UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO
ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
Curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Engenharia Industrial
MICHAEL LANES WAWGINIAKS
DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO DE UMA BANCADA
DIDÁTICA PARA EXPERIMENTOS EDUCACIONAIS ENVOLVENDO
CONTROLE DE TEMPERATURA
Panambi/RS 2017
MICHAEL LANES WAWGINIAKS
DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO DE UMA BANCADA
DIDÁTICA PARA EXPERIMENTOS EDUCACIONAIS ENVOLVENDO
CONTROLE DE TEMPERATURA
Monografia do Curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Engenharia Industrial apresentado como requisito parcial para obtenção de título de Especialista em Engenharia Industrial
Orientador: Prof. Dr. Eng. Mec. Antonio Carlos Valdiero
Panambi/RS 2017
MICHAEL LANES WAWGINIAKS
DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO DE UMA BANCADA DIDÁTICA PARA EXPERIMENTOS EDUCACIONAIS ENVOLVENDO CONTROLE DE
TEMPERATURA
Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora
Banca examinadora
________________________________________ Prof. Antonio Carlos Valdiero, Dr. Eng. Mec. - Orientador
________________________________________ Prof. Luiz Antônio Rasia, Dr. Eng. Ele.
À Deus, ao meu pai Jorge Luis, aos meus filhos Jordano e Vitória e sobretudo à minha esposa Luciani pela compreensão, auxílio e estímulo.
BIOGRAFIA DO AUTOR
Michael Lanes Wawginiaks nascido em 1979 no município de Panambi do Estado do Rio Grande do Sul. Completou sua formação de ensino médio em 1999 na Escola Estadual Poncho Verde no município de Panambi/RS. Iniciou sua trajetória no ramo metalmecânico no ano de 2001 quando começou a trabalhar setor de estamparia da empresa Kepler Weber S.A. Atualmente exerce a função de líder de Métodos e Processo na empresa Fockink, onde trabalha desde 2013. Graduou-se em Engenharia Mecânica em 2010 pela Universidade regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul - Unijuí, em convênio com a Universidade Estadual do Rio Grande do Sul - UERGS. Tem grande interesse pela área de Projeto de Produto e ferramentas de gestão da qualidade e lean manufacturing.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus colegas de empresa, Márcio Hinnah, Luis Carlos Kensy, Elisandro Carnelosso, Jean Martins e Everton Schemmer que de uma maneira ou de outra auxiliam neste trabalho.
Ao meu orientador, Antonio Carlos Valdiero, pela orientação sempre concisa e sucinta. Ao Laboratorista Renan, pelo auxílio na fabricação do protótipo.
Ao irmão Jônatas Menezes pelo auxílio técnico, fraternidade e incentivo. Ao irmão Stephen pelo auxílio com a revisão em parte do texto.
À família pelo incentivo e compreensão nos momentos de ausência. À Deus pela força
RESUMO
Ao mesmo tempo que o ensino na engenharia traz consigo dificuldades para docentes e alunos, a capacidade do engenheiro de dominar conceitos e técnicas está ligada de maneira muito estreita com um processo educacional consistente. É nesse contexto os objetos educacionais são ferramentas poderosas para o auxílio no ensino de engenharia. Dentre as diversas pautas desafiadoras para o estudante de engenharia e que impactarão na sua vida profissional está o controle de sistemas e por isso o objetivo deste trabalho é desenvolver um protótipo de bancada de testes de controle de temperatura de fluidos em tanques que propiciará um objeto educacional capaz de auxiliar no ensino dos graduandos de engenharia sobretudo nas áreas relacionadas às ciências térmicas e de controle. Fazendo uso de metodologias de desenvolvimento de projeto, o protótipo foi construído com materiais doados e materiais de baixo custo, onde foram realizados testes com a medição da temperatura em cada instante de tempo. Os primeiros testes foram feitos com o resfriamento do fluido. Com as variáveis do processo e os dados adquiridos através do fenômeno de resfriamento, realizou-se uma simulação computacional para validar da modelagem matemática de fenômenos envolvendo o controle de temperatura em tanques. Os resultados experimentais são usados para determinação dos parâmetros do sistema, como por exemplo o constante de tempo. Conclui-se a proposta de bancada didática de bancada experimental contribuiu para a aprendizagem e ao mesmo tempo permite ao engenheiro obter informações importantes no projeto e na análise do processo.
ABSTRACT
At the same time as teaching in engineering brings with itself difficulties for teachers and students, the engineer's ability to dominate concepts and techniques is closely linked with a consistent educational process. It is in this context that educational tools are powerful instruments for aiding in engineering education. Among the diverse challenging subjects for the engineering student and that will impact in the future of their professional life is system control, so the objective is to develop a prototype bench of temperature control tests of fluids in tanks that will provide an object tool capable of assisting the teaching of engineering graduates, especially in the areas related to thermal area and control. Using design development methodologies, the prototype was built with donated materials and low cost materials. The first tests were done with the cooling of the fluid. With the process variables and data acquired through the cooling phenomenon, a computational simulation was done to validate the mathematical modeling of phenomena involving control of temperature in tanks. The experimental results are used to determine the system parameters, as time constant. It is concluded that the experimental didactic proposal contributes to learning and at the same time allows the engineer to obtain important information in the design and analysis of the process.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – As forças que agem no processo de limpeza CIP. ... 15
Figura 2 – Máquina a vapor de Heron de Alexandria. ... 17
Figura 3 – Alunos do High School no programa EI da John Hopkins ... 19
Figura 4 – Planta didática de processos contínuos da faculdade de Juiz de Fora/MG ... 23
Figura 5 – Controle com e sem OPC ... 26
Figura 6 – Bancada para ensino e pesquisa de controle de processos da UFJF - OPC ... 26
Figura 7 – Bancada didática com controle de nível e temperatura para ensino de CLP ... 27
Figura 8 – Primeiros conceitos da bancada. ... 31
Figura 9 – Esquema de um tanque com aquecimento de fluido. ... 32
Figura 10 – Desenho esquemático do sistema mecatrônico para controle de temperatura ... 33
Figura 11 – Tensão a ser suportada x limite de escoamento ... 34
Figura 12 – Alocação do polo dominante no gráfico imaginário x real. ... 37
Figura 13 – Tanque com capacidade de 100 litros doado. ... 39
Figura 14 – Resistência elétrica de 2000 W doada ... 39
Figura 15 – Vista isométrica do projeto mecânico da bancada. ... 40
Figura 16 – Imagem do controle acionamento – material doado. ... 41
Figura 17 – Esquema elétrico do controle e acionamento. ... 41
Figura 18 – Etapas de fabricação do tanque menor. ... 42
Figura 19 – Visão do tanque pequeno. ... 43
Figura 20 – Início da montagem da estrutura da bancada. ... 43
Figura 21 – Bancada montada. ... 44
Figura 22 – Testes. ... 45
Figura 23 – Gráfico do teste experimental no reservatório menor. ... 46
Figura 24 – Diagrama de blocos representativo do modelo dinâmico da diferença de temperatura T. ... 46
Figura 25 – Resultados comparativos do teste e da simulação para validação experimental do modelo dinâmico da diferença de temperatura T. ... 47
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Intervalos de Temperatura de acordo com o tipo de limpeza e de detergente ... 16 Tabela 2 – Características comparativas das bancadas didáticas de Souza (2006) e Sampaio
(2014) ... 28 Tabela 3 – Relação entre projeto de sistema de controle de produtos mecânicos ... 30 Tabela 4 – Variáveis relacionadas ao processo de aquecimento e resfriamento ... 35
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS
° C – Graus Celsius;
A - Área de contato da superfície do fluido com o ar; C - Capacidade térmica;
CIP – Cleaning in Place;
CLP - Controlador Lógico Programável; cm – centímetros;
e – Número neperiano; EI – Engenering Inovation;
h – Coeficiente do fluxo de transferência térmica convectiva entre o fluido e o ar; HART – Highway Addressable Remote Transducer;
Hz – Hertz;
IAE – Integral of absolute error; ISE – Integral of square error;
ITAE – Integral of time multiplied by the absolute value of error; Kg – Quilograma;
LEENER - Laboratório de Eficiência Energética; mA – Miliampere
mV- Milivolt
PA – Process Automation;
PID - (Controlador) Proporcional Integral Derivativo; Q – Calor;
s – Domínio da frequência na transformada de Laplace; s – segundos;
T – Diferença de temperatura; Tar – Temperatura do ar; Tf – Temperatura fluido;
TRIAC – Triode for Alternating Current; U – Energia;
UFJF – Universidade Federal de Juiz de Fora;
UHT – Ultra Hight Temperature; V – Volts;
W – Trabalho.
σ – Distância do polo dominante até a origem no gráfico imaginário x real no domínio de s; τ – Constante de tempo.
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 11 1.1 GENERALIDADES ... 11 1.2 OBJETIVOS ... 11 1.3 METODOLOGIA ... 12 1.4 JUSTIFICATIVAS ... 12
1.4.1 A relevância do controle de temperatura na indústria ... 13
1.4.2 A relevância dos objetos educacionais como auxílio da formação do engenheiro ... 16
2 ESTADO DA ARTE DE BANCADAS DIDÁTICAS PARA CONTROLE DE TEMPERATURA ... 21
2.1 LABORATÓRIO PARA CONTROLE DE PROCESSO E ANÁLISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS INDUSTRIAIS ... 21
2.2 MÓDULO LABORATORIAL PARA ENSINO E PESQUISA DE CONTROLE DE PROCESSOS, POR MEIO DO PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO " OBJECT LINKING AND EMBEDDING FOR PROCESS CONTROL" (OPC) ... 24
2.3 BANCADA DIDÁTICA COM CONTROLE DE NÍVEL E TEMPERATURA PARA ENSINO DE CLP ... 27
2.4 DISCUSSÕES ... 29
3 DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE BANCADA DIDÁTICA PARA CONTROLE DE TEMPERATURA DE FLUIDOS ... 30 3.1 INTRODUÇÃO ... 30 3.2 PROJETO CONCEITUAL ... 31 3.3 PROJETO PRELIMINAR ... 33 3.4 PROJETO DETALHADO... 38 3.5 CONSTRUÇÃO ... 42 3.6 TESTES ... 44
3.7 RESULTADOS DE VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL... 45
3.8 DISCUSSÃO ... 48
4 CONCLUSÕES ... 49
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 50
1 INTRODUÇÃO
1.1 Generalidades
Sabidamente o trabalho do Engenheiro tem grande influência no desenvolvimento de produtos e processos. Um exemplo bastante elucidativo é o da área de projeto de produto, onde a atividade da engenharia tem um impacto de 70% no custo final do produto, ao passo que o custo da área em de engenharia em si é equivalente à apenas 5% do total (BACK et al., 2008; VALDIERO e THESING, 2016).
Se, por um lado, é grande a importância do engenheiro, por outro, há grandes dificuldades para a formação desses profissionais. Belhot (2005), menciona que embora os modelos educacionais crescem a uma taxa linear, o conhecimento cresce a uma taxa exponencial, o que acarreta em um problema para a absorção de tanto conhecimento. Outro aspecto relevante é alto índice de evasão das escolas de engenharia, onde os números giram em torno de 47% na média, segundo Carvalho (2012 apud OBSERVATÓRIO, 2012).
É nesse contexto que surgem como recursos pedagógicos importantes os chamados
objetos educacionais, termo para todo tipo de ferramenta capaz de auxiliar o docente no
processo de formação dos alunos. Os objetos Educacionais são ferramentas que podem ser trabalhadas num contexto de interdisciplinaridade e são um importante auxílio para o professor atingir o objetivo de proporcionar ao futuro engenheiro uma sólida assimilação do conhecimento.
Com isso em mente, por meio do viés da interdisciplinaridade, pretende-se desenvolver um objeto educacional capaz de auxiliar os alunos de áreas técnicas no que diz respeito especificamente ao controle de temperatura de fluidos em tanques.
1.2 Objetivos
O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma bancada experimental provida de sistema de aquecimento e controle de temperatura para ser utilizada como objeto educacional em aulas práticas na área das ciências térmicas e de controle.
Os objetivos específicos a serem alcançados são:
• Fazer levantamento bibliográfico sobre outras bancadas didáticas que tenham como finalidade auxiliar o ensino de controle de temperatura em tanques;
• Projetar uma bancada com materiais sobressalentes de baixo custo; • Realizar de testes experimentais;
1.3 Metodologia
Utilizou-se a metodologia de projeto de produtos industriais de Valdiero (2009) e a metodologia de produtos mecatrônicos descrita por Valdiero e Rasia (2016) para o desenvolvimento da bancada.
Foi realizada uma breve revisão bibliográfica em trabalhos acadêmicos, livros e artigos visando mostrar o estado da arte em objetos educacionais voltados para o controle de temperatura em fluidos.
O desenvolvimento do trabalho requereu – e fomentou – a discussão e troca de ideias com profissionais especializados na área da automação e controle.
A bancada foi construída com materiais em desuso, doados por uma empresa do ramo elétrico de Panambi/RS. Os materiais doados forma:
• Reservatório de água de 100 litros em aço inoxidável e com isolamento térmico em PU injetado;
• Controlador da marca Gefran;
• Relé de estado sólido, marca Schrack; • Resistência elétrica de 200 kW.
Em relação à construção da estrutura, primou-se pela utilização de material de baixo custo e materiais disponíveis para o uso na própria universidade os quais viabilizaram a fabricação e ao mesmo tempo comportaram de maneira segura o reservatório e com espaço suficiente para a montagem dos componentes de controle
1.4 Justificativas
Na indústria o controle de temperatura é bastante usual ao ponto de parecer trivial (SAMPAIO, 2014), mas nem por isso é algo que não deva ser tratado com a devida atenção. O controle adequado dos processos que envolvem aquecimento permite a eficiência no consumo de energia, seja elétrica, gás, ou quaisquer outras.
Outro aspecto é a eficiência e objetivos do processo em si. Se temperatura estiver fora da faixa de trabalho para algum determinado processo, não há somente o risco desse processo estar sendo dispendioso no que diz respeito ao consumo de energia, mas também há o risco de estar sendo ineficiente no que se refere à execução da atividade não atingindo assim os requisitos de engenharia/qualidade requeridos.
Nesse contexto se percebe a necessidade da formação de profissionais que estejam preparados para encarar desafios na área de aquecimento de fluidos em tanques, sejam esses desafios em projetos sejam em processos.
A produção de um tanque experimental será uma importante ferramenta para ensino das disciplinas de Transferência de Calor e Controle de Sistemas Dinâmicos entre outros, funcionando como um objeto educacional capaz de despertar o interesse e melhorar a aprendizagem do discente, dando-lhe uma visão prática do assunto abordado pela literatura e auxiliando o professor a transmitir o conhecimento necessário para que os futuros profissionais sejam capazes de ter o embasamento necessário para dimensionar sistemas com fluidos, geração de calor e controle de temperatura.
Há, portanto, duas justificativas que motivam o desenvolvimento desse trabalho e que serão a seguir debatidas: a primeira é a relevância do controle de temperatura na indústria e a segunda é a relevância do dos objetos educacionais como auxílio da formação do engenheiro. No primeiro caso, mostrar-se-á dois exemplos de uso de controle de temperatura na indústria e no segundo mostrar-se-á a relevância dos objetos educacionais de um modo geral, mas não sem antes contextualizar o ensino na engenharia.
1.4.1 A relevância do controle de temperatura na indústria
Fosfatização
Lima et al. (2010) destacam a importância do processo de fosfatização mencionando um caso da indústria automobilística, que se pode dizer, é aplicável a outros ramos, que é a necessidade de diminuir peso em matéria-prima, contanto, no entanto, com melhores condições de revestimentos de proteção, como pintura, por exemplo.
Nesse contexto encontra-se o processo de fosfatização que é sabidamente um dos processos que garante melhor preparação do substrato para pintura. A possibilidade de montagem de banhos em temperatura ambiente se constitui em uma das poucas evoluções no processo de fosfatização, todavia, os banhos aquecidos se constituem na realidade em maior parte dos casos (Lima et al., 2010).
Lima et al. (2010, pg. 07) fizeram uma análise onde se pode concluir que “as propriedades de proteção e a morfologia das camadas de fosfato tricatiônico obtidas foram altamente dependentes da temperatura do banho de fosfatização”.
As propriedades de proteção melhoraram com o aumento da temperatura do banho de fosfatização entre 40 e 60 oC, e deterioraram para a temperatura de 70 ºC, o que indica
a temperatura de 60 oC, como a temperatura ótima para as condições de fosfatização
adotadas neste estudo. A estimativa da porosidade das camadas obtidas pelo método de dissolução anódica voltamétrica indicaram menor porosidade para a
Sistema CIP
O sistema CIP (em inglês, Clean in Place) é utilizado para a limpeza da tubulação e tanques em plantas do ramo alimentício onde líquidos ou materiais fluidificados – como laticínios, molhos, geleias, sopas, produtos à base de tomate – são fabricados (FOODSAFETY MAGAZINE, 2017)
O CIP envolve a circulação de detergente através da planta por meio de dispositivos que criam turbulência e assim removem as impurezas. Depois disso há uma limpeza química e higienização com produtos que circulam pelos tanques e canalização eliminando bactérias e resíduos químicos, arrastados para um reservatório central para que a solução química possa ser reutilizada.
O sistema é operado por computador, em uma operação pré-definida para controlar o fluxo, mistura e desvio, temperatura e tempo para limpeza e higienização. Como todo método de limpeza, o sistema CIP utiliza tempo, temperatura e força mecânica para alcançar a limpeza máxima. (FOODSAFETY MAGAZINE, 2017)
Foodsafety Magazine (2017) destaca a larga escala de utilização desse tipo de equipamento pela sua eficiência e ainda salienta que sua utilização requer “menos trabalho uma vez que desmontagem, escovamento ou fricção, lavagem, remontagem e higienização final não são necessários”. Por fim Foodsafety Magazine (2017) afirma que o sistema CIP é eficaz e pode diminuir custos operacionais como por exemplo gastos com produtos químicos.
Em geral o sistema CIP envolve os passos a seguir:
* Remoção de algumas pequenas peças que podem ser limpas manualmente, tendo certeza de que o sistema CIP e os componentes do processo estão claramente segregados;
* Água fria (temperatura inferior a 26 °C) é usada para uma pré-enxágue do equipamento e linhas de tubulação para remover a impureza de modo a minimizar a coagulação de proteínas;
* Depois que a água do enxágue é esguichada da tubulação, a solução de limpeza ou tratamento é circulada por um período de tempo requerido para remover qualquer impureza, químico ou outros resíduos. Esse passo é seguido por outro enxágue com água;
* O passo final é a aplicação de um agente de higienização ou apenas uma operação inicial do equipamento. Em operações assépticas, esse passo será programado dentro do sistema. A higienização pode ser um enxágue químico ou a circulação de água
quente. Água quente é usada a altas temperaturas para linhas de equipamentos CIP nos quais a produtos de baixa acidez são produzidos e água acidificada é usada naquelas operações que produzem produtos acidificados ou com conteúdo ácido. (FOODSAFETY MAGAZINE, 2017)
Cosentino (2013) deixa claro os efeitos da temperatura nesse processo quando comenta que a partir de temperaturas acima de 28 °C no fluido de limpeza, cada grau no incremento na temperatura no mesmo, pode melhorar a eficiência na limpeza em até 5%.
Tetra Pak (2017) destaca as três forças que agem na remoção da sujidade no sistema CIP: a força mecânica, força química e a força térmica, conforme pode ser visto na Figura 1
Figura 1 – As forças que agem no processo de limpeza CIP.
Fonte: Adaptado de Tetra Pak (2017, p. 09).
As temperaturas mais elevadas fazem com que as moléculas se movem mais rapidamente, aumentando assim a eficácia de um detergente aumenta com o aumento da temperatura (TETRA PAK, 2017). Como regra geral, uma planta deve ser limpa com o sistema CIP com a mesma temperatura de processamento dos alimentos, caso contrário, se temperatura de limpeza for mais elevada, ocorrem reações na camada de impurezas como a desnaturação e a reticulação podem ser induzidas, dificultando a remoção das impurezas (TETRA PAK, 2017) A Tabela 1 mostra os intervalos de temperatura de limpeza para alguns objetos de limpeza de lácteos.
Tabela 1 - Intervalos de Temperatura de acordo com o tipo de limpeza e de detergente Tipo de Detergente Faixa de temperatura (° C) Tipo de limpeza
NaOH
60-80 Caminhões de coleta de leite, tanques e tubulações 70-90 Pasteurizadores de leite
90-140 Plantas UHT
HNO3
60-65 Tanques, canalização, pasteurizadores de leite
80-85 Plantas UHT
Fonte: TETRA PAK (2017, p. 16.)
1.4.2 A relevância dos objetos educacionais como auxílio da formação do engenheiro
É necessário, antes de mais nada, contextualizar aqui a figura do engenheiro e o ensino de engenharia. Obviamente essa contextualização abrange de alguma forma outros campos das ciências exatas atuais ou mesmo níveis como técnicos e tecnólogos.
É notório como a engenharia pode afetar as nossas vidas no dia a dia muito mais do que normalmente se pode presumir. Não é apenas o avião de passageiro comercial ou o carro de fórmula 1. É também a mesa de jantar, a caneta com a qual escrevemos, o ar condicionado que aquece no inverno.
O anseio por melhores condições de vida, explorando ao máximo os recursos naturais, sempre foi algo sempre inerente ao ser humano. Para tanto é necessário utilizar e dominar os recursos disponíveis na natureza. Ainda que se tratasse apenas de uma espécie de brinquedo, a máquina a vapor de Heron de Alexandria (Figura 2), mostra o anseio do homem por dominar esses recursos naturais (BAZZO, 1996).
Figura 2 – Máquina a vapor de Heron de Alexandria.
Fonte: Calvo (2001).
No decorrer dos anos houve, o aprimoramento e a diversificação das técnicas e também foram sendo criadas estruturas teóricas capazes de analisar com propriedade aquilo tudo que a técnica era capaz de abordar (BAZZO, 2006).
Apesar de não constituírem ainda uma profissão, os engenheiros da Renascença já apresentavam algumas características comuns. Eram homens de projeto, apoiando sua arte sobre sólidos conhecimentos de geometria e de mecânica herdados das épocas da Antiguidade e idade média (LINSINGEN et al., 1999)
Embora a engenharia tenha trazido tamanho benefício para o homem, a sua organização como ciência e a preocupação com a formação de profissionais nessa área levou certo tempo. Telles (1994 apud OLIVEIRA, 2005, p. 02.) comenta que apesar de a engenharia como arte de construir ser tão antiga quanto o homem, como conjunto organizado de ideias e conhecimentos científico data do século XVII.
A École Nationale des Ponts et Chaussées, fundada em Paris, em 1747, por iniciativa de Daniel Trudaine, foi o primeiro estabelecimento de ensino de engenharia que se organizou com essas características, sendo considerada a primeira escola para o ensino formal de engenharia do mundo e que diplomou profissionais com o título de “engenheiro” (PARDAL, 1986). Esta escola formava basicamente construtores e, se assim for, o ensino de engenharia iniciou-se pela engenharia hoje conhecida como engenharia civil, sendo os primeiros engenheiros diplomados os precursores do
engenheiro civil atual. Conforme registra ainda Telles (1994), “o nome engenheiro civil teria sido usado, pela primeira vez, pelo engenheiro inglês John Smeaton – um dos descobridores do cimento Portland – que assim se autodenominou em fins do século XVIII – para distinguir-se dos engenheiros militares”. (OLIVEIRA, 2005, p. 02).
No Brasil, conforme Pardal e Telles (1986, 1994, apud OLIVEIRA, 2005, p. 02), se considera o início das atividades de ensino em engenharia, o dia 17 de dezembro de 1792, com a criação da Real Academia de Artilharia, Fortificação e Desenho, na cidade do Rio de Janeiro que deu origem, mais tarde, a escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro e ao Instituto Militar de Engenharia.
A visão de mundo do século XX, profundamente afetada pelo materialismo, atribuiu ao engenheiro maior responsabilidade o que foi determinante até mesmo para criar um vínculo importante entre o poder tecnológico e o poder de decisões políticas (LINSINGEN et al., 1999), o que acaba gerando mais responsabilidade sobre o profissional em si quanto e também para as instituições de formação de profissionais de engenharia.
Além de haver grande responsabilidade na formação de engenheiros devido à importância que esse profissional tem para a sociedade, existe um ponto bastante relevante que é o fato de o ensino de engenharia possuir temas cujo grau de complexidade é muito alto, o que traz também a falta de entusiasmo dos alunos e dificuldades aos docentes em abordar de modo adequado os mais diversos assuntos de modo que os futuros engenheiros tenham a assimilação de conteúdo robusta o bastante para serem capazes de resolver problemas do cotidiano.
Assim sendo é importante que a formação de profissionais de engenharia, lance mão todos os meios possíveis para diminuir a evasão das universidades e entregar à sociedade profissionais bem qualificados.
Nesse contexto que surge a relevância dos chamados objetos educacionais. Eles são capazes de auxiliar na formação do estudante de engenharia, instigando seu interesse pelo conhecimento, dando a oportunidade do futuro engenheiro fazer ciência, de colocá-lo em contato com realidades do mundo da engenharia.
Um dos objetos educacionais mais consagrados é a ponte de macarrão. Barbieri (2009) dá detalhes da competição feita na Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Depois de passar pelo teste de carga mínima, onde deve sustentar por 10 segundos um peso de 2 kg, a ponte passa pelo teste de colapso. Curiosamente entre os critérios de desempate estão o menor peso e a ordem de entrega das pontes, fomentando nos alunos a percepção da importância
pela busca pela redução de custos nos projetos, e da necessidade de abreviar tempo de entrega de soluções aos clientes.
Wawginiaks (2009) menciona uma interessante exigência da Universidade John Hopkins, de Baltimore nos Estados Unidos, em sua competição de ponte de macarrão. Um bloco de madeira de 5 cm x 5 cm x 10 cm, representando um carro deve ser capaz de mover sem qualquer impedimento ao longo de toda ponte, trazendo à tona também a questão da funcionalidade do projeto. A competição de pontes de macarrão da John Hopkins faz parte do projeto Engineering Innovation (Figura 3), um programa de nível superior que existe desde 2006 para motivar alunos de nível secundário com aptidões em matemática, ciências e engenharia. Segundo a instituição, 88% dos alunos que estiveram no Engineering Innovation, continuam a estudar ciências ou engenharia na faculdade (JOHN HOPKINS, 2017).
Outro objeto educacional bem conhecido e que tem caráter competitivo é a disputa de veículos baja. A competição acontece desde o fim dos anos 1970 e diversas instituições de nível superior em engenharia do país (GESSI, 2005). De acordo com Gessi (2005), essa competição gera uma situação real de desenvolvimento de projeto em todas as fases: Planejamento, levantamento de informações, desenvolvimento do produto, manufatura, simulações, e por fim a competição propriamente dita.
Figura 3 – Alunos do High School no programa EI da John Hopkins
Um aspecto importante da utilização dos objetos educacionais é o fato de um mesmo recurso ou equipamento poder abordar várias áreas do conhecimento.
Enxergando essa possibilidade é que Wawginiaks (2009) criou uma sistemática para explorar de maneira otimizada os objetos educacionais e nortear a abordagem de diferentes disciplinas e conteúdos com o uso dos mesmos.
A sistemática de Wawginiaks (2009) consiste na utilização de uma tabela que faz o cruzamento entre semestre, disciplina e objeto educacional para criar o que ele chama de pivôs. O pivô é intitulado, pela ordem, por uma letra que indica o objeto educacional, pelo número do semestre e pelo número correspondente à disciplina. “Por exemplo, o pivô A632 designa Aerodesign aplicado a disciplina do 6º semestre de número 32, no caso Elementos de Máquinas” (WAWGINIAKS, 2010, pg. 42).
Para elucidar ainda melhor a sistemática apresentada por Wawginiaks (2010), segue-se o como o mesmo discorre a respeito de como objetos educacionais por meio dos pivôs podem auxiliar o ensino do quinto semestre do curso de Engenharia Mecânica:
As máquinas de corrente contínua e máquinas de corrente alternada podem ser desenvolvidas no quinto semestre por meio o pivô R546 ligado a competição de robôs. Os conceitos do escoamento de fluidos desenvolvidos por meio dos pivôs A528 e B528 podem ser mais facilmente compreendidos em Mecânica dos Fluidos. Tipos de barras e pares cinemáticos, graus de liberdade certamente podem ser estudados com grande contribuição do pivô R529 em Mecanismos. Em Processos de Conformação, sobretudo àquilo que norteia a dobra de chapas e conformação de tubos, o auxílio vem do pivô B530. Projeto de eixos de transmissão e flambagem certamente podem ser melhores compreendidos por meio dos pivôs A531, B531 e P531 em Resistência dos Materiais II. (p. 54)
A sistemática para apresentada por Wawginiaks (2009), contempla a Engenharia Mecânica da Unijuí, mas pode ser adequada a outros cursos, com outros objetos educacionais, assim como pode ser revista e ajustada à novas realidades da própria Engenharia
A bancada didática para experimentos educacionais envolvendo controle de temperatura, cujo protótipo é desenvolvido nesse trabalho, é de grande contribuição para a sistemática de Wawginiaks (2009), podendo-se a partir dela gerar pivôs em Termodinâmica Aplicada, Transferência de calor, Controle de Sistemas dinâmicos, Eletricidade, Eletrônica Básica e outros.
2 ESTADO DA ARTE DE BANCADAS DIDÁTICAS PARA CONTROLE DE TEMPERATURA
O levantamento bibliográfico mostra uma série de estudos e experimentos na área de controle de temperatura de fluidos em tanques. A seguir serão apresentados três desses casos como uma síntese daquilo sabidamente desenvolvido até então.
2.1 Laboratório para controle de processo e análise de eficiência energética em sistemas industriais
Gomes et al. (201-?) fazem uma análise da área de sistemas industriais do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF e depois de discorrer sobre a realidade do curso, chega às seguintes conclusões:
a) Na área de controle e automação de processos industriais, o curso disponibiliza somente duas disciplinas obrigatórias, Teoria de Controle I e II, ministradas nos 6° e 7° períodos, cujas ementas mostram forte aderência à teoria de sistemas lineares e uma base introdutória, meramente conceitual, relacionando aspectos do controle de processos industriais. A ausência programática de temas diretamente ligados à prática do controle de processos industriais e/ou automação, associada à base estritamente conceitual adotada, sem atividades de laboratório, impede o contato dos alunos com as complexidades subjacentes à realidade do controle e automação de processos industriais;
b) Inexistem tópicos que enfoquem a questão da otimização energética de sistemas motrizes industriais (motor elétrico - acoplamento - carga mecânica), que constituem as cargas de maior consumo de energia elétrica no país e onde, provavelmente, se encontram as maiores perdas de energia... (GOMES et al., 200-? p. 03)
Gomes et al. (200-?) evidenciam a questão da eficiência energética, tão importante e ao mesmo tempo trabalhada de forma incipientemente em nossas universidades e comenta que além de uma primeira iniciativa que é a oferta da disciplina optativa de Eficiência Energética, no sétimo semestre de Engenharia Elétrica da UFJF, foi implementado o LEENER – Laboratório de Eficiência Energética da UFJF (GOMES et al., 200-?). Este laboratório é dividido em dois ambientes: processos contínuos e sistemas motrizes.
De maneira implícita existe a proposta de buscar a capacitação de engenheiros em operar sistemas de controle de processos em ambientes industriais, redundando, portanto, na necessidade de os estudantes dominarem a dinâmica e controle das quatro variáveis básicas de processos: temperatura, vazão, nível e pressão (GOMES et al., 200-?). Por essa razão, o projeto da planta didática que é constituído de um sistema de tanques duplo, com aquecimento e resfriamento, permite o controle de temperatura, vazão, nível e pressão em circuito único (GOMES et al., 200-?).
O sistema permite alteração das variáveis de controle e controladas, para cada malha distinta, em concepção por realimentação (“feedback”) ou por antecipação (“feedforward”). Opera baseada na padronização de sinais de 4 a 20mA, adicionalmente ao protocolo digital Profibus PA. A operação ocorre conforme escolha do usuário, com utilização simultânea ou não dos dois padrões de instrumentação, em malhas distintas. A Planta disponibiliza um Sistema Supervisório, com monitoramento em tempo real e operando com as redes de dados ModBus, Profibus PA e Ethernet; disponibiliza interface gráfica e publicação das telas gráficas dinâmicas, na Internet, em tempo real; gera relatórios e histórico de dados, dentre os quais:
- Série histórica das variáveis de controle, controlada, referência e erro, para cada experimento realizado, para cada uma das quatro variáveis;
- Figuras de mérito (IAE, ISE e ITAE) para o erro e para as quatro variáveis de processos, bem como figuras de mérito do esforço de controle associado, para as ações de controle.
O Supervisório permite a configuração e utilização de um Controlador Lógico Programável – CLP, responsável pelos algoritmos de controle - possibilitando estudar os comportamentos servo (entradas tipo degrau, rampa e parábola) e regulatório (entrada tipo degrau) dos controladores. Existem, adicionalmente malhas individuais das variáveis controladas de processo - nível, pressão, temperatura e vazão – operadas por PID analógicos com os modos ON-OFF, P+I+D, auto sintonia e programação de referência. A planta disponibiliza ainda placas de aquisição compatíveis com o software LabView® permitindo a utilização deste ambiente para controle da planta, adicionalmente ao software fornecido. (GOMES et al., 200-? p. 06)
Gomes et al. (200-?, pg. 07) defendem que os sensores e atuadores utilizados para a planta didática que pode ser vista na Figura 4 foram selecionados de forma que “replicassem uma ambiência industrial e permitissem ao aluno não só o contato com equipamentos e componentes utilizados rotineiramente na indústria, mas também seu ajuste e calibração”.
Gomes et al. (200-?) destacam o uso de CLP e controladores PID na bancada desenvolvida:
A Planta permite, adicionalmente, o contato dos alunos com controladores PID analógicos, para as malhas associadas às quatro variáveis controladas. (...) A incorporação dos PIDs analógicos deriva do fato que estes controladores, a despeito da extensa utilização dos CLPS, ainda serem intensivamente utilizados nos ambientes industriais. (p. 08)
Figura 4 – Planta didática de processos contínuos da faculdade de Juiz de Fora/MG
Fonte: GOMES (2005, p. 07).
Em relação aos sensores e atuadores relacionados ao controle de temperatura, Gomes et al. (200-?) elencam: a) sensor de temperatura tipo PT-100, a 3 fios para o tanque e o reservatório; b) transmissor inteligente de temperatura, sinal de saída 4 a 20 mA, ligação à 2 fios, indicador digital, protocolo de comunicação HART; c) termômetro tipo capela angular.
Além das características específicas de cada malha, o projeto prevê algumas complexidades adicionais, comuns em ambientes industriais (GOMES et al, 201-?), descritas da seguinte maneira:
1) Atrasos de transporte variáveis: a temperatura do fluido pode ser controlada tanto no tanque inferior, onde se encontra a resistência de aquecimento, como no tanque superior, distante da resistência. Uma válvula na tubulação de interligação entre os tanques altera a resistência hidráulica do duto e o valor do atraso de transporte, permitindo o contato dos alunos com um problema complexo de controle e extremamente comum em ambientes industriais;
2) Modelagem não linear: o tanque superior foi projetado com formato de cilindro invertido apresentando relação não linear entre o volume nele contido e a altura do líquido. Esta situação possibilita o contato do aluno com dinâmicas extremamente não lineares, mas ao mesmo tempo extremamente comuns na ambiência industrial; 3) Controle não linear: a dinâmica do tanque superior gera sintonias diferenciadas para o controle PID, dependentes do volume de líquido no reservatório, confrontando os alunos com situações de controle não lineares e necessidades de re-sintonia ou alteração de parâmetros dos controladores;4) Alteração de variáveis de controle para uma mesma malha: a flexibilidade do sistema permite que uma mesma malha - p. ex, controle da temperatura do tanque superior - possa ser efetuada: a) através da potência dissipada na resistência de aquecimento do tanque inferior; b) através da vazão do fluido, mantendo-se constante a potência da resistência de aquecimento; c) através da taxa de resfriamento do radiador, para vazão e potência constantes, d) para qualquer das configurações citadas, é possível alteração nas variáveis durante o processo. Aspectos como estes permitem intensa flexibilidade na utilização da planta, onde podem ser abordados e praticados os mais diversos aspectos da educação em controle necessários ao perfil profissional pretendido para o engenheiro formado no curso. (Gomes et al., 200-?, p. 08.)
2.2 Módulo laboratorial para ensino e pesquisa de controle de processos, por meio do protocolo de comunicação " Object Linking and Embedding for Process Control" (OPC)
Neto et al. (2012) mencionam que com a política de expansão das universidades, por meio do Programa de Apoio a Planos de Reestruturação e Expansão das Universidades Federais - Reuni (BRASIL, 2007, apud Neto et al., 2012), o curso de Engenharia Elétrica da UFJF (que até o momento formava engenheiros eletricistas generalistas) teve a oportunidade de oferecer habilitações em Sistemas Eletrônicos, Sistemas de Potência, Robótica e Automação Industrial, Telecomunicações e Energia. Com o advento dessa reestruturação definiu-se como os alunos egressos nas habilitações em Robótica e Automação Industrial deveriam apresentar condições de “projetar, analisar e operar sistemas de automação e controle de processos industriais, sistemas elétricos industriais e sistemas de conversão de energia baseados em conversores eletrônicos de potência" (UFJF, 2009 apud Neto et al., 2012, p. 02).
Desse modo é desenvolvida uma bancada didática para ensino “com tanques duplos, interativos, malhas distintas para controle de nível e temperatura, em configurações SISO e MIMO” (NETO et al., 2012, p. 03.). SISO e MIMO são dois tipos de comunicação sem fio, sendo que SISO é a sigla para Single-Input Single-Output, enquanto que MIMO é a sigla para Multiple-Input Multiple-Output (BOADICA, 2017)
O sistema da bancada é controlado por um supervisório desenvolvido em Matlab® e comunicação entre módulo e supervisório é feita por um controlador Lógico Programável com o protocolo aberto de comunicação OPC (NETO et al., 2012, p. 03.).
O sistema é composto por: 2 reservatórios, 2 eletrobombas automotivas, sensores de nível e temperatura, resistor de aquecimento e um CLP, com as características: Reservatórios: em acrílico, capacidade de 6 litros, sensores de nível e temperatura, resistor de aquecimento e interação através das eletrobombas, que circulam a água em fluxos opostos; Eletrobombas: Denominadas bombas de esguicho ou de injeção de combustível, de baixo custo, alimentação de 12V, vazão nominal de 0,135 litros/s, o que propicia dinâmica satisfatória para as práticas laboratoriais; Sensor de nível: sensor de pressão monolítico (FREESCALE SEMICONDUCTOR, 2012), modelo MPXV5004DP, com saída em tensão, 0-5V, proporcional à entrada de 0 a 40 cm H20; Sensor de temperatura: LM35, analógico, alimentação 4 - 20V, saída de 10mV/0C, precisão de 0,5°C, faixa de operação -55°C - 150 °C (NATIONAL SEMICONDUCTOR, 2012);
CLP: utilizou-se um CLP ATOS (SCHNEIDER, 2012), com capacidade para operar com o protocolo aberto de comunicação OPC (OPC FOUNDATION, 2012). (Neto et
al., 2012, p. 04).
Neto et al. (2012) destacam a relevância do uso em sua bancada do protocolo OPC, (OBJECT LINKING AND EMBEDDING FOR PROCESS CONTROL) como sendo um protocolo que permite uma interface entre aplicações com softwares distintos. Em relação ao protocolo OPC, Fonseca (2002) afirma que:
Em 1995, algumas empresas se reuniram com o objetivo de desenvolver um padrão baseado na tecnologia OLE/DCOM para acesso aos dados de tempo real dentro do sistema operacional Windows. Neste trabalho foram envolvidos membros da Microsoft para suporte técnico à solução a ser adotada. Este grupo sem fins lucrativos é formado por diversas empresas e é gerenciado pela organização OPC Foundation, a qual possui um site na Internet (www.opcfoundation.org). Basicamente, o padrão OPC estabelece as regras para que sejam desenvolvidos sistemas com interfaces padrões para comunicação dos dispositivos de campo (CLPs, sensores, balanças, etc.) com sistemas de monitoração, supervisão e gerenciamento (SCADA, MES, ERP, etc.). (p. 02)
A Figura 5 mostra a comunicação de dados antes e depois do OPC. Antes do advento do OPC eram necessários softwares para comunicação entre dispositivos diferentes, drivers e softwares de interface (NETO et al., 2012, p. 05).
Figura 5 – Controle com e sem OPC
Fonte: NETO et al. (2012, p 05.)
Neto et al. (2012) ressaltam também que a bancada mostrada na Figura 6 permite o que ele chama de uma visão diferenciada na educação em controle de processos, por entre outras coisas, justamente permitir uma análise dinâmica em configuração SISO e MIMO, recursos anteriormente mencionados.
Figura 6 – Bancada para ensino e pesquisa de controle de processos da UFJF - OPC
Fonte: NETO et al. (2002, p 04).
2.3 Bancada Didática com controle de nível e temperatura para ensino de CLP
Bernuy e Souza (2007) mencionam a reestruturação dos projetos pedagógicos em função de modo a atender à época mudanças na legislação específica para a educação, para buscar o que chamam de estrutura modular e continuidade na educação.
Comentam ainda que no caso de módulos laboratoriais oferecidos no mercado muitas vezes “a criação da solução, que exige habilidades de concepção, é raramente explorada, deixando estes módulos tão susceptíveis a exercícios de reprodução e não de análise” (BERNUY e SOUZA, 2007, p. 02).
Por fim, é apresentada uma concepção de “bancada didática que tem como objetivo principal trabalhar os conteúdos de controle discreto usando Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) (BERNUY e SOUZA, 2007)
Bernuy e Souza (2007) descrevem assim sua bancada didática que pode ser vista na Figura 7
A Bancada Didática possui um CLP ATOS da série modular MPC4004R. Deste CLP foram utilizados apenas o módulo digital 4004.57, o módulo digital e CPU 4004.09R, o módulo analógico 4004.61/A e o módulo de alimentação 4004.40R. Além destes módulos foi construído um reservatório de 10cm x 10cm x 15 cm para abrigar o processo, que é um reservatório com sensores de nível e temperatura, um agitador e um resistência de aquecimento.
Para realizar as conexões dos módulos do CLP e do processo, foi confeccionada uma placa de contatos em acrílico. Nesta placa estão distribuídos os contatos dos módulos do CLP necessários para execução do processo, que são: módulo analógico 4004.61/A, módulo digital 4004.57 e módulo digital e CPU 4004.09R.
Além destes também estão na placa os contatos dos sensores de nível e temperatura, agitador, TRIAC e válvula solenoide. O Módulo também possui um variador de tensão, utilizado para acionar a chave estática com uma tensão de 35V. (p. 03).
Figura 7 – Bancada didática com controle de nível e temperatura para ensino de CLP
Fonte: Bernuy e Souza (2007, p. 07).
Para o projeto de Bernuy e Souza (2007) é utilizado o software Elipse Scada para a construção da tela de supervisão. Bernuy e Souza (2007) destaca, além do Elipse Escada, software WinSUP2, que é utilizado para a edição de diagramas ladder e configuração de CLP Atos, o GRAFCET, linguagem de programação ladder.
Algo comum no meio acadêmico é desenvolver melhorias e novas formas de explorar
protótipos, bancadas didáticas e objetos educacionais em geral. É isso que Sampaio (2014) faz ao desenvolver melhorias na bancada de Bernuy e Souza (2007) conforme pode ser visto na Tabela 2
Tabela 2 – Características comparativas das bancadas didáticas de Souza (2006) e Sampaio (2014)
Características Bancada Didática
(SOUZA, 2006)
Módulo Didático (SAMPAIO, 2014) Mobilidade A parte utilizada para experimentos está fixa
a uma bancada não apresentando condições para ser utilizada em outros laboratórios, sem movimentar a bancada.
O módulo didático pode ser transportado para qualquer
laboratório ou pode ser
utilizado em qualquer bancada. Dimensões da parte utilizada nos experimentos Altura: 104 mm Largura: 160 mm Profundidade: 110mm Altura: 150 mm Largura: 200 mm Profundidade: 100mm
Líquido A bancada é ligada a uma rede de
abastecimento de água e de esgoto, não sendo necessária a preocupação com uma fonte de liquido para as práticas, entretanto não opera sem esta ligação com a instalação hidráulica.
O módulo não necessita estar
ligado a uma instalação
hidráulica para sua plena
operação, entretanto é
necessária uma fonte de liquido no local ou próximo do local
onde será realizada sua
utilização. CLP A bancada apresenta um CLP e um painel
com locais para a conexão dos cabos para realizar os experimentos.
Apresenta dificuldades em utilizar outros modelos de CLP.
O módulo não utiliza um CLP especifico, mas depende de kits
com um CLP para sua
utilização. Aquecimento
liquido
Realizado por meio de uma resistência de chuveiro que não apresenta proteção do condutor aquecido.
Realizado por meio de um aquecedor de água onde o condutor está no interior de um envoltório protetor.
2.4 Discussões
No estado da arte abordado no capítulo 2 é possível ver, no que diz respeito às motivações, pontos importantes como a necessidade da prática para os alunos de engenharia, a preocupação em colocar os alunos em realidades similares àquelas da vida do profissional.
As bancadas estudadas parecem dar enfoque ao processo de controle, protocolos de comunicação automação e instrumentação, mostrando que a ideia parece ser propiciar formação bastante específica e muito menos generalista.
Ainda que se pretenda explorar algumas possibilidades de controle e instrumentalização do processo, este trabalho, por outro lado, busca dar ênfase aos fenômenos propriamente ditos. O intuito é acentuar a importância do empirismo, da coleta de dados de forma experimental, o que se traduz na possibilidade de tornar a interface do aluno com os conceitos básicos algo amigável e descomplicado, além de viabilizar um objeto educacional com investimento mínimo, o que foi desde sempre uma preocupação que norteou o desenvolvimento do protótipo.
3 DESENVOLVIMENTO DE UM PROTÓTIPO DE BANCADA DIDÁTICA PARA CONTROLE DE TEMPERATURA DE FLUIDOS
3.1 Introdução
A seguir será mostrado o desenvolvimento do protótipo de bancada didática para controle de temperatura.
Pahl e Beitz (1992, apud VALDIERO, 1997, p. 07) apresentam a morfologia do projeto de produtos industriais com as seguintes fases: a) Análise das necessidades; b) Projeto conceitual; c) Projeto preliminar; d) Projeto detalhado; e) construção do protótipo; f) testes e modificações do protótipo.
O projeto da bancada pode ser definido como um projeto mecatrônico. Valdiero e Rasia (2016), em relação aos sistemas mecatrônicos mencionam que:
Tais sistemas têm como características principais a separação explícita entre controle e potência (interconectados pelas informações dos sinais dos sensores), o aumento da complexidade do sistema, a segurança inerente dependente da confiabilidade de hardware e da análise de estabilidade, e o enfoque no desenvolvimento de estratégias de controle visando à compensação das características não lineares dos componentes mecânicos que prejudicam o desempenho. Um sistema mecatrônico pode ser dividido em três componentes principais - mecanismo, acionamento e sistema de controle… (p. 89)
Valdiero e Rasia (2016, pg.89) propõem uma metodologia que relaciona as fases da metodologia abordada por Valdiero (1997) com as fases propostas pela metodologia de Nise (2000) para projetos de sistema de controle, conforme a Tabela 3.
Tabela 3 – Relação entre projeto de sistema de controle de produtos mecânicos Processo de projeto de
sistema de controle (NISE, 2000)
Processo de Projeto de sistema mecânico
(VALDIERO, 1997) Representação esquemática
e/ou funcional do sistema
físico b) Projeto Conceitual
Modelagem Matemática c) Projeto preliminar
Analise, simulação, projeto do controlador e testes
d) Projeto detalhado e) Construção f) Testes
3.2 Projeto Conceitual
Como o próprio nome sugere essa é a etapa do projeto em que se estabelece o conceito do projeto que deverá solucionar atender uma determinada demanda.
Valdiero (1997) comenta o projeto conceitual como sendo:
…aquela parte do processo de processo de projeto onde as técnicas de criatividade, a elaboração de estrutura de funções, a procura por princípios de solução, suas combinações na síntese de concepções e as técnicas de avaliação são aplicadas com o propósito de se chegar a uma solução viável capaz de resolver o problema (p.18)
Um aspecto relevante em relação ao projeto da bancada é o fato de que ele foi concebido visando, além de outras coisas, o uso material doado e do material disponível na Unijuí. Mais detalhes sobre esses materiais serão abordados na seção 3.6
No que diz respeito à estrutura da bancada, além de privilegiar o uso de materiais já existentes na Unijuí, definiu-se que seria importante que essa bancada fosse móvel, podendo assim ser utilizada em qualquer espaço, inclusive em sala de aula. A Figura 8mostra alguns dos primeiros conceitos da estrutura da bancada com o tanque, um deles fixo (a) e o outro móvel (b).
.
Fonte: próprio autor.
Em relação ao tanque era primordial que o mesmo tivesse boa resistência a corrosão – o que remeteu a possibilidade de o mesmo ser em aço inoxidável –, além de ter paredes isoladas termicamente de tal maneira que a perda de calor considerada ocorra somente pelo próprio fluido, na área em que ele tem contato com o ar ambiente. O tanque doado, sobre o qual serão abordados maiores detalhes na seção 3.6, atendeu perfeitamente esses requisitos, além de ser provido de bocal para a montagem da resistência elétrica, também doada.
O projeto prevê também no interior do tanque um sensor de temperatura que envia sinal para o controlador de temperatura que então faz o acionamento da resistência elétrica, conforme a necessidade, até a água chegar à temperatura desejada.
Valdiero e Rasia (2016) relacionam o projeto conceitual com a primeira etapa da metodologia apresentada por Nise (2000) denominada Representação esquemática e/ou
funcional do sistema físico. Dessa forma, a Figura 9 mostra de maneira esquemática o processo de aquecimento e controle de temperatura em tanques enquanto que a interface do sistema de controle com as demais partes do projeto é mostrada na Figura 10 de maneira análoga ao esquema de projeto mecatrônico de Valdiero e Rasia (2016, p. 90).
Figura 9 – Esquema de um tanque com aquecimento de fluido.
Figura 10 – Desenho esquemático do sistema mecatrônico para controle de temperatura
Fonte: Próprio autor. Adaptado de Valdiero e Rasia (2016, p. 90).
3.3 Projeto Preliminar
Valdiero (1997, pg. 08) descreve o projeto preliminar como sendo a fase de projeto em que se faz “os cálculos, dimensionamentos, análises estáticas e dinâmicas, simulações numéricas e/ou otimizações necessárias”.
O tanque utilizado é proveniente de uma doação de material e uma empresa do arranjo produtivo da cidade de Panambi/RS, com domínio na manufatura de inox e com experiência no mercado de beneficiamento de leite, o que assegura seu dimensionamento em relação ao ponto mais importante do tanque que é o isolamento térmico.
Conforme mencionado na seção 3.3, além de material doado, priorizou-se o uso de material já disponível na Unijuí. Com tubos de aço galvanizado disponíveis na instituição foi concebido o projeto da estrutura da bancada, que deveria aguentar o peso do tanque além do fluído nele contido. Adotou-se 200 kg como peso total a ser suportado a ser adotado pela estrutura. A simulação computacional da carga mostrada na Figura 11 mostra que a estrutura é capaz a tensão gerada pelos 200 kg.
Figura 11 – Tensão a ser suportada x limite de escoamento
Fonte: Próprio autor.
Valdiero e Rasia (2017) relacionam o projeto preliminar apresentado por Pahl e Beitz (1992, apud VALDIERO, 1997, p. 07) com a segunda etapa da metodologia de projeto de controle apresentada por Nise (2000) denominada Modelagem Matemática do Sistema
Dinâmico. Valdiero e Rasia (2016) descrevem essa fase com a como a fase em que:
a partir do conhecimento do sistema físico, aplicam-se leis físicas (de Kirchhoff, de Newton, balanço de energia, entre outras) e ferramentas de tratamento (linearização, transformada de Laplace, entre outros métodos matemáticos), obtendo-se as representações do sistema na forma de variáveis de estado, de modelos não lineares e lineares, de funções de transferência, entre outras formas de representação do comportamento dinâmico do sistema (...) (p. 89)
O processo de aquecimento do fluido, de tanques providos de resistência elétrica interna se dá por meio de condução, observado principalmente entre a superfície da resistência elétrica e a água, e por convecção, com o movimento gerado pela diferença de densidade decorrente da diferença de temperatura da água nas diferentes regiões do tanque.
O sistema representado pela Figura 9 representa um caso de aquecimento de fluido em tanque típico, onde o sistema é isobárico (não há variação de pressão) e isocórico (não há
variação no volume) pelo que se pode constatar que não há realização de trabalho (W=0) neste sistema. Pela primeira lei da termodinâmica (conservação de energia) pode-se deduzir que a energia interna (∆U) é igual ao calor fornecido ao sistema imediatamente antes do início do resfriamento (Q), logo pode-se escrever que:
=
+ ∆
= ∆
Uma vez que não há trabalho realizado pelo sistema, basta então uma análise a respeito do calor fornecido ao fluido, calor perdido para o ambiente, aquecimento e resfriamento em função do tempo. As variáveis que constituem esse modelamento estão elencadas na Tabela 4:
Tabela 4 – Variáveis relacionadas ao processo de aquecimento e resfriamento
Variável Descrição da Variável Unidade de medida Qin Calor de entrada fornecido pela resistência
elétrica Watts=Joules/s
Qout Fluxo de calor de saída; é a perda de calor por
convecção Watts=Joules/s
Tar Temperatura do ar °C
Tf Temperatura fluido °C
A Área de contato da superfície do fluido com o
ar m²
C
Capacidade térmica que caracteriza a propriedade extensiva do fluido do tanque (relação entre a quantidade de calor fornecida e a variação de temperatura observada
Joules/graus centígrados h Coeficiente do fluxo de transferência térmica
convectiva entre o fluido e o ar Watts/(°C m
2)
T (t)
Diferença de temperatura entre o ar (Tar) e o
fluido de tanque (Tf), dado pela equação
diferencial (1)
°C Fonte: Próprio autor
A seguir apresenta-se o desenvolvimento do modelo matemático que envolve o aquecimento e resfriamento de fluidos em tanques. O objetivo é deduzir a função de transferência da malha aberta e deduzir o comportamento do sistema em malha aberta.
Em primeiro lugar, começa-se aplicando-se o Princípio da Conservação de Energia e considerando-se a temperatura do ar constante, tem-se a equação (1):
in− out=C ⋅ ˙ (1)
Como visto anteriormente, Qout é a taxa da perda de calor devido a transferência de calor convectiva do fluido para o ar e é dada pela seguinte equação:
out
=h ⋅ ⋅
(2)Substituindo (2) em (1) obtêm-se a equação diferencial a seguir, que que representa o
modelo dinâmico da diferença de temperatura T:
⋅ ˙ +h ⋅ ⋅ T=Qin (3)
Aplicando-se a Transformada de Laplace ( f' =s. ! − " 0 ) com condições iniciais nulas, levamos a função do domínio do tempo para o domínio da frequência:
⋅ ! ! +h ⋅ ⋅ ! = Qin !
⋅ !+h ⋅ ! =Qin ! (4)
Logo, tem-se a função de transferência da malha aberta em termos literais (5):
% & 'in &
=
(
).s+h.*
= + !
(5)
Os zeros da função são os valores capazes de anular o numerador da função de
transferência e que, portanto, levam a função G(s) ao infinito. No caso da equação acima há apenas o número 1 no numerador, assim não existe nenhum valor de s capaz de anular esse numerador, ou seja, equação (5) não apresenta zeros.
Os polos da função de transferência são os valores de s que anulam o denominador de
uma função de transferência. Como há apenas um s no denominador da equação (6), há apenas um polo da função de malha aberta, p1 que é, portanto, o polo dominante. Para encontra-lo é preciso zerar o denominador da equação (5) ⋅ ! + ℎ ⋅ = 0) e isolar o s, obtendo-se assim o valor de p1 conforme pode ser visto na equação (6) a seguir:
! = -1 = /
01.*)2
(6)
O valor da resposta (saída) de diferença de temperatura T (°C) em regime permanente, (onde o tempo tende ao infinito (T∞) e s tende a zero), para o caso de fluxo de calor de entrada
Qin constante pode ser definida reescrevendo (5):
! =
)⋅&31⋅*( in! ∴
5=
1.*( in (7)No gráfico Imaginário (Im) x Real (ℜe), a distância do polo dominante, no caso p1 até a origem é dado por σ no plano s. Já o valor da constante de tempo τ é definido pelo inverso da distância do polo dominante até a origem do plano s e caracteriza a rapidez (ou lentidão) do sistema dinâmico (8)
τ=
7((8)
A Figura 12 mostra a localização do polo dominante no gráfico Imaginário (Im) x Real (ℜe)
Figura 12 – Alocação do polo dominante no gráfico imaginário x real.
Independente do fluxo de entrada Qin, a constante de tempo τ permanece a mesma pois ela depende da localização do polo dominante p1 que nesse caso depende apenas dos parâmetros
do sistema e não da entrada. O que ocorre, nesse caso, é que o fluxo de entrada implica em menor ou maior diferença de temperatura T (saída ou resposta) para o mesmo intervalo de tempo.
3.4 Projeto Detalhado
Essa é a fase em que se traduz todo o trabalho desenvolvido nas fases de Projeto Conceitual e Projeto Preliminar em especificações, descrições, procedimentos e documentos que viabilizam a fabricação do produto. Segundo Valdiero (1997)
... no projeto Detalhado são definidas as especificações de materiais, componentes padronizados e peças a serem fabricadas, assim como a elaboração dos desenhos técnicos para a manufatura e da lista de componentes de compra (pg. 08)
Um aspecto importante em relação ao projeto da bancada é o fato de que a Pós-graduação Lato Sensu em Engenharia Industrial, cuja titulação requer o desenvolvimento desse trabalho, está estruturada no campus de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Estado do Rio Grande do Sul, localizado em Panambi/RS, cidade de grande vocação industrial elétrica e sobretudo metalmecânica, o que viabilizou a doação dos materiais a seguir elencados:
● Reservatório de água de 100 litros em aço inoxidável e com isolamento térmico;
● Resistência elétrica de 200 kW, 220/380 V;
● Controlador Gefran, modelo Gefran 500;
● Relé de estado sólido, marca Schrack, modelo MR 306220;
● Termopar tipo “T”;
A Figura 13 e a Figura 14 mostram respectivamente o tanque e a resistência elétrica doados.
Figura 13 – Tanque com capacidade de 100 litros doado.
Fonte: próprio autor.
Figura 14 – Resistência elétrica de 2000 W doada
Fonte: próprio autor.
Como uma melhoria no projeto, incluiu-se ainda um tanque menor para fazer testes em escala reduzida, economizando tempo e energia, além de possibilitar experimentos com dinâmicas diferentes.
No que diz respeito à estrutura, após a apreciação de algumas concepções, decidiu-se pelo conceito mais compacto e leve possível capaz de facilitar o deslocamento da bancada e ao mesmo tempo capaz de sustentar com segurança o reservatório de água grande. Optou-se então pelo uso de tubos galvanizados comumente utilizados na condução de fluidos, fazendo a união dos mesmos com junções próprias de tubulação, conforme ilustra a Figura 15.
Figura 15 – Vista isométrica do projeto mecânico da bancada.
Fonte: próprio autor.
O projeto detalhado apresentado por Pahl e Beitz (1992, apud VALDIERO, 1997, p. 07) é também relacionado por Valdiero e Rasia (2016) com a terceira etapa da metodologia apresentada por Nise (2000) denominada Análise, simulação, projeto do controlador e testes. Para os primeiros testes com o tanque pequeno foi previsto o uso de um termômetro culinário digital.
Já para o tanque grande foi previsto o uso do conjunto controlador e relé adquiridos por meio de doação conforme pode ser visto na Figura 16 e na Figura 17
Figura 16 – Imagem do controle acionamento – material doado.
Fonte: próprio autor.
Figura 17 – Esquema elétrico do controle e acionamento.
3.5 Construção
Valdiero e Rasia (2016) relacionam a fase de construção apresentado por Pahl e Beitz (1992, apud VALDIERO, 1997, p. 07) com a terceira etapa da metodologia apresentada por Nise (2000) denominada Análise, simulação, projeto do controlador e testes.
A fabricação da estrutura para o tanque grande se dá nas dependências dos laboratórios da Unijuí. A instituição tem disponível em suas acomodações equipamentos para corte, solda e usinagem de materiais
A fabricação do tanque pequeno é bastante simples e consiste basicamente em dois recipientes plásticos com espuma de poliuretano expandido entre eles para isolar o calor nas paredes laterais, conforme ilustra a Figura 18 e a Figura 19.
O tanque grande já estava pronto para o uso, sendo necessário apenas a montar a resistência elétrica.
Figura 18 – Etapas de fabricação do tanque menor.
Figura 19 – Visão do tanque pequeno.
Fonte: próprio autor.
A Figura 20 mostra o início da construção da estrutura da bancada, para acomodar principalmente o tanque grande e a Figura 21 mostra a bancada montada.
Figura 20 – Início da montagem da estrutura da bancada.
Fonte: próprio autor.
Figura 21 – Bancada montada.
Fonte: próprio autor.
3.6 Testes
Nesta seção apresenta-se de maneira sucinta os testes realizados com o protótipo da bancada para experimentos educacionais envolvendo controle de temperatura.
Além de testar o funcionamento do protótipo, o objetivo dos testes é desenvolver um experimento simples que possa fazer a validação experimental da teoria apresentada na seção 3.4 e ser reproduzido posteriormente pelos alunos de graduação.
Dentro desse contexto, a ideia é também despertar o interesse de professores e alunos que virão a ter contato com a bancada a desenvolverem novos experimentos, validando com ela também conceitos.
A Figura 22 mostra os primeiros ensaios, realizados concomitantemente com a fabricação da estrutura da bancada.
