 01: Canal de irrigação da Mesopotâmia Fonte: Ancient Mesopotamia, 2018. Entretanto, o surgimento da engenharia mecânica, enquanto campo específico de conhecimento, remete a Europa do século XXVIII durante a revolução industrial, ainda que suas premissas possam ser percebidas há milhares de anos 12 atrás. Enquanto ciência, a engenharia mecânica é resultado do desenvolvimento da física no decorrer do século XIX e conceitua-se como o ramo da engenharia que cuida do projeto, construção, análise, operação e manutenção de sistemas mecânicos. Segundo o censo da educação superior realizado pelo INEP, em 2016, o Brasil contava com 131.672 alunos matriculados em 443 cursos de graduação presenciais em engenharia mecânica em todo país. Para o mesmo ano, estima-se que mais de 11 mil alunos concluíram o curso de graduação na modalidade presencial. Estes números são bastante expressivos quando remetem a importância do papel desempenhado pela figura do engenheiro mecânico para o desenvolvimento econômico e tecnológico de um país. No entanto, segundo Harley Pinto, responsável pela comunicação do Instituto de Educação Tecnológica (IETEC), “o Brasil perde na formação de novos engenheiros até mesmo de outros países, emergentes” (PINTO, 2018). Isto implica em dizer que o déficit de profissionais, associado a falta de incentivo tecnológico, tem considerável parcela de culpa nos baixos índices de crescimento da economia brasileira. Por outro lado, Maria Gurgel, diretora global de Recursos Humanos da Vale, acredita que o maior problema não está vinculado a falta de engenheiros no mercado, mas sim a baixa qualificação destes profissionais, o que, por sua vez, tem dificultado e até mesmo impossibilitado a realização de certos projetos (PINTO, 2018). Com efeito, o principal papel a ser exercido pelo profissional de engenharia, sobretudo o engenheiro mecânico, é o de proporcionar a melhoraria na qualidade de vida da população utilizando os recursos de maneira consciente. Para tal, Eládio dos Anjos Pereira, coordenador de vendas para clientes globais da Danfoss do Brasil, afirma que “é fundamental estudar sempre, informar-se, dedicar-se para aprender mais e conseguir uma formação mais sólida” (ULTIMO SEGUNDO, 2018). Para a análise do bombeamento será necessário projetar e confeccionar um circuito hidráulico modelo em bancada com padrões didáticos. O objeto principal deste sistema é o conjunto motobomba volumétrica de engrenagens externas, ao qual passará por baterias de ensaios, alterando-se as configurações de engrenamento por meio da utilização de conjuntos girantes intercambiáveis com engrenagens de dentes retos e helicoidais. 13 1.1 Objetivos gerais O principal objetivo deste escopo acadêmico é o projetar e a analisar didaticamente o bombeamento com fluxo positivo de fluidos viscosos e não viscosos entre múltiplas configurações de uma bomba de engrenamento externo. 1.2 Objetivos específicos  Projetar bancada didática para realização de testes de bombeamento;  Dinamizar estudo de discentes e profissionais de engenharia;  Aprofundar conceitos sobre máquinas volumétricas;  Validar modelos físicos e matemáticos através do experimento;  Tornar acessível o estudo empírico da mecânica dos fluídos;  Concluir resultados experimentais sobre os diferentes tipos de engrenamento externo. 1.3 Justificativa Sistemas hidráulicos são utilizados para a geração, controle e transmissão de energia, seja potencial, cinética ou trabalho através de líquidos pressurizados, o que proporciona características tais como alta precisão, força, controle de velocidade e do sentido de deslocamento. Por sua versatilidade, pode ser adaptado tanto para pequenas indústrias quanto em processos de fabricação mais complexos, onde sua popularidade se dá em réplica aos altos índices de eficiência na transferência de energia através de pequenos canais como mangueiras flexíveis e tubos para áreas de difícil acesso. O avanço da computação aliado à engenharia de materiais permitiu que os testes nos fluidos de trabalho, antes realizados em laboratórios, fossem replicados em ambiente virtual. A análise de propriedades como viscosidades (dinâmica e cinemática), massa especifica e do comportamento em variações de temperatura e pressão possibilitou o avanço na criação de novos fluidos de trabalho com propriedades e aditivos específicos para um projeto. Ainda sobre o desenvolvimento das simulações numéricas por computador, é 14 válido ressaltar que, com o uso delas, tornou-se mais precisa a visualização de fluxos complexos, prevendo comportamentos por meio de ensaios simulados e permitindo o cálculo e projeção de novos tipos de máquinas. Além disso, as máquinas de comando numérico computadorizado (CNC) têm otimizado a produção padronizada de protótipos e equipamentos (HENN, 2012, p. 27). Atualmente as máquinas de fluido usam, também, outros recursos eletrônicos. Diversos sensores ao longo da linha de transmissão de potência do fluido captam os dados onde, interconectados a rede, estes são enviados, processados eletronicamente e os resultados físicos são analisados. Alterações nas taxas e limites de trabalho deste equipamento podem ser realizadas e transmitidas novamente para rede, alterando-se assim os parâmetros do equipamento. Tal conexão interna orienta os operadores a tomar decisões em tempo real, o que confere a estas máquinas características em conformidade a nova revolução industrial, chamada de indústria 4.0. Segundo Pedro Miguel Nogueira Coelho (2016), o termo indústria 4.0 ou smart factory, remete ao vislumbre do que será uma fábrica no futuro, onde é idealizado a maior flexibilização, agilidade, inteligência e dinamização, tanto, de processos industriais, quanto, de equipamentos e cadeias de abastecimento. Os impactos deste novo modelo de produção, ainda segundo Pedro Miguel Nogueira Coelho, envolvem as exigências de parceiros de negócios e de cliente, abrangendo assim os dois lados da cadeia de abastecimento. As alterações esperadas infundem na transformação e conversão dos modelos operacionais em digitais, novas formas de parcerias, produtos mais inteligentes e mudança nas expectativas dos clientes. A indústria necessita de colaboradores que sejam capacitados a operar neste novo formato de produção digital e inteligente. Logo, é preciso desenvolver e estimular competências capazes de satisfazerem as eminentes necessidades do modelo industrial advindo, refletindo intrinsicamente na formação de profissionais comprometidos com os impactos da digitalização do processo produtivo. 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Conceituadas por Henn (2012, p. 28) como “o equipamento que promove a troca de energia entre um sistema mecânico e um fluido”, as máquinas de fluido são utilizadas nos mais diversos tipos de aplicações desde as eras mais remotas onde “o conhecimento sobre a energia contida nos fluidos e sua utilização econômica tem sido um dos fatores primordiais para o desenvolvimento da humanidade”. (HENN, 2012, p. 25) A ciência que estuda o comportamento dos fluidos e todo o potencial energético neles contido é conhecida como Mecânica dos Fluidos. Seus fundamentos são a base para inúmeras aplicações práticas da engenharia sendo de suma importância ao engenheiro o conhecimento aprofundado de seus conceitos, uma vez são poucos os ramos que fogem a sua aplicação. (BRUNETTI, 2008, p. 1) 2.1 Contextualização: Máquinas de fluxo Dizia o filósofo grego Platão (428-348 a.C.), “a necessidade é a mãe da invenção” e, mesmo antes desta colocação, o homem já possuía urgência em transportar fluidos. Na antiguidade egípcia, a produção de alimentos já demandava transporte hidráulico, que transportavam água em potes até os campos cultivados. Por volta de 1500 a.C. surgiram as primeiras máquinas para tal propósito, como a picota, o sarilho, a nora, a roda persa etc. todas máquinas movidas por uma fonte de trabalho humano ou animal. Com o aperfeiçoamento das tecnologias surgiram então as primeiras bombas para transporte e elevação de fluidos. A primeira invenção considerada como bomba foi criada por Arquimedes, por volta de 250 a.C., e era um dispositivo em forma de parafuso que transportava de forma eficaz a água de um menor potencial para um maior potencial. Este invento continua em uso, aplicado em diversas máquinas, por gerar uma vazão constante. Entretanto, o primeiro homem a construir definitivamente uma máquina qualificada como bomba foi o matemático e engenheiro grego Ctesibius, por volta de 120 a.C., configurando-se em um grande avanço tecnológico. Fabricada em bronze, a bomba de pistões, conjugada ao auxílio de válvulas que abriam e fechavam automaticamente, possuía aplicação nos porões de navios e proporcionou um 16 grande avanço nas embarcações da época. Figura 02: Parafuso de Arquimedes Fonte: Hpssociety, 2018. No século XVII a invenção de máquinas a vapor trouxe mais um avanço na tecnologia de bombeamento com a participação de grandes nomes como Rannequin (1645 − 1708), Denis Papin (1647 – 1712) e Thamas Savery (1650 - 1715), que fora o construtor da primeira bomba aspirante acionada por vapor d´água). Mais tarde, no século XVIII essas tecnologias foram aperfeiçoadas por Thomas Newcomen (16631729) e por James Watt (1736 - 1819). A partir de então, com avanço dos estudos em outras áreas da engenharia e principalmente com o aperfeiçoamento da eletrônica e toda a sua revolução tecnológica, impulsionou-se o avanço a passos largos dos mecanismos de transporte e interação com fluidos. Atualmente, por suas diversas vantagens, as bombas e circuitos hidráulicos estão presentes em toda a mecânica contemporânea, contribuindo de forma extremamente significativa com o desenvolvimento tecnológico e manutenção dos complexos socioeconômico. 17 2.2 Conceitos físicos básicos No intuito de proporcionar uma experiência mais aprofundada sobre as máquinas de fluido no escopo deste trabalho acadêmico, será apresentada uma breve revisão de conceitos fundamentais da mecânica dos fluidos e também da termodinâmica, uma vez que está última se encontra intimamente ligada a primeira. 2.2.1 Fluido De maneira simplória, pode-se definir fluido como uma substância que não possui uma forma própria, o que implica em dizer que ele sempre assumirá a formato do recipiente ao qual está contido. Esta definição se dá pela comparação com um sólido, ao qual pode-se afirmar que os líquidos e os gases são fluidos. Entretanto, em seu capítulo introdutório, Brunetti (2008, p.2) escreve que o “fluido é uma substância que se deforma continuamente, quando submetida a uma força tangencial constante qualquer”, não atingindo assim uma nova configuração de equilíbrio. 2.2.2 Viscosidade Em análise ao estudo de Newton sobre os fluidos, é entendido como viscosidade a grandeza física que mensura a resistência interna de um fluido ao fluxo, relatando a maior ou menor dificuldade no escoamento. Esta lei newtoniana impõe uma proporcionalidade entre a tensão de cisalhamento e o gradiente da velocidade. (BRUNETTI, 2008, p. 4). Matematicamente se escreve: τ= µ.𝑑𝑣 𝑑𝑦 (Eq. 2.1) onde τ representa a tensão de cisalhamento (força tangencial por unidade de área), µ viscosidade dinâmica ou absoluta e dv/dy é o gradiente de velocidade. Newton identificou que na maioria dos fluidos o cisalhamento é proporcional ao gradiente de velocidade, sendo estes, como a água, o ar, o óleo e etc., chamados de fluidos 18 newtonianos em virtude da constância em sua viscosidade, independendo das taxas de cisalhamento e do tempo. 2.2.3 Massa específica e peso específico São propriedades dos fluidos que se enunciam respectivamente como a massa de um fluido por unidade de volume e o peso de um fluido por unidade de volume. 2.2.4 Pressão Conforme Fialho (2004, p. 14), a hidrostática define pressão como sendo a “força exercida pelo fluido por unidade de área do recipiente que o contém. Isso se dá em função da atuação da componente normal de uma força aplica sobre uma superfície, originando às pressões. Por outro lado, a componente tangencial origina as tensões de cisalhamento. Do pressuposto de pressão, pode-se enunciar dois teoremas de grande importância para estática dos fluídos: Teorema de Stevin e Teorema de Pascal. 2.2.4.1 Teorema de Stevin Brunetti (2008, p. 19) aborda o princípio de Stevin como sendo a igualdade existente entre o produto do peso do fluido e a diferença de cotas entre dois pontos genéricos, frente a diferença de pressão entres esses dois pontos. Visto isto, podese afirmar que a diferença de pressão em um fluido depende exclusivamente de seu peso específico e da diferença entre as cotas geométricas dos pontos analisados. Equacionando fica: P2 - P1 = γ (Z1 – Z2) (Eq. 2.2) 2.2.4.2 Teorema de Pascal Conforme o enunciado de Moreira (2012, p. 11), “a pressão, originada a partir de uma força aplicada em uma unidade de área, é transmitida em todos os sentidos 19 e direções, através de um líquido confinado”. Isso quer dizer que a pressão recebida por um sistema é transmitida integralmente a todos os pontos do fluido, seja ele líquido ou gasoso. Esta lei tem grande importância em problemas envolvendo dispositivos que ampliam e transmitem força por meio da pressão aplicada em um fluido (BRUNETTI, 2008, p. 4). Ela vem sendo utilizada desde a Revolução Industrial quando o mecânico Joseph Bramah se utilizou do teorema de pascal para desenvolver a primeira prensa hidráulica. “Bramah percebeu que, se uma força moderada fosse aplicada em uma área pequena, isso gerava, proporcionalmente, uma força grande em uma área maior” (MOREIRA, 2012, p. 11). Matematicamente falando, escreve-se o teorema de Pascal como sendo: 𝐹1 𝐴1 𝐹2 = 𝐴2 = Ps (Eq. 2.3) onde (F) é a intensidade da força aplica sobre uma área de proporção (A) resultando na pressão (P) geral do sistema. Figura 03: Teorema de Pascal Fonte: Chegg Study, 2018. 20 2.2.5 Vazão Vazão pode ser definida como o volume de fluido (V) que passa por uma determinada seção do escoamento (A) por unidade de tempo (t). Brunetti (2008, p. 72) afirma que a vazão em volume e a velocidade média de escoamento do fluido (v) se relacionam diretamente, uma vez que em dado intervalo de tempo há deslocamento volumétrico de fluido por uma certa distância (s). Assim sendo, podese escrever: Q= 𝑉 𝑡 = 𝑠.𝐴 𝑡 = v.A (Eq. 2.4) 2.2.5.1 Equação da continuidade para regime permanente Regime permanente ou movimento permanente é tratado por Azevedo Netto e Fernández (2015, p. 64) como a situação onde as partículas de um fluido, em determinado ponto, apresentam as mesmas características físicas (mesma velocidade e massa específica) e estão sujeitas a mesma pressão. Em outras palavras, o regime é dado como permanente quando não há variação das propriedades do fluido com o tempo. Com base e tratando-se de regime permanente, pode-se afirmar que a quantidade de líquido que entra na seção (A1) é igual à que sai na seção (A2). Escreve-se: 2.2.6 Energia Q1 = Q2 ou ρ1.Q1 = ρ2.Q2 ou ρ1.v1.A1 = ρ2.v2.A2 (Eq. 2.5) O estudo da termodinâmica nos permite enunciar que a energia que o sistema recebe menos a energia que o sistema entrega é igual a variação da energia total do sistema. Este enunciado remete à primeira lei da termodinâmica conhecida como princípio de conservação de energia. Com base, afirma-se, assim como Fialho (2004, p. 23) e Moreira (2012, p. 14), que a energia não pode ser criada e nem destruída, apenas convertida. 21 Mas qual é o conceito básico adotado pela física para definir energia? Para a física, a energia é uma magnitude abstrata que está relacionada ao estado dinâmico de um sistema. Em outras palavras, energia é a capacidade de pôr em movimento ou de transformar algo. Segundo Çengel e Boles (2013, p. 53), Thomas Young criou o termo energia em 1807 e teve seu uso proposto na termodinâmica em 1852 por Lord Kelvin. Partindo do princípio da primeira lei da termodinâmica apresentado, Bunetti (2008, p. 85) afirma que “é possível construir uma equação que permitirá fazer o balanço das energias [...] por meio da equação da continuidade”, sendo está chamada de equação da energia ou equação de Bernoulli. Considerando as perdas devido ao escoamento como desprezíveis, pode-se escreve-la como: 𝑃1 𝜌𝑔 + 𝑉1² 2𝑔 + z1 = 𝑃2 𝜌𝑔 + 𝑉2² 2𝑔 + z2 (Eq. 2.6) onde (P) é a pressão, (ρ) a massa específica do fluido, (g) a aceleração da gravidade, (v) velocidade do fluido e (z) a cota geométrica. Ao considerar a equação de Bernoulli na presença de uma máquina, adicionase o termo carga manométrica (H – energia por unidade de peso) no lado esquerdo a equação. Para admissão de valores positivos para (H), considera-se que está máquina é uma bomba, enquanto valores negativos para (H) fazem menção a uma turbina. Sucintamente Brunetti (2008, p. 91) explica que qualquer máquina que forneça energia ao fluido será denominada bomba e qualquer máquina que retire energia do fluido é chamado de turbina. Com base fica: 𝑃1 𝜌𝑔 + 𝑉1² 2𝑔 + z1 + Hm = 𝑃2 𝜌𝑔 + 𝑉2² 2𝑔 + z2 (Eq. 2.7) Por fim, consideremos para a mesma equação o percentual de energia dissipado em virtude das irreversibilidades do sistema escrito em um único termo (Hp), inserido ao lado direto da igualdade: 𝑃1 𝜌𝑔 + 𝑉1² 2𝑔 + z1 + Hm = 𝑃2 𝜌𝑔 + 𝑉2² 2𝑔 + z2 + Hp (Eq. 2.8) 22 2.2.7 Potência Potência pode ser entendida como a grandeza física que determina a quantidade de energia concedida por uma fonte a cada unidade de tempo. Segundo Henn (2012, p. 41) a potência consumida ou fornecida por um sistema pode ser calculada com base na energia por unidade de massa chamada de trabalho específico (Y). Assim se escreve: P = ρ.Q.Y (Eq. 2.9) Em seu livro mecânica dos fluídos, Franco Brunetti (2008, p. 93) afirma que “a energia fornecida ou retirada do fluido, por unidade de peso, é indicada por Hm (carga manométrica)”. Através desta notação e sabendo-se que este dado pode ser encontrado através do balanço de energia de na presença de uma máquina, é possível calcular a potência exigida no eixo da bomba conhecendo-se o seu rendimento(η): Peixo = 𝛾.𝑄.𝐻𝑚 𝜂 (Eq. 2.10) Entretanto, a magnitude da potência consumida no eixo não deve ser tida como absoluta para o dimensionamento dos motores que farão o acionamento do conjunto. É necessário, portanto, considerar uma reserva de potência para evitar sobrecargas no sistema e esta recomendação costuma variar de acordo com as especificações do fabricante de bombas, usualmente sendo aplicadas na escolha dos motores comerciais, como por exemplo, na figura abaixo. Figura 04: Reserva de potência Fonte: Amboretto, 2018. 23 2.3 Bombas de deslocamento positivo As máquinas de deslocamento positivo, também conhecidas como máquinas de fluxo, transferem a energia mecânica para o fluido através de um aprisionamento momentâneo em câmeras formadas entre a carcaça da máquina de fluxo e o elemento com movimento contínuo, seja ele alternativo ou rotativo. Durante o funcionamento, a variação da pressão estática nas máquinas de fluxo acontece pela variação de volume no interior das câmaras que se formam e se extinguem a medida que o elemento rotativo ou alternante completa seu movimento, mantendo isolado o fluido que está na sucção do fluido que é deslocado para o recalque (HENN, 2012, p. 419). Nessa categoria de bombas, a transmissão de energia ao fluido se dá diretamente pelo trabalho de um embolo ou pistão entre os dentes de um par de engrenagens, por um parafuso ou por um conjunto deles, por par de lóbulos, por palhetas ou através de uma membrana, provocando um deslocamento de um volume definido de fluido para a tubulação de recalque. Apesar de serem mais robustas, as máquinas de deslocamento positivo, enquanto comparadas as máquinas de fluxo, estão mais suscetíveis ao desgaste de seus componentes mecânicos e também a contaminação do fluido de trabalho por lubrificantes. Em contrapartida, Henn (2012, p. 419) afirma que “existem tipos de aplicação nas quais as máquinas de deslocamento positivo têm mantido a supremacia”. Dentre estas aplicações, destacam-se a compressão de vapor em sistemas de refrigeração, a dosagem de substâncias químicas em processos industriais, a transferência de fluidos com alto teor de viscosidade e os sistemas de geração de vácuo. As máquinas de fluxo têm participação praticamente exclusiva em aplicação de controle de transmissões hidráulicas devido a sua capacidade de recalcar uma quantidade definida e praticamente invariável de fluido, independendo da pressão do sistema em que são empregadas. Além disso, também são predominantes em linhas com elevadas pressões e vazões reduzidas. Existem inúmeros tipos de bombas de deslocamento positivo, como por exemplo, bombas de êmbolos, pistões radiais, pistões axiais, diafragma, palhetas, peristáltica, parafuso, lóbulos, engrenagens internas e externas e etc. Entretanto, o enforque deste pesquisa se dá nas bombas de engrenamento externo. 24 2.3.1 Bomba de engrenagens externas De acordo com Henn (2012, p. 432), a bomba de engrenagens é constituída por um par de engrenagens que giram em torno de uma carcaça onde este movimento provoca a admissão de líquido na sucção. “O líquido é transportado, através dos espaços compreendidos entre os dentes das engrenagens e a parede interna da carcaça” e “o engrenamento dos dentes [...] impede a comunicação entre a câmara de pressão e a câmara de sucção”. Figura 05: Bomba de engrenagens externas Fonte: Edral, 2018. Para o engrenamento externo, conforme Fialho (2003, p. 61), “uma das engrenagens é a motriz acionada pelo eixo a qual gira a outra, montada numa carcaça com placas laterais”. Além disso, as engrenagens giram em sentidos opostos produzindo o vácuo na sucção e a pressão na descarga. Estas altas pressões no circuito de recalque “impõem uma carga radial nas engrenagens e rolamentos” (FIALHO, 2003, p. 62). Os dentes das bombas de engrenagens externas podem ser tanto retos quanto helicoidais. Nesta primeira, há predominância apenas de esforços radiais no conjunto girante, enquanto o uso do segundo modelo possibilita a decomposição destas forças também no sentido longitudinal na ação do engrenamento, paralelamente ao eixo. Entretanto, de acordo com Macintyre (1997), é possível anular esse esforço 25 longitudinal transmitido aos mancais de escoras através da utilização de engrenagens de dentes helicoidais duplas. Está solução, além de minimizar a atuação de forças indesejadas, também é adotada no bombeamento de líquidos que se solidificam quando não aquecidos, sendo está alternativa vinculada a projetos especiais que demandam carcaças encamisadas para serem aquecidas com água quente ou vapor. 2.4 Cavitação O fenômeno conhecido por cavitação, em linhas gerais, pode ser definido como a “formação de cavidades macroscópicas em um líquido a partir de núcleos gasosos microscópicos” (HENN, 2012, p. 136). Entre seus principais efeitos, pode-se citar a perca de rendimento, danificação do equipamento, corrosão, contaminação do fluido com partículas de metal e trepidação/vibração excessiva do conjunto. 2.4.1 NPSH e altura de sucção máxima Conforme Henn (2012, p. 144), nenhum ponto pertencente a linha de sucção deve estar abaixo da pressão do líquido durante o bombeamento. Está medida visa evitar a incidência do fenômeno de cavitação e consequente deterioração acelerada das máquinas de fluido. Assim sendo, é possível acompanhar mais de perto a satisfação deste parâmetro através da análise de NPSH (Net Positive Suction Head). Em tradução livre, NPSH significa Saldo Positivo de Altura de Sucção, entretanto, seu conceito remete “a energia disponível para conduzir o líquido através da canalização de sucção [...] sem risco de vaporização” (HENN, 2012, p. 144). 𝑁𝑃𝑆𝐻𝐷 = 𝑃 𝛾 + 𝐶² 2𝑔 − 𝑃𝑣 𝛾 − 𝐻𝑠𝑔 − 𝐻𝑝𝑠 (Eq. 2.11) Onde: NPSHD: energia disponível no sistema (mcl); P: pressão no pórtico da bomba (kgf/m²); γ: peso específico do fluido em questão (kg/m³); 26 C: velocidade do fluido na entrada da bomba (m/s); g: aceleração gravitacional (m/s²); Pv: pressão de vaporização do liquido em função da temperatura que se encontra (kgf/m2); Hsg: Altura de sucção geométrica (m); Hps: Perda de carga na tubulação de sucção (mcl); Outro dado de importante análise é a energia de segurança à cavitação ou simplesmente NPSH requerido pela bomba. Este depende das características construtivas da máquina e do fluido bombeado, tendo seu valor determinado por experimentalmente em função da vazão operacional. “Por esse motivo, o seu valor geralmente é obtido a partir de uma curva característica, NPSH = f (Q), fornecida pelo fabricante” (HENN, 2012, p.147). Figura 06: Curva de NPSH requerido Fonte: KSB, 2018. Com base no exposto, para não ocorrer o fenômeno de cavitação é imprescindível que o NPSH disponível seja no mínimo igual ou maior que o NPSH requerido pela bomba na vazão de operação. A fabricante de bombas Grundfos, por exemplo, recomenda que o valor NPSH disponível nos orifícios de aspiração da bomba deve ser sempre pelo menos 0.5 m superior ao valor NPSH requerido. Outro fator de importância para o bombeamento de líquido é o máximo valor da altura de sucção geométrica, caracterizado como sendo o ponto da linha de sucção onde a pressão absoluta equipara-se ao valor da pressão de vaporização do líquido, dando início a cavitação (HENN, 2012, p. 149). Escreve-se: 27 𝐻𝑠𝑔𝑚á𝑥 ≥ 𝑃 𝛾 + 𝐶² 2𝑔 − 𝑃𝑣 𝛾 − 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑅 − 𝐻𝑝𝑠 (Eq. 2.12) Onde: Hsgmáx: Altura geométrica de sucção máxima (mcl); P: pressão no pórtico da bomba (kgf/m²); γ: peso específico do fluido em questão (kg/m³); C: velocidade do fluido na entrada da bomba (m/s); g: aceleração gravitacional (m/s²); Pv: pressão de vaporização do liquido em função da temperatura que se encontra (kgf/m2); NPSHr: NPSH requerido pela máquina de fluxo (m); Hps: Perda de carga na tubulação de sucção (mcl); Henn (2012, p. 149) afirma que: No caso de altura de sucção negativa, a bomba encontra-se instalada abaixo do nível do reservatório de sucção, possibilitando o escoamento por gravidade do líquido para o seu interior, caracterizando, desta maneira, a denominada instalação com bomba afogada. O valor obtido [...] passa a significar, então, o afogamento mínimo [...] a que deve ser submetida a bomba para que não haja cavitação. (HENN, 2012, p. 149). Mesmo o termo NPSH sendo mais usual, outros dois termos chamados NPIPA (Net Positive Inlet Pressure Avalible) e NPIPR (Net Positive Inlet Pressure Required) são utilizados no bombeamento positivo para combater a cavitação. Estes termos são dados em unidades de pressão e significam, conforme Henn (2012, p. 437), “pressão disponível na admissão da bomba para introduzir o líquido” e “pressão requerida na admissão da bomba para que não haja risco de cavitação”, respectivamente. Matematicamente são dados como sendo: NPIPA = g.ρ.NPSHd e NPIPR = g.ρ.NPSHr (Eq. 2.13) 2.5 Fluidos hidráulicos Para Moreira (2012, p. 43), “o termo fluido, no uso geral em Hidráulica, referese ao líquido utilizado como meio de transmitir energia”. Entretanto, sabe-se que 28 para a física, a concepção de fluido alcança tanto substâncias líquidas como gasosas. Conforme afirma Moreira (2012, p. 43): A escolha certa e os cuidados a serem observados no uso do fluido hidráulico são fatores preponderantes no desempenho satisfatório de máquina, bem como na vida útil dos componentes do sistema hidráulico (MOREIRA, 2012, p. 43). A precaução com a escolha dos fluidos hidráulicos vem em réplica as suas quatro funções principais: transmissão de energia, lubrificação do sistema, vedação de folgas entre partes móveis e resfriamento do sistema hidráulico. Conforme a aplicação, a falta de eficiência em alguma destas incumbências pode comprometer processos e acarretar em incontáveis prejuízos. Enquanto a suas propriedades, o fluido hidráulico deve ser capaz de satisfazer as necessidades de suas funções principais. Moreira (2012, p. 46) destaca:  Viscosidade;  Capacidade de lubrificação;  Resistência a oxidação;  Prevenção contra ferrugem e corrosão;  E demulsibilidade (capacidade de isolar a água). O uso de aditivos confere ao fluido hidráulico melhoria em características desejáveis, porém, não é aconselhado o seu uso aleatório. Os aditivos “devem ser analisados quanto a sua composição química [...] afim de evitar possíveis reações químicas [...] que prejudiquem o funcionamento do sistema hidráulico” (MOREIRA, 2012, p. 53). Os fluidos hidráulicos são classificados em óleos minerais, fluidos sintéticos e fluidos resistente ao fogo:  Óleo minerais: São os mais comuns em sistemas hidráulicos devido suas propriedades lubrificantes e range de temperaturas de trabalho que suportam. Compatível com a maior parte dos sistemas. 29  Fluidos sintéticos: Satisfazem todas as necessidades de um sistema hidráulico em função de seus compostos químicos, trabalhando acima dos limites dos óleos minerais e possuindo custo mais elevado.  Fluidos resistentes ao fogo: Utilizados em máquinas e equipamentos hidráulicos sujeitos a ambientes expostos a altas temperaturas ou que apresentem risco de combustão. É extremante importante o controle e a manutenção do fluido hidráulico enquanto ao seu armazenamento, manipulação e operação, principalmente por se tratar de um item de valor expressivo. “Trocas constantes do óleo e limpezas inadequadas, além de provocar paradas indesejáveis do equipamento, custam caro” (MOREIRA, 2012, p. 54). 2.6 Análise adimensional A análise dimensional ou teoria dos modelos, segundo o professor Franco Brunetti (2008, p. 141), é uma teoria matemática que, aplicada à Física, e especialmente à Mecânica dos Fluidos, permite tirar maiores proveitos dos resultados experimentais, assim como racionalizar a pesquisa e, portanto, diminuir-lhes custos e perdas de tempo. (BRUNETTI, 2018, p. 141). Tal colocação implica em reconhecer a validade de modelos matemáticos na formulação de análises experimentais e na construção de protótipos eficazes. Por meio deste estudo, torna-se possível a obtenção de grandezas adimensionais que independem de toda e qualquer grandeza fundamental, poupando tempo e recursos na pesquisa de um certo fenômeno físico (BRUNETTI, 2018, p. 144). O teorema dos π de Buckingham (1914) permite a conexão entre o estudo realizado em um modelo e os resultados a serem encontrados em um protótipo através das semelhanças definidas pelas mesmas funções características. Além destas funções, é observado também as escalas de semelhança, objeto que relaciona uma grandeza referente ao modelo e a mesma grandeza referente ao protótipo (BRUNETTI, 2018, p. 152). No âmbito da mecânica dos fluidos, os principais coeficientes adimensionais são: 30 ψ= g.HB n².Dr² ϕ= ϔ= Nb - Coeficiente manométrico (Eq. 2.14) Q - Coeficiente de vazão (Eq. 2.15) - Coeficiente de potência (Eq. 2.16) n.Dr³ ρ.n².Dr5 Re = ρ.n.Dr² μ - Número de Reynolds (Eq. 2.17) Onde: g: aceleração gravitacional; HB: carga manométrica disponibilizada pela máquina de fluxo; n: rotação do equipamento; Dr: diâmetro nominal do rotor; Q: vazão volumétrica no bombeamento; Nb: potência consumida pela máquina de fluxo; ρ: massa específica do fluido bombeado; μ: viscosidade dinâmica do fluido bombeado; Estes números adimensionais serão de grande valia na análise dos dados a serem coletados durante as baterias de testes hidráulicos de maneira a complementar as lacunas deixadas pelos desvios no projeto, reduzir custos e otimizar o tempo de estudo. 31 3 PROJETO E DIMENSIONAMENTO Com base nos teoremas físicos e matemáticos revisados no capítulo dois e na ciência dos resultados didáticos a serem obtidos através deste estudo empírico, fez-se possível a sequência com o dimensionamento do projeto buscando sua viabilidade econômica e acadêmica. O ponto inicial desta mensuração foram as bombas de deslocamento positivo do tipo engrenagens externas. 3.1 Bomba de engrenagens Bem como exposto anteriormente, o objeto principal desta análise de bombeamento é a bomba de engrenagens externas. Através da modificação de suas configurações características e da modulação operacional do equipamento, serão coletados dados que evidenciem as diferenças e semelhanças entre cada tipo de engrenamento: reto e helicoidal. Figura 07: Bomba de engrenagens Edral Fonte: Edral, 2019. Em virtude das configurações técnicas, custos para aquisição e acessibilidade ao fornecedor, o equipamento selecionado para direcionamento do estudo foi a bomba de engrenagens da marca Edral, modelo ED12X19. Além de permitir a alteração do conjunto girante conforme as premissas solicitadas, o equipamento em questão possui características e capacidades que se adequam a construção didática do protótipo. 32 3.1.1 Capacidade  Vazão Máxima: 1.100 litros/hora  Pressão Máxima: 22-bar  Rotação máxima: 1750-RPM  Viscosidade: De 0,5 até 200.000 cSt  Temperatura Máxima: Até 350°C 3.1.2 Característica  Bocais de sucção e recalque roscados Ø 1/2" BSP;  Engrenagens dentes helicoidais ou dentes retos;  Vedação por gaxeta;  Mancais deslizantes em buchas auto lubrificantes;  Construção em ferro fundido. 3.1.3 Tabela de seleção característica Abaixo segue tabela característica para a bomba Edral ED12X19 elucidando os pontos operacionais do equipamento utilizado. Tabela 01: Características operacionais ED12X19 Fonte: Edral, 2019. 3.1.4 Aplicações  Bombeamento e transferência de fluidos em geral;  Sistemas de lubrificação; 33  Sistemas de filtragem;  Unidades de abastecimento;  Carga e descarga de caminhões tanque;  Sistemas de circulação e recirculação de fluidos;  Sistemas de alimentação de linhas, máquinas e equipamentos;  Dosagem em processos industriais;  Drenagem de fluidos;  Sistemas de refrigeração de máquinas e equipamentos;  Máquinas e equipamentos hidráulicos em geral; 3.1.5 Dimensional Edral Figura 08: Dimensional ED12X19 Fonte: Edral, 2019. 3.2 Motor elétrico Os motores elétricos são descritos por Mamede Filho (2010, p. 264) como máquinas que transformam a energia elétrica em energia mecânica de utilização. Seu funcionamento se baseia na lei de indução magnética estabelecida por Michael Faraday em meados do século XVII ao qual enuncia que “a força eletromotriz induzida em qualquer circuito fechado é igual ao negativo da variação do fluxo magnético com o tempo na área delimitada pelo circuito”. Em outras palavras 34 podemos dizer que a ação de uma força mecânica (torque) é gerada pela passagem de corrente elétrica em condutores situados num campo magnético (SANTOS, 2018). Basicamente, os motores elétricos são divididos em dois grandes grupos com base no valor da tensão operacional: motores de corrente contínua e motores de corrente alternada. Estes primeiros são acionados por corrente contínua e diferenciam-se por seu fino controle de velocidade processual. Já os motores de corrente alternada, como o próprio nome diz, são acionados por fonte de corrente cíclicas, sendo utilizados em diversas aplicações, podendo ser monofásicos ou trifásicos (MAMEDE FILHO, 2010, p. 264). Figura 09: Tipos de motores elétricos Fonte: Weg, 2016. Dentre todos os tipos de motores listados na figura 21, o tipo o mais utilizado é o motor assíncrono de gaiola (WEG, 2016). Isso se dá devido à sua simples e 35 robusta construção, além de apresentar-se como a solução mais econômica em termos de motores como comando e proteção. 3.2.1 Seleção do motor elétrico Como bem pontua a fabricante brasileira de motores elétricos WEG (2016), a correta seleção de motores implica em considerar as características técnicas de aplicação e as características de cargas, além de uma análise cuidadosa de parâmetros como o custo inicial, capacidade de rede, necessidade de correção de fator de potência conjugados requeridos, efeitos a inércia da carga e etc. Na posse desta informação e com base nas características requeridas pelo modelo de bomba de engrenagem selecionado, pode-se levantar as primeiras características básica para determinação do motor elétrico a ser utilizado. 3.2.1.1 Potência nominal requerida Conforme enunciado em seu Guia Prático de Treinamento de Motores Elétricos, a WEG (2016, p. 4) apresenta o termo potência como sendo “a força que o motor gera para movimentar a carga em uma determinada velocidade”. Em outras palavras, inserido no contexto deste tópico, potência é o trabalho mecânico realizado por um motor elétrico em um determinado intervalo de tempo. P= 𝑇 ∆t (Eq. 3.1) Onde: P: potência (W); T: trabalho (J); ∆t: intervalo de tempo (s); Assim sendo, o principal trabalho a ser realizado nesse projeto é a adição de energia em um fluido por meio de uma bomba de volumétrica de engrenagens externas. Para tal, é necessário o acionamento da bomba hidráulica através do rompimento do torque inercial em seu eixo através de uma força externa. 36 Diante da situação apresentada e ciente de que os motores elétricos são as máquinas mais usadas para transformar energia elétrica em energia mecânica em função de suas vantagens - baixo custo, facilidade de transporte, versatilidade, robustez, limpeza e simplicidade de comando - definiu-se a potência nominal ideal do conjunto motriz com base na máxima potência requerida pela bomba de engrenagens. Como visto anteriormente, a potencial hidráulica nominal requerida por uma bomba é dada pelo produto entre a vazão, o peso específico do fluido bombeado e a carga manométrica requerida (BRUNETTI, 2018, p. 92). Entretanto, sempre haverá perdas no caso de transmissão de potência e assim, conforme Brunetti (2018, p. 93), “a potência recebida ou cedida pelo fluido não coincide com a potência da máquina, que é definida como sendo a potência no seu eixo”. Tal situação remete na criação de uma relação entre a potência recebida pelo fluido e a fornecida pelo eixo conhecida como rendimento de uma bomba: ηB = Potência recebida pelo fluido Potência fornecida pelo eixo / (Eq. 3.2) O rendimento de uma bomba é obtido através de uma série de testes hidráulicos de performance e normalmente são fornecidos pelo fabricante do equipamento. Em outras situações, ao invés de informar propriamente dito o rendimento da máquina hidráulica, alguns fabricantes optam por recomendar a potência operacional requerida em determinado ponto de sua curva característica. A Edral, fabricante da bomba de engrenagens objeto deste estudo, é adepta desta última modalidade. Reveja a tabela de seleção característica do modelo ED12X19 (Figura 07, pagina 32). Note que a máxima potência nominal requerida, ao qual cobre toda a curva característica do equipamento, é de 3 CV (considerando o bombeamento de fluidos com viscosidade de 1.000 SSU). Portanto, respeitando o exigidos pelas características físicas do fluido bombeado e de modo a possibilitar o estudo em todos os pontos operacionais da bomba Edral ED12X19, faz-se necessário um motor com no mínimo 3 CV de potência. 37 3.2.1.2 Tipo de motor elétrico Conforme WEG (2016, p. 3), em função da distribuição de energia elétrica ser feita em corrente alternada, os motores mais utilizados são os de corrente alternada (motor CA), sendo acionados quando ligados a uma rede de tensão alternada. Sejam eles monofásicos ou trifásicos, esta concordância entre distribuição e máquina elétrica dispensa dispositivos capazes de alterar a característica cíclica da rede. Os motores CA podem ser síncronos ou assíncronos. Estes primeiros trabalham com velocidades constantes independente da variação de carga. Já os motores assíncronos, em dependência da variação de carga, operam com velocidades variáveis e são os mais utilizados no mercado. Com base e cientes de que equipamentos mais usuais possuem custo de aquisição mais baixos, optou-se pela seleção de um motor elétrico de corrente alternada assíncrono de indução. 3.2.1.3 Rotação Em motores elétricos, o termo rotação, normalmente expressa em rpm (rotações por minuto), “é o número de giros do eixo do motor por uma unidade de tempo (WEG, 2016, p. 5). A velocidade de rotação de um motor elétrico é definida por dois fatores: o número de polos magnéticos e a frequência da fonte de corrente alternada. A seguir tabela com a determinação das velocidades síncronas de um motor elétrico: Tabela 02: Velocidades motores síncronos Fonte: EAD Ensinando Elétrica, 2019. 38 Conforme datasheet da bomba de engrenagens selecionada, a máxima rotação operacional do equipamento é 1750 rpm. Entretanto, a fabricante Edral recomenda velocidade menores conforme a viscosidade do fluido bombeado, podendo chegar a magnitude de 150 rpm. Utilizando-se do máximo parâmetro de velocidade, para o estudo em questão é necessário a aplicação de um motor elétrico com 4 polos trabalhando sob frequência alternada de 60 Hz. 3.2.1.4 Tensão De acordo com Alexander e Sadiku (2013, p. 9), tensão “é a energia necessária para deslocar uma carga unitária através de um elemento, medida em volts”. Em um sistema de potência elétrico, pode-se entender tensão como a força externa que empurra as cargas em um conduto. Quanto maior a intensidade dessa força, maior será a magnitude expressa em volts. Existem dois tipos básicos de tensão para motores elétricos: monofásica e trifásica. Enquanto a tensão monofásica é medida entre fase e neutro, a tensão trifásica é medida entre fases. Outro detalhe sobre a tensão monofásica, no que diz respeito a acionamento de motores elétricos, é sua limitação de potência e seu fornecimento de torques e rendimentos menores, o que aumenta o custo operacional nesta modalidade. Apesar do exposto sobre motores monofásicos, a primeira alternativa pensada para este projeto são justamente os motores monofásicos 220V em virtude de a maior parte das instalações prediais convencionais serem dimensionadas com apenas uma fase, além de possuírem tomadas de força monofásicas de mais fácil acesso e sem a necessidade de qualquer dispositivo de conversão para acionamento. Ao decorrer desta pauta, a alternativa anterior pensada para o tipo de tensão será alterada com a demanda de utilização de um inversor de frequência, ao qual permitirá a modulação da velocidade operacional do motor elétrico durante a bateria de testes. 39 3.2.1.5 Grau de proteção Segundo Joelmir Zafalon (2018), responsável técnico pelo grupo Conex, maior fabricante brasileiro de conexões para eletrodutos pesado do país, o grau de proteção é “uma das principais características construtivas de um equipamento elétrico a ser analisada em um projeto”. Essa afirmativa é verdadeira uma vez que a proteção de um produto ou protótipo bem projetado tem a capacidade de evitar uma série de acidentes que colocam em risco pessoas, equipamentos e instalações. Essa proteção é definida pelas normas ABNT NBR IEC 60529 - Graus de proteção para invólucros de equipamentos elétricos e ABNT NBR IEC 60034-5 Graus de proteção proporcionados pelo projeto completo de máquinas elétricas girantes. Elas estabelecem parâmetros para a verificação do grau proteção proporcionado por um invólucro, onde este último é caracterizado “por uma simbologia que é composta de uma sigla IP (Índice de Proteção) seguida de dois numerais, que indicam a conformidade com as condições estabelecidas” (ZAFALON, 2018). Figura 10: Simbologia grau de proteção Fonte: Weg, 2016. 40 A fabricante de motores elétricos WEG (2016, p. 6), de maneira resumida e com base nas normas correspondentes, estabelece que “o primeiro número indica proteção contra entrada de corpos estranhos e contato acidental, enquanto o segundo indica a proteção contra entrada de água”. Tal convenção facilita em muito o entendimento dos aspectos requeridos. Com base no apresentado, o mínimo nível de segurança para o motor elétrico deste protótipo é IP 21, pois o ambiente previsto para sua instalação em suma é limpo e abrigado, sem a presença de corpos estranhos inferiores a 12 mm e livre da presença de pingos de água. Além disso, o local para aplicação do motor não é considerado área classificada1, não exigindo, portanto, segundo as normas ABNT NBR IEC 60079-10-1 e ABNT NBR IEC 60079-10-2, construção à prova de explosão. 3.2.1.6 Classes de isolamento A classe de isolamento, conforme definido pelas normas ABNT NBR 17094-1 e IEC 60034-1, podem ser definidas como a temperatura máxima que o material do isolamento elétrico de uma máquina ou sistema elétrico pode suportar sem perder suas propriedades. Veja: Tabela 03: Classe de isolamento CLASSE DE ISOLAMENTO A MÁXIMA TEMPERATURA SUPORTADA 105 E 120 B 130 F 155 H 180 Fonte: ABNT NBR 17094-1 editado (2018) Segundo definição da norma ABNT NBR IEC 60079-10-1 e a ABNT NBR IEC 60079-10-2, atmosfera explosiva é “uma mistura com o ar, sob condições atmosféricas, de substâncias inflamáveis na forma de gás, vapor, poeira, fibras ou partículas suspensas, na qual, após a ignição, permite autos sustentação de propagação”. Área classificada é uma “área na qual uma atmosfera explosiva de gás ou poeira está presente ou é esperada estar presente em quantidades tais que requeiram precauções especiais para a construção, instalação e uso de equipamentos”. 1 41 Os motores convencionais, normalmente são padronizados com classe de isolamento térmico B, ou seja, a máxima temperatura que o bobinado do motor pode suportar continuamente sem que sua vida útil seja afetada é 130 ºC. Já os motores industriais, estes normalmente são fornecidos com classe de isolamento F (WEG, 2016, p. 9). Com base, é válido assumir pela branda aplicação que a classe de isolamento a ser adotada deve ser B, uma vez que atende tecnicamente a necessidade do projeto e é tida como a mais usual no mercado de motores elétricos. 3.2.1.7 Forma construtiva Segundo a fabricante de motores WEG (2016, p. 9), a forma construtiva de um motor elétrico define a forma ao qual ele será fixado e acoplado a carga. “Os motores são geralmente fornecidos na forma construtiva B3D, (montagem na posição horizontal, motor com pés, eixo à direita, olhando para a caixa de ligação)” (WEG, 2016, p. 9). A seguir, imagem com as demais formas construtivas: Figura 11: Forma construtivas motores elétricos Fonte: WEG, 2016. 42 Atentando-se a proposta para construção do protótipo, a forma construtiva B3D para o motor elétrico atende a necessidade do projeto, além de facilitar a aquisição do equipamento requerido em virtude de sua convenção de fornecimento. 3.2.2 Desvios no motor utilizado Bem como apresentado no tópico anterior, resumidamente, o motor elétrico selecionado para atender esta proposta de trabalho acadêmico deve conter as seguintes características:  Potência nominal requerida: 3 CV  Tipo de motor elétrico: Corrente alternada assíncrono de indução  Rotação nominal: 1750 rpm (4 polos à frequência de 60 hz)  Tensão: 220V monofásico  Grau de proteção: IP 21  Classe de isolamento: Tipo B  Forma construtiva: B3D Entretanto, com o intuito de minimizar os custos do projeto, utilizou-se o motor elétrico, gentilmente doado pela HDN Bombas e Motores Elétricos2, conforme datasheet. Figura 12: Motor elétrico do projeto Fonte: WEG, 2016. A HDN Bombas e Motores Elétricos está no mercado há 35 anos trabalhando e evoluindo com Engenharia de Projetos e Engenharia de Aplicação em bombeamento de fluídos e gases. Confira mais através do site: http://www.hdnbombas.com.br 2 43 Motor elétrico trifásico WEG de alta rotação para uso geral com carcaça de ferro fundido, flexibilidade de forma construtiva, pés maciços e inteiriços e níveis de ruído e temperatura de operação reduzidos, os motores W22 IR2 são perfeitamente adequados para as mais diversas aplicações industriais. Figura 13: Dimensional motor elétrico Fonte: WEG, 2016.  Norma: ABNT NBR 17094  Frequência: 60 Hz  Tensão: 220/380 V (trifásico)  Número de polos: 2  Grau de proteção: IP55  Carcaça: 71  Massa: 8,9 kg  Rotação síncrona: 3600 rpm  Rotação nominal: 3370 rpm  Corrente nominal: 1.71 A  Corrente de partida: 10.3 A  Potência: 0.5 cv (0.37 kW)  Fixação: Com pés  Flange: Sem 44  Forma construtiva: B3D  Caixa de ligação: Posição esquerda  Refrigeração: IC411 – TFVE Perceba que a maior parte das especificações vão de encontro com ou especificado. Entretanto, o quesito tensão operacional, a priori se configurou como um problema técnico que poderia comprometer a montagem do protótipo, levandose em consideração a dificultosa disponibilidade de tomada de força trifásicas em instalações prediais convencionais. Por outro lado, o tópico a seguir além de permitir a modulação operacional do equipamento para realização da bateria de testes, foi capaz de solucionar o dilema da rede em três fases. 3.3 Inversor de frequência Segundo o autor Claiton Moro Franchi (2008, p. 195), o controle preciso de velocidade em motores elétricos, há alguns anos, era feito pelo uso de máquinas elétrica operadas em corrente contínua. Tal situação implicava em problemas como retificação da tensão de alimentação e custos expressivos. Entretanto, o advento da eletrônica permitiu o desenvolvimento de equipamentos versáteis capazes de controlar com precisão a velocidade de rotação de motores de indução. Um desses equipamentos é o inversor de frequência, conforme mostra a Figura 14. Figura 14: Inversores de frequência Fonte: ABB, 2018. 45 Franchi (2008, p. 196) expõem que os inversores de frequência são equipamentos que possuem “o método mais eficiente de controle de velocidade de motores de indução”. Tal afirmativa é réplica à minimização das perdas associadas a variação da frequência da fonte alimentadora através do conversor de frequência, permitindo a alteração e o ajuste do conjugado mecânico e da velocidade de um motor elétrico. Em seu livro Motores Elétricos, o autor Antônio Francisco (2008, p. 35) afirma que a velocidade de rotação (ω) do campo girante de um motor de indução depende do número de polos (p) do motor e da frequência (ƒ) da tensão de alimentação. Escreve-se: ω = 120 x ƒ 𝑝 (Eq. 3.3) onde a rotação é dada em rpm e a frequência em Hz. A afirmativa de Francisco (2008) confirma o exposto por Franchi (2008) sobre a veracidade da aplicação de moduladores de frequência para controle de velocidade em motores de indução tendo em vista que a rotação em motores elétricos é uma função diretamente dependente da frequência de alimentação. 3.3.1 Seleção do inversor de frequência O dimensionamento do inversor de frequência depende de três fatores primordiais, como relata Franchi (2008, p. 206). São eles: modelo, tipo e potência nominal do variador de frequência. 3.3.1.1 Potência do inversor Conforme Franchi (2008, p. 206), a potência do inversor deve ser calculada com base na carga acionada pelo motor elétrico, na tensão da rede elétrica e em seu fator de potência. Vede equação: CI = onde: 𝑃 V x Cos ψ (Eq. 3.4) 46 CI: Corrente do inversor dada em amperes (A); P: Potência nominal do motor elétrico em watts (W); V: Tensão nominal da rede elétrica em volts (V); Cos ψ: Fator de potência do inversor (normalmente igual a 0,8); Assim sendo e com base nos dados já levantados anteriormente (utilização de motor elétrico assíncrono trifásico com potência de 0,5 CV alimentado por tensão de 220 V), é possível calcular a corrente do inversor de frequência com o uso da equação 3.4. Confira: CI = 0,5 x 746 / (220 x 0,8) = 2,119 A Portanto, o inversor de frequência a ser utilizado no protótipo deve estar apto a acionar um motor elétrico assíncrono trifásico com potência nominal de 0,5 CV mediante a atuação de corrente elétrico de 2,119 A. Em outras palavras, a máxima corrente suportada pelo variador de frequência deve ser maior do que a calculada. 3.3.1.2 Tipo de inversor Para o segundo critério de seleção, Franchi (2008, p. 207) relata que o inversor mais utilizado é do tipo escalar, “cuja exigência se restringe ao controle de velocidade, sem controle do torque desenvolvido e sem conhecimento da dinâmica do processo de controle”. A sua utilização só é dispensada em sistemas que demandam precisão de rotação ou elevado torque para rotações baixas ou nulas. Neste último caso, o inversor vetorial é utilizado. Tratando-se de um projeto que não exige extrema precisão no controle de velocidade e nem elevado torque operacional, a melhor opção a ser aplicada neste escopo é o variador de frequência do tipo escalar. 3.3.1.3 Modelo e fabricante Com o advento da eletrônica, o inversor de frequência tornou-se bastante comum no mercado de materiais elétricos. Hoje pode-se contar com inúmeras marcas de renome e qualidade, como por exemplo, WEG, Siemens, ABB, Danfoss, 47 Parker e etc. Para a escolha do modelo mais adequado a cada projeto, basta se consultar os catálogos dos fabricantes. 3.3.2 Escolha do inversor de frequência O tópico anterior apresentou as premissas necessárias para correta a escolha do variador de frequência. Com base, para atender a demanda do projeto aqui relatado, ele deve ser do tipo escalar e acionar um motor elétrico assíncrono trifásico com carga nominal de 0,5 CV, operado sob tensão operacional de 220 V. Além disso, o inversor deve possuir corrente nominal maior que 2,119 A. Outro fator peculiar e preponderante para a escolha do inversor a ser aplicado neste projeto se deu no confronto entre o tipo de rede operacional do motor elétrico definido (tensão trifásica) e a disponibilidade mais comum em instalações prediais (tensão monofásica). Figura 15: Inversor CFW100 Fonte: WEG, 2018. O inversor de frequência WEG, modelo CFW100B02P6S220, além de atender as características técnicas exigidas (tipo, potência, amperagem), ele resolve o conflito entre o tipo de rede operacional, uma vez que sua alimentação é monofásica e sua saída para ligação do motor elétrico é trifásica, ambas a tensão de 220 V. Confira o datasheet completo: 48 Inversor de frequência WEG CFW100 O inversor de frequência CFW100 é um equipamento que possibilita o acionamento de velocidade variável, compacto, de alta performance para motores de indução trifásicos oferecem flexibilidade e excelente custo benefício. Possui controle vetorial (VVW) ou escalar (V/F) selecionável, Interface de operação e filosofa plug and play, que permite a instalação dos acessórios automaticamente de forma simples e rápida.  Corrente de saída: 2,6 A (0,5 cv)  Alimentação: Monofásica, 220 V, 50/60 Hz  Saída: Trifásica, 220V, 0 a 300 Hz  Fator de potência: >0,97  Tempo de aceleração: 0,1 a 999s  Tempo de desaceleração: 0,1 a 999s  Máxima temperatura: 50 ºC  Grau de proteção: IP20  Controle: vetorial (VVW) ou escalar (V/F)  Filosofia: plug and play  Interface de operação (IHM): incorporada  Entradas: digitais  Montagem: em superfície (com acessório PLMP) ou trilho DIN  Refrigeração: ventilador externo removível Proteção: sobrecorrente/curto-circuito fase-fase e fase-terra na saída, sub e sobretensão, sobreaquecimento no dissipador de calor, sobrecarga no motor, sobrecarga no módulo de potência (IGBTs), falha e alarme externo, erro de configuração. Funções disponíveis na versão padrão, como SoftPLC, Flying Starting, Ride Through, PID e Sleep Mode, proporcionam economia de energia elétrica, resposta operacional rápida e ainda podem ajudar a previnir possíveis quebras ou paradas involuntárias. Acessórios para comunicação em rede e expansão de entradas e saídas, facilmente instalados, permitem adaptar o CFW100 para cada tipo de aplicação. O módulo de memória flash, permite copiar a programação de um CFW100 e descarregar para outros em segundos, mesmo com os inversores desligados. 49 Figura 16: Blocodiagrama de ligação Fonte: WEG, 2018. 3.4 Acoplamento Conceitualmente falando, acoplamentos são elementos de máquinas responsáveis pela transmissão de potência entre dois eixos colineares. Conforme Norton (2013, p. 604), os acoplamentos estão divididos em duas características gerais: rígidos ou complacentes. “Complacente, neste contexto, significa que o acoplamento pode absorver algum desalinhamento entre os dois eixos, e rígido implica que nenhum desalinhamento é permitido entre os eixos a serem conectados” (NORTON, 2013, p. 604). Em virtude da capacidade de absorção de desalinhamentos, a categoria complacente é a mais usual em transmissões envolvendo conjuntos motobomba. Esses desalinhamentos (axiais, angulares, paralelos e/ou torcionais) “podem ocorrer isolados ou em combinação e podem estar presentes na montagem devido a tolerâncias na manufatura, ou podem ocorrer durante uma operação devido aos movimentos relativos dos dois eixos” (NORTON, 2013, p. 606). 50 Os acoplamentos complacentes podem ser divididos em diversas subcategorias de acordo com suas características construtivas e operacionais. A imagem a seguir ilustra tabela com os principais tipos separando-os com base no desalinhamento tolerado: Figura 17: Tipos de acoplamentos Fonte: Norton, 2013. Comercialmente falando, os acoplamentos de mandíbula são os mais comercializados em transmissão de forças entre motores e bombas. Esse tipo de conjunto, apesar de evidenciar a presença de pequenos desalinhamentos, exige um bom alinhamento de modo a aumentar a vida útil dos equipamentos e consequentemente a sua eficiência operacional. Conforme Norton (2013, p. 606), OS ACOPLAMENTOS DE MANDÍBULA têm dois cubos (frequentemente idênticos) com mandíbulas salientes [...]. Estas mandíbulas se sobrepõem axialmente e se entrelaçam torcionalmente através de um separador complacente de borracha ou material metálico brando. As folgas permitem desalinhamento axial, angular e paralelo, mas podem também permitir golpes indesejáveis (NORTON, 2013, p. 606). 51 O fabricante de brasileiro de acoplamentos ACIONAC (2010) relata que a borracha utilizada neste tipo de acoplamentos é projetada de modo a possuir elevada capacidade de amortecimento. Essa característica permite a limitação de oscilações torcionais protegendo as máquinas acopladas de eventuais danos. 3.4.1 Dimensionamento de um acoplamento Segundo ACIONAC (2010), há duas maneiras de seleção para acoplamentos: através da tabela de seleção rápida e através do método de seleção convencional. 3.4.1.1 Tabela de seleção rápida. Tabela 04: Seleção rápida de acoplamento Fonte: Acionac, 2010. A tabela de seleção rápida de acoplamento, utiliza-se unicamente da potência e da rotação do motor elétrico utilizado para escolha do tamanho do acoplamento desejado. Entretanto, este método independe do modelo de motor elétrico utilizado e 52 recomenda-se averiguar o furo máximo admitido pelo acoplamento. Este confronto de entre furo máximo e diâmetro nominal do eixo deve ser feito tanto para o motor quanto para a bomba. 3.4.1.2 Método de seleção convencional O método de seleção convencional se utiliza do cálculo do momento torçor (Mt), além de atentar-se ao máximo furo admitido pelo acoplamento. Este último, segundo a ACIONAC (2010), “varia de acordo com a forma construtiva (do acoplamento) [...], mas o torque não. Portanto, deve-se sempre observar esses dois parâmetros no momento da escolha do acoplamento”. Para o cálculo do momento torçor, deve-se utilizar a fórmula abaixo: Mt = onde: N x C x Ft 𝑛 (Eq. 3.5) Mt = Torque (N.m) N = Potência da máquina (kW ou CV) C = Constante (9550 para potência em kW e 7020 para potência em CV) n = Rotação do acoplamento (rpm) Ft = F1 x F2 x F3 (Fatores de serviço conforme Figura 18) Figura 18: Fatores de serviço Fonte: Acionac, 2010. 53 3.4.2 Seleção do acoplamento Com base no exposto nos tópicos anteriores (3.4.1.1 Tabela de seleção rápida e 3.4.1.2 Método de seleção convencional) e na posse dos dados listados abaixo sobre o conjunto a ser conjugado, é possível dimensionar com precisão o tamanho do acoplamento a ser utilizado. É válido lembrar a preferência pelo acoplamento do tipo mandíbula em virtude de suas características técnicas e sua disponibilidade de mercado.  MOTOR ELÉTRICO: WEG modelo W22, potência de 0,5CV, rotação3 1750 rpm e diâmetro da ponta do eixo de 14j6mm.  BOMBA ENGRENAGENS: EDRAL modelo ED12X19, rotação 1750rpm e diâmetro da ponta do eixo de 12h7mm A princípio, com base na tabela de seleção rápida, o tamanho de acoplamento adequado para motores de 0,5 CV operando à 1750 rpm é ACIONAC 50. Entretanto, faz-se necessária a confirmação do momento torçor e do diâmetro de furação. Confira o cálculo do momento torçor: Mt = 0,5 x 7020 x (1,0 x 1,0 x 1,2) / 1750 Mt = 2,406 N.m Note a utilização dos fatores F1, F2 e F3 com base nas características operacionais listadas na Figura 18 – Fator de serviço (acionamento por motor elétrico, tempo de serviço previsto menor que 8 horas/dia e tipo de máquina acionada). A Figura 19 apresenta as especificações técnicas do acoplamento tipo mandíbula ACIONAC construído na forma AE, a versão mais simples do fabricante. Rotação nominal do projeto. Apesar de ser utilizado motor assíncrono em 3500rpm, está rotação será ajustada com o uso de inversor de frequência de maneira a manter a conformidade com o projeto inicial. 3 54 Figura 19: Acoplamento ACIONAC modelo AE Fonte: Acionac, 2010. Note que o tamanho 50, pré-selecionado pela tabela de seleção rápida, atende a todos os critérios técnicos solicitados: toque nominal e máximo maiores que 2,406 N.m, velocidade de rotação máxima maior que 1750 rpm e diâmetro máximo de furação maior que 14j6 mm e 12h7mm. Portanto, o acoplamento ACIONAC AE 50 está de acordo com a necessidade do projeto. Confira o datasheet completo: Figura 20: Forma construtiva ACIONAC AE Fonte: Acionac, 2010. 55 Acoplamento tipo mandíbula ACIONAC  Modelo: AE  Tamanho: 50  Máxima rotação: 9000 rpm  Máximo toque: 45 N.m  Furação máxima: 22 mm  Momento de inércia: 0,0002 kg.m²  Peso: 0,46 kg  Desalinhamentos admissíveis: ± 0,5 mm (axial / radial) e ± 0,5 αº (angular)  Composição: Dois cubos em ferro fundido cinzento FC 250 e um elemento elástico composto de borracha, com dureza 82 Shore A, resistente a óleo e a temperaturas até 80ºC. 3.5 Fluido hidráulico Visando obter bons resultados com o menor investimento possível, decidiu-se de fato não utilizar propriamente dito um fluido hidráulico com as características relatadas anteriormente. A fins de estudo, o tipo de fluido ou mesmo norma ao qual ele atende não é significativo desde que ele respeite as orientações do fabricante da bomba de engrenagens enquanto a aplicação. Com base neste fato e na posse da informação sobre a aptidão das bombas Edral no bombeamento de líquidos de alta, média e baixa viscosidade, onde o próprio óleo de soja é indicado, foi selecionado o óleo extraído da semente de soja devido ao seu baixo custo de aquisição, alta disponibilidade no mercado e fácil acesso à informações teóricas de sua composição, características e comportamento. Com base nos dados fornecidos pela companhia química multinacional Carl Roth (2019, p. 5) em seu artigo de número 3686, as principais características físicoquímicas do óleo de soja refinado extra puro são: Óleo de soja refinado  Estado físico: Líquido (fluido)  Cor: Amarelo claro 56  Odor: Característico  pH: Neutro  Ponto de ebulição inicial e intervalo de ebulição: >200 °C  Ponto de inflamação: >250 °C  Pressão de vapor: <1 hPa a 20 °C  Densidade: 0,91 – 0,93 g/cm³ a 20 °C  Viscosidade dinâmica: 60 mPa.s a 20 °C 3.6 Reservatório Segundo Moreira (2012, p. 57), os reservatórios têm a incumbência de armazenar o fluido do sistema hidráulico do sistema, além de ajustar a temperatura de trabalho e manter o óleo limpo. Estas premissas garantem que o fluido hidráulico possua condições adequadas para o bom funcionamento de máquinas e equipamentos de dado sistema. Em seu livro, Fialho (2003, p. 101) apresenta duas situações a serem resolvidas por projetistas durante o dimensionamento de reservatórios: volume mínimo necessário de fluido a ser armazenado e mínima superfície necessária para a troca térmica. A primeira questão pode ser solucionada com o uso da seguinte regra prática: O volume de fluido armazenado no reservatório deve ser o suficiente para suprir o sistema por um período de no mínimo três minutos antes que haja o seu retorno, completando um ciclo (FIALHO, 2003, p. 101). Matematicamente falando, escreve-se: Vol. Reserv ≥ 3 x Qb (Eq. 3.6) onde a vazão da bomba é dada em unidade de volume por minuto (l/min, m³/min, gpm e etc). Enquanto ao mínimo volume de superfície para troca térmica, este pode ser obtido através da análise das temperaturas ambiente e em que o fluido deve ser mantido, utilizando-se do conceito de transferência de calor e cargas térmicas. Assim sendo, escreve-se: 57 S = q / K . (T2 – T1) (Eq. 3.7) Onde S representa a superfície de troca térmica (m²), q a carga térmica (K.cal/h), K o coeficiente de troca térmica entre a instalação e o ambiente (K.cal/h.m³.ºC), T1 e T2 as temperaturas ambiente e ao qual o fluido deve ser mantido (ºC) respectivamente. No entanto, é impraticável o dimensionamento do reservatório em função da superfície de troca térmica em volumes relativamente grandes devido ao aumento exponencial das dimensões geométrica, conforme afirma Fialho (2012, p. 103). Nestas circunstâncias, o tanque é dimensionado apenas com base no volume mínimo necessário e fazendo uso de um trocador de calor para controlar a temperatura do fluido que retorna ao reservatório. 3.6.1 Características construtivas Normalmente os reservatórios são construídos com placas de aço soldadas com o interior pintado com tinta à base de epóxi para reduzir a ferrugem, além de ser compatível com o fluido armazenado. Outra peculiaridade de construção é a ligeira inclinação do fundo do tanque visando a facilitação da manutenção (MOREIRA, 2012, p. 57). Também é comum o uso de placas de separação (chicana) instaladas no interior do reservatório para separar as linhas de sucção e de retorno. Seu principal objetivo é ampliar a troca de calor do reservatório, além de evitar a turbulência do tanque, permitir o assentamento de materiais estranhos e ajudar na separação do ar no fluido. 3.6.2 Reservatório utilizado A vazão prevista para o projeto é de aproximadamente 16,5 litros por minuto. Assim sendo, utilizando da equação 3.6, o reservatório deve possuir capacidade para comportar cerca de três vezes este volume: Vol. Reserv ≥ 3 x 16,5 litros Vol. Reserv ≥ 49,5 litros 58 Arredondando o valor de 49,5 litros calculado, a capacidade imediatamente superior disponível no mercado é de 50 litros, normalmente fornecidos em termoplástico e conhecidas como “bombona”. São próprias para acondicionamento de líquidos, como água, álcool, gasolina, óleos, mel, ácidos, desinfetante e outros nas mais diversas aplicações para o ramo alimentício, industrial, farmacêutico e químico. Além disso, o seu custo é bastante acessível, viabilizando sua aplicação. Figura 21: Reservatório bombona Fonte: Senir, 2019. Por sua versatilidade e acessibilidade, utilizou-se a bombona como reservatório. Seguem as especificações técnicas: Bombona 50 litros  Material: Polietileno (polimérico atóxico resistente ao impacto);  Dimensional: 560x290x360mm  Volume nominal: 50 litros  Peso: 2,1 kg 59 3.7 Painel de força e comando O painel de força e comando é um dispositivo eletromecânico ou eletroeletrônico (com base em seus componentes e aplicação) utilizado para acionar equipamentos elétricos e especialmente motores elétricos. Normalmente são confeccionados em caixas metálicas com fechos e pintura eletrostática, onde são alocadas canaletas para acomodação de cabos, disjuntores, relés, inversores de frequência, softer-start, conversores de tensão, interfaces homem-máquinas (IHM), botoeiras, sensores, sinalização de status e/ou bornes de interligação. Esta composição varia conforme a aplicação. Figura 22: Painel de força e comando Fonte: Portal Soluções Industriais, 2019. As principais normas as serem observadas para montagem de painéis elétricos são a NBR IEC 60439 e NR10. Esta primeira é mundialmente recomendada e preocupa-se com os conjuntos de manobra e controle de baixa tensão com ênfase nas precauções necessárias para a construção de painéis (proteção dos invólucros, resistência dos materiais, limites de temperaturas, proteções contra choques- 60 elétricos, compatibilidade eletromagnética e etc). Já a NR10 regulamenta enquanto a serviços que de alguma maneira envolvam a eletricidade, descrevendo os procedimentos para a instalação de equipamentos de energia elétrica e a manipulação de painéis elétricos, garantindo a segurança das instalações e a integridade física das pessoas envolvidas com o equipamento. 3.7.1 Dimensionamento do painel elétrico A função principal do painel de força e comando neste protótipo é alimentar, operar e proteger o motor elétrico, equipamento responsável pelo acionamento da bomba de engrenagens. Isto posto, a demanda gerada pelo motor elétrico é quem irá determinar as características primárias para o projeto do painel elétrico, ao qual deve prever a utilização de um variador de frequência, cuja as especificações já foram apresentadas. Figura 23: Diagrama elétrico painel Fonte: Acervo Pessoal, 2019. A Figura 23 apresenta o diagrama elétrico do painel utilizado. Este conta com: 61  Sinalização por LEDs;  Chave de emergência com bloqueio;  Chave liga-desliga;  Comando em 24VCA;  Proteção contra sobrecarga;  Controle proporcional de velocidade via potenciômetro;  Todas as funcionalidades e proteções do inversor de frequência WEG modelo CFW100 já listadas anteriormente; 3.8 Tubos, conexões e acessórios 3.8.1 Tubos em aço galvanizado Conforme Tubonsa (2018), os tubos de aço galvanizado normalmente são fabricados sob rígidos padrões de segurança regulamentados por órgãos fiscalizadores, sendo utilizados em diversas aplicações nos mais variados setores, oferecendo versatilidade associada a excelente custo/benefício. O aço galvanizado é um produto que passa pelo processo de galvanização, ato de revestir o aço com uma camada de zinco bem fina, a fim de potencializar sua resistência à corrosão. Figura 24: Tubos aço galvanizado Fonte: Portal Soluções Industriais, 2019. 62 Para este projeto será utilizada tubulações de ½” e 1”. Suas principais características são: Tubo aço galvanizado 1/2" e (1”)  Diâmetro nominal: 15mm (25mm)  Diâmetro externo: 21,30mm (33,70)  Espessura da parede: 2,25mm  Peso teórico: 7,20 kg/tubo  Material: Aço galvanizado  Norma de fabricação: NB 5580 (BS 1387) 3.8.2 Conexões em aço carbono As Conexões em aço carbono possuem a função de conduzir, desviar, alargar passagens e/ou obstruir a passagem de fluidos em tubulações nas mais diversas aplicações, como indústria de papel e celulose, alimentícia, petrolífera, química, usinas de açúcar e álcool, indústria farmacêutica, entre outros. As conexões e válvulas em aço carbono são específica para trabalhos com produtos mais agressivos e possuem ótimo custo benefício, garantindo a segurança dos trabalhadores que estão na linha de produção e também ajudando no resultado de um produto de qualidade. Para cada tipo de aplicação existem normas e especificações próprias das conexões de aço carbono (nacionais NBR e internacionais ASTM, ANSI, ASME, MSS e DIN). Por isto, em cada projeto no momento da especificação, deve ser observada a aplicação, vazão, o tipo de fluído, temperatura, pressão de trabalho e diâmetro Para manter a conformidade com as tubulações selecionadas, foram utilizadas conexões roscáveis BSP4 em aço carbono no tamanho nominal de ½ e 1 polegada, em conformidade com as normas técnicas ABNT NBR 6943, ISO 49 e EN 10242. 4 Roca BSP (British Standard Pipe – Tubo Padrão Britânico): a rosca externa (do tubo) é cônica; a rosca interna (conexão) é paralela. 63 3.8.3 Válvula de esfera tripartida Conforme a fabricante MGA (2019), a válvula de esfera tripartida é assim denominada pelo fato de que a sua construção é feita em três partes. É constituída do corpo central que abriga a esfera e vedações, e duas tampas, uma peça em cada lado contendo as extremidades roscadas, com encaixe para solda ou flanges. Figura 25: Válvula de esfera tripartida Fonte: MGA, 2019. As três partes da válvula de esfera tripartida são unidas por três, quatro ou mais parafusos e porcas de aperto e anéis de vedação junto ao corpo. Contém ainda a haste, cujo projeto de fabricação, impede a expulsão da mesma, proporcionando maior segurança e a manopla para acionamento manual (esta poderá ser travada através de cadeado). Podem ser atuadas pneumaticamente. São fabricadas em variados tipos de materiais tanto para o corpo, como para as esferas e também, as vedações. (MGA, 2019). A válvula de esfera tripartida tem por função o bloqueio, e sua construção foi projetada para possibilitar a manutenção da válvula sem necessidade de tirá-la da linha. A válvula de esfera tripartida também pode ser produzida para ser utilizada como uma válvula direcional de fluxo, tendo nesse caso, 3 vias que poderão ser 64 usadas em ' L ' com a terceira via lateral, ou em ' T ', com a terceira via embaixo. (MGA, 2019). Com base nas necessidades exigidas pelo projeto, foram selecionadas válvulas de esfera tripartida com as seguintes características: Válvula de esfera tripartida MGA 1/2”  Tipo: Válvula de bloqueio de fluxo;  Diâmetro nominal: 1/2”;  Tipo de rosca: BSP (ISO 228);  Classe de pressão: 300 lbs;  Material: o Corpo e tampa: Ferro fundido (ASTM A216 – WCB); o Esfera: Aço inox (ASTM A351 – CF8M); o Haste: Aço inox (AISI – 304);  Peso: 0,49 Kg;  Norma: ASME B16.34; Figura 26: Dimensional válvula de esfera tripartida Fonte: MGA, 2019. 65 3.8.4 Válvula de alívio Conforme enuncia a fabricante DECA (2019), a válvula de alivio é um componente de segurança para um sistema que trabalha sobre elevada pressão. Trata-se de um mecanismo capaz de aliviar a pressão excedente, através da descarga de parte do fluido de trabalho, para diminuir a pressão a um nível seguro. Figura 27: Válvula de alívio Fonte: Deca, 2019. O primeiro componente de segurança por alivio de pressão remota de 1682, desenvolvida pelo físico Denis Papin na Inglaterra. O dispositivo que operava por força gravitacional através de um contrapeso era impreciso, ocasionou diversas explosões, e logo se tornou obsoleto. Já em 1869, George Richardson e Edward H. Ashcroft, conceberam a válvula de segurança tipo mola sobrecarga, amplamente utilizada nos dias de hoje, sendo no Brasil regulamentada pela NBR 284. A válvula de alívio utilizada no protótipo segue as seguintes especificações técnicas: Válvula de alívio de pressão DECA 1/2”  Diâmetro nominal: 1/2" BSP;  Regulagem: 0 a 7bar;  Material: Bronze;  Dimensional: 30x40x121 mm; 66 3.8.5 Manômetro metálico Os manômetros metálicos são instrumentos cujo funcionamento é baseado no Tubo de Bourdon, concebido por Eugene Bourdon. São dotados de um tubo metálico curvado em seu interior, fechado em uma extremidade e aberto na outra, que se comunica a entrada de pressão. Ao conectar este instrumento na tomada de pressão, o mesmo será submetido a uma pressão que o deformará. Este sinal mecânico é ampliado por um mecanismo que desloca o ponteiro, indicando a medida da pressão em sua escala. Figura 28: Esquema funcionamento manômetro metálico Fonte: Wika Rodrigo Leite, 2018. Os manômetros utilizados seguem as especificações abaixo: Manômetro metálico com glicerina 1/2" 150 PSI  Escala: 0 a 10 bar (150 PSI);  Diâmetro nominal da caixa: 100mm;  Conexão: 1/2" rosca BSP;  Materiais: Caixa, Tubo bourdon e conexão em inox AISI 304;  Peso: 0,520 kg; 67 3.9 Maquete eletrônica Com o advento da tecnologia digital, o uso de recursos eletrônicos na elaboração de protótipos tem sido cada vez mais frequente em virtude de sua praticidade e acessibilidade. As famosas maquetes eletrônicas, por exemplo, simulam desenhos industriais, projetos arquitetônicos e urbanísticos, máquinas operatrizes, moldes e etc. Partindo deste pressuposto, este recurso gráfico-computacional foi utilizado de maneira a visualizar tridimensionalmente o conjunto das peças pertinentes a este protótipo. Tal vislumbre permitiu o melhor planejamento para montagem e operação do conjunto didático, bem como detectar e neutralizar possíveis falhas, além de propiciar a redução de custos. A seguir, modelagem da banca elaborada em software SolidWorks. Figura 29: Maquete eletrônica Fonte: Acervo pessoal. 68 4 CONFECÇÃO E MONTAGEM DA BANCADA 4.1 Materiais, serviços e custos do projeto Segue abaixo a lista contendo os custos dos materiais e serviços acionados para a realização da fabricação e montagem da bancada didática: Tabela 05: Custos materiais e serviços Item Qtd Und Material Custo U(R$) Custo T(R$) Item 01 1 PC Acoplamento AE-050 23,22 23,22 Item 02 1 PC Acoplamento IND 3P+T 16A 380/440V 6H VM 21,45 21,45 Item 03 1 PC Alicate Rebitador SATA 10 53,02 53,02 Item 04 1 PC Mangueira Cristal 3 4,00 4,00 Item 05 1 PC Aplicador 4,90 4,90 Item 06 0,02 PC Arruela M10 9,00 0,18 Item 07 1 PC Bomba Engrenagem ED 12x19 462,23 462,23 Item 08 1 PC Bloco AUX P/TB 1NF 4,87 4,87 Item 09 1 PC Bombona 50L 15,00 15,00 Item 10 3 PC Borne SAK 2,5/4MM BTWP 2,5/4T Terra P 14,12 42,35 Item 11 1 PC Borne SAK 4MM BTWP4-AZ 4,09 4,09 Item 12 5 PC Borne SAK 4MM BTWP4-CZ 4,11 20,54 Item 13 1 PC Botão de Emergência Gira p/ soltar 14,64 14,64 Item 14 1 PC Broca Aço Rápido 5/16" 6,00 6,00 Item 15 1 PC Broca DIN 338 5,0mm 6,28 6,28 Item 16 1 PC Broca Ferro 6,00mm 7,00 7,00 Item 17 3 PC Bucha Red Galv 1x1/2" (3X) 2,18 6,54 Item 18 3 PC Cabo 0,60/1kV 3X 2,5mm² FLEX 90° PT 3,62 10,87 Item 19 2 PC Cabo 0,60/1kV 4X 2,5mm² FLEX 90° PT 4,77 9,53 Item 20 2 PC Cabo Flexível 750V 0,91 1,81 Item 21 3 PC Cabo Flexível 750V 2,5mm² VD/AM 0,91 2,72 Item 22 1 PC Caixa Para Montagem 60x40x20cm C/ Falnge 165,13 165,13 Item 23 1 PC Canaleta PVC 30x30MM 14,71 14,71 Item 24 1 PC Canaleta PVC 30x50MM 19,65 19,65 Item 25 4 PC Cantoneira Branca 15cm 3,50 14,00 Item 26 1 PC Chapa lisa #1,2mm 15,00 15,00 Item 27 1 PC Chapa lisa #2,0mm 25,00 25,00 Item 28 1,9 PC Chapa Lisa #3,0mm 8,00 15,20 Item 29 1 PC Chapa lisa 1,5mm 130,00 130,00 Item 30 1 PC Cola Veda Junta 5,50 5,50 Item 31 1 PC Conexão rosca gás 10,00 10,00 Item 32 3 PC Cotovelo Galvanizado 1" 90° 6,00 18,00 Item 33 2 PC Cotovelo Galvanizado 1/2" 90° 2,60 5,20 69 Item 34 2 PC Cotovelo macho PL 7,50 15,00 Item 35 1 SV Custos com projeto 3D 1.300,35 1.300,35 Item 36 1 PC Disjuntor unipolar 10A MDW-C10 6,66 6,66 Item 37 1 PC Disjuntor unipolar 2A C MDW-C2 32,33 32,33 Item 38 Item 39 1 PC Fechadura de porta 7,70 7,70 1 PC Fita Crepe 3,90 3,90 Item 40 1 PC Fita Dupla Face 14,19 14,19 Item 41 3 PC Fita Veda Rosca (3X) 3,50 10,50 Item 42 2 PC Flange para caixa d'agua 1" 21,49 42,98 Item 43 3 PC Flange para caixa d'agua 1/2" 12,73 38,19 Item 44 1 PC Guia Serra Copo A2 35,00 35,00 Item 45 1 PC Inversor de frequência CFW100 0,5 CV M 220V 450,45 450,45 Item 46 1 PC Joelho 1" 45° galvanizado 6,57 6,57 Item 47 2 PC Joelho 1/2" galvanizado 3,54 7,08 Item 48 1 PC Kit Engrenagens retas ED12x19 239,28 239,28 Item 49 4 PC Lixa Ferro 180 CARB F 225M 1,77 7,08 Item 50 1 PC Luva Galvanizada RED 1x1/2" 4,70 4,70 Item 51 2 PC Luva Red 1 x 1/2" Galv 6,83 13,66 Item 52 1 PC Mangueira Cristal 5 1,00 1,00 Item 53 3 PC Manômetro 0 A 10 KG SECO 1/4 26,00 78,00 Item 54 1 PC Manômetro glicerinado 58,00 58,00 Item 55 1 PC Modulo de expansão CFW-100-ioar 203,00 203,00 Item 56 1 SV Montagem do painel elétrico 500,00 500,00 Item 57 1 SV Montagem mecânica 1.197,60 1.197,60 Item 58 1 PC Motor WEG 0,5 CV 268,62 268,62 Item 59 1 PC Niple galvanizado 1" 4,41 4,41 Item 60 4 PC Niple galvanizado 1/2" 2,45 2,45 Item 61 60 PC Óleo de soja LIZA 900ml 2,75 165,00 Item 62 0,2 PC Parafuso MA RI 06x1x10 13,33 2,67 Item 63 0,02 PC Parafuso MA RI 10x1,5x25 61,10 1,22 Item 64 16 PC Parafuso Aço Sextado RI M 10x30 0,50 8,00 Item 65 8 PC Parafuso MQ UNC sextavado 1/4x20 PO 0,50 4,00 Item 66 1 PC Plugue Industrial 380/440V 3P+T 16A 6H VM 14,44 14,44 Item 67 1 PC Plugue Pino 2P+T 10A AXIAL PT 2,11 2,11 Item 68 1 PC Ponta Munida A38 5,90 5,90 Item 69 0,02 PC Porca Sextavado M10 19,30 0,39 Item 70 1 PC Porca, arruela e Parafuso M5 3,88 3,88 Item 71 2 PC Poste Extremidade PF3-BTW 2,06 4,11 Item 72 1 PC Prensa Cabo termoplástico 1/4" 1,61 1,61 Item 73 1 PC Punção 5x120mm 15,00 15,00 Item 74 1 PC Rebaixamento Chaveta 20,00 20,00 Item 75 10 PC Rebite Alumínio 4,0x12mm 0,11 1,10 Item 76 70 PC Rebite repuxo RM 508 0,05 3,50 Item 77 1 PC Reservatório Acrílico 280,33 280,33 Item 78 1 PC Serra Copo 1.1/2" 59,00 59,00 70 Item 79 1 PC Silicone 50g 6,99 6,99 Item 80 1 PC Sinaleiro AM 22mm C/LED 24V 6,28 6,28 Item 81 1 PC Sinaleiro VD 22mm C/LED 24V AD1622DG 6,79 6,79 Item 82 1 PC Sinaleiro VM 22mm C/LED 24V 6,28 6,28 Item 83 2 PC Spray Cromado LIET 18,00 18,00 Item 84 1 PC Spray Alaranjado 15,00 15,00 Item 85 1 PC Tarugo de Tecnil 5,00 5,00 Item 86 2 PC Tee 1" Galvanizado 7,40 14,80 Item 87 3 PC Tee 1/2" Galvanizado 3,40 10,20 Item 88 2 PC Tee Red Galv 1x1/2" 10,52 10,52 Item 89 3 PC Tinta Spray 340 ml Preto 11,12 33,36 Item 90 1 PC Trasf Monofásico ISOL 60VA E220V S-24V-W 69,04 69,04 Item 91 1 PC Tubo Galvanizado NBR5580 1" 112,80 112,80 Item 92 1 PC Tubo Galvanizado NBR5580 1/2" 66,10 66,10 Item 93 1 SV Usinagem dos Furos Do reservatório SUP 15,00 15,00 Item 94 1 PC Válvula de Alivio 2 a 10 bar 1" 150,00 150,00 Item 95 2 PC Válvula esfera 1/2" tripartida 300LBS 46,20 46,20 TOTAL 6.891,94 Fonte: Acervo pessoal 4.2 Confecção e montagem Figura 30: Estrutura metálica Fonte: Acervo pessoal. 71 A confecção e montagem da bancada hidráulica teve início na fabricação estrutura metálica, utilizando-se de tubos quadrados de 30x40mm com espessura de 1,5mm, cortados por serra elétrica manual e unidos conforme pré-estabelecido em projeto pelo processo solda elétrica à eletrodo revestido. Além disso, em meio aos serviços de serralheria, foram cortadas, furadas e soldadas as chapas de 4mm e 1,5mm para montagem das sapatas e das mesas respectivamente. A estrutura finalizada foi lixada e pintada para evitar a oxidação e receber acabamento. O passo subsequente foi a montagem e instalação do conjunto motobomba na mesa inferior da estrutura metálica. O motor e a bomba foram unidos por acoplamento elásticos sob base metálica confeccionada em chapa aço carbono espessura de 2,0 mm. Além disso, para manter a conformidade com a NR 12, segurança no trabalho em máquinas e equipamentos, fabricou-se um protetor de acoplamento chapa dobrada de aço carbono na espessura de 1,2 mm, ao qual foi fixada a base por meio de parafusos. Figura 31: Conjunto motobomba Fonte: Acervo pessoal. Após a montagem e posicionamento do conjunto motobomba na bancada, foram instalados os reservatórios superior em acrílico para realização dos testes e inferior em polietileno para alocação do fluido a ser bombeado. As tubulações foram cortadas e instaladas na ciência das reais distâncias do percurso hidráulico, ao qual 72 passou por pequenos ajustes, entretanto, sem desvios significativos em relação ao projeto original. Devido a maior complexidade, o projeto, a montagem e a parametrização do painel de controle e acionamento do conjunto motobomba foram terceirizados à empresa especializada em automação industrial. A fabricação do painel manteve conformidade com a NR 10, segurança em instalações e serviços em eletricidade. O painel foi instalado na mesa superior da bancada, fixado com o uso de cantoneira metálicas. Por fim, o acabamento no protótipo se deu com a limpeza, lixamento e pintura das partes metálicas. Figura 32: Protótipo finalizado Fonte: Acervo pessoal. 73 5 COLETA E ANÁLISE DOS DADOS Com o protótipo devidamente finalizado, deu-se início aos testes hidráulicos para coleta e análise dos dados empíricos. Estabeleceu-se os seguintes testes a serem realizados em cada bateria de ensaios por configuração do modelo de dentes das engrenagens:  Teste de vazão reservatório  Teste de vazão tubo de Venturi  Teste de pressão (intensidade x amperagem consumida)  Teste de ruído Por convenção, cada um dos testes listados acima foi realizado cinco vezes consecutivas para cada padrão de engrenamento externo no intuito de minimizar os erros durante a leitura e maximizar a confiabilidade dos resultados. 5.1 Teste de vazão do reservatório O teste de vazão com o uso do reservatório da mesa superior foi realizado através da contagem do tempo gasto pela bomba para preencher com o fluido bombeado a cota de 0 a 5 litros, marcadas na lateral do recipiente de acrílico. Figura 33: Teste de vazão reservatório Fonte: Acervo pessoal. 74 Para cada configuração de engrenamento externo, dentes retos e dentes helicoidais, foram realizadas várias baterias de medições, variando-se a rotação nas magnitudes de 2.300 rpm, 1.725 rpm, 1.115 rpm, 920 rpm e 690 rpm. Confira na tabela abaixo o compilado dos resultados de vazão obtidos: Tabela 06: Resultados de vazão volumétrica Dentes Helicoidais - Vazão (L/s) Dentes Retos - Vazão (L/s) Rotação Teste 01 Teste 02 Teste 03 Teste 04 Q Médio Q Médio Teste 01 Teste 02 Teste 03 Teste 04 2.300 rpm 0,471 0,450 0,457 0,452 0,457 0,4544 0,4554 0,4660 0,4464 0,4496 1.725 rpm 0,336 0,323 0,329 0,326 0,328 0,3337 0,3475 0,3207 0,3392 0,3272 1.115 rpm 0,217 0,203 0,212 0,196 0,207 0,2017 0,1971 0,2017 0,1998 0,2081 920 rpm 0,142 0,149 0,147 0,148 0,146 0,1510 0,1541 0,1454 0,1571 0,1475 690 rpm 0,097 0,099 0,099 0,098 0,098 0,1085 0,1110 0,1058 0,1072 0,1102 Fonte: Acervo pessoal Figura 34:Gráfico de vazão volumétrica Fonte: Acervo pessoal. Os resultados de vazão volumétrica foram obtidos através da razão entre o volume pré-estabelecido (5 litros) e o tempo cronometrado em cada situação. Note que em ambas as configurações de engrenamento externo os resultados foram bastante próximos, desviando-se no geral em 0,954% para mais com o uso das engrenagens retas. 75 Já em relação aos dados fornecidos pelo fabricante, considerando-se os resultados de fábrica para pressão nula e desprezando-se as perdas de cargas do circuito do protótipo, o desvio geral da bancada foi de 8,08% para mais. Tal fator pode ser justificado pelas correções que se fizeram necessárias para o confronto entre os dados mencionados na tabela abaixo, ao qual foram submetidos a conversão de unidade e modelagem por coeficiente adimensional de vazão. Figura 35:Gráfico Bancada x Fabricante Fonte: Acervo pessoal. 5.2 Teste de vazão tubo de Venturi O teste de vazão por meio do diferencial de pressão no tudo de Venturi montado na tubulação de recalque não pode ser realizado em virtude da contrapressão do sistema ser praticamente nula. Desta maneira, mesmo com a aplicação de manômetros mais sensíveis não seria possível ler a diferença de pressão entre os pontos de captação. Entretanto, tal situação poderia ser contorna com a reconfiguração do circuito manométrico de modo a aumentar a perda de carga na linha de recalque. Além disso, a utilização de manômetros digitais com range de captação mais sensível permitiria maior precisão na leitura diferencial. 76 5.3 Teste de pressão: intensidade x amperagem Tabela 07: Pressão x Amperagem Fonte: Acervo pessoal Assim como os teste de vazão, o teste de pressão foi realizado por meio da modulação da velocidade de rotação do conjunto motobomba em cada uma das 77 configurações de engrenamento externo relatadas. Durante as baterias, foram registradas as grandezas de pressão em sua intensidade e a amperagem nominal para a respectiva condição, variando-se a abertura do registro imediatamente após a válvula em 100%, 75%, 50%, 25% e totalmente fechado (0% de abertura). A sigla “NA” registradas nas colunas de pressão fazem menção as configurações de leitura não captadas em função da baixa carga manométrica do sistema ou do torque insuficiente do motor para vencer a condição de inércia em contrapressão. Figura 36:Gráfico teste de pressão Fonte: Acervo pessoal. O gráfico da Figura 36 foi gerado com os dados obtidos na condição de 50% de abertura do registro, ponto ao qual foi possível a leitura de todos os parâmetros de pressão nas cinco condições estabelecidas para rotação. No geral, a pressão registrada no engrenamento helicoidal sob as mesmas condições foi 30,21% maior que o engrenamento de dentes retos, enquanto a corrente nominal apontada variou apenas 3,28% para mais. Isto implica em dizer que, ainda na presença de pequenos erros de leitura, a configuração helicoidal possui maior eficiência na adição de energia manométrica ao fluido bombeado. 78 5.4 Teste de ruído O teste de ruído foi realizado com a finalidade de mensurar o nível do ruído característico emitido por cada um dos tipos de engrenamento em determinadas velocidades de rotação (2.300 rpm, 1.725 rpm, 1.115 rpm, 920 rpm e 690 rpm). Considerou-se o bombeamento livre, com o registro totalmente aberto, resultando, conforme mencionado anteriormente, em carga manométrica praticamente nula. A coleta de dados foi efetivada através de um aplicativo decibelímetro gratuito para celulares, onde a principal informação para o estudo é o diferencial de ruído entre as configuração de engrenamento analisadas e não sua intensidade. Recomenda-se o uso de um medidor de nível de pressão sonora para a coleta de dados mais precisos, bem como as reais magnitudes analisadas. Figura 37: Medidor Decibéis - Teste de ruído Fonte: Google Play, 2018. Os resultados encontrados durante a execução do referido teste estão dispostos na Tabela 08 a seguir 79 Tabela 08: Teste de ruído Ruído (dB) Helicoidal Retos Diferença 2.300 rpm 67 81 17,3% 1.725 rpm 65 80 18,8% 1.115 rpm 61 79 22,8% 920 rpm 60 77 22,1% 690 rpm 58 76 Fonte: Acervo pessoal. 23,7% Confirmando o que já havia sido exposto em conversa pela fabricante Edral, o nível de ruído emitido pela configuração de engrenagens retas é maior do que na configuração de dentes helicoidais, chegando, no geral, a dissemelhança próxima de 21%. Esta diferença é uma das principais características que distingue os dois tipos de engrenamento externo. Figura 38: Gráfico teste de ruído Fonte: Acervo pessoal. 80 6 CONCLUSÃO O bombeamento positivo está presente em inúmeras aplicações na indústria moderna em virtude de suas características singulares, sendo ideias principalmente no transporte de fluidos viscosos, transmissão de força e em situações as quais não se recomenda o acréscimo significativo de velocidade do fluído bombeado. O engrenamento externo, seja ele reto ou helicoidal, é uma destas tecnologias de deslocamento direto e aqui foi principal pauta de estudo, confrontando-se em bancada de testes didática as principais diferenças entre as citadas configurações mediante as mesmas circunstâncias de trabalho. Através do protótipo executado, foi possível a coleta de uma série de dados experimentais, permitindo-se assim o comparativo entre as configurações de engrenamento validadas (dentes retos e dentes helicoidais). As vazões mensuradas para ambos os casos foram praticamente as mesmas, variando-se em menos de 1%, enquanto as pressões registradas para a condição helicoidal foram cerca de 30% maior do que a condição de dentes retos. Por outro lado, o nível de ruído para o engrenamento reto é 20% maior do que o emitido pelo engrenamento helicoidal. Dadas as circunstâncias, estima-se que a eficiência no engrenamento helicoidal é em até 30% maior do que no engrenamento reto. Tal afirmativa factual é apontada em virtude da maior capacidade de transmissão de energia hidráulica ao fluído bombeado expressa em pressão manométrica sob as mesmas características de trabalho. Além disso, pode-se afirmar que há maiores perdas com a dissipação de energia útil na configuração de dentes retos em razão do grau de ruídos emitidos serem mais intensos (maior dissipação sonora), o que também remete a maiores esforços no engrenamento, consumindo mais potência. Em relação aos dados operacionais catalogados pela fabricante da bomba de engrenagens utilizada (Tabela 01, página 33), constatou-se variação inferior a 10% em relação as informações coletadas nas inúmeras baterias de testes, confiando credibilidade ao estudo realizado com o auxílio do protótipo, mesmo com as suas limitações operacionais envolvendo a baixa carga manométrica do circuito de recalque. No tocante aos custos, a realização do projeto como um todo ficou avaliada em R$ 6.891,94 e teve duração total aproximada de 15 meses desde a sua definição temática. 81 Com efeito, a conclusão dos resultados obtidos com a execução do projeto em si e com as baterias de testes de bombeamento realizadas cumpriram com êxito a sua proposição de atuar como ferramenta facilitadora no ensino de engenharia, destacando-se por sua versatilidade, interatividade e confiabilidade na entrega de resultados experimentais. Como sugestão para trabalhos futuros, recomenda-se a implementação da configuração de engrenamento externo bi-helicoidal de maneira a completar a análise do bombeamento positivo em bombas de engrenagens externas. Além disso, sugere-se melhorias no arranjo manométrico da tubulação de recalque para aumentar a magnitude de contrapressão no sistema, bem com a utilização de leitores de pressão e vazão digitais, conferindo maior precisão na coleta de dados empíricos. 82 7 REFERÊNCIAS HENN, Érico Antônio Lopes. Máquinas de fluido. 3º ed. Santa Maria: UFSM, 2012. BRUNETTI, Franco. Mecânica dos fluidos. 2º ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. FIALHO, Arivelto Bustamante. Automação hidráulica: projetos, dimensionamento e análise de circuitos. 2º ed. São Paulo: Érica, 2003. AZEVEDO NETTO, José Martiniano de; FERNÁDEZ, Miguel Fernádez de. Manual de Hidráulica. 9º ed. São Paulo: Blucher, 2015. ÇENGEL, Yunus A.; BOLES, Michael A. Termodinâmica. 7º ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. 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