Otimização de ensaios funcionais em esquentadores Open Flue

(1)

Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática, 2018

Paulo Alexandre

Tavares Pereira

Otimiza¸

c˜

ao de ensaios funcionais em

esquentadores Open Flue

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Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática, 2018

Paulo Alexandre

Tavares Pereira

Otimiza¸

c˜

ao de ensaios funcionais em

esquentadores Open Flue

Disserta¸cão apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos re-quisitos necessários à obten¸cão do grau de Mestre em Electrónica e Teleco-munica¸cões, realizada sob orienta¸cão cient´ıfica do Doutor Paulo Bacelar Reis Pedreiras, Professor do Departamento de Electrónica e Telecomunica¸cões da Universidade de Aveiro.

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o j´uri / the jury

presidente / president Prof. Doutor Pedro Nicolau Faria da Fonseca Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro

vogais / examiners committee Prof. Doutor Paulo Bacelar Reis Pedreiras Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro

Prof. Doutor Lu´ıs Miguel Pinho de Almeida

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agradecimentos / acknowledgements

De um modo geral gostaria de agradecer a todas as pessoas que estiveram envolvidas neste projecto, nomeadamente ao Elder Matos e ao Tiago Moura, pelo voto de confian¸ca, apoio e por todos os ensinamentos durante o per´ıodo de est´agio. Ao prof. Doutor Paulo Pedreiras por todo o apoio, orienta¸c˜ao e principlamente por nunca me ter deixado sair do caminho correcto. Por ´

ultimo, mas n˜ao menos importante gostaria de agradecer aos meus pais e `

a Nat´alia por me terem dado esta oportunidade, pelo apoio incondicional e por todos os dias fazerem de mim uma melhor pessoa.

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Resumo A crescente preocupa¸cão com o meio ambiente e com o futuro do planeta, levaram à implementa¸cão de leis r´ıgidas sobre as emissões para a atmosfera de N Ox.

Para se conseguir cumprir com os requisitos das novas leis, a Bosch teve ne-cessidade de desenvolver novos modelos de esquentadores, mais complexos tanto a n´ıvel funcional como de constru¸c˜ao.

A presente disserta¸cão visa estudar o funcionamento dos esquentadores e explicar os testes funcionais utilizados, propondo-se métodos de melhoria aos processos, com o objectivo de diminuir o tempo necessário à realiza¸cão dos ensaios funcionais, mas sem nunca colocar em causa a qualidade dos esquentadores produzidos.

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(11)

Abstract The growing concern for the environment and the future of the planet, led to the implementation of strict laws on emissions to the atmosphere of N Ox.

In order to meet the requirements of the new laws, Bosch needed to develop new models of water heaters, which are more complex both at the functional and construction levels.

The present dissertation aims to study the operation of water heaters and to explain the functional tests used, and then propose improvements to the processes in order to reduce the time required to perform the functi-onal tests, but without ever jeopardizing the quality of the water heaters produced.

(12)

(13)

Conte´

udo

Conte´udo i

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas v

Lista de Acr´onimos vii

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Proposta e Objectivos . . . 2

1.2 Estrutura da Disserta¸c˜ao . . . 3

2 O esquentador 5 2.1 O que ´e um esquentador . . . 5

2.2 Como funciona um esquentador . . . 7

3 Componentes relevantes 13 3.1 Transdutores de temperatura . . . 13

3.1.1 Sensores de resistˆencia . . . 13

3.1.2 Termopares . . . 14

3.1.3 Term´ıstores . . . 15

3.1.4 Sensores de temperatura integrados . . . 15

3.2 Transdutores de press˜ao . . . 16

3.3 Transdutores de caudal . . . 17

4 Situa¸c˜ao atual 19 4.1 Ensaio final do esquentador . . . 19

4.2 Contextualiza¸c˜ao do problema . . . 20

4.2.1 Descri¸c˜ao do AGU . . . 21

5 Proposta de optimiza¸c˜ao 25 5.1 Aquecimento por indu¸c˜ao . . . 25

5.1.1 Impacto da frequˆencia no aquecimento . . . 27

5.1.2 Desenvolvimento da bobine . . . 27

5.1.3 Circuito auto-oscilante com bobine de 3 terminais . . . 29

5.1.4 Circuito auto-oscilante com bobine simples . . . 31

(14)

5.1.5 Circuito Fullbridge . . . 32

5.1.6 Circuito com Digipot . . . 34

5.2 Banca de pré-afina¸cão de válvulas de gás . . . 34

5.2.1 Altera¸c˜ao circuito de controlo de press˜ao . . . 36

5.2.2 Altera¸c˜ao ao circuito de medi¸c˜ao caudal . . . 37

6 Observa¸c˜oes e Resultados 39 6.1 Constru¸c˜ao da Bobine . . . 39

6.2 Circuito auto-oscilante com bobine simples . . . 40

6.3 Circuito Fullbridge . . . 42

6.4 Altera¸cões banca pré-afina¸cão de automáticos de gás . . . 44

7 Conclus˜oes e trabalho futuro 47

Bibliografia 49

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Lista de Figuras

2.1 Fotografia do modelo do Gas Geyser que pode ser visitado no Museu da Ciência em Londres[15]. . . 5 2.2 Edwin Ruud ao lado do seu esquentador de água automático [19]. . . 6 2.3 Esquentador moderno da marca Junkers [23]. . . 6 2.4 Esquema caracter´ıstico do processo de queima para os esquentadores com

exaust˜ao natural. [27] . . . 7 2.5 Esquema de funcionamento de um esquentador do tipo FP [28]. . . 8 2.6 Esquema interno de um esquentador. 1–Chamin´e, 2–Sensores de seguran¸ca,

3–Câmara de combustão, 4–Automáticos de água e gás. Adaptado de: [30]. . 9 2.7 Esquema de funcionamento de um automático de água com efeito Venturi. Na

imagem a) verifica-se que quando não existe fluxo de água a pressão nos dois lados da membrana é igual. Quando existe fluxo de água, imagem b), a pressão na parte superior da membrana é menor do que na inferior, empurrando assim a membrana para cima. [32] . . . 10 2.8 Fotografia de um automático de gás. . . 11 2.9 Fotografia do termostato utilizado para deteçcão do retorno dos gases de queima. 12 3.1 Esquema simplificado representando o efeito de Seebck [29, p. 45]. . . 14 3.2 Circuito da célula de Brokaw utilizado na constru¸cão de sensores de

tempera-tura integrados [34]. . . 16 3.3 Transdutores de press˜ao utilizados. . . 17 3.4 Esquema simplificado de um caudal´ımetro diferencial. Fonte [40]. . . 17 3.5 Esquema simplificado do funcionamento de um caudal´ımetro por efeito de

Co-riolis. Fonte [41]. . . 18 3.6 Esquema simplificado de um caudal´ımetro do tipo Thermal Mass Flow.Fonte [40]. 18 4.1 Soprador de ar quente utilizado para acelerar o teste dos sensores AGU. . . . 20 4.2 Representa¸cão interna dos componentes que formam os sensores do tipo AGU. 22 4.3 Esquema do funcionamento interno dos termóstatos com açcão bimetálica.[47] 23 4.4 Curvatura nos discos bimetálicos quando sujeitos a varia¸cões na temperatura. [48] 24 5.1 Esquema do funcionamento da bobine de indu¸cão [53]. . . 26 5.2 Conjunto de bobines de indu¸cão com diferente formas geométricas [54]. . . 26 5.3 Efeito do campo magnético nos dipolos, N-Norte, S-Sul [55]. . . 27 5.4 Compara¸cão entre uma bobine feita manualmente (Figura 5.4a) e uma bobine

comercial (Figura 5.4b). . . 28 5.5 Conjunto de todas as bobines desenvolvidas e testadas. . . 29

(16)

5.6 Esquema do circuito de indu¸c˜ao com fonte de alimenta¸c˜ao de 12V [59]. . . 30

5.7 Circuito de indu¸cão para fonte de alimenta¸cão de 12V e bobine planar com ponto médio. . . 30

5.8 Circuito de indu¸c˜ao auto-oscilante com regulador LM7812 e bobine com 2 ter-minais [61]. . . 31

5.9 Fotografia do circuito auto-oscilante com LM7812 para bobine com 2 terminais. 32 5.10 Circuito final em PCB. . . 32

5.11 Esquema de funcionamento de um circuito em Ponte H. . . 33

5.12 Circuito de indu¸c˜ao com FullBridge Gate Driver IRS2453. . . 33

5.13 Circuito fullbridge, tem em falta um andar de trans´ıstores. . . 34

5.14 Diagrama de funcionamento do circuito com Digipot. . . 34

5.15 Desenho CAD da banca de ensaio funcional de autom´aticos de g´as. [64] . . . 35

5.16 Esquema simplificado do circuito pneum´atico inicial, presente no Anexo A.2 . 36 5.17 Esquema simplificado do circuito pneum´atico proposto. . . 37

6.1 Esquema utilizado para medir a indutˆancia das bobines. . . 39

6.2 Tens˜ao medida no Dreno dos trans´ıstores IRFZ44NN. . . 41

6.3 Tens˜ao medida no Dreno dos trans´ıstores TK40A10N1. . . 41

6.4 Tempo de disparo do sensor de Flashback quando se utiliza o circuito auto-oscilante com bobine simples. . . 42

6.5 Tempo de disparado do sensor de Flashback quando se utiliza o circuito com IRS2453. . . 43

6.6 Verifica¸c˜ao do tempo morto entre comuta¸c˜oes no circuito Fullbridge. . . 44

6.7 Ajuste da press˜ao antes da altera¸c˜ao do circuito de ar comprimido. . . 45

6.8 Ajuste da pressão após altera¸cão do circuito de ar comprimido. . . 45

A.1 Fotografia da banca de pré-afina¸cão de automáticos de gás . . . 55

A.2 Circuito pneum´atico original da banca. [64] . . . 56

(17)

Lista de Tabelas

3.1 Vários tipos de termopares [29, p. 46]. . . 15 6.1 Medi¸cão da indutância das bobines construidas manualmente. . . 39 6.2 Compara¸cão entre a tensão no dreno e a corrente de entrada no circuito, com

(18)

(19)

Lista de Acr´

onimos

• AGU : Termost´ato de contacto

• AVAC : Aquecimento Ventila¸c˜ao e Ar Condicionado • BJT : Bipolar junction transistor

• CAD : Computer-Aided Design • ELD : Energy Labelling Directive • ErP : Energy related Product • f.e.m. : For¸ca electro-motriz • FP : Fan Pressurazied • HDG : Hidrogerador

• HES : High Expansion Alloys

• INE : Instituto Nacional de Estat´ıstica • LES : Less Expansion Alloys

• NTC : Negative Temperature Coefficient • OF : Open Flue

• PCB : Placa de circuito impresso.

• PID : Controller (proportional–integral–derivative) • PLC : Programmable logic controller

(20)

(21)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

Quando se repara nas comodidades existentes nos anos 30, torna-se complicado compar´ a-las com as que existem atualmente. Por exemplo, nos anos 30, em Portugal, apenas 16,70% dos portugueses habitava casas eletrificadas. Porto e Lisboa representavam a maior percentagem no que diz respeito à eletrifica¸cão [1, p. 116]. A popula¸cão utilizava, para o preparo das suas refei¸cões, gás de hulha ou gás natural. No ano de 1936 existiam cerca de 240000 portugueses com rede de gás e apenas 9000 possu´ıam um esquentador para aquecimento de águas [1, p. 117].

Num passado mais recente e desde a sua introdu¸cão em Portugal, entre 1997 e 2011, nota-se um crescimento exponencial do consumo de gás natural [2]. Trás-os-Montes e Algarve parecem ser as regiões onde o consumo é menos elevado, potenciado pela deficiência de uma rede de gás natural [2]. Já a partir de 2013, o consumo de gás natural sofre uma diminui¸cão, sendo de 4,6%. Também no que diz respeito ao consumo de GPL, nota-se uma redu¸cão no seu consumo em 2013, cerca de 3% comparativamente a 2012 [3, p. 21].

Segundo o Instituto Nacional de Estat´ıstica (INE), no seu inquérito sobre os consumos de energia no setor Doméstico em Portugal, realizado em 2010, constatou que em 78,6% das casas que utilizam equipamentos para o aquecimento de águas sanitárias, fazem-no com recurso a um esquentador. [4, p. 78]

No entanto, o cenário mundial relativo à energia encontra-se em constante mudan¸ca, motivado pelas altera¸cões económicas e climáticas, sendo necessário travar as emissões de CO2 [3, p. 21]. É também a partir de 1997, e ainda neste contexto, que surge o Protocolo

de Quioto. Para realizar este protocolo, reuniram-se vários pa´ıses com o objetivo de discutir solu¸cões para as altera¸cões climáticas sentidas até então, iniciando-se uma tentativa de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa [5]. Em 2007 vários lideres dos estados membros da União Europeia voltaram a reunir-se para definirem um conjunto de objetivos (inseridos na Estratégia “Europa 2020”) a serem atingidos até 2020. Dentro destas metas pretende-se reduzir em pelo menos 20% as emissões de gases efeito estufa, aumentar em 20% a utiliza¸cão de fontes de energia renováveis e aumentar também em 20% a eficiência energética, valores sempre comparados com os existentes em 1990 [6].

Para ajudar a cumprir os objetivos 20-20-20, em 2015 (a 26 Setembro), foram lan¸cadas normas que impunham os requisitos m´ınimos que os aparelhos destinados a AVAC (Aqueci-mento Ventila¸cão Ar Condicionado) e aquecimento de águas domésticas necessitavam cumprir para poderem ser colocados à venda no mercado. A norma ErP (Energy-related Product)

(22)

identificou os parâmetros m´ınimos de eficiência, emissões de N Ox 1 e de polui¸cão sonora nos

equipamentos para aquecimento de água sanitárias. Por sua vez, a norma ELD (Energy La-belling Directive) definiu que equipamentos com potências de até 70kW ou com reservatórios de até 500l possu´ıssem etiquetas energéticas e com detalhe do produto [8] [9].

A implementa¸cão destas regras seguiu duas fases, em primeiro lugar a fase de ELD (La-belling) com in´ıcio em 2015 e posteriormente a fase de ErP (EcoDesign) onde se limitou um valor máximo de 56 mg/kWh as emissões de N Ox para esquentadores de água a Gás Natural

e GPL, regra que entrou em vigor a 26 de Setembro do presente ano [10].

Para cumprir a norma de EcoDesign surgiu a necessidade de descontinuar a produ¸cão de alguns modelos de produtos e à obrigatoriedade de introduzir no mercado novos equipamen-tos de acordo com a legisla¸cão vigente. Com os novos limites de emissões mais apertados, os métodos de produ¸cão e os próprios esquentadores ficaram mais complexos e exigentes, impli-cando um acréscimo no número dos sensores de seguran¸ca incorporados nos equipamentos.

1.1 Proposta e Objectivos

Com a imposi¸cão dos novos limites para as emissões e sendo estes mais apertados, os métodos de produ¸cão e os esquentadores tiveram de ser reformulados. Foi necessário descon-tinuar a produ¸cão de equipamentos que não cumpriam com as normas e desenvolver novos modelos de esquentadores, que fossem capazes de cumprir com a legisla¸cão vigente. De modo a cumprir as normas, os novos esquentadores têm de conseguir aquecer água, libertando menos quantidades de N Ox e isso implicou que tivesse de ser feita uma reestrutura¸cão ao

equipamento alterando a forma como se efectua a queima de g´as. As altera¸c˜oes levaram `

a necessidade de introduzir nos esquentadores mais sensores de seguran¸ca que aumentaram a complexidade dos equipamentos, dos processos de constru¸cão e dos métodos de teste e valida¸cão dos esquentadores.

O aumento do número de sensores necessários e as altera¸cões ao esquentador levaram a um aumento do pre¸co da matéria prima necessária. O aumento da complexidade de constru¸cão refletiu-se no incremento do tempo de constru¸cão e teste dos esquentadores.

O tempo de produ¸cão, assim como o tamanho, as quantidades a serem produzidas e a mão de obra dispon´ıvel são factores importantes no desenvolvimento de novos produtos, pois têm um liga¸cão directa com o custo final dos produtos [11]. Deste modo, nesta disserta¸cão pretende-se desenvolver métodos e processos que levem à diminui¸cão do tempo necessário para a realiza¸cão dos ensaios funcionais aos esquentadores, de modo a reduzir o seu tempo de produ¸cão e o seu custo. Para tal, ir-se-á desenvolver um sistema de aquecimento por indu¸cão electromagnética com objectivo de substituir os sopradores de ar quente utilizados nos ensaios funcionais aos esquentadores. Este novo método pretende reduzir o tempo e energia utilizada durante o ensaio final. Ainda no ensaio final realizam-se afina¸cões ao modo funcionamento do esquentador. Para se reduzir o tempo de afina¸cão, está a ser implementado um método de pré-afina¸cão dos automáticos de gás de forma automática. Nesta disserta¸cão pretende-se propor altera¸cões ao circuito de regula¸cão de caudal e pressão de gás do equipamento que está a ser constru´ıdo para realizar a pré-afina¸cão. Pretende-se também ajustar os parâmetros do controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) usado na regula¸cão da pressão de ar,

1_{O termo N O}

x utiliza-se para representar óxidos nitrosos, tais como N O ( Óxido N´ıtrico) e N O2 (Dióxido

de Nitrogénio) que são os principais causadores da polui¸cão atmosférica, promovendo a forma¸cão de chuvas ´

(23)

de modo a reduzir o tempo necessário à realiza¸cão dos ajustes.

1.2 Estrutura da Disserta¸

c˜

ao

Esta disserta¸c˜ao divide-se em 6 cap´ıtulos principais.

No Cap´ıtulo 1 procura-se explicar as motiva¸c˜oes e necessidades que levaram ao desenvol-vimento desta disserta¸c˜ao.

No Cap´ıtulo 2 procura-se situar na história o aparecimento do esquentador relacionando isso com a entrada do grupo Bosch na área de aquecimento de águas sanitárias. Pretende-se ainda explicar o modo de funcionamento de um esquentador e quais os seus componentes mais importantes.

O Cap´ıtulo 3 tem como objetivo dar uma explica¸c˜ao sobre os tipos de tecnologias relevantes `

a realiza¸cão desta disserta¸cão. Dar-se-á foco aos transdutores de temperatura, pressão e caudal.

O Cap´ıtulo 4 foca-se na caracteriza¸cão do estado de arte na realiza¸cão dos ensaios funci-onais a esquentadores, explicando em detalhe qual o problema que originou esta disserta¸cão. No Cap´ıtulo 5 apresenta-se uma proposta de solu¸cão para os problemas anteriormente mencionados. Vão ser explicadas as várias abordagens utilizadas para se realizar um sistema de aquecimento por indu¸cão eletromagnética.

(24)

(25)

Cap´ıtulo 2

O esquentador

2.1 O que ´

e um esquentador

O esquentador define-se como um aparelho alimentado por gás ou eletricidade que tem como objetivo realizar o aquecimento instantâneo (não fazendo armazenamento) de águas sanitárias [12], [4, p. 112].

O nascimento do esquentador deve-se a Benjamin Waddy MaugHan, um pintor britânico que, em 1869, patenteou o primeiro modelo [13], denominado por “Geyser”ou “Gas Gey-ser” [14]. Este equipamento, apresentado na Figura 2.1, consistia num cilindro metálico que no seu interior continha pequenos tubos, também metálicos, por onde se fazia circular a água.

Figura 2.1: Fotografia do modelo do Gas Geyser que pode ser visitado no Museu da Ciˆencia em Londres[15].

(26)

Estes tubos eram aquecidos pelos gases quentes provenientes da queima do gás com-bust´ıvel. No entanto, este aparelho apresentava elevados riscos na sua utiliza¸cão por não pos-suir um sistema de exaustão dos gases de queima [16], que podia levar à sua explosão [17]. Em 1889, pegando no trabalho anteriormente realizado por Benjamin Waddy MaugHan e introdu-zindo ventila¸cão dos gases de queima, aumentando a seguran¸ca na utiliza¸cão dos aparelhos, Edwin Ruud construiu o primeiro esquentador automático com reservatório [18], presente na Figura 2.2 (atualmente denominado por termoacumulador), fundando depois a “Ruud Manufacturing Company” [19].

Figura 2.2: Edwin Ruud ao lado do seu esquentador de ´agua autom´atico [19].

No decorrer do ano de 1892 a empresa Junkers cria a patente do calor´ımetro, um disposi-tivo que tinha o objedisposi-tivo de medir o poder calorifico dos gases de combustão [20]. Com base no seu calor´ımetro, em 1894, a Junkers patenteia o seu “aquecedor de l´ıquidos”a gás [21]. No entanto, devido à crise financeira vivida em 1932, Hugo Junkers viu as suas empresas enfrentarem a insolvência, vendo-se obrigado a vender à Bosch o seu ramo de aquecimento para suportar a continua¸cão do seu negócio nas áreas da avia¸cão [22], dando-se assim in´ıcio ao negócio do grupo Bosch nos ramos de aquecimento de água e edif´ıcios [22].

(27)

2.2 Como funciona um esquentador

Os esquentadores são definidos por 3 caracter´ısticas fundamentais: a capacidade, o tipo de exaustão de gases e o seu gás de combustão. A capacidade de um esquentador representa a quantidade em litros de água quente (com uma diferen¸ca de 25oC para a temperatura de en-trada de água) por minuto, que o aparelho consegue fornecer. Por exemplo, um aparelho de 15 litros/min consegue fornecer 15 litros de água quente por minuto a 50oC se a temperatura de entrada da água for de 25oC [24]. Quanto ao tipo de gás utilizado para combustão os esquen-tadores podem ser produzidos para funcionarem com gás de cidade (também denominado por gás de 1a fam´ılia), gás natural (2a fam´ılia) e a GPL (3a fam´ılia). Esta distin¸cão faz-se porque cada fam´ılia de gases é caracterizada por possuir um Índice de Wobbe diferente [25]. Este fator representa o poder calorifico dos gases combust´ıveis, quando nas mesmas condi¸cões, são sujeitos à passagem pelo mesmo orif´ıcio [26]. A exaustão dos gases provenientes da queima pode-se realizar por exaustão natural (Open Flue - OF) ou por exaustão ventilada/for¸cada (Fan Pressurized - FP). Nos equipamentos do tipo OF, o escoamento dos gases de queima, assim como a admissão de ar para a combustão, faz-se através de convexão natural. Na Figura 2.4 apresenta-se o esquema simplificado do processo de exaustão dos gases de queima, num esquentador do tipo OF.

Figura 2.4: Esquema caracter´ıstico do processo de queima para os esquentadores com exaust˜ao natural. [27]

Os equipamentos do tipo FP contêm um ventilador para ajudar a expulsão dos gases pela conduta de exaustão. Esta ventila¸cão ajuda também no impulsionamento de ar necessário para a combustão. Dentro desta gama de equipamentos existem também modelos completa-mente estanques, em que o ventilador e a câmara de combustão são montados de forma isolada do meio onde se encontra o esquentador, sendo então o ventilador responsável pela expulsão dos gases de queima e pela admissão de ar fresco proveniente do exterior. Apresenta-se na

(28)

Figura 2.5 o esquema de um esquentador do tipo FP.

Figura 2.5: Esquema de funcionamento de um esquentador do tipo FP [28].

Os esquentadores são também catalogados quanto à sua forma de igni¸cão,que pode ser automática ou manual. Nos modelos manuais utiliza-se um sistema piezo-elétrico que precisa de ser acionado pelo utilizador quando este necessitar de água quente. Os materiais piezo-elétricos são conhecidos por responderem às deforma¸cões mecânicas dos seus corpos, através da gera¸cão de cargas elétricas [29, p. 110] que posteriormente são utilizadas para gerar a fa´ısca de igni¸cão. Os modelos automáticos encontram-se divididos em 2 grupos: os modelos a baterias, onde a fa´ısca é produzida por um circuito eletrónico alimentado a pilhas (quando se trata de aparelhos FP a alimenta¸cão dos circuitos é proveniente da rede elétrica) e os modelos com Hidrogerador (HDG), que possuem uma turbina em série com o circuito de água, que quando existe fluxo de água gera a diferen¸ca de potencial necessária para despoletar a fa´ısca para iniciar a queima. Estruturalmente, um esquentador pode ser dividido em 4 grandes blocos: automáticos de água/gás, câmara de combustão, chaminé de exaustão e sensores de seguran¸ca.

Na Figura 2.6 apresenta-se o esquema interno legendado do esquentador apresentado na Figura 2.3, onde se indica a localiza¸c˜ao dos grupos anteriormente mencionados.

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Figura 2.6: Esquema interno de um esquentador. 1–Chaminé, 2–Sensores de seguran¸ca, 3– Câmara de combustão, 4–Automáticos de água e gás. Adaptado de: [30].

O automático de água tem como fun¸cão reconhecer a necessidade de água quente, isto é, quando se abre uma torneira cria-se um fluxo de água dentro do automático, que faz deslocar um êmbolo que atua no automático de gás, ligando o fornecimento de gás.

Esta funcionalidade é conseguida tirando partido do efeito de Venturi [31, p. 39]. Este fenómeno diz-nos que quando temos um fluido incompress´ıvel (nesta caso água) que circula num tubo com seçcão variável, verifica-se que na zona de menor seçcão a velocidade do fluido tem de ser maior do que na zona de maior seçcão, porque o caudal tem que se manter constante. Assim sendo, aplicando-se a Equa¸cão de Bernoulli (2.1) [31] e assumindo que a altura relativa entre as duas seçcões é zero, verifica-se que na zona de estrangulamento a pressão vai ser menor do que na zona com maior área de seçcão. Para aplicar este conceito nos automáticos, coloca-se um tubo de Venturi na entrada da água, como mostra a Figura 2.7. Este tubo é caracterizado por não ter uma seçcão uniforme em todo o seu comprimento, tendo uma zona com seçcão menor. Esta zona encontra-se ligada à parte superior da membrana. Quando se inicia a passagem de água cria-se, na parte superior da membrana, uma pressão menor do que na parte inferior mesma, fazendo com que esta se eleve empurrando o êmbolo que serve de interruptor à passagem de gás. Assim que o fluxo de água cessa a pressão nos dois lados da membrana volta a ser igual e esta retorna ao seu estado inicial, fechando a

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alimenta¸cão de gás ao automático de gás. v2 2 + gz + p ρ = constante (2.1) Onde: v = velocidade do fluido; g = acelera¸cão da gravidade;

z = eleva¸cão em rela¸cão ao plano de referência; p = pressão do fluido;

ρ = densidade do fluido;

Figura 2.7: Esquema de funcionamento de um automático de água com efeito Venturi. Na imagem a) verifica-se que quando não existe fluxo de água a pressão nos dois lados da mem-brana é igual. Quando existe fluxo de água, imagem b), a pressão na parte superior da membrana é menor do que na inferior, empurrando assim a membrana para cima. [32]

Na Figura 2.8 apresenta-se um automático de gás, este é constitu´ıdo por um conjunto de duas electroválvulas, denominadas por Válvula Piloto, que controla a admissão de gás no piloto de igni¸cão, e por Válvula Membrana, responsável pelo controlo de passagem de gás para os injetores. Quando se dá sinal de igni¸cão ao esquentador este abre a Válvula do Piloto mantendo a Válvula Membrana fechada. Através de uma sonda de ioniza¸cão deteta-se a presen¸ca de chama na zona do queimador, o que significa que o gás proveniente do piloto está a ser queimado. Faz-se então a abertura da Válvula Membrana para alimentar os injetores que injetam o gás nas flautas, sendo estas responsáveis por fazer a homogeneiza¸cão do gás em todo o queimador. O arrastamento de ar provocado pela inje¸cão do gás nas flautas promove a mistura deste com o ar, tornando poss´ıvel a sua queima.

(31)

Figura 2.8: Fotografia de um autom´atico de g´as.

A seguir ao queimador encontra-se a câmara de combustão, local em que se encontra o circuito onde circula a água a ser aquecida, chamado de permutador de calor. O permutador é formado por alhetas e tubos em cobre onde circula a água. Este fica exposto à passagem dos gases e à energia térmica resultante do processo de combustão, transferindo-se assim calor para a água.

Juntamente com os componentes anteriormente mencionados, que são responsáveis pelo funcionamento do esquentador, existem também uma série de dispositivos de seguran¸ca para garantir que o esquentador funciona sem oferecer um perigo para o seu utilizador. O grupo dos sensores de seguran¸ca é constitu´ıdo por uma sonda de ioniza¸cão, um microswitch, sensores de temperatura e sensores para dete¸cão de gases de queima.

A sonda de ioniza¸cão tem como fun¸cão verificar a existência de chama no queimador, dando sinal ao controlador eletrónico para ligar ou desligar o fornecimento principal de gás. No arranque do esquentador esta sonda utiliza-se para verificar se a chama piloto acendeu e dar sinal ao controlador para acionar a Válvula Membrana, fornecendo gás a todas as flautas do queimador. Com o esquentador já em funcionamento, este sensor verifica a existência de chama no queimador para garantir que se acontecer algum problema e a chama se extinguir (caso aconte¸ca um corte momentâneo no abastecimento de gás) a Válvula Membrana seja fechada, evitando assim que caso o fornecimento de gás seja retomado e o esquentador não esteja a queimar, se acumule gás no queimador que poderia levar a uma explosão.

O microswitch corresponde a um pequeno interruptor elétrico que se coloca junto ao automático de água e que tem como fun¸cão enviar um sinal ao controlador, informando se existe passagem de água no esquentador. Este sensor é acionado pelo êmbolo que se encontra no automático de água, garantindo assim que caso não exista um fluxo de água a percorrer o esquentador, o controlador não permita que as válvulas de gás sejam acionadas, assegurando-se que o esquentador permanece desligado.

(32)

no aparelho, sendo colocados à entrada e sa´ıda do tubo por onde esta circula. Estes sensores têm como fun¸cão bloquear o esquentador quando a água à sa´ıda do esquentador excede um valor pré-definido (85oC). Normalmente são utilizados dispositivos do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient) que são resistências variáveis com a temperatura.

Por último, mas não menos importante, o sensor de retorno dos gases de queima encontra-se no topo da chaminé, tendo como fun¸cão detetar se a mesma se encontra bloqueada. Caso a chaminé se encontre bloqueada, os gases resultantes da combustão não serão expelidos para o exterior, acumulando-se na parte superior desta. Devido às elevadas temperaturas dos gases, a chaminé irá aquecer. Deste modo, para detetar se existe acumula¸cão dos gases resultantes da queima, utiliza-se um termóstato (como mostrado na Figura 2.9) acoplado à chaminé. Este é um método indirecto para a deteçcão da existência de gases, não sendo necessário utilizar sensores próprios para a dete¸cão de gases como CO e N Ox . Internamente ao grupo Bosch,

o sensor de retorno de gases de queima ´e tamb´em denominado por AGU.

(33)

Cap´ıtulo 3

Componentes relevantes

Neste cap´ıtulo serão abordadas as tecnologias mais importantes ao desenvolvimento deste projeto de disserta¸cão, dando especial foco aos transdutores de temperatura, pressão e de caudal. Um transdutor é um equipamento que transforma uma grandeza f´ısica numa ou-tra grandeza [33]. Neste caso de estudo, os ou-transdutores vão converter pressão, caudal ou temperatura em sinais elétricos que as unidades de controlo consigam processar.

3.1 Transdutores de temperatura

Na medi¸c˜ao de temperatura utilizam-se principalmente 4 tipos de transdutores: Sensores de resistˆencia, Term´ıstores, Sensores integrados e Termopares.

3.1.1 Sensores de resistˆencia

Os sensores de resistência, também denominados por RTD (Resistance Temperature De-tectors) são dispositivos que baseiam o seu princ´ıpio de funcionamento na dependência que existe entre a resistividade dos materiais condutores elétricos e a sua temperatura. Este fenómeno foi identificado pela primeira vez em 1821 por Sir Humphrey Davy, no entanto, só em 1932 se realizou um sensor deste tipo, pela mão de C.H. Meyers [29, p. 59].

Dado um condutor elétrico composto por um metal de resistividade ρ com comprimento l e com área de seçcão A a sua resistência é dada por:

R = ρl

A (3.1)

Onde:

R = Resistência do condutor elétrico; l = Comprimento do condutor elétrico; A = Área da seçcão do condutor elétrico; ρ = Resistividade;

A resistência de um condutor metálico (R) a uma determinada temperatura Θ é dada por um polinómio, dado que a maioria dos metais para pequenas varia¸cões de temperatura tem

(34)

uma varia¸cão na resistência quase linear, podemos aproximar o polinómio a um do primeiro grau tal que:

R = R0[1 + α(Θ − Θ0)] (3.2)

Onde R0é igual à resistência do metal à temperatura Θ0e α é o coeficiente de temperatura.

Os metais mais usados são a Platina (Pt) e as ligas de n´ıquel pois são os que apresentam caracter´ısticas mais lineares. Um dos RTDs mais usados é a sonda PT100 de platina que apresenta uma resistência de 100Ω quando a sua temperatura é de 0oC.

A principal desvantagem deste tipo de sensores encontra-se no facto de estes necessita-rem de senecessita-rem atravessados por uma corrente el´etrica para funcionarem. Por efeito de Joule esta corrente vai provocar o auto-aquecimento do sensor levando a uma indica¸c˜ao errada da corrente a ser medida.

3.1.2 Termopares

Os termopares têm como princ´ıpio de funcionamento o efeito descoberto por Thomas Johann Seebeck, em 1821[29, p. 43]. Este verificou que 2 metais diferentes juntos e expostos a uma fonte de calor produziam uma corrente elétrica. O efeito de Seebeck define-se consi-derando dois fios condutores de material diferente, unidos numa das extremidades. Se essa extremidade for exposta a uma fonte de calor e se a outra extremidade for um circuito aberto irá surgir uma for¸ca electro-motriz (e) entre os terminais dos dois condutores, como se mostra no esquema da Figura 3.1.

Figura 3.1: Esquema simplificado representando o efeito de Seebck [29, p. 45].

Quando a varia¸cão da temperatura é pequena, a varia¸cão da for¸ca electro-motriz (f.e.m) que se gera entre os condutores é vagamente proporcional à varia¸cão da temperatura, podendo dizer-se que:

∆eAB = α∆Θ (3.3)

Onde ∆eAB representa a varia¸c˜ao da f.e.m. e ∆Θ representa a varia¸c˜ao da temperatura.

O parâmetro α representa o coeficiente Seebeck. Este fator permite que sejam constru´ıdos termopares com a jun¸cão de dois metais distintos, cada combina¸cão de metais cria um ter-mopar com diferentes caracter´ısticas (sensibilidade e linearidade). Na Tabela 3.1 mostram-se algumas combina¸cões de metais e a sua correspondência comercial.

(35)

Tabela 3.1: V´arios tipos de termopares [29, p. 46]. Tipo Metais (+) (-) B Pt+30%Rh Pt+6%Rh E Ni+10%CR Constantan J Fe Constantan K Ni+10%CR N´ıquel R Pt+13%Rh Pt S Pt+10%Rh Pt T Cu Constantan 3.1.3 Term´ıstores

Os term´ıstores são dispositivos que, tal como os RTDs, apresentam uma resistência entre os seu terminais que depende da temperatura. No entanto, estes são constru´ıdos a partir de materiais semi-condutores. Este tipo de sensores pode ser dividido em dois tipos:

• NTC: Negative Temperature Coefficient, têm como particularidade a sua resistência ir diminuindo à medida que a temperatura aumenta.

• PTC: Positive Temperature Coefficient, ao contr´ario dos anteriores, a sua resistˆencia aumenta de forma s´ıncrona com o aumento da temperatura.

Os sensores do tipo NTC são os mais utilizados. De entre os sensores anteriormente referidos este é o que apresenta uma rela¸cão entre a temperatura e resistência menos linear. Na Equa¸cão 3.4 mostra-se a expressão que caracteriza a resistência do term´ıstor com a sua temperatura.

R = R0· e β(1_θ−1

θ0) _(3.4)

Onde:

R = Resistência do term´ıstor; R0 = Resistência de referência;

β = Caracter´ıstica do term´ıstor; θ = Temperatura do term´ıstor; θ0 = Temperatura de referˆencia;

O parâmetro β da equa¸cão anterior, é uma constante que caracteriza o term´ıstor dentro de um determinado intervalo de temperaturas e calcula-se segundo a Equa¸cão 3.5, onde R0

representa a resistência à temperatura θ0 e R1 a resistência à temperatura θ1.

β = θ1· θ0 θ0− θ1 ln R1 R0 (3.5)

3.1.4 Sensores de temperatura integrados

Os sensores de temperatura contidos em circuitos integrados tˆem como base de funcio-namento a queda de tens˜ao num d´ıodo semicondutor (quando este se encontra directamente

(36)

polarizado) ser proporcional à sua temperatura. Tipicamente neste tipo de sensores, utiliza-se a jun¸cão Base-Emissor dos trans´ıstores BJT, aplicados no circuito denominado “célula de Brokaw” [34] que se mostra na Figura 3.2.

Figura 3.2: Circuito da c´elula de Brokaw utilizado na constru¸c˜ao de sensores de temperatura integrados [34].

3.2 Transdutores de press˜

ao

A pressão define-se como sendo a for¸ca por unidade de área [35]. Quando se aplica este conceito a fluidos, tanto l´ıquidos como gasosos, a pressão é a for¸ca por unidade de área que os fluidos exercem perpendicularmente sobre qualquer superf´ıcie [36]. Neste caso de estudo, a pressão será a for¸ca exercida pelo ar nas paredes internas dos tubos onde este está contido.

A medi¸c˜ao de press˜ao pode caracterizar-se de 3 formas diferentes:

• Pressão absoluta: Mede-se como a diferen¸ca de pressão entre o ponto de medi¸cão e o vácuo ideal, onde a pressão é igual a zero.

• Pressão gauge: Mede-se diferen¸ca entre a pressão a ser medida e a pressão atmosférica no local da medi¸cão.

• Pressão diferencial: Mede-se a diferen¸ca entre a pressão em dois locais espec´ıficos, sendo um deles escolhido para ser a referência.

Na indústria existem vários tipos de transdutores de pressão, tais como os Diafragmas, Tubos de Bourdon, Bellows e sensores elétricos [37], cada um deles com um modo de funcio-namento diferente.

Durante a execu¸cão deste trabalho utilizaram-se os transdutores de pressão apresentados na Figura 3.3. O transdutor Yokogawa é do tipo diferencial, com uma gama de atua¸cão desde 0.005 até 100mbar, com um sinal de sa´ıda do tipo 4 − 20mA [38].

(37)

(a) SMC - ITV-2030-01F3BN2-Q. _{(b) YOKOGAWA - EJA110A-DLS4A-92DA.} Figura 3.3: Transdutores de press˜ao utilizados.

3.3 Transdutores de caudal

Os transdutores de caudal, também denominados por caudal´ımetros, têm como fun¸cão medir a quantidade de fluido (l´ıquido ou gasoso) que circula através de uma seçcão, durante um determinado intervalo de tempo. Os caudal´ımetros podem ser divididos em vários grupos, sendo que os grupos mais utilizados são os caudal´ımetros diferenciais, os por efeito de Coriolis, e os do tipo Thermal Mass Flow [39].

Os caudal´ımetros diferenciais utilizam a equa¸cão de Bernoulli (Equa¸cão 2.1). Faz-se passar o fluido através de uma seçcão de tamanho reduzida como se mostra na Figura 3.4 e mede-se a pressão nos dois lados da obstru¸cão. Através da diferen¸ca entre as duas pressões medidas consegue-se aferir o caudal do fluido.

Figura 3.4: Esquema simplificado de um caudal´ımetro diferencial. Fonte [40].

O efeito de Coriolis é também utilizado para se medir o caudal de fluidos. A for¸ca exercida pela passagem de um fluido dentro de um tubo curvo, como o que se mostra na Figura 3.5, faz com que o tubo oscile. Com base neste princ´ıpio, os caudal´ımetros por efeito de Coriolis, contém dois tubos de oscila¸cão, em fase, a uma frequência e amplitude conhecidas. O fluido a ser medido é dividido flui irmãmente pelos dois tubos, alterando a sua forma de oscilar. A

(38)

diferen¸ca de fase entre as duas oscila¸c˜oes ir´a ser proporcional ao caudal que se quer medir [41].

Figura 3.5: Esquema simplificado do funcionamento de um caudal´ımetro por efeito de Coriolis. Fonte [41].

Por ´ultimo, falta apenas referir os caudal´ımetros do tipo Thermal Mass Flow. Este tipo de equipamentos tira partido das propriedades t´ermicas dos fluidos para calcular o seu caudal.

O fluido a qual se quer medir o caudal é feito passar por um tubo que contém dois transdutores de temperatura. Um dos transdutores funciona como um sensor de temperatura e o outro como um elemento de aquecimento. Um esquema deste transdutor é apresentado na Figura 3.6. Com passagem de fluido bloqueada, mede-se a diferen¸ca de temperatura (∆T ) entre os dois elementos. Como não existe passagem de fluido, essa diferen¸ca de temperatura define o caudal igual a zero.

A passagem de fluido leva a que temperatura na sonda aquecida diminua, fazendo com que o ∆T também diminua. De modo a manter o ∆T constante injeta-se mais energia na sonda de aquecimento, de modo a compensar a energia que é dissipada pela passagem do fluido. Este aumento da energia necessária para aquecer a sonda vai ser proporcional ao caudal [42].

A banca de pré-afina¸cão de automáticos de gás utiliza este tipo de caudal´ımetros.

Figura 3.6: Esquema simplificado de um caudal´ımetro do tipo Thermal Mass Flow.Fonte [40]. Dos caudal´ımetros anteriormente estudados, os que funcionam por efeito diferencial são os mais baratos, no entanto, também são os que apresentam uma menor precisão. Por outro lado, os caudal´ımetros por efeito de Coriolis são os que apresentam uma maior precisão. Uma das suas grandes vantagens é poder ser utilizado tanto em fluidos l´ıquidos como em gasosos. Tem como desvantagem ser o modelo de caudal´ımetro mais caro. Os sensores por Thermal Mass FLow apresentam-se a meio da tabela, tanto em pre¸co como em precisão de medi¸cão. ´

E mais utilizado na medi¸cão de gases. Uma das vantagens deste tipo de sensores é poder ser inserido em tubos de grande dimensões.

(39)

Cap´ıtulo 4

Situa¸

c˜

ao atual

Os equipamentos produzidos têm de ser testados quanto ao seu funcionamento e à sua seguran¸ca. Em particular, têm que ser afinados quanto ao seu regime de funcionamento para que todas as normas sejam cumpridas. Deste modo, antes de serem enviados para o mercado, todos os esquentadores passam por um conjunto de testes denominados por ensaios finais [43]. Neste cap´ıtulo vai-se explicar como se realizam os ensaios funcionais, explorando quais os seus pontos negativos, quando se analisa a integra¸cão com os novos modelos de esquentadores.

4.1 Ensaio final do esquentador

Nos esquentadores, o teste final corresponde à última barreira entre o meio de produ¸cão e o utilizador, isto faz com que este seja um dos passos de produ¸cão mais importantes. Durante o ensaio final, também denominado por ensaio funcional [43], verifica-se o correcto funcio-namento dos equipamentos. Este ensaio inicia-se aferindo que todos os componentes foram corretamente montados no equipamento e se nenhum se encontra visivelmente estragado, este é o passo de verifica¸cão visual. Em seguida realiza-se um teste de estanquidade ao circuito de ´

agua para que se garanta que este não tem fugas, em seguida liga-se o esquentador em modo de funcionamento normal, procedendo-se à verifica¸cão da existência fugas no circuito de gás e à verifica¸cão visual das chamas no queimador, para se garantir que a queima é uniforme e sem turbulências, despistando-se assim a existência defeitos ou obstru¸cões no queimador.

A fase seguinte é a afina¸cão do funcionamento dos esquentadores. Estes são ajustados de modo a garantir que a sua potência é semelhante à que se encontra na descri¸cão do aparelho. A afina¸cão faz-se ajustando a quantidade gás que entra no esquentador.

Por último, verifica-se o funcionamento dos componentes de seguran¸ca do esquentador, provocando-se situa¸cões de falha e analisando a resposta do equipamento. Esta fase inicia-se com o esquentador em funcionamento, fecha-se a válvula de sa´ıda de água quente e verifica-se que o esquentador se desliga. Em seguida volta-se a abrir a válvula de sa´ıda de água quente, verificando-se que o esquentador volta a ligar, iniciando-se a queima através do queimador piloto que irá então incendiar o restante queimador. Com o esquentador novamente em funcionamento provoca-se o aquecimento do termóstato que detecta o retorno de gases de queima e verifica-se que o esquentador desliga.

Caso o esquentador seja aprovado em todos os testes, avan¸ca para o posto seguinte onde é embalado e se prepara o envio para cliente final. No entanto, quando o equipamento não passa no ensaio final, é retrabalhado, tentando-se reparar o problema detectado. Em seguida

(40)

realiza-se novamente o ensaio funcional, verificando-realiza-se o correcto funcionamento do esquentado, caso volte a falhar nos testes finais o equipamento é retrabalhado uma vez mais. Caso volte a não passar nos ensaios é então descartado.

4.2 Contextualiza¸

c˜

ao do problema

A afina¸cão do funcionamento do esquentador é feita pelo operador. Para tal ele ajusta o caudal de gás através do parafuso restritor que se encontra no automático de gás. Todos os tipo de esquentadores têm um ponto de afina¸cão diferente, devido ao tipo de gás que consomem, à sua potência e as emissões. Assim sendo o operador tem de procurar manualmente o ponto de afina¸cão que coloque o aparelho dentro dos limites pretendidos. Esta medi¸cão é feita medindo-se a pressão de gás à entrada do queimador e comparando-a com os valores de referência. Para se medir a pressão é necessário desapertar um parafuso no canal de entrada de gás, de modo a que se consiga colocar o transdutor de pressão conectado no queimador. No fim de se realizar o ensaio este parafuso volta a ser apertado e tem que se garantir que o esquentador continua sem fugas de gás. Para se fazer esta verifica¸cão, existe um posto de teste de estanquidade extra no final da linha de montagem, antes do produto ser embalado.

Para testar o funcionamento do termostato que faz a dete¸cão do retorno dos gases de queima, é necessário que este seja aquecido até à sua temperatura de atua¸cão. O aquecimento deste sensor apenas por acumula¸cão de gases seria um processo demorado e perigoso pois os gases resultantes da queima de combust´ıveis são prejudicais para o ser humano. De modo a reduzir o tempo necessário para a realiza¸cão utiliza-se um soprador de ar quente adaptado, como o que se apresenta na Figura 4.1. Com o esquentador em funcionamento, coloca-se o soprador a incidir directamente sobre o termostato, fazendo assim a temperatura aumentar mais rapidamente.

Figura 4.1: Soprador de ar quente utilizado para acelerar o teste dos sensores AGU. No entanto, mesmo com aux´ılio do soprador de ar quente a atua¸c˜ao do sensor tem uma

(41)

dura¸cão de entre 30 a 40 segundos.[44]. Para se reduzir o tempo de aquecimento poder-se-ia utilizar o soprador com uma temperatura muito elevada quando comparada com a tempe-ratura de atua¸cão do sensor. No entanto o uso de temperatura em excesso iria danificar os sensores, mais propriamente as cablagens que fazem a liga¸cão elétrica com o circuito eletrónico de controlo.

Os sensores de seguran¸ca encontram-se todos ligados em série. Isto significa que basta que um dos sensores não cumpra com as condi¸cões de seguran¸ca para que todo o equipamento fique desligado.

Com a necessidade de cumprir as normas ErP e diminuir as emiss˜oes de N Ox , o

de-sign e constru¸cão dos esquentadores tiveram de sofrer algumas altera¸cões, principalmente na forma como é feita a admissão e queima do combust´ıvel. Uma das formas de reduzir as emissões de N Ox passa por reduzir a temperatura de combustão, evitando assim que as

rea¸cões sejam estequiométricas, que é o regime onde são produzidas as maiores quantidades de N Ox [45]. Esta redu¸cão faz-se combinando no queimador zonas de combustão rica, onde

existe mais combust´ıvel do que oxigénio, com zonas de combustão pobre onde o oxigénio é predominante [45].

As novas altera¸cões levaram ao aparecimento, nos esquentadores, de zonas exteriores ao queimador onde a mistura de gás com o ar já é inflamável, permitindo que se possa iniciar combustão fora do queimador, levando à destrui¸cão dos equipamentos e podendo ferir os seus utilizadores. Para se detectar este tipo de falhas e desligar o esquentador, foi necessária introdu¸cão de mais sensores de seguran¸ca, nomeadamente termóstatos do tipo AGU.

Com a introdu¸cão dos novos termóstatos e devido ao método utilizado para se testar os sensores de seguran¸ca, cada termóstato tem de ser testado individualmente criando-se um ciclo de teste com tempo de atua¸cão do sensor e tempo de rearme, e só em seguida pode ser realizado o teste ao sensor seguinte. Isto implica que o tempo necessário para se realizar o ensaio final aumente proporcionalmente com o número de termostátos que são colocados no aparelho.

Nos novos equipamentos foi necessário colocar um termóstato que não se encontra acess´ıvel em situa¸cão de ensaio, pelo que não se consegue fazer incidir directamente no sensor o calor proveniente do soprador de ar quente apresentado na Figura 4.1. Este sensor encontra-se acoplado entre as flautas do esquentador, deste modo o aquecimento faz-se indirectamente, através do aquecimento da flauta onde este se encontra acoplado.

4.2.1 Descri¸c˜ao do AGU

Os AGUs pertencem ao grupo dos termóstatos de contacto mecânicos. Na Figura 4.2 apresenta-se o esquema interno deste tipo de sensores. O termostato é um dispositivo que funciona como um interruptor, ligando e desligando o sistemas em que estiver inserido. Tem como fun¸cão manter a temperatura do local onde se encontra dentro de um intervalo pre-viamente estabelecida, ativando ou desativando os mecanismos responsáveis pela gera¸cão ou extra¸cão de calor. Por exemplo nos fornos de uso doméstico, quando se define a temperatura para 180oC o forno liga as suas resistências de aquecimento, quando a temperatura ultrapassa o valor estabelecido, o termóstato desliga o forno fazendo com que a temperatura comece a baixar. Quando a temperatura fica menor que o valor de referência, o termóstato volta a ligar o forno. A diferen¸ca entre a temperatura de corte e de ativa¸cão denomina-se por his-terese, garantindo assim que o forno não está em constantes comuta¸cões do seu estado de funcionamento.

(42)

O AGU acopla-se diretamente à superf´ıcie em que se pretende regular a temperatura através do seu disco de exposi¸cão. Este disco irá servir como meio de transmissão de calor para o disco bimetálico que serve de interruptor.

(a) Esquema interno de um termostato bimet´alico. [46]

(b) Fotografia com os componentes internos de um sensor do tipo AGU.

Figura 4.2: Representa¸c˜ao interna dos componentes que formam os sensores do tipo AGU.

Na Figura 4.3 mostra-se o esquema de funcionamento dos termóstatos com disco bi-metálico. Quando o sensor se encontra no estado de repouso, isto é, quando a temperatura a que este está exposto é menor que a sua temperatura de atua¸cão, o disco bimetálico tem uma forma côncava, permitindo a existência de contacto entre os terminais do sensor. Quando se atinge a temperatura de atua¸cão do sensor, o disco bimetálico muda a sua forma para con-vexa, empurrando um êmbolo metálico que desliga o contacto entre os terminais do sensor, fazendo com que este se torne um circuito aberto. Assim que a temperatura voltar a baixar, o disco volta à sua forma inicial voltando a existir contacto entre os terminais do sensor.

(43)

(a) No estado normal o bimet´alico apresenta uma forma concava, permitindo a conex˜ao entre os terminais do sensor.

(b) Quando atinge a temperatura de atua¸cão o bimetálico muda a sua estrutura para uma forma convexa abrindo a conexão entre os terminais do sensor.

Figura 4.3: Esquema do funcionamento interno dos termóstatos com açcão bimetálica.[47]

O disco bimetálico é um dispositivo constitu´ıdo por duas ou mais ligas metálicas diferentes, com igual tamanho sobrepostas entre si. As ligas metálicas têm coeficiente de expansão com a temperatura diferentes [48]. Na Figura 4.4 mostra-se um esquema de um disco contendo duas ligas metálicas diferentes. A liga com maior coeficiente de expansão está representado por HES (High Expansion Strip), estando a liga com menor coeficiente representada por LES (Low Expansion Strip). Quando sujeitas a varia¸cões de temperatura a liga metálica com maior coeficiente de expansão irá ficar sujeita a uma for¸ca de compressão. Isto acontece porque com o aumento da temperatura esta liga irá tender a expandir mais rapidamente do que a outra, no entanto como as ligas se encontram ligadas entre si o seu tamanho relativo terá que se manter igual, formando-se assim uma curvatura. A liga que se na encontra parte superior irá ter um raio de curvatura (R) maior e consequentemente a sua dimensão também será maior.

(44)

(45)

Cap´ıtulo 5

Proposta de optimiza¸

c˜

ao

O aumento do número de sensores de seguran¸ca tem um impacto direto no tempo de ensaio final dos equipamentos aumentando assim seu tempo de produ¸cão. Neste cap´ıtulo vão-se propor formas de otimizar os métodos de teste já existentes de modo a reduzir o tempo necessário para a produ¸cão de esquentadores.

5.1 Aquecimento por indu¸

c˜

ao

A indu¸cão eletromagnética define-se como a produ¸cão de uma for¸ca eletromotriz num condutor elétrico quando este se move num campo magnético, ou quando é exposto a um campo magnético variável [49]. Este fenómeno foi descoberto em 1831 por Michael Faraday e caracteriza-se pelo aparecimento de uma corrente elétrica, num circuito elétrico fechado, devido a varia¸cões de corrente elétrica noutro circuito que se encontre nas proximidades[50]. Desta forma o aquecimento por indu¸cão eletromagnética define-se pelo acto de aquecer materiais condutores elétricos, tais como os metais [51], colocando-os expostos a campos magnéticos variáveis [52].

Um sistema de aquecimento por indu¸cão consiste num circuito oscilatório que tem como fun¸cão gerar uma corrente alternada que é transmitida para uma bobine de indu¸cão, cri-ando no seu interior um campo electromágnetico que irá induzir uma corrente na pe¸ca a ser aquecida.

(46)

Figura 5.1: Esquema do funcionamento da bobine de indu¸c˜ao [53].

Na Figura 5.1 mostra-se um diagrama com o efeito do campo magnético na pe¸ca a ser aquecida. Neste exemplo a bobine de indu¸cão é cil´ındrica pelo que tem de se colocar a pe¸ca a ser aquecida dentro da bobine. No entanto não é necessário que a bobine tenha sempre a forma cil´ındrica. Dependendo do caso de aplica¸cão, as bobines podem ter variadas geometrias como se mostra na Figura 5.2.

Figura 5.2: Conjunto de bobines de indu¸cão com diferente formas geométricas [54]. O aquecimento dos objetos baseia-se em dois mecanismos de dissipa¸cão de energia, as per-das por efeito de Joule, devido às corrente de Eddy, e as perdas associas à histerese magnética. As perdas por histerese apenas acontecem em metais ferromagnéticos pois são causadas pelas mudan¸cas na magnetiza¸cão da moléculas devido às varia¸cões do campo magnético. Cada vez que o campo muda de sentido, os dipolos, que podem ser comparados a pequenos ´ımans [51],

(47)

seguem a mudan¸ca do campo magn´etica e a energia proveniente desse movimento ´e transfor-mada em calor.

Figura 5.3: Efeito do campo magn´etico nos dipolos, N-Norte, S-Sul [55].

As correntes induzidas nos objetos são chamadas de Corrente de Eddy. Estas correntes têm a mesma frequência que as correntes que circulam na bobine de indu¸cão, no entanto têm sentido oposto. Os objetos a serem aquecidos são condutores elétricos e têm uma resistência interna associada que irá contrariar o fluxo de corrente induzida, gerando desta forma calor devido às perdas por efeito de Joule.

5.1.1 Impacto da frequˆencia no aquecimento

As correntes induzidas variam com as mudan¸cas do campo magnético, pelo que se com-portam como correntes alternadas. Deste modo, devido ao efeito pelicular, a corrente elétrica induzida irá circular maioritariamente na superf´ıcie dos objetos. A profundidade do efeito pelicular é dada pela Equa¸cão 5.1 de onde se extrai que quanto maior for a frequência de oscila¸cão das correntes, menor será a profundidade a que circulam as correntes induzidas.

δ = r 2ρ ωµrµ0 (5.1) Onde: δ = Profundidade da corrente; ρ = Resistividade do material;

ω = Frequˆencia angular (2π × frequˆencia);

µr = Permeabilidade magn´etica relativa do material;

µ0 = Permeabilidade magn´etica do v´acuo (4π × 10−7 H/m);

Assim sendo, o aquecimento de pe¸cas com maior profundidade deve ser feito recorrendo a frequˆencias mais baixas.

5.1.2 Desenvolvimento da bobine

Durante este projeto foram desenvolvidas manualmente um conjunto de bobines planares, como se mostra na Figura 5.5. O objetivo foi encontrar a melhor alternativa que fosse capaz

(48)

de contemplar os nossos requisitos:

• Conseguir aquecer os AGU em tempo ´util;

• Ter tamanho adequado para conseguir aceder a todas as localiza¸c˜oes dos AGUs.

Utilizando a fórmula de Wheeler [56], presente na Equa¸cão 5.2 calculou-se a indutância de várias bobines como a da Figura 5.4a, que se construiu manualmente.

L = N 2_{× A}2 30A − 11d , A = d + N (W + S) 2 (5.2) Onde: L = Indutˆancia (µH);

D = Diˆametro da bobine (in); N = N´umero de espiras;

d = Diˆametro interno da bobine (in); W = Diˆametro do fio (in);

S = Espa¸camento entre fios (in);

(a) Bobine planar constru´ıda manualmente. (b) Bobine da W¨urth usada para carre-gamentos sem fios.

Figura 5.4: Compara¸c˜ao entre uma bobine feita manualmente (Figura 5.4a) e uma bobine comercial (Figura 5.4b).

A constru¸cão manual de bobines apresentou uma série de dificuldades como por exemplo: não se conseguir fazer bobines de pequenas dimensões e que tivessem indutância suficiente; não se conseguir replicar bobines com as mesmas caracter´ısticas; dificuldades em se moldar a bobine na forma desejada, e por fim não se conseguir fazer bobines capazes de suportar as correntes geradas pelo circuito, sem se deteriorarem. Estas dificuldades levaram a que também se tenha adquirido uma bobine comercial da Würth Elektronik 1,

(49)

Figura 5.5: Conjunto de todas as bobines desenvolvidas e testadas.

5.1.3 Circuito auto-oscilante com bobine de 3 terminais

Os circuitos para aquecimento por indu¸cão dividem-se em duas partes principais, a fonte de alimenta¸cão e o circuito oscilatório. No esquema que se apresenta na Figura 5.6 o circuito oscilatório é constitu´ıdo pelo paralelo dos condensadores C1 a C5 em conjunto com as bobines L1 e L2. Esta jun¸cão de componentes forma um circuito ressonante LC, também denominado por circuito tanque. É o oscilador LC que determina a frequência de oscila¸cão do sistema indutivo, e este vai oscilar à frequência de ressonância do conjunto LC, permitindo assim que seja entregue à carga a maior quantidade de energia poss´ıvel. A frequência de oscila¸cão calcula-se pela Equa¸cão 5.3.

f = 1

2π√LC (5.3)

Onde:

f = Frequˆencia (Hz);

L = Indutˆancia da bobine (H);

C = Capacidade conjunta do banco de condensadores (F);

Para que o sistema oscile é necessário que a fonte de tensão V3 tenha um flanco ascen-dente rápido, de modo a que o oscilador LC comece a oscilar. Assim que isto acontecer, os trans´ıstores M1 e M2 funcionam como comutadores de corrente fornecendo ao circuito LC a energia necessária para que este continue a oscilar. Devido às liga¸cões que existem entre o dreno de um e a porta do outro, quando um trans´ıstor entra em condu¸cão o outro entra em estado de corte, fazendo variar o sentido da corrente que flui pela bobine de indu¸cão.

Para efeitos de modela¸cão e simula¸cão do circuito as resistências R5 e R6 representam a resistência das bobines L1 e L2.

(50)

A bobine L3 serve como filtro para as correntes de alta frequência impedindo que estas cheguem à fonte de alimenta¸cão.

Devido à queda de tensão máxima entre a porta e a fonte (Vgs) dos trans´ıstores utilizados

ser de ±20V [58], este circuito não permite que se utilize 24V como tensão de alimenta¸cão, pois irá danificar os trans´ıstores. A necessidade de se ter uma bobine com ponto médio dispon´ıvel é um dos principais defeitos deste circuito.

Figura 5.6: Esquema do circuito de indu¸cão com fonte de alimenta¸cão de 12V [59]. Na Figura 5.7 apresentam-se fotografias do primeiro circuito de indu¸cão testado, junta-mente com uma bobine planar constru´ıda para ser a bobine de indu¸cão. De notar que o circuito da Figura 5.7a não corresponde exactamente ao que se apresenta na Figura 5.6, pois não estavam dispon´ıveis resistências de 1kΩ ± 5% pelo que se utilizou uma série de duas re-sistências (560Ω + 470Ω) perfazendo 1030Ω. Nesta imagem não se encontram os dissipadores de calor acoplados aos trans´ıstores.

(a) Fotografia do circuito da Figura 5.6, sem a

bo-bine de indu¸cão. (b) Bobine com liga¸cão no ponto médio. Figura 5.7: Circuito de indu¸cão para fonte de alimenta¸cão de 12V e bobine planar com ponto médio.

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Para fonte de alimenta¸c˜ao deste circuito escolheu-se uma bateria de chumbo (utilizada como fonte de energia na igni¸c˜ao dos motociclos) de 12V@5Ah.

5.1.4 Circuito auto-oscilante com bobine simples

Devido aos problemas que se encontraram no circuito da Figura 5.6 alterou-se o circuito para o que se apresenta na Figura 5.8. Para se conseguir elevar a tensão de alimenta¸cão da bobine de indu¸cão para 24V introduziu-se um regulador de tensão linear LM7812. Este regulador consegue regular uma tensão entre 14, 5V e 30V para 12V [60]. Este regulador foi utilizado para alimentar os trans´ıstores. Introduziram-se os d´ıodos D1 e D2 que têm como fun¸cão descarregar a porta dos trans´ıstores de modo a garantir que quando um trans´ıstor entra em modo de condu¸cão o outro já se encontra no modo de corte. Para se diminuir o tempo de comuta¸cão dos trans´ıstores diminuiu-se o valor de R1 e R2 desde 1kΩ para 150Ω.

Figura 5.8: Circuito de indu¸c˜ao auto-oscilante com regulador LM7812 e bobine com 2 termi-nais [61].

Este circuito permite que se utilize uma bobine genérica com apenas 2 terminais, facili-tando assim a constru¸cão manual de bobines assim como a compra de bobines comerciais. A frequência de oscila¸cão deste circuito é definida pela frequência de ressonância do conjunto bobine de indu¸cão com o banco de condensadores. Os componentes L2 e L3 são bobines toroidais que têm como fun¸cão filtrar as correntes de alta frequência impedindo que estas se circulem em direçcão à fonte de alimenta¸cão.

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Figura 5.9: Fotografia do circuito auto-oscilante com LM7812 para bobine com 2 terminais.

Circuito em PCB

De modo a realizar um circuito mais fiável e que fosse capaz de ser implementado nas linhas de produ¸cão, converteu-se o circuito da Seçcão 5.1.4 numa versão em placa de circuito impresso (PCB), como se demonstra na Figura 5.10.

Durante o ensaio funcional vão ser testados vários sensores que se encontram posicionados em locais diferentes. Isto implica que para cada sensor poderá ser necessário uma bobine de indu¸cão diferente de modo a que se consiga aceder ao mesmo. Assim sendo aplicou-se neste circuito a capacidade de serem conectadas ao mesmo tempo 3 bobines de indu¸cão. No entanto apenas uma bobine pode funcionar de cada vez (o teste aos sensores não pode ser feito em paralelo). A escolha da bobine a ser utilizada faz-se através da ativa¸cão de um relé mecânico, que conecta a bobine com o banco de condensadores formando o oscilador LC.

Figura 5.10: Circuito final em PCB.

5.1.5 Circuito Fullbridge

Uma nova abordagem para o circuito de indu¸cão foi utilizar uma configura¸cão em Ponte H [62]. Esta tipologia de circuitos tem como fun¸cão impor o sentido de corrente elétrica que circula numa carga. É constitu´ıdo por 4 trans´ıstores que funcionam como interruptores

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agrupados 2 a 2. Como se mostra na Figura 5.11 dependendo de quais trans´ıstores est˜ao ativos, o sentido da corrente que circula pela carga ´e diferente.

Figura 5.11: Esquema de funcionamento de um circuito em Ponte H.

Para controlar a ativa¸cão correta dos trans´ıstores tomou-se partido da existência de circuito do tipo FullBridge Gate Driver. Estes componentes permitem fazer o drive aos trans´ıstores da Ponte H e contêm sistemas de seguran¸ca para que não se ative em simultâneo os trans´ıstores que se encontram em série.

O Fullbridge Gate Driver escolhido para este projeto foi o IRS2453 da International Rec-tifier. Com base no circuito de exemplo que se encontra no datasheet [63] dimensionou-se o circuito que se apresenta no esquema da Figura 5.12.

Figura 5.12: Circuito de indu¸c˜ao com FullBridge Gate Driver IRS2453.

Com a utiliza¸cão do circuito integrado IRS2453 é poss´ıvel controlar a frequência de co-muta¸cão dos trans´ıstores. Através da varia¸cão dos valores de resistência e capacidade ligados a RT e CT é poss´ıvel definir uma frequência de oscila¸cão para o circuito. Deste modo aplicou-se em RT um conjunto de uma resistência de 1kΩ e um potenciómetro de 10kΩ, permitindo variar a frequência desde 10kHz até 100kHz. O oscilador LC, encontra-se representado pela bobine L1 e pelo condensador C5.

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Figura 5.13: Circuito fullbridge, tem em falta um andar de trans´ıstores.

5.1.6 Circuito com Digipot

No modelo de circuito que se apresenta na Seçcão 5.1.5, a frequência de oscila¸cão é imposta pelos valores de CT e RT. Deste modo se frequência não for devidamente ajustada, isto é, caso não seja igual à frequência de ressonância do oscilador LC, a energia entregue à carga vai ser menor. Isto reflete-se num aumento do tempo necessário para aquecer os objetos.

De modo a tentar ultrapassar este problema desenvolveu-se o circuito que se apresenta em seguida. Este circuito é uma adapta¸cão do circuito apresentado na Seçcão 5.1.5, no entanto agora frequência de oscila¸cão do componente IRS2453 deixou de ser controlada por um potenciómetro. Para se conseguir alterar a frequência de forma automática substitui-se o potenciómetro por um Digipot2_{. A resistˆ}_{encia do digipot vai ser controlada atrav´}_{es de um}

microcontrolador, neste caso Arduino Nano.

Na Figura 5.14 apresenta-se um diagrama do circuito implementado. Utilizando um trans-dutor de corrente (HX15-P SP2) mediu-se a corrente que circula na bobine de indu¸cão, com o Arduino faz-se variar a resistência do digipot, alterando assim a frequência de funcionamento circuito.

Figura 5.14: Diagrama de funcionamento do circuito com Digipot.

5.2 Banca de pr´

e-afina¸

c˜

ao de v´

alvulas de g´

as

A bancada de ensaios funcionais é composta por dois postos simétricos e independentes utilizados para os testes e afina¸cões nos automáticos de água-gás. Esta banca, apresentada na Figura 5.15 e no Anexo A.1, encontra-se equipada por um computador industrial modelo CX1020 da marca Beckhoff, com sistema operativo Microsoft Windows XP Embedded. Para

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que este computador funcione como autómato, tem instalado uma aplica¸cão do fabricante chamada TwinCAT que divide o processamento do computador em duas partes distintas: uma para o programa autómato e outra para o sistema operativo. Assim sendo, a programa¸cão da banca é dividida em dois programas: o software PLC (Programmable Logic Controller), utilizando ST (Structured Text), que gere o funcionamento mecânico da banca, e o programa PC (usando Visual Basic), que serve de interface entre a banca e o utilizador.

Figura 5.15: Desenho CAD da banca de ensaio funcional de automáticos de gás. [64] Esta banca tem como objetivo realizar os testes e afina¸cões dos automáticos de gás que são produzidos para serem pe¸cas suplentes. Como estas partes não são montadas em nenhum esquentador antes de sa´ırem da fábrica, não vão passar pelos testes funcionais. Deste modo foi necessário criar um posto onde estas partes fossem testadas e afinadas. Para realizar estas tarefas a banca está equipada com um circuito pneumático como o que se apresenta no Anexo A.2, constitu´ıdo por 2 jigs3 independentes, cada um deles equipado com sensores de pressão e caudal de ar comprimido e reguladores de pressão mecânicos para afina¸cão manual e reguladores electro-mecânicos controlados pelo software PLC.

3_{Um Jig ´}_{e uma ferramenta que tem como objetivo, segurar e guiar outras ferramentas. Neste caso de}

estudo, os jigs foram constru´ıdo de para fixarem os automáticos de gás à banca de ensaio sempre na mesma posi¸cão, obtendo-se assim a repetibilidade do teste realizado.