Vagner Barroso Pinto - PPGEI

Transcrição

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ - UFPA
INSTITUTO DE TECNOLOGIA - ITEC
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL - PPGEI
VAGNER BARROSO PINTO
APLICAÇÃO DO ÓLEO VEGETAL DE ANDIROBA (Carapa Guianensis) COMO
FLUIDO ISOLANTE DIELÉTRICO EM TRANSFORMADORES DE
DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
BELÉM - PA
2014
1
Dissertação apresentada para obtenção
do grau de Mestre em Engenharia
Industrial, do Instituto de Tecnologia da
Universidade Federal do Pará. Área de
concentração Processos de Fabricação,
orientador: Prof. Dr. Roberto Tetsuo
Fujiyama.
BELÉM - PA
2014
2
Dissertação apresentada para obtenção
do grau de Mestre em Engenharia
Industrial, do Instituto de Tecnologia
da Universidade Federal do Pará. Área
de
concentração
Processos
de
Fabricação, orientador: Prof. Dr.
Roberto Tetsuo Fujiyama.
Belém – Pará, 22 de Maio de 2014.
Banca examinadora:
- Orientador - Presidente
Prof. Dr. Roberto Tetsuo Fujiyama
Programa de Pós- Graduação em Engenharia Industrial-PPGEI/UFPA
- Membro Externo- 1° Examinador
Prof. Dr.Lênio Jose Guerreiro de Faria
Programa de Pós- Graduação em Engenharia Química-PPGEQ/UFPA
- Membro Interno- 2° Examinador
Prof. Me. Jean da Silva Rodrigues
Programa de Pós- Graduação em Engenharia Industrial-PPGEI/UFPA
3
Dedico à Minha Família,
Pelo carinho e amor, pois, com todas as dificuldades sempre
Esteve ao meu lado me incentivando a percorrer este nobre caminho.
4
AGRADECIMENTOS
Para elaboração e apresentação desta Dissertação várias pessoas me ajudaram e me
apoiaram de forma incondicional. Desta forma, agradecer é o mínimo que posso fazer para
demonstrar minha gratidão.
Então, agradeço primeiramente a Deus, por estar sempre comigo me dando a força
necessária para seguir sempre pelo caminho correto e honesto da vida.
Em especial ao Professor orientador, Dr. Roberto Tetsuo Fujiyama – UFPA e Prof.
Dr. Jandeci Cabral Leite – ITEGAM pela dedicação, alto senso profissional e precisão com
que seus conselhos e orientação me conduziram;
À minha família, pelo incentivo e dedicação permanente;
A Indústria de transformadores da Amazônia (ITAM) pelo fornecimento do
laboratório sem o qual esta pesquisa não seria realizada.
Aos colegas de Mestrado que não pouparam esforços para juntos, nos dedicarmos
nesta proveitosa caminhada;
Aos admiráveis Professores desta Respeitável Universidade, o meu respeito e
gratidão.
5
RESUMO
A indústria energética atual enfrenta grandes desafios operacionais, tecnológicos, econômicos
e ambientais. Esses desafios acarretam um aumento na complexidade do gerenciamento da
energia elétrica. O sistema de energia elétrica deve buscar uma atitude revolucionária de
oferecer seus serviços, focando em baixo custo, eficiência e agir ecologicamente correto no
que se refere ao uso de recursos naturais, sobretudo dar preferência aos recursos renováveis.
Desta forma, o presente estudo tem como objetivo geral verificar a viabilidade técnica da
aplicação de óleo vegetal de andiroba (Carapa guianensis) como Óleo Vegetal Isolante (OVI)
dielétrico em transformadores de distribuição de energia. O método utilizado foi o qualiquantitativo com base nos parâmetros de uso dos óleos já existentes no processo de fabricação
dos transformadores produzidos por uma indústria do Polo Industrial de Manaus (PIM). As
propriedades analisadas foram cor, fulgor, fluidez, densidade, viscosidade, acidez, fator de
perda e rigidez dielétrica, índice de neutralização, teor de água, corrosividade e gases
dissolvidos. Os dados encontrados foram comparados aos parâmetros estabelecidos pela
norma ABNT NBR 15.422. Os resultados obtidos mostraram que o óleo vegetal estudado
apresenta características físico-químicas dentro dos limites estabelecidos pela norma, embora
deva ser submetido a tratamentos específicos para atender a outras especificações como a
viabilidade técnica e econômica para implementação dessa alternativa visando o
aproveitamento do óleo vegetal em abundância da região Amazônica.
Palavras-chaves: Óleo de Andiroba, Capacidade Dielétrica, Transformadores de Energia.
6
ABSTRACT
The energy industry faces major challenges current operational, technological, economic and
environmental. These challenges lead to an increase in the complexity of managing
electricity. The power system must seek a revolutionary attitude to offer their services,
focusing on low cost, efficient and environmentally friendly act with regard to the use of
natural resources, especially giving preference to renewable resources. Thus, this study aims
to check the general technical feasibility of applying vegetable oil (Carapa guianensis)
Vegetable Oil as Insulating (OVI) dielectric transformers in power distribution. The method
used was qualitative and quantitative parameters based on the use of oils existing in the
process of manufacturing of transformers produced by an industry of the Industrial Pole of
Manaus (PIM). The properties analyzed were color, glow, flow, density, viscosity, acidity,
loss factor and dielectric strength, neutralization index, moisture, corrosiveness and dissolved
gases. The data were compared to the parameters established by ABNT NBR 15.422. The
results showed that the vegetable oil has studied the physicochemical characteristics within
the limits set by the standard, although it should be subjected to specific treatments to meet
other specifications as the technical and economic feasibility for implementation of this
alternative targeting the use of vegetable oil abundance in the region.
Keywords: Andiroba oil, Dielectric capacity, Power Transformers.
7
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
MME - Ministério das Minas e Energia
ABB – Asea Brown Boveri
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
AT – Alta Tensão
ASTM – American Society for Testing and Materials
ANSI – American National Standards Institute
ANP – Agência Nacional de Petróleo
BT – Baixa Tensão
C – Carbono
CE – Comissão de Estudos
CEMIG – Companhia Energética de Minas Gerais
COPEL – Companhia Paranaense de Energia
COBEI – Comitê Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Iluminação e
Telecomunicação
CO – Monóxido de carbono
CO2 – Dióxido de carbônico
CH4– Metano
C2H4 – Etileno
C2H6 – Etano
C2H2 – Acetileno
Ca – Conteúdo de aromáticos
CLAGTEE – Latin American Congress on Electricity Generation and Transmission
Cn – Conteúdo de naftênicos
Cp – Conteúdo de parafínicos
cSt – centi stokes
DBPC – Di-terc-butil-p-cresol
DBDS – Dibenzil dissulfeto
Dina/cm – dina por centímetro
GAP – Abertura
GE – General Electric Company
8
H ou H2 – Hidrogênio
H1 ou H2 – Terminal de alta tensão
Hz – hertz
IN – Índice de neutralização
IEC – International Electrotechnical Commission
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers
IEP – Instituto de Engenharia do Paraná
KOH – Hidróxido de Potássio
kVA – quilovolt-ampère
L – Load
L-S – Load – Source
L-SL – Load – Source Load
LACTEC – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento
mg KOH/g – miligrama de KOH por grama de óleo
mg/kg – miligrama por quilograma
mN/m – mili newton por metro
m/m – metro/metro
MVA – megavolt-ampère
N ou N2 - Nitrogênio
NBI – Nível Básico de Isolamento
NBR – Norma Brasileira Regulamentadora
ND – Não Detectado
NR – Não Registrado
NOx – Óxido de nitrogênio
O ou O2 – Oxigênio
OMI – Óleo Mineral Isolante
OVI – Óleo Vegetal Isolante
PCB - Bifenilapoliclorada
ppm – Parte por milhão
PRODETEC – Programa de Pós-Graduação em Desenvolvimento de Tecnologia
RVM – Recovery Voltage Meter
R$/l – Real por litro
S – Source
9
S-L – Source e Load
SL – Source Load
SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica
SF6 – Hexafluoreto de Enxofre
Torr – Torricelli ou milímetro de mercúrio
Transform. Aterramen. – Transformador de Aterramento
X1, X2 ou X3 – Terminal de baixa tensão
W - watt
µs – micro segundo
10
LISTA DE FIGURAS
Figura1 - Ilustração esquemática dos hidrocarbonetos constituintes do OMI........................26
Figura2 - Representação esquemática de um triacilglicerol...................................................28
Figura 3 - Sementes de Andiroba.............................................................................................32
Figura 4 - Refino Químico de Óleo Vegetal............................................................................36
Figura 5: Esquema do ensaio de estabilidade à oxidação........................................................44
Figura 6 – Desenho esquemático do cromatógráfo..................................................................45
Figura 7 - Cadeia Produtiva do óleo de andiroba...................................................................50
Figura 8- Esquema de ligações de transformadores monofásicos..........................................56
Figura 9 -Esquema de um transformador de distribuição.......................................................57
Figura 10-Índice de acides do OV-A, OVI-1, OVI-2 e OMI-1.............................................60
Figura 11 -Viscosidade dos óleos nas temperaturas de 20, 40 e 100°C comparada aos limites
estabelecidos na NBR 15422....................................................................................................62
Figura 12- Detalhe das fitas de cobre após o ensaio de corrosividade...................................64
Figura 13 - Concentrações dos gases combustíveis em ppm...................................................66
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Avaliação de riscos em Transformadores envolvendo gases dissolvidos...............44
Tabela 2 - Indicadores de Produção.........................................................................................52
Tabela 3 -Densidade relativa...................................................................................................61
Tabela 4 -Composição dos ácidos graxos do óleo vegetal deAndiroba.................................63
Tabela 5 -Rigidez dielétrica e fator de perdas.........................................................................64
Tabela 6 - Concentrações dos gases dissolvidos em ppm .......................................................66
Tabela 7 -Estabilidade Oxidativa do óleo de andiroba...........................................................67
12
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 16
CAPÍTULO I ................................................................................................................ ......18
1. Aspectos da Pesquisa ................................................................................................... ..18
1.1.Justificativa da Pesquisa ................................................................................................. 18
1.2.Delimitação da Pesquisa ................................................................................................. 19
1.3.Objetivos ........................................................................................................................ 19
1.3.1. Objetivo Geral ....................................................................................................... 19
1.3.2. Objetivos Específicos ............................................................................................. 19
1.4.Contribuição e Relevância da Pesquisa ........................................................................... 19
1.5.Trabalhos Resultantes da Pesquisa Realizada.................................................................. 21
1.6.Escopo do Trabalho ........................................................................................................ 21
CAPÍTULO II .................................................................................................................... 22
2. Revisão da Literatura .................................................................................................... 22
2.1.Estado da Arte ................................................................................................................ 22
2.2.Matriz Energética Brasileira ........................................................................................... 23
2.3.Utilização de Fluidos Isolantes em Transformadores ...................................................... 25
2.3.1.Óleo Mineral Isolante (OMI)................................................................................... 25
2.3.2.Composição e Utilizações ....................................................................................... 25
2.4.Óleo Vegetal .................................................................................................................. 27
2.4.1. Óleo Vegetal Isolante (OVI)................................................................................. 278
2.4.2. Obtenção e composição. ......................................................................................... 29
2.4.3. Normatização no Brasil. ......................................................................................... 30
2.4.4. Óleo vegetal de andiroba (Carapa guianensis). ...................................................... 31
2.5.Processo de Refino do Óleo Bruto .................................................................................. 33
2.5.1. Processo tradicional...................................................................................................33
2.5.2. Processo Químico de Refino .................................................................................. 35
13
2.6.Ensaios Físicos - Químicos dos Óleos Vegetais Isolantes................................................ 37
CAPÍTULO III ................................................................................................................... 38
3. Procedimentos Metodológicos ....................................................................................... 38
3.1.Caracterização da Pesquisa ............................................................................................. 38
3.2.Natureza da Pesquisa ...................................................................................................... 39
3.3.Delineamento da Pesquisa .............................................................................................. 39
3.4.Materiais ........................................................................................................................ 40
3.5.Métodos e Técnicas Utilizadas ....................................................................................... 41
3.5.1.CaracterizaçãoFísico-Química................................................................................. 41
3.5.2.CaracterizaçãoDielétrica ......................................................................................... 43
3.5.3.Determinação Eletroanalítica da Estabilidade Oxidativa do Óleo de Andiroba.........44
3.5.4.Compatibilidade do Fluido Vegetal com Materiais Internos do Transformador........44
3.5.5.Analise Cromatográfica de Gases Dissolvidos (DGA)...............................................45
CAPÍTULO IV ................................................................................................................... 47
4. Viabilidade Econômica Dos Óleos Vegetais .................................................................. 47
4.1.Aspectos econômicos ..................................................................................................... 47
4.2.Gargalos de Produção ..................................................................................................... 48
4.3.Produção em larga escala................................................................................................ 50
CAPÍTULO V..................................................................................................................... 54
5. Desempenho do Óleo de Andiroba nos Processos de Fabricação de Transformadores
Elétricos....................................................................................................................................54
5.1.Perfil da Empresa ........................................................................................................... 54
5.2.Levantamento de Dados ................................................................................................. 55
5.2.1.Variantes Construtivas dos Transformadores..............................................................55
5.2.2.Ciclo de Vida de Transformadores de Potência..........................................................58
5.2.3.Envelhecimento do Transformador.............................................................................59
5.3.Análise e Discussão dos Resultados ...... .............................................................................60
5.3.1.Avaliação Físico-Química do Óleo............................................................................60
5.3.2.Compatibilidade com Materiais Internos do Transformador.....................................63
14
5.3.3.Avaliação do Desempenho Dielétrico........................................................................64
5.3.4.Analise dos Gases Dissolvidos no Óleo.....................................................................66
5.3.5.Estabilidade a Oxidação e Temperatura de Fulgor....................................................67
CAPÍTULO VI ................................................................................................................... 69
6. CONCLUSÕES.............................................................................................................. 69
6.1. Sugestões para trabalhos futuros........................................................................................70
REFERENCIAS ................................................................................................................. 71
15
INTRODUÇÃO
A partir do contexto histórico a energia elétrica desde sua descoberta, é sem dúvida
um fator de desenvolvimento socioeconômico.
Os avanços tecnológicos nas áreas das
telecomunicações, distribuição de energia e os sistemas de informação têm se tornado um
alvo cada vez mais essencial para dar suporte a todos os demais sistemas existentes. Assim, as
empresas do setor energético possuem uma obrigatoriedade de melhorar cada vez mais a
eficiência, a confiabilidade, a segurança e a qualidade da energia elétrica.
A energia elétrica é uma das mais nobres formas de energia secundária, a sua
facilidade de geração, transporte, distribuição e utilização, com as consequentes
transformações em outras formas de energia, atribuem à eletricidade uma característica de
universalização, disseminando o seu uso pela humanidade. No mundo de hoje, a eletricidade,
o alimento e a moradia, são direitos humanos básicos.
Entretanto, a indústria energética atual enfrenta grandes desafios operacionais,
tecnológicos, econômicos e ambientais. Esses desafios acarretam um aumento na
complexidade do gerenciamento da energia elétrica. O sistema de energia elétrica deve buscar
uma atitude revolucionária de oferecer seus serviços, focando em baixo custo, eficiência e
agir ecologicamente correto no que se refere ao uso de recursos naturais, sobretudo dar
preferência aos recursos renováveis.
Segundo o Balanço Energético Nacional (BEN) de 2012, ano base 2011 houve
aumento na participação de energias renováveis na produção de eletricidade em 2,5 pontos
percentuais em 2011, atingindo 88,8% percentual nacional. Houve redução na produção de
bioeletricidade (a partir da biomassa da cana). Por outro lado, o ano de 2011 apresentou
condições hidrológicas favoráveis, o que assegurou aumento de 6,1% na produção
hidroelétrica. Destaca-se ainda a relevante expansão da geração eólica de 24,3%,
prenunciando o que deve ocorrer de forma ainda mais expressiva nos próximos anos.
A estrutura do sistema elétrico de potência compreende os sistemas de geração,
transmissão, distribuição e subestações de energia elétrica, em geral cobrindo uma grande
área
geográfica.
O
sistema
atual
de
energia
elétrica
é
baseado
16
em grandes usinas de geração que transmitem energia através de sistemas de transmissão de
alta tensão, que é então distribuída para sistemas de distribuição de média e baixa tensão. Em
geral o fluxo de energia é unidirecional e a energia é despachada e controlada por centro(s) de
despacho com base em requisitos pré-definidos.
Os primeiros transformadores foram construídos nos Estados Unidos, com projeto a
seco e utilização de ar como dielétrico. A idéia de que transformadores usando óleo mineral
como dielétrico pudessem ser menores e mais eficientes foi patenteada pelo professor Elihu
Thompson, mas levou uma década até que fosse colocada em prática.
Em 1892, a General Electric produziu a primeira aplicação reconhecida de óleo
mineral em um transformador. Então, a indústria focou sua atenção em determinar quais as
propriedades ideais para o óleo mineral para aplicações como dielétrico e, também, no
desenvolvimento de processos para a produção de um óleo mineral isolante (OMI) de melhor
qualidade. (HELENA et al, 2006).
Suprir a demanda energética mundial tem sido um grande desafio para nossa
sociedade. A contínua elevação do preço do barril de petróleo e as questões ambientais
associadas à queima de combustíveis fósseis também têm contribuído para colocar a
humanidade frente à necessidade de novas fontes energéticas (TREVISANI, 2007).
O uso em larga escala da energia proveniente da biomassa é apontado como uma
grande opção que poderia contribuir para o desenvolvimento sustentável nas áreas ambiental,
social e econômica. (RINALDI, 2007).
Então dentro da perspectiva de solução para o uso de recursos renováveis, o presente
estudo incorpora como problemática a viabilidade de óleos vegetais como forma de diminuir
os impactos ambientais e gerar um desenvolvimento sustentável, já que as pesquisas aqui
direcionadas são para o óleo de andiroba como isolante dielétrico.
17
CAPÍTULO I
1. ASPECTOS DA PESQUISA
1.1. JUSTIFICATIVA DA PESQUISA
O óleo mineral vem sendo utilizado como meio isolante e refrigerante em
transformadores por mais de um século e é, sem dúvida, o dielétrico líquido de maior
utilização para esta aplicação. Muitos bilhões de litros de óleo estão em uso em equipamentos
elétricos pelo mundo. A popularidade do OMI é devido a sua disponibilidade e baixo custo.
Adicionalmente, ele é um excelente meio de isolamento e de resfriamento (CLAIBORNE,
CHERRY, 2006).
Nos dias atuas o desenvolvimento de novos produtos que minimizam o descarte de
poluentes no meio ambiente é de extrema importância para o desenvolvimento sustentável.
Recentemente preocupações ambientais têm sido voltadas quanto ao uso de óleos isolantes
dielétricos pouco biodegradáveis (OMI) derivados de fontes não renováveis utilizados em
equipamentos elétricos.
Ciente deste fato, o setor elétrico vem buscando alternativas para a substituição do
óleo mineral, derivado do petróleo e tradicionalmente utilizado como fluido isolante em
transformadores de distribuição e de transmissão, por fluidos biodegradáveis e renováveis.
Nesse cenário vem se destacando o processamento de óleos vegetais em substituição
a componentes não renováveis presentes em tais produtos, e dependendo de investimentos em
projetos de P & D, pode-se ter ainda o desenvolvimento de uma indústria oleoquímica de base
semelhante à indústria petroquímica atual, possibilitando desta forma, uma alternativa
sustentável para produção de fluidos isolantes elétricos.
Apesar dessas características favoráveis, a utilização dos fluidos à base de óleo vegetal
no setor elétrico é limitada por vários fatores, sendo os principais o custo, a insuficiência de
conhecimento técnico quanto a sua verdadeira utilidade e a indefinição de critérios para
acompanhamento do seu desempenho em campo.
18
1.2. DELIMITAÇÕES DA PESQUISA
A andiroba (Carapa guianensis) surge como planta de grande potencial para a
produção de matéria-prima com fins industriais no setor elétrico por apresentar características
favoráveis como: alto teor de óleo e não competir com indústria alimentícia por não ser
comestível, contudo o uso de deste tipo de produto ainda e limitado no país, em função de ser
relativamente novo e da falta de comprovação científica quanto a sua compatibilidade técnica
e econômica em relação ao óleo mineral isolante. O aspecto inovador desta proposta consistiu
na investigação da suportabilidade elétrica de novos transformadores de distribuição, isolados
com óleo vegetal de andiroba.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. OBJETIVO GERAL
O objetivo desta pesquisa visa verificar a viabilidade técnica da aplicação de óleo
vegetal de andiroba (Carapa guianensis) como fluido isolante dielétrico (OVIs) em
transformadores de distribuição.
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
-Verificar as propriedades físico-químicas e dielétricas do óleo de andiroba
comparadas com fluidos vegetais isolantes já existentes.
-Avaliar da estabilidade à oxidação do óleo de andiroba.
-Investigar a compatibilidade química do óleo de andiroba com elementos
internos dos transformadores de potência.
1.4. CONTRIBUIÇÃO E RELEVÂNCIA DA PESQUISA
Visando eliminar ou minimizar impacto ambiental à aplicação de óleo vegetal como
meio isolante em equipamentos elétricos, vêm surgindo como uma excelente opção em
substituição ao óleo mineral, principalmente em locais desprovidos de sistemas de proteção
(bacias de contenção).
19
Os materiais que, sob este aspecto, estão apresentando maior incidência de utilização
são os fluidos à base de óleos vegetais. Estes fluidos possuem características biodegradáveis e
renováveis sendo denominados de fluidos ecologicamente corretos. Estes óleos são
considerados renováveis porque, diferentemente do combustível fóssil, o gás carbônico (CO2)
liberado na sua combustão e/ou degradação por agentes biológicos é reciclado por absorção
durante o próprio crescimento das oleaginosas (fotossíntese). Assim, a produção do OVI está
inserida em um processo cíclico que auxilia na minimização do efeito estufa, pois há um
equilíbrio entre a massa de carbono fixada e aquela liberada ou dispersa na atmosfera
(UHREN, 2007).
A questão ambiental tem vindo a preocupar a comunidade internacional de forma
crescente. Assim as novas tendências apontam para a utilização de dielétricos líquidos de base
vegetal da classe dos ésteres. São óleos com uma elevada resistência ao fogo, flash point da
ordem dos 330ºC, contra 140ºC dos óleos minerais, e cujas propriedades ambientais,
químicas, elétricas e de segurança contra incêndio lhe conferem o estatuto de “óleo do
futuro”.
Os transformadores são máquinas elétricas estáticas com diversas aplicações na
energia, desde a produção, transporte e distribuição da mesma. Estes são de extrema
importância em toda a extensão da rede elétrica; se impondo a eles grande confiabilidade bem
como cuidados para com o ambiente e proteção de pessoas.
A investigação nesta área tem em consideração tais preocupações, no sentido de
melhorar progressivamente esta máquina, de forma a torná-la mais eficiente, reduzindo os
níveis de perdas, e utilizando em suas matérias primas cada vez mais materiais recicláveis,
dado que o desmantelamento da máquina é uma preocupação em relação ao período de vida
útil da mesma.
Utilizando fluidos dielétricos biodegradáveis e renováveis as concessionárias de
energia estarão contribuindo para o desenvolvimento econômico e social das regiões
produtoras dessas oleaginosas, gerando riquezas e divisas para o estado; para a necessidade de
aumento da produção de empregos na área rural; para a fixação do homem no campo, pelo
fomento à agroindústria; e para a melhoria de oportunidades para a agricultura familiar. Além
disso, o interesse particular das concessionárias por estes fluidos biodegradáveis, renováveis e
nacionais pode ser justificado, principalmente, por danos ambientais, pela diminuição da
dependência de um fluido derivado do petróleo, recurso não renovável e pela utilização de
recursos nacionais economicamente mais viáveis (RAMOS, 2003).
20
1.5. TRABALHOS RESULTANTES DA PESQUISA REALIZADA
A elaboração da presente pesquisa possibilitou a divulgação dos resultados nos
seguintesmeios técnicos/científicos:
PINTO, V. B., LOPES, R. V. P., LEITE, J. C., FUJIYAMA, R. T., LIMADA, O. F.Estudio
de la aplicación de aceite vegetal de Andiroba (Carapa guianensis) como un aislante
eléctrico.Publicado na VII Confers International of Mechanical Engineering. COMEC 2012,
Villa Clara, Havana: Editorial Feijóo, 10p.,Novembro de 2012.
PINTO, V. B., LOPES, R. V. P., LEITE, J. C., FUJIYAMA, R. T. Proposta alternativa
denovos fluidos isolantes utilizando como base óleo vegetal de Andiroba (Carapa
guianensis). Submetido ao periódico Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. 15p., outubro de 2013.
1.6. ESCOPO DO TRABALHO
Inicialmente no primeiro capítulo após uma breve introdução inicial foram abordadas
as principais características da pesquisa relatando o objetivogeral e objetivos específicos da
pesquisa realizada, como também trabalhos resultantes e sua importância no cenário atual do
setor de distribuição elétrica no Brasil.
No segundo capítulo, é realizada uma revisão bibliográfica sobre a matriz elétrica
brasileira, a utilização de óleos de origem vegetal e animal em transformadores de potência,
sua forma de obtenção, composição, mecanismos de envelhecimento relacionado a perdas de
propriedades isolantes, bem como características físico-químicas observadas a partir dos
processos de refino e ensaios descritos em normas brasileiras.
No terceiro capítulo foi realizado as caracterizações das amostras de óleo vegetal e
mineral destacando os tipos de materiais, e equipamentos utilizados para a avaliação dos
fluidos em escala laboral.
No quarto capitulo estão elencados os procedimentos metodológicos aplicados para
verificar a suportabilidade técnica e econômica da utilização do óleo vegetal de andiroba em
detrimento dos óleos comercialdisponíveis.
No quito capítulo estão apresentados e discutidos os resultados obtidos nesta pesquisa,
referente às propriedades físicas, químicas e elétricas dos diversos experimentos realizados
com o óleo vegetal de andiroba (Carapa guianensis), frente sua possível utilização como
isolante dielétrico.
No sexto capitulo estão elencadas as conclusões deste trabalho bem como sugestões
para trabalhos futuros e citações bibliográficas relacionadas neste trabalho.
21
CAPÍTULO II
2. REVISÃO DA LITERATURA
2.1. ESTADO DA ARTE
Com o intuito de amenizar os impactos ambientais à procura por fluidos
sustentáveis na distribuição e transformadores de potência está aumentando, fez- se cada vez
mais relevante ,a demanda por óleos vegetais isolantes, estes já disponíveis comercialmente
como substitutos de óleos de base mineral em transformadores de potência. Algumas das
vantagens oferecidas por estes óleos, que são quimicamente classificados como ésteres
naturais, são as altas biodegradabilidades, maiores pontos de fulgor e baixo coeficiente de
expansão térmica. Assim, a aplicação destes líquidos em transformadores de potência promete
benefícios fortes, em comparação de óleo mineral convencional. No entanto, as características
químicas e físicas diferentes requerem especial consideração, especialmente em relação a
degradação do fluido, na presença de oxigênio, (TENBOHLEN, 2012).
Os transformadores de distribuição são, hoje em dia, o principal equipamento nas
redes elétricas, por conseguinte, qualquer alternativa que aumenta ou melhore o seu
funcionamento, se traduz em um ganho para o serviço elétrico. O sistema de isolamento de
quase todos os transformadores de distribuição atualmente utilizam para o sistema de
isolamento e refrigeração uma combinação de óleo dielétrico e papel. Por essa razão, existem
vários fatores que afetam negativamente a distribuição de operações de transformação e,
especialmente, seu sistema de isolamento elétrico.
Tradicionalmente, o óleo mineral tem sido utilizado como material isolante por
causa da boa performance, baixo custo e viscosidade adequada, mas os seus principais
problemas são associada à sua baixa biodegradabilidade. Assim, nos últimos anos, há um
interesse crescente no uso de óleos vegetais como refrigerante ecológico e sistema de
isolamento em vez dos óleos minerais. Estes fluidos estão sendo usados atualmente em
pequeno escala em transformadores.
Estruturalmente, os óleos vegetais são misturas de ésteres naturais e ácidos graxos e
são uma alternativa ideal para substituir os óleos minerais normalmente usados devido serem
proveniente de fonte renovável, a sua rápida taxas biodegradação (redução dos riscos
ambientais) e para reduzir o risco de explosão devido a seus pontos de fulgor superior ao
mineral. (NEFFER, 2006).
22
2.2. MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA
O Brasil possui a matriz energética mais renovável do mundo industrializado com
45,3% de sua produção proveniente de fontes como recursos hídricos, biomassa e etanol, além
das energias eólica e solar. As usinas hidrelétricas são responsáveis pela geração de mais de
75% da eletricidade do País. Vale lembrar que a matriz energética mundial é composta por
13% de fontes renováveis no caso de Países industrializados, caindo para 6% entre as nações
em desenvolvimento.
O modelo energético brasileiro apresenta um forte potencial de expansão, o que
resulta em uma série de oportunidades de investimento de longo prazo. A estimativa do
Ministério de Minas e Energia para o período 2008-2017 indica aportes públicos e privados
da ordem de R$ 352 bilhões para a ampliação do parque energético nacional. Os recursos
públicos virão principalmente do Programa de Aceleração do Crescimento (PAC), iniciativa
federal lançada em 2007 para promover a aceleração da expansão econômica no País.
Para a área hidrelétrica estão previstos cerca de R$ 83 bilhões. Hoje, apenas um
terço do potencial hidráulico nacional é utilizado. Usinas de grande porte a serem instaladas
na região amazônica constituem a nova fronteira hidrelétrica nacional e irão interferir não
apenas na dimensão do sistema de geração, mas também no perfil de distribuição de energia
em todo o País, abrindo novas possibilidades de desenvolvimento regional e nacional.
Outros R$ 23 bilhões devem ser aplicados na expansão da produção e oferta de
biocombustíveis como etanol e biodiesel. O cenário internacional aponta o interesse de vários
países em conhecer e adotar o uso dos biocombustíveis em suas frotas – e, para atendê-los, o
Brasil é capaz de fornecedor o produto, os serviços e o conhecimento.
O Brasil possui uma matriz de energia elétrica que conta com a participação de
77,1% da hidroeletricidade. Energia proveniente de 140 usinas em operação, com perspectiva
de aumento do uso dessa fonte. Ao longo dos últimos 30 anos, o País evitou a emissão de
cerca de 800 milhões de toneladas de CO2 equivalente por meio do uso de etanol como
substituto ou aditivo da gasolina.
A previsão do Plano Decenal de Energia é que o País terá 71 novas usinas até 2017,
com potencial de geração de 29.000 MW, sendo 15 na bacia do Amazonas, 13 na bacia do
Tocantins-Araguaia, 18 no rio Paraná e 8 no rio Uruguai. As 28 usinas hidrelétricas
planejadas na região amazônica têm no seu conjunto, a capacidade instalada de 22.900 MW.
O Brasil usa energia hidrelétrica desde o final do século 19, mas as décadas de 1960
e 1970 marcaram a fase de maior investimento na construção de grandes usinas. Devido a
23
essas opções feitas no passado, o país abriga hoje a maior hidrelétrica do mundo em geração
de energia. Inaugurada em 1984 depois de um acordo binacional com o Paraguai, a Usina de
Itaipu tem hoje potência instalada de 14 mil MW, com 20 unidades geradoras. Essa
capacidade é suficiente para suprir cerca de 80% de toda a energia elétrica consumida no
Paraguai e de 20% da demanda do sistema interligado brasileiro.
Já as usinas de Jirau e Santo Antônio – ainda em fase de construção, no Rio
Madeira, por exemplo, utilizam a tecnologia de turbinas bulbo, diminuindo o alagamento
necessário e, consequentemente, efeitos negativos como o deslocamento de populações locais,
a desapropriação de terras e o impacto ambiental. Para monitorar os impactos, o Brasil investe
também no aperfeiçoamento das avaliações realizadas pelo Instituto Brasileiro do Meio
Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (Ibama) antes da instalação de qualquer usina.
Criado em 2002 pelo Ministério de Minas e Energia o Programa de Incentivo às
Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) tem como objetivo desenvolver fontes
alternativas e renováveis de energia para a produção de eletricidade, levando em conta
características e potencialidades regionais e locais e investindo na redução de emissões de
gases de efeito estufa.
Em uma primeira fase, foi estabelecida a meta de implantação de 3.300 MW de
capacidade instalada de centrais eólicas, de biomassa e de pequenas centrais hidrelétricas,
divididos em partes iguais para as três fontes.
Atualmente, o Brasil conta com 36 usinas eólicas espalhadas por todo o País, de
Norte a Sul. Juntas, elas somam uma potência total de 602.284 kW de energia limpa. O que
ainda se caracteriza por ser mínimo perante o potencial de 300 Giga Watts que poderão ser
explorados nas próximas décadas
No total o Programa prevê a implantação de 144 usinas, totalizando 3.299,40 MW de
capacidade instalada, sendo 1.191,24 MW provenientes de 63 PCHs, 1.422,92 MW de 54
usinas eólicas, e 685,24 MW de 27 usinas a base de biomassa. De acordo com o Ministério de
Minas e Energia, essa energia tem garantia de contratação por 20 anos pela Centrais
Elétricas Brasileiras S.A. (Eletrobrás) .
24
2.3. UTILIZAÇÃO DE FLUIDOS ISOLANTES EM TRANSFORMADORES
2.3.1. ÓLEO MINERAL ISOLANTE (OMI)
O óleo mineral, produzido por destilação do petróleo é, até ao momento, o líquido
mais utilizado como dielétrico, em transformadores e outros equipamentos elétricos. Além de
dielétrico, o óleo desempenha ainda outras funções, tais como a de fluido arrefecedor, e de
protetor do isolamento sólido, possuindo ainda propriedades de extinção do arco elétrico.
Contudo a existência de limitadas reservas de óleo bruto e as crescentes
preocupações ambientais, levantadas, por exemplo, pela presença de componentes aromáticos
nos óleos minerais, além da sua muito baixa biodegradabilidade, fizeram com que a
comunidade científica começasse a encarar os óleos vegetais, como uma eventual alternativa
aos óleos minerais, para uso em transformadores..
Por estas razões, vários estudos de investigação têm sido realizados neste domínio,
no sentido de caracterizar o comportamento destes fluidos, do ponto de vista físico-químico e
dielétrico, ao mesmo tempo em que se tem tentado melhorar algumas das suas propriedades
(por exemplo, a estabilidade à oxidação, a viscosidade e o ponto de flexão), com vista à sua
aplicação na indústria elétrica, concretamente em transformadores, como substitutos dos óleos
minerais.
2.3.2. COMPOSIÇÃO E UTILIZAÇÕES
De acordo com Rolland (2004) os óleos minerais isolantes derivam do petróleo e
sãoutilizados em equipamentos elétricos sendo
obtidos pela destilação dopetróleo e
corresponde à fração obtida entre 300 e 400°C. Este destilado pode serde origem parafínica
ou naftênica (LIPSTEIN; SHAKNOVISH, 1970 e CLARK,1962). Trata-se de uma mistura de
compostos na qual a maioria das moléculasconstituída por carbono e hidrogênio
(hidrocarbonetos) e, em pequenasquantidades, por compostos que apresentam nitrogênio,
enxofre e oxigênio emsua estrutura (WILSON, 1980).Suas funções básicas englobam
qualidades de isolamento e arrefecimento.
Os hidrocarbonetos podem ser divididos em três grupos: parafinas oualcanos, naftenos
ou cicloalcanos e aromáticos (Figura 1). Sendo cada umdestes grupos definidos: Parafinas ou
alcanos: hidrocarbonetos saturados de cadeia abertalinear ou ramificada (Figura 1-A);naftenos
25
ou cicloalcanos: hidrocarbonetos saturados de cadeiafechada contendo um ou mais anéis,
sendo que estes podem possuiruma ou mais cadeias laterais lineares ou ramificadas (Figura 1B);aromáticos: hidrocarbonetos aromáticos contendo um ou mais anéisbenzênicos que podem
ser combinados com anéis alicíclicos, podendoou não apresentar cadeias laterais (Figura 1-C).
Figura1:Ilustração esquemática dos hidrocarbonetos constituintes do OMI: (A) alcanos, (B) naftenos
ou cicloalcanos e (C) aromáticos.
Fonte: Franch, 2010.
O teor relativo destes componentes define a base do óleo mineral como parafínica ou
naftênica, conforme Wilson, (1980), A classificação do OMI é normalmenterealizada segundo
a norma ASTM D 2140 (1991), por meio de medidas deviscosidade, densidade, índice de
refração e pela correlação entre estesresultados em um diagrama ternário (ASTM D 2141,
1991). Alternativamente, aclassificação do OMI em parafínico ou naftênico pode ser realizada
com autilização da técnica de espectroscopia na região do infravermelho, peladeterminação
do seu conteúdo parafínico (CP). Óleos com CP inferiores à 50 %são considerados naftênicos
enquanto que aqueles com CP iguais ou superiores à56 % são classificados como parafínicos.
26
Os óleos com valores de CP entre 50 e56 % são classificados, em geral, como óleos
intermediários (NINÄS, 2004).
Para operarem como isolante devem estar livres de umidade e de contaminantes.Estes
compostos podem ser hidrocarbonetos insaturados, compostos nitrogenados, compostos
contendo enxofre, compostos de alcatrão, hidrocarbonetos policíclicos de cadeia curta e
hidrocarbonetos sólidos, tais como parafinas e ceras minerais.Para utilização destes óleos
como refrigerantes devem possuir baixa viscosidade; baixo ponto de fluidez para facilitar sua
circulação; alto poder dielétrico; alto ponto de fulgor; estar livre de ácidos, álcalis e enxofre
corrosivo; Resistira à oxidação e à formação de borras e não atacar os materiais usados na
construção de transformadores; ter baixa perda dielétrica e não conter produtos que possam
agredir o homem ou o meio ambiente.
O OMI possui compostos orgânicos à base de enxofre que, segundo aliteratura, são
termicamente estáveis e inibidores naturais do processo deoxidação e consequentemente, do
seu envelhecimento térmico. A partir de2004, começaram a surgir no Brasil problemas de
falhas em transformadores devido aoenxofre corrosivo, com maior incidência em reatores.
Até agora, maisde uma dezena de equipamentos de diferentes fabricantes e usuários
jáfalharam no Brasil. ( FRANCH, 2010)
Sendo assim, um resfriamento eficiente é primordial em todos os equipamentos, sendo
os sistemas líquidos normalmente utilizados para este propósito.
2.4. ÓLEO VEGETAL
De acordo com Pena et Al (2013), quimicamente, o óleo vegetal é formado por
moléculas de acilgliceróis, que são originárias da condensação entre ácidos graxos e o glicerol
(triálcool), formando ésteres de ácidos graxos. Assim, estes compostos são classificados em
mono, di ou triacilgliceróis, dependendo se uma duas ou três moléculas de ácido graxo se
associa(m) covalentemente ao glicerol, respectivamente, formando ésteres de ácido graxo. É
importante salientar que os triacilgliceróis podem ser formados por ácidos graxos iguais ou
diferentes entre si, dependendo da origem da matéria prima, saturados ou instaurados.
Os óleos vegetais são substâncias insolúveis em água, formadas predominantemente
por triacilgliceróis. O triacilglicerol é um éster (Figura 2),oriundo da reação de condensação
entre as três hidroxilas do glicerol com ácidosgraxos (MORETTO, FETT, 1998). Trata-se de
uma molécula com uma fraçãopolar (éster) e outra apolar (cadeia hidrocarbônica ou unidades
acila). Ou seja, acomposição química do OVI é diferente da composição química do OMI.
27
Figura2:Representação esquemática de um triacilglicerol, componentemajoritário do OVI.
Fonte:Gomes Jr, 2010.
O Brasil ocupa uma posição privilegiada tanto em termos de biodiversidadequanto em
capacidade de gerar recursos renováveis em grande escala. Este,detentor de uma grande
extensão territorial, é o país de maior biodiversidademundial, rica em oleaginosas, sendo a
soja a primeira colocada na produção deoleaginosas no Brasil.
2.4.1. ÓLEO VEGETAL ISOLANTE (OVI)
Segundo Pinto (2013) em 1990 uma nova classe de fluidos isolantes obtida a partir do
óleo vegetal foi desenvolvida para uso em transformadores, sendo denominados de fluidos
ecologicamente corretos devido principalmente a sua característica biodegradável e
renovável. Além disso, estes fluidos preenchem todos os requisitos de um fluido isolante de
alta temperatura, com a vantagem de serem provenientes de matérias primas
renováveis.Alguns ensaios característicos para OVI não estão contemplados na norma ABNT
NBR 15422 como o ponto de anilina e a tensão interfacial. O ponto de anilina do OVI
depende do tipo de matéria prima utilizada (ABNT NBR 15422).
Os critérios de desempenho da tensão interfacial para o OVI estão sendo avaliados,
portanto, os requisitos ainda não foram estabelecidos. A tensão interfacial do óleo vegetal
novo, tipicamente na faixa de 26 mN/m a 30 mN/m, é mais baixa que a do OMI novo, cerca
de 40 mN/m (ABNT NBR 15422).
Os critérios de desempenho da estabilidade à oxidação podem diferir para
equipamentos com sistemas selados, conservadores ou sistemas abertos, principalmente pela
tendência a oxidação dos óleos vegetais em presença de oxigênio (ABNT NBR 15422). O
OVI ideal deve apresentar as seguintes características:
28
Fator de Perdas Dielétricas:Um baixo fator de perdas dielétricas indica baixo nível de
contaminantes solúveis. Os óleos vegetais isolantes têm, normalmente, fatores de perdas
dielétricas mais altas do que os óleos minerais isolantes, especialmente em elevadas
temperaturas.
Teor de água:Necessário um baixo teor de água para o OVI apresentar características
adequadas de rigidez dielétrica e baixa perda dielétrica, de modo a aumentar a vida do sistema
isolante e minimizar a corrosão metálica. A quantidade de água exigida para saturar o OVI à
temperatura ambiente é aproximadamente 20 vezes a do OMI.
Índice de neutralização: Necessário um baixo teor de acidez total do fluido isolante à
base de óleo vegetal para minimizar a condução elétrica e corrosão metálica e aumentar a vida
do sistema isolante. Os índices de neutralização típicos dos fluidos isolantes à base de óleo
vegetal são normalmente mais altos do que os do OMI. Óleos vegetais isolantes tendem a
formar longas cadeias de ácidos graxos enquanto que o óleo mineral tende a formar ácidos
orgânicos de cadeia curta.
Ponto de fluidez: Índice da temperatura mais baixa na qual o material pode ser
esfriado sem limitar seriamente seu grau de circulação no equipamento. Alguns fluidos à base
de óleo vegetal são sensíveis aoarmazenamento prolongado em baixas temperaturas e seus
pontos de fluidez podem não prognosticar adequadamente suas propriedades de escoamento
em baixas temperaturas.
2.4.2. OBTENÇÃO E COMPOSIÇÃO
Óleos vegetais são produtos naturais,
provenientes de fontes renováveis, estes
diferentemente do combustível fóssil, o gás carbônico (CO2) liberado na sua combustão e/ou
degradação por agentes biológicos, é reciclado por absorção durante o próprio crescimento
das oleaginosas (fotossíntese). Assim, a produção do óleo vegetal está inserida em um
processo cíclico que auxilia na redução do efeito estufa, pois há um certo equilíbrio entre a
massa de carbono fixada e aquela liberada ou dispersa na atmosfera (IAECY, 2009).
Devido a sua natureza química, os ésteres naturais apresentam grande afinidade com a
água. Esta propriedade contribui para o aumento da vida útil do isolamento sólido. Os
resultados de estudos de envelhecimento mostram que o papel isolante tem sua vida estendida
na presença de óleos de base vegetal em comparação aos transformadores isolados com óleo
mineral (CLAIBORNE e CHERRY, 2006).
29
Segundo RAPP e colaboradores a água no óleo vegetal é consumida no processo de
hidrólise do triacilglicerol gerando ácidos graxos livres de cadeia longa (RAPP et al, 2001;
RAPP et al, 2002 e RAPP et al, 2005). Este mecanismo de hidrólise favorece o deslocamento
de mais moléculas de água do papel para o fluido isolante para manter o equilíbrio químico,
ou seja, este deslocamento promove, de uma forma indireta, a secagem do papel Kraft
isolante.
Adicionalmente, a literatura reporta que os compostos ácidos livres de cadeia longa
formados a partir da hidrólise do triacilglicerol reagem com as hidroxilas da celulose via
reação de esterificação, impedindo a degradação da celulose por estes sítios ativos (RAPP et
al, 2005), ou seja, evitando sua degradação precoce.
Estes trabalhos mostram os benefícios que o óleo vegetal pode trazer para o papel
Kraft isolante quanto à extensão da sua vida útil. Resultados chamam a atenção para o OVI
que, nestas condições, é sacrificado precocemente em função do processo de hidrólise
(WILHELM et al, 2006).
Não há dados disponibilizados pelos fabricantes destes fluidos quanto à vida útil do
óleo vegetal comparativamente ao OMI, tão pouco quanto a frequência de processo de troca
ou ao processo de regeneração do fluido degradado. Por ser isento de compostos de enxofre,
não existem riscos de falhas de equipamentos elétricos isolados a óleo vegetal devido ao
enxofre corrosivo, fato ocorrido recentemente em equipamentos isolados com OMI contendo
DBDS.
Os fluidos de ésteres naturais apresentam excelente desempenho dielétrico. A rigidez
dielétrica é da mesma magnitude que a do OMI, do silicone e de fluidos de hidrocarboneto
desenvolvidos para aplicações em altas temperaturas. No entanto, a água não afeta
significativamente a rigidez dielétrica do OVI, diferentemente do OMI (CLAIBORNE e
CHERRY, 2006).
2.4.3. NORMATIZAÇÃONOBRASIL
Em novembro de 2006 foi publicada a norma ABNT NBR 15422 que trata da
“Especificação de óleo vegetal isolante novo”. Esta norma foi elaborada com base no estudo
realizado pela força tarefa FT-02 do grupo GT D1.01 do CIGRÉ, responsável pela definição
dos ensaios de aceitação deste novo fluido e na norma ASTM D6871-03. Os óleos vegetais
30
isolantes novos quando ensaiados segundo os métodos indicados na norma ABNT NBR
15422, devem apresentar características com valores limites especificados.
2.4.4. ÓLEO VEGETAL DE ANDIROBA (Carapa Guianensis)
Classificação científica
- Reino: Plantae
- Divisão: Magnoliophyta
- Classe: Magnoliopsida
- Ordem: Sapindales
- Família: Meliaceae
- Género: Carapa
- Espécie: Carapa guianensis
- Nome binomial: Carapa guianensis
A Carapa guianensis e a Carapa procera (há pequenas diferenças entre as duas
espécies), são ambas usadas medicinalmente. Andiroba (Carapa guianensis), também
conhecida como andirova, andiroba-suruba, angirova, carapa e purga-de-santo-inácio, é uma
árvore da família Meliaceae. O nome deriva de ãdi'roba, termo tupi que significa "óleo
amargo", numa referência ao óleo extraído das sementes da planta. É reconhecida
oficialmente pelo Ministério da Saúde do Brasil como possuidora de propriedades
fitoterápicas. (mesma do cedro, canjerana, mogno e cinamomo).
Apresenta-se como árvore de grande porte, que chega a atingir 30 metros de altura. O
fuste (parte que vai do solo aos primeiros galhos) é cilíndrico e reto. A casca é grossa, tem
sabor amargo e desprende-se facilmente em grandes placas, possuindo aplicação na
marcenaria, na carpintaria e na medicina popular. Copa de tamanho médio e bastante ramosa.
A inflorescência é uma panícula (espécie de cacho). As flores são pequenas, de cor amarela,
creme ou vermelha.
O fruto é uma cápsula que se abre quando cai no chão, liberando de quatro a seis
sementes. A Figura 3 ilustra que floresce de agosto a outubro na Amazônia e frutifica de
janeiro a maio. Porém, há muitas variações dependendo da região. O óleo, conhecido como
"azeite-de-andiroba", é extraído das suas sementes e utilizado para a produção de: repelente
de insetos, antissépticos, cicatrizantes e anti-inflamatório.
31
Figura3:Sementes de Andiroba (Carapa Guianensis).
Fonte:Instituto Nacional de Pesquisa da Amazônia, 1998.
É muito utilizada pelas populações da Região Norte do Brasil. Utiliza-se também em
animais que apresentam ferimentos. É aplicado o óleo de andiroba sobre as partes feridas e
expostas, evitando a contaminação e aproximação de insetos nocivos.
É originária da América Central, América do Sul, Caribe e África tropical. No Brasil,
ocorre em toda a Bacia Amazônica, principalmente em regiões de várzeas e áreas alagáveis ao
longo dos igapós. Também é encontrada desde o Pará até a Paraíba.
Em condições naturais, as sementes perdem o poder de germinação rapidamente. Para
manter a viabilidade, a melhor forma de armazenamento é em câmara seca ou úmida,
acondicionadas em sacos plásticos. As sementes são plantadas sem nenhum tratamento em
recipientes individuais, contendo substrato rico em matéria orgânica e em ambiente semisombreado. A germinação acontece entre 25 e 35 dias depois da semeadura. Em seis ou sete
meses, as mudas estão prontas para ir ao campo, onde o desenvolvimento é rápido. Entretanto,
tal qual as outras meliáceas brasileiras, o seu fuste é constantemente atacado pela larva da
lagarta Hypsipilla grandella, a exemplo do que ocorre nos plantios de Cedros e Mognos, o que
atrapalha o plantio comercial da espécie.
O óleo contido na amêndoa da andiroba é amarelo-claro e extremamente amargo.
Quando submetido a temperatura inferior a 25°C, solidifica-se, ficando com consistência
parecida com a da vaselina. Contém substâncias como a oleína, a palmitina e a glicerina.
Possui propriedades anti-sépticas, anti-inflamatórias, cicatrizantes e inseticidas.
Popularmente, o óleo é utilizado para contusões, inchaços, reumatismos e
cicatrizações, esfregando-se sobre o local machucado. Como repelente, há quem passe o óleo
sobre a pele e quem queime o bagaço. A vela que está no mercado é feita com o bagaço. Deve
32
ser acesa de manhã e à tarde, na hora em que os mosquitos começam a atacar. Na indústria
cosmética, usa-se o óleo em sabonetes, xampus e cremes. O óleo é tido como remédio para
calvície. Também funciona bem como solvente natural. Usa-se também como reconstituinte
celular da derme, eliminando inflamações e dores superficiais, tem ação purgativa na
eliminação de vermes.
Principalmente por não ser uma planta muito forte, as chuvas fortes e derrubadas estão
pondo em risco a sua sobrevivência. Justamente pelo fato de ser uma planta medicinal, seu
risco de extinção preocupa. Faz parte do módulo da vitrine de técnicas da Empresa Brasileira
de Pesquisa Agropecuária - Floresta, num sistema agroflorestal multiestrato.
2.5. PROCESSO DE REFINO DO ÓLEO BRUTO
2.5.1. PROCESSO TRADICIONAL
O processo tradicional de extração do óleo de andiroba pode ser dividido em três
etapas: Coleta e seleção das sementes; preparo da massa e extração do óleo.
Ao coletar as sementes abaixo das árvores, realizaram uma primeira seleção e
consideraram inadequadas: sementes brocadas (provavelmente infestadas pela Hypsipyla),
ruídas por mamíferos, dessecadas e com cor da casca muito escura. Sementes germinadas com
até dois centímetros de raiz foram consideradas adequadas pela metade das entrevistadas.
Em seguida, as sementes adequadas são armazenadas por um período de três a 15 dias,
geralmente no assoalho das casas, sobre ou dentro de sacos de estopa.
O segundo passo da extração do óleo de andiroba foi chamado: preparo da “massa do
pão”. Essa atividade inicia-se com o cozimento das sementes, geralmente, em latas de
alumínio de 18 litros (reutilização de latas de tintas) ou panelas de alumínio, em fogo a lenha
por tempo que varia de uma a três horas. O ponto ideal do cozimento das sementes é
verificado, na maioria dos casos, com a quebra da casca de uma semente e pela percepção que
a amêndoa está mole ao apertá-la.
Em seguida, as sementes são colocadas para esfriar em ambiente arejado e
armazenadas novamente em local seco, na maioria dos casos, no assoalho das casas sobre ou
dentro de sacos de estopa por um período de sete a 20 dias no máximo. Este segundo
armazenamento é geralmente, chamado de repouso.
Apesar da variação do período do repouso, a maioria dos processos indica que o
tempo ideal é de 15 dias, pois acreditam que após esse período as sementes estão no ponto
ideal para fazer a massa. Conforme os relatos apareceram normalmente fungos nas cascas das
33
sementes em repouso. No geral, o final do repouso foi verificado, quebrando a casca da
semente e, ao apertar a amêndoa, perceber a liberação do óleo.
Após o repouso, as cascas das sementes são quebradas por meio de um pedaço de pau
ou as mesmas cortadas com faca para a retirada da amêndoa. As amêndoas com cor muito
escura são consideradas inadequadas para extração do óleo. As amêndoas adequadas são
amassadas com as mãos formando a massa para extração do óleo.
O processo tradicional de coleta e extração do óleo de andiroba é complicado. O
isolamento geográfico das comunidades faz com que a divisão técnica e social do trabalho
seja, no geral, reduzida a uma família que domina todo o processo até o produto final. O
conhecimento deste processo foi sempre transmitido pela oralidade, pelos mais velhos.
Porém, as mudanças sociais combinadas à praticidade e eficiência de outros métodos
de extração do óleo, como a prensa, têm contribuído para a perda do conhecimento do
processo tradicional de extração do óleo em algumas comunidades. Entretanto, deve-se
ressaltar que ainda há pessoas que realizam a extração tradicional, principalmente em
localidades isoladas, sem eletricidade e com escassez de bens e serviços (HOMMA, 2002;
FERRAZ; MENDONÇA, 2007).
Segundo Boufreuer (2001) as sementes de andiroba coletadas na floresta têm que ser
transportadas no máximo dois dias, pois é propício fungos atacarem as sementes, onde essas
são transportadas em recipientes limpos e arejados. Logo após a chegada da semente no local
onde será feito a extração, ela vai passar por uma seleção e depois uma lavagem para tirar
impurezas. O cozimento é o próximo passo, na qual é cozinhada em água limpa até ficar
mole. Após o cozimento, deixar esfriar as sementes e escorrer o excesso de água, por um
período de 24 horas. Podem ser utilizados sacos abertos de fibra natural ou paneiros, quando
se tratar de pequena quantidade de sementes, ou estrados de madeira com uma camada de até
três sementes sobrepostas.
A semente depois de seca passa pelo corte e retirada de sua polpa, depois é
pressionada até se transformar em uma massa. Em seguida essa é moldada e colocada em
recipientes inerte para que o óleo comece a sair. A massa é colocada em bicas para que o óleo
escorra facilmente, essas podem ficar expostas ao sol ou na sombra. Expostas ao sol, o óleo
escorre com mais facilidade, porém, relatos indicam que há maior probabilidade da massa
endurecer (criar sebo), enquanto na extração à sombra o óleo escorre mais lentamente, mas
não corre o risco de endurecer. Ambos os processos precisam de manejo periódico da massa,
visando acelerar e potencializar a saída do óleo. É preciso trabalhar (mexer, sovar, amassar) a
34
massa pelo menos uma vez ao dia ou quando diminuir a saída do óleo. E por ultimo é
embalada em recipientes para serem consumidas.
As indústrias extraem o óleo quebrando primeiro as sementes secas em pedaços
pequenos que posteriormente são aquecidos, prensados, filtrados (onde são retiradas as
partículas que com o óleo durante a prensagem), acondicionados em embalagens apropriadas,
e finalmente distribuídos. Com um rendimento que varia de 10 a 14 litros para 40 kg de
semente. As comunidades acabam tendo um rendimento menor porque extraem o óleo sem a
prensa comum a produção que pode variar de 1 a 6 litros por 40 kg de semente.
2.5.2. PROCESSO QUÍMICO DE REFINO
O processo de Refinação Química é recomendado para óleos e gorduras com baixo
teor de acidez (FFA) e consiste de quatro etapas principais:
a) Degomagem
b) Neutralização
c) Branqueamento
d) Desodorização
Desta forma, conceitua-se da seguinte forma cada uma destas etapas:
Degomagem - É a primeira etapa do refino, e consiste da retirada de fosfatídeos,
proteínas e outras substâncias coloidais. Neste processo, adiciona-se água ao óleo bruto, que
sofre leve aquecimento (aproximadamente 70ºC) de 20 a 30 minutos. Aqui, ocorre a
hidratação do material coloidal, levando a formação de emulsões. A mistura obtida é
centrifugada para a separação da fase aquosa. O óleo obtido após esta etapa é chamado de
óleo degomado. A remoção de gomas e sabão residual após a neutralização é realizada através
de lavagem com água ou por utilização de sílica de adsorção na etapa de branqueamento.
Neutralização - É a segunda etapa, onde o óleo degomado é encaminhado para a etapa
de neutralização onde é adicionada ao óleo uma solução aquosa de NaOH 5 %, que reage com
os ácidos graxos livres para formar sabões. Em seguida, a mistura passa por um processo de
centrifugação, que separa os sabões formados (borra) do óleo. A borra obtida é utilizada para
produção de sabões de baixa qualidade ou para a produção de ácidos graxos após a sua
acidificação com ácidos minerais fortes, como o ácido sulfúrico. O óleo resultante desta etapa
é chamado de óleo neutralizado.
35
Desodorização - É a etapa seguinte e, onde ocorre a remoção de substâncias que
causam o mau cheiro do óleo bruto, como aldeídos, cetonas, ácidos graxos oxidados e,
principalmente, o carotenoide chamado tocoferol (vitamina E).
Neste processo, conhecido como arraste a vapor, o óleo passa em contracorrente com vapor
de água. Durante este contato, o vapor retira as substâncias que conferem odor ao óleo. O óleo
desodorizado deve passar por uma etapa de secagem antes de ser submetido ao processo de
clarificação. Para tal, o óleo permanece durante 30 min. aquecido e sob baixa pressão (vácuo).
Em seguida, a este óleo seco é adicionada a terra clarificante, deixando-se a mistura durante
20 a 30 min sob agitação, quando é então filtrada em um filtro-prensa.
Clarificação - Última é a etapa do processo de refino. Nesta etapa são removidos os
corantes que conferem cor ao óleo através da adsorção destes na superfície de uma mistura de
carvão ativado e de argilas naturais conhecidas como terra clarificante. Pequenas quantidades
de água remanescentes das etapas posteriores podem interferir no processo de branqueamento,
pois podem “bloquear” a superfície da terra de clareamento e reduzir sua eficiência.
Figura4:Refino Químico de Óleo Vegetal.
Fonte: Tulio,2011
2.6. ENSAIOS FÍSICOS - QUÍMICOS DOS ÓLEOS VEGETAIS ISOLANTES
Os óleos vegetais isolantes sãodevidamente caracterizados de acordo com os ensaios
descritos na norma ABNT NBR 15422.
36
- Densidade a 20/4 °C: APaar, DMA 48.
- Ponto de Fluidez: Marconi, modelo MAE 184.
- Ponto de Fulgor e de Combustão: Solotest, Cleveland.
- Ponto de Névoa: Marconi, modelo MAE 184.
- Viscosidade Cinemática a 40 °C: Banho Precilabo Haake DL30 e
- Coluna Schott Geräte.
- Índice de Neutralização: Potenciógrafo Metrohm 730 e 716 DMS
- Titrino.
- Cor: Fisher, 13-449.
- Teor de Bifenilas Policloradas (PCB): Finningan 9001, com detector
- ECD e coluna do tipo OV-5.
- Teor de água: Baur, KFM 1000.
- Rigidez dielétrica: Baur, DTA.
- Fator de perdas dielétricas: TETTEX AG INSTRUMENTS 2822HS.
- Tensão interfacial: KRÜSS K10ST.
37
CAPÍTULO III
3. PROCEDIMENTOS METODOLOGICOS
Neste capítulo estão descritos os procedimentos metodológicos, equipamentos e
técnicas abordadas para realização desta pesquisa, abrangendo a caracterização dos fluidos
vegetais utilizados.
3.1. CARACTERIZAÇÃO DA PESQUISA
No que se refere à pesquisa científica, Yin (2005) afirma existirem as abordagens de
experimento, levantamento, analise de arquivos, pesquisa histórica e participante ou estudo de
caso, como instrumento para a condução da mesma.
O método científico caracteriza-se pela escolha de procedimentos sistemáticos para
descrição e explicação de uma determinada situação sob estudo e sua escolha deve estar
baseada em dois critérios básicos: a natureza do objetivo ao qual se aplica e o objetivo que se
tem em vista no estudo (FACHIN, 2001). Dentro do método científico pode-se optar por
abordagens quantitativas ou qualitativas, embora hajam autores que discordem desta
distinção. A abordagem quantitativa preocupa-se com quantificação de dados, utilizando para
isto recursos e técnicas estatísticas; é muito utilizada em pesquisas descritivas onde se procura
descobrir e classificar a relação entre variáveis ou em pesquisas conclusivas, onde se buscam
relações de causalidade entre eventos (OLIVEIRA, 1999).
A estratégia da pesquisa dependerá do tipo da questão da pesquisa; do grau de
controle que o investigador tem sobre os eventos investigados; do foco temporal, onde
comportamentos contemporâneos são comparados a acontecimentos históricos. De acordo
com Gil (2002), para se atingir os objetivos pretendidos com a investigação são necessários
alguns passos: formulação do problema; definição das hipóteses; definição do tipo da
pesquisa; coleta de dados; analise dos resultados; revisão final e redação.
38
3.2. NATUREZA DA PESQUISA
Para Cervo & Bervian (1983) As pesquisas descritivas caracterizam-se
frequentemente como estudos que procuram determinar status, opiniões ou projeções futuras
nas respostas obtidas. A sua valorização está baseada na premissa que os problemas podem
ser resolvidos e as práticas podem ser melhoradas através de descrição e análise de
observações objetivas e diretas. As técnicas utilizadas para a obtenção de informações são
bastante diversas, destacando-se os questionários, as entrevistas e as observações.
Richardson et al. (1989), apontam que de um modo geral, se pode classificar a
pesquisa em dois grandes métodos; o quantitativo e o qualitativo. A principal diferença destes
métodos radica na forma de abordar o problema de pesquisa, dizem eles. A escolha do método
precisa ser apropriada ao tipo de estudo que se deseja realizar, onde a natureza do problema e
o nível de aprofundamento desejado são fatores determinantes na escolha do método.
De acordo com Gil (2002) a pesquisa pode ser classificada quanto a sua natureza como
aplicada quando objetiva gerar conhecimentos para aplicação prática dirigida à solução de
problemas específicos que envolvem verdades e interesses locais.
3.3. DELINEAMENTO DA PESQUISA
Delineamento da pesquisa refere-se ao planejamento da pesquisa em sua dimensão
mais ampla, de acordo com Gil (2002). O delineamento da pesquisa nos indica como os dados
serão coletados, analisados e interpretados. Através dele são estabelecidos os relacionamentos
entre às questões iniciais de pesquisa, os dados coletados e as respectivas conclusões finais do
estudo.
O presente estudo pretende utilizar como técnica de pesquisa o estudo de caso
simples, tendo como unidade de análise uma única organização para verificar a aplicação do
óleo vegetal de andiroba como um fluido isolante dielétrico. O estudo de caso é uma técnica
de pesquisa particularmente apropriada quando se deseja estudar situações complexas nas
quais resulta praticamente impossível separar as variáveis do fenômeno do seu contexto (YIN,
2005). O estudo de caso resulta conveniente quando a pesquisa tem interesse na evolução do
processo do fenômeno em estudo (MERRIAM, 1998).
Deve-se ressaltar, entretanto, que estudos de caso único devem ser feitos com
cuidado, principalmente no tocante às generalizações que são feitas a partir dos mesmos; além
disto, pode-se verificar ao longo do estudo que o caso estudado não se constituía na situação
39
que se pensava estudar, podendo assim não ter adesão à teoria inicialmente proposta (YIN,
2001), quando se pretende reunir, numa interpretação unificada, inúmeros aspectos de um
objeto pesquisado (MATTAR, 1996).
De acordo com Thomas & Nelson (1996) Estudo de caso é o tipo de pesquisa no qual
um caso (fenômeno ou situação) individual é estudado em profundidade para obter uma
compreensão ampliada sobre outros casos (fenômenos ou situações) similares. Os estudos de
caso descritivos procuram apenas apresentar um quadro detalhado de um fenômeno para
facilitar a sua compreensão, pois não há a tentativa de testar ou construir modelos teóricos. Na
verdade, esses estudos constituem um passo inicial ou uma base de dados para pesquisas
comparativas subsequentes e construção de teorias. A seguir são abordadas algumas
considerações relevantes referidas ao estudo de caso.
3.4. MATERIAIS
Esta pesquisa teve como primeira etapa a coleta do óleo vegetal da andiroba (Carapa
guianensis) cedido pelo Instituto Nacional de Pesquisa da Amazônia (INPA) e cooperativo
extrativistas da região denominando-o de OV-A.
Posteriormente foi feita coleta de óleos isolantes comerciais de origem vegetal:
BIOTEMP, ENVIROTEMP FR3 que neste estudo foram denominados respectivamente por
OVI-1, OVI-2 sendo adquiridos das empresas distribuidoras, e utilizados da forma como
foram recebidos, o óleo mineral regenerado foi fornecido pela Indústria de transformadores da
Amazônia (ITAM) situada no Polo Industrial de Manaus (PIM), nomeado neste estudo como
OMI-1. A segunda etapa desta pesquisa foi a caracterização físico-química e dielétricas para
cada espécie de óleo avaliado, para tanto foram utilizados os seguintes materiais:
- Balão volumétrico de 2000 mL.
- Béqueres de 500 mL, 2000mL e 1000mL.
- Bastões de vidro.
- Termômetro.
- Balança analítica Adventurer Ohaus, com precisão de 0,001 g, modelo AR 3130.
- Ensaiador de perdas dielétricas Baur Oil Tester, modelo DTL.
- Erlenmeyer de 500mL e 1000mL.
- Estufa Marconi, MA 035.
40
- Ponte para medição de Fator de potência – EXT0687/12, modelo OTS 100 AF/2,
Baur Oil Terster.
- Rancimat, modelo 743.
- Water Content Measuring Test Equipment Aquameter KFM 3000 fabricado pela
Baur.
- Ponto de Fulgor Manual Cleveland NCL 120.
- Cromatógrafo SHIMADSU GC-2010 Plus.
3.5. METODOS E TECNICAS UTILIZADAS
3.5.1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA
Os óleos vegetais e o óleo mineral foram ensaiados em laboratório, por analise físicoquímica e dielétrica de acordo com NBR 15422.
A determinação da densidade dos óleos foi realizada a 20ºC através do método da picnômetria
que consiste em um pequeno frasco de vidro construído cuidadosamente de forma que o
volume do fluido que contenha seja invariável denominada picnômetro. Ele possui uma
abertura suficientemente larga e tampa muito bem esmerilhada perfurada na forma de um fino
tubo longitudinal. A densidade relativa do líquido em questão é obtida a partir da Equação 1.
ρ OV-A,H2O= mOV-A/mH2OEq. (1)
Onde:
ρ OV-A,H2O - densidade relativa do OV-A
mOV-A = m2 - m1 – valor da massa do líquido em questão (OV-A) que ocupa o volume V do
picnômetro.
mH2O = m3 – m1 – valor da massa da água pura que ocupam o mesmo volume V.
m1 – valor da massa do picnômetro vazio.
m2 – valor da massa do picnômetro cheio com o líquido (OV-A).
m3 – valor da massa do picnômetro cheio de água destilada.
41
A viscosidade cinemática dos óleos expressa em cSt mede a resistência ao escoamento de um
óleo, foi determinada com o uso do viscosímetro capilar Cannon-Fenske imerso em banho,
com temperatura controlada. O ensaio de viscosidade foi realizado nas três temperaturas
recomendadas pela NBR 15422 ABNT: 20, 40 e 100ºC em triplicata.
De acordo esta norma, a medida da viscosidade cinemática é obtida fazendo-se escoar,
sobgravidade, uma quantidade controlada da amostra através do viscosímetro com tubo
capilar de vidro, sob temperatura previamente fixada e mantida sob controle. O tempo
necessário ao escoamento é posteriormente corrigido conforme o fator de correção do tubo. A
viscosidade das amostras foi obtida usando a Equação 2.
V=K . t
Eq. (2)
Sendo,
V – viscosidade cinemática (cSt);
K – constante capilar do viscosímetro (mm2. s2);
t – tempo (s).
A acidez dos óleos foi determinada por meio da metodologia que utiliza solução de hidróxido
de sódio como titulante. Pesou-se 2g da amostra de óleo vegetal em um Erlenmeyer e foram
adicionados 25mℓ de solução de éter – álcool (2:1) previamente neutralizado com uma
solução de hidróxido de sódio 0,1mol/ℓ. Após adicionar duas gotas de indicador
(fenolftaleína), titulou-se com solução de KOH 0,1mol/ℓ, previamente padronizada com
solução de H2SO4 0,1mol/ℓ, até atingir a coloração rósea persistente por 30s. O cálculo do
índice de acidez foi realizado de acordo com a Equação3.
Índice de Acidez = a.f.M.e/PEq. (3)
Onde,
a – volume em mℓ da solução de hidróxido de sódio usado na titulação
f – fator de correção da solução de hidróxido de sódio (determinado por padronização da
solução)
P – massa em gramas de óleo usada
e – equivalente grama do hidróxido de potássio
M – concentração molar da solução titulante.
42
O teor de água, expresso em ppm (mg/Kg), e a medida direta da quantidade de água presente
nas amostras, foi verificado pelo método Karl Fischer, usando-se o Titulador Water Content
Measuring Test Equipment Aquameter KFM 3000 fabricado pela Baur e de acordo com os
critérios recomendados pela NBR 10710 ABNT.
O método consiste na titulação de uma amostra diluída em metanol, com o reagente
Karl Fischer, que é uma solução contendo iodo, dióxido de enxofre e amina. Com a presença
de água, tanto o iodo como o dióxido de enxofre são consumidos rapidamente, que pode ser
detectado visualmente pela mudança de cor provocada pelo iodo.
A metodologia utilizada foi à determinação do ponto de fulgor por vaso aberto, as amostras
foram submetidas a aquecimento e em intervalos determinados uma fonte de ignição foi
colocada sob a superfície líquida afim de se obter o “lampejo”, que é a queima dos vapores do
líquido, a temperatura foi monitorada com um termômetro afim de se obter temperatura de
fulgor.
3.5.2. CARACTERIZAÇÃO DIELÉTRICA
O fator de perdas dielétricas potenciais expressas em % são as medidas das perdas de um
líquido isolante quando este e submetido um campo elétrico alternado foram medido em
temperaturas de 25°C e 100°C por ponte para medição de Fator de potência – EXT0687/12 de
acordo om a norma NBR 12133ABNT.
O ensaio consiste em colocar em um capacitor o líquido dielétrico (OVI), ao qual é
aplicada uma tensão senoidal “U”. Se o dielétrico fosse perfeito, resultaria uma corrente
alternada senoidal “I” defasada de 90º da tensão “U” Porém, como os líquidos isolantes não
são ideais, com a aplicação da tensão alternada senoidal “U”, resulta uma corrente alternada
senoidal “I” defasada de um ângulo menor que 90º da tensão “U”.
A rigidez dielétrica, expressa em kV, mede a capacidade de um líquido isolante resistir ao
impacto elétrico sem falhar. É a máxima tensão que se pode aplicar, sem descargas
desruptivas entre eletrodos de dimensões e distância de separação especificada, que se
encontram submerso o óleo. A rigidez dielétrica foi determinada pelo método de disco através
do Sistema Automático para a Medida do Fator de Dissipação e Resistividade DTL, fabricado
pela Baur, utilizando a norma NBR 12133 ABNT como referência para o ensaio.
43
3.5.3. DETERMINAÇÃO
ELETROANALITICA
DA
ESTABILIDADE
OXIDATIVA DO ÓLEO DE ANDIROBA
O método utilizado consistiu no carreamento dos ácidos voláteis, produzidosno
decorrer do aquecimento do OVI sob fluxo de ar ambiente, esta técnica é baseada no
monitoramento da condutividade de uma amostra de óleo aquecida em um banho
termostatizado. O equipamento utilizado foi o Rancimat, modelo 743,gentilmente cedido pela
empresa ITAM. Os ensaios foram realizadosseguindo a metodologia descrita na norma AOCS
Cd 12b-92 e EN 14112. Para tanto,aproximadamente 3,0 g de óleo vegetal isolante foram
inseridos em frascosapropriados os quais foram aquecidos no aparelho, nas temperaturas de
110, 120 e 130 °C.
A análise foi conduzida na presença de ar atmosférico seco, a uma vazão de 10 ℓ/h, em
célula de medição abastecida por água destilada. Durante o ensaio, gráficos de condutividade
em função do tempo deenvelhecimento foram registrados automaticamente pelo software que
acompanha
o
equipamento.
Ao
final
do
ensaio,
o
período
de
indução
foi
calculadoautomaticamente pelo software que acompanha o equipamento, de acordo com o
esquema da figura 5.
Figura 5: Esquema do ensaio de estabilidade à oxidação pelo equipamento Rancimat®.
Fonte: Tulio, 2007
3.5.4. COMPATIBILIDADE
DO
FLUIDO
VEGETAL
COM
MATERIAIS
INTERNOS DO TRANSFORMADOR
A verificação da corrosividade do óleo por presença de compostos de enxofre foi
realizada pela imersão de fitas de cobre previamente tratadas com acetona e n-heptano em
44
250mℓ de óleo. Em seguida foi insuflado nitrogênio por 10min afimde eliminar traços de
oxigênio dissolvido nas amostras. Os frascos contendo óleo e fitas foram fechados e levados à
estufa com temperatura constante 150°C, por 48h, conforme procedimento descrito na NBR
10505 ABNT. Após o tempo de teste, realizou-se a avaliação da cor das fitas de cobre
classificando-se como: corrosivo ou não corrosivo, de acordo com a escala apresentada na
norma mencionada. O experimento foi realizado em triplicata.
3.5.5. ANALISE CROMATOGRÁFICA DE GASES DISSOLVIDOS (DGA)
Para detecção dos gases dissolvidos foi utilizado cromatografia gasosa, de acordo com
a norma NBR ABNT 7070 ABNT. Esta técnica consiste na análise físico-química por
separação de compostos químicos. Inicialmente foram retiradas alíquotas de 15mℓ dos
respectivos óleos em tubos de ensaio de 20mL e submetidos à agitação magnética em câmara
a vácuo.
O analito gasoso formado após agitação foi injetado direto no cromatografo na entrada
de um tubo estreito conhecido como coluna, em seguida foi injetado um gás inerte
denominado carreador que movimenta as moléculas do analito através da coluna.A taxa com
que as moléculas progridem ao longo da coluna depende da forca de adsorção que, por sua
vez depende do tipo de material da fase estacionário, dessa forma os vários componentes do
analito são separados conforme progridem ao longo da coluna.
Quando cada gás chega à extremidade final um detector determina a quantidade e o
tipo de gás presente na amostra. As unidades fundamentais de um sistema cromatográfico
estão apresentadas na Figura 6.
Figura 6: Desenho esquemático do cromatografo
Fonte:WILHELM et al, 2006.
45
Na impossibilidade de obter o histórico dos gases dissolvidos no óleo isolante de um
transformador, se estabelece um critério para classificação das condições de uso do
equipamento, de acordo com o método de análises do guia IEEEC57.104.
Neste critério a concentração gasosa considera apenas quatro condições, Condição 1:
Operação Normal, Condição 2: Possível falha no Equipamento, Condição 3: Elevado índice
de decomposição, Condição 4: Excessiva degeneração, poderá resultar em desligamento
(IEEE,2008), como mostra a Tabela 1.
Tabela 1. Avaliação de riscos em Transformadores envolvendo as concentrações de gases dissolvidos, expressas
em ppm
Mon.
Diox.
Carbono
Carbono
C2H6
CO
CO2
Total
50
65
350
2500
720
2-9
51-100
66-100
351 - 570
2500 - 4000
721-1920
401 – 1000
10-35
101-200
101-150
571-1400
4001-10000
1921-4630
>1000
>35
>200
>150
>1400
>10000
>4630
Hidrogênio
Metano
Acetileno
Etileno
Etano
H2
CH4
C2H2
C2H4
Condição 1
100
120
1
Condição 2
101-700
121-400
Condição 3
701-1800
Condição 4
>1800
Condições
TGCD
Fonte: IEEE, 2008
46
CAPÍTULO IV
4. VIABILIDADE ECONÔMICA DOS ÓLEOS VEGETAIS
Neste capítulo será avaliada a viabilidade econômica, explorando as vantagens da
utilização dessa fonte alternativa frente os fluidos isolantes disponíveis.
4.1. ASPECTOS ECONÔMICOS
Em 2005, o custo do OVI estava cerca de duas a três vezes o do óleo mineral (valores
bases em abril/05: R$ 9,00/litro). Em fevereiro de 2007, o preço era de R$ 7,50/litro.
Acredita-se que com sua difusão, utilização e concorrência, o preço deste fluido venha ser
mais competitivo em relação ao do óleo mineral (MCSHANE, 2006).
Historicamente, os transformadores isolados com óleos vegetais entraram em operação
a partir dos anos 90. Como primeiro experimento, foi lançado um produto comercial no
mercado denominado Biotemp®, cuja patente foi requerida nos Estados Unidos da América,
em setembro de 1999, pela empresa ABB sendo o produto desenvolvido em seu laboratório
de transformadores. O óleo vegetal usado foi o óleo de girassol obtido a partir de sementes
geneticamente selecionadas ou manipuladas, contendo um teor de ácido oléico superior a 80
% (OOMMEN, 2002).
Posteriormente, duas patentes americanas surgiram referentes ao desenvolvimento de
fluidos isolantes obtidos a partir do óleo de soja. A primeira no final de setembro de 1999
para a empresa Waverly Light & Power e a outra, em março de 2000, para a Cooper
Industries, tendo o nome fantasia de Envirotemp® FR3™.
No tocante aos transformadores, a utilização de óleos vegetais isolantes iniciou com a
substituição do óleo mineral pelo vegetal (retrofilling ou reenchimento) em transformadores
em operação. O primeiro teste, sob este enfoque, foi realizado em dois transformadores de
225 kVA, tipo pad–mounted, alimentando fornos, instalados no início de 1970, sujeitos a um
carregamento contínuo com 80 % da corrente nominal.
Após este processo, dois outros diferentes procedimentos de reenchimento foram
utilizados, o método do mínimo e do máximo esforço. No método do mínimo esforço, o óleo
47
mineral foi simplesmente drenado do transformador e o equipamento imediatamente
reenchido com óleo vegetal. No método de maior esforço, após drenagem do óleo mineral o
equipamento permaneceu em repouso por um determinado período de tempo, para favorecer a
decantação do óleo residual, seguido da circulação do éster natural pré-aquecido e de um
segundo período de decantação. Após drenagem do óleo vegetal residual por meio de uma
bomba de vácuo, o equipamento foi finalmente enchido com este fluido.
Através destas análises, o óleo vegetal ganhou relevância econômica, pois apesar de
atualmente sua demanda ser muito pequena, ele pode ser produzido em larga escala
comercial, e com uma das melhores qualidades para indústria: sua produção é completamente
renovável, ou seja, pode-se plantar e colher indefinidamente espécies como a andiroba.
4.2. GARGALOS DE PRODUÇÃO
O processo tradicional de coleta e extração do óleo de andiroba é longo e complicado.
O isolamento geográfico das comunidades faz com que a divisão técnica e social do trabalho
seja, no geral, reduzida a uma família que domina todo o processo até o produto final. O
conhecimento deste processo foi sempre transmitido pela oralidade, pelos mais velhos.
Porém, as mudanças sociais combinadas à praticidade e eficiência de outros métodos
de extração do óleo, como a prensa, têm contribuído para a perda do conhecimento do
processo tradicional de extração do óleo em algumas comunidades. Entretanto, deve-se
ressaltar que ainda há pessoas que realizam a extração tradicional, principalmente em
localidades isoladas, sem eletricidade e com escassez de bens e serviços (HOMMA, 2002;
FERRAZ; MENDONÇA, 2007).
Segundo Boufreuer (2001) as sementes de andiroba coletadas na floresta têm que ser
transportadas no máximo dois dias, pois é propício fungos atacarem as sementes, onde essas
são transportadas em recipientes limpos e arejados. Logo após a chegada da semente no local
onde será feito a extração, ela vai passar por uma seleção e depois uma lavagem para tirar
impurezas. O cozimento é o próximo passo, na qual é cozinhada em água limpa até ficar
mole. Após o cozimento, deixar esfriar as sementes e escorrer o excesso de água, por um
período de 24 horas. Podem ser utilizados sacos abertos de fibra natural ou paneiros, quando
se tratar de pequena quantidade de sementes, ou estrados de madeira com uma camada de até
três sementes sobrepostas.
48
Desta forma, se analisado a partir deste contexto, os gargalos encontrados para esta
produção podem ser elencados da seguinte forma:
- Baixa qualidade do produto.
- Gestão precária.
- Falta de demanda para os produtos.
- Entraves burocráticos de órgãos públicos para o registro de produtos.
- Falta de logística.
- Falta de capital de giro.
Além das seguintes dificuldades:
- Burocracia para legalização de associações comunitárias.
- Carência de financiamentos ao alcance dos extrativistas.
- Questão fundiária.
- Carência de transportes fluviais para coleta de matéria-prima.
Contudo, todos estes aspectos são relativos ao cenário atual, a viabilidade econômica
da andiroba com certeza passará por outro patamar de gestão, transformando-a em um
excelente investimento para a produção de óleo.Algumas das medidas a serem tomadas já
estão em andamento em diversos micro negócios neste segmento como: maior aproximação
dos órgãos governamentais que disponibiliza técnicos atuantese linha de financiamento para o
produto, instalação de usinas de extração de óleos vegetais em locais estratégicos em subregiões, adoção de tecnologia apropriada e capacitação em beneficiamento /industrialização,
assistência técnica em gerenciamento bem como a definição de uma política industrial
específica para o segmento estabelecendo procedimentos simplificados de registro junto aos
órgãos competentes para dessas forma contribuir para o fortalecimento das associações de
produtores.
Durante as pesquisas de mercado, constatou-se que há uma carência deinformação
registrada sobre a comercialização de produtos derivados daandiroba no mercado nacional e
internacional.Estimativas superficiais sinalizam que a produção anual de óleo artesanal
daregião norte do país seja de cerca de 500 toneladas (óleo/ano), mas devido àscaracterísticas
do extrativismo e da produção artesanal, a oferta ainda ébastante sazonal.O mercado nacional,
principalmente na região Norte (região de origem doproduto, forte presença do conhecimento
tradicional sobre o uso e a frequente oferta no mercado informal) consome in natura a maior
parte do óleo que éproduzido artesanalmente. Para a produção semi-artesanal e
mecanizadaexiste demanda por parte da indústria nacional e internacional de cosméticos,que
49
apesar de usar pequenas quantidades do ativo nos seus produtos finais,ainda representam os
principais consumidores. Há registros de crescimentonas exportações, principalmente para
países da Europa e América do Norte. Omercado apresenta tendência a valorizar produtos que
apresentem certificaçãoorgânica.
Melhores preços estão relacionados com diferencial de mercado. No caso daandiroba,
é uma planta que ocorre de forma abundante em toda a regiãoamazônica e o
conhecimentotradicional para a extração artesanal do óleo écomum em muitas comunidades.
Algumas delas já se equiparam com osequipamentos acima citados e fazem o processamento
com maiorprodutividade e melhor qualidade físico-química do óleo. Esse é um
ótimodiferencial de mercado, pois além do ganho em qualidade e produtividade,esse nível
produtivo está diretamente relacionado com a capacidadeorganizacional de acordo com o
fluxograma da cadeia produtiva da andiroba.
Figura 7: Cadeia Produtiva do óleo de andiroba.
Fonte: Galdino, 2007
4.3. PRODUÇÃO EM LARGA ESCALA
Para uma compreensão maior da viabilidade econômica da andiroba, estabeleceu-se
como perspectiva econômica os custos de uma produção baseada em valores praticantes na
época atual, assim, os custos foram estimados conforme metodologia de sugerida por Santos
et al., (2002), considerando o conceito de custo operacional (Hoffmann et al., 1987), o qual
engloba todos os custos de produção sem considerar os juros do capital empatado, visto que
50
estes são contemplados na análise financeira do investimento (fluxo de caixa e cálculo do
VPL).
Desta forma, procurou-se desenvolver uma planilha de custos semelhante ao praticado
por outros produtos atualmente.
Todos os respectivos valores assumiram cálculos em reais por hectare. Os coeficientes
técnicos (horas de máquina por operação, dias homem e quantidade de insumos), foram
baseados nos plantios da outras espécies que já estão em vigor para outras finalidades.
Para tanto dividiu-se os custos em 4 partes, como segue: Operações Mecanizadas,
Operações Manuais, Insumos e Custos administrativos.
Também após serem definidos os custos de produção, pôde-se fazer uma estimativa de
fluxo de caixa ao longo do horizonte previsto, que foi de 30 anos.
E para analisar a
lucratividade da cultura, foram calculados os indicadores financeiros baseados no índices
atuais, ou seja, primeiro semestre de 2013; Valor Presente Líquido (VPL 6% a.a.), Taxa
Interna de Retorno (TIR), o Pay-back e Pay-back descontado, considerando que estes
indicadores são tomados como padrão nas análises de investimentos ao médio e longo prazo
(Silva & Fernandes, 2003, Pimentel et al., 2007).
O valor presente pode ser compreendido como a diferença entre o valor investido e o
valor dos benefícios líquidos, descontados à taxa de juros pré-determinada, que seria a taxa
mínima de atratividade (TMA) (Silva & Fernandes, 2003).
Também foi adotado a taxa de juros anual de 6% ao ano, por ser esta a taxa média de
juros para financiamentos agropecuários de longo prazo. Assim, valores positivos de VPL
indicam uma remuneração acima da TMA, sinalizando pela viabilidade econômica do
investimento. A TIR, do ponto de vista matemático, é a taxa de desconto que torna nulo o
VPL. Deste modo, se a TIR for maior que a taxa de juros, ou a TMA, sinaliza que o
investimento possui viabilidade financeira. O Pay-back refere-se ao tempo de retorno do
capital investido e o Pay-back descontado, refere-se ao tempo de retorno do capital
considerando os juros pré-estabelecidos. Todos esses indicadores devem ser analisados em
conjunto, visto que cada um possui uma característica que permite ao investidor visualizar o
retorno econômico do projeto ao longo do horizonte do investimento. Assim, o VPL dá uma
idéia do montante líquido recebido, a TIR, da rentabilidade por unidade de monetária
investida e o Pay-back e Pay-back descontado, mostram o tempo necessário para recuperar o
capital investido.
51
Para os efeitos de cálculos considerou-se que para a geração de 1 litro de óleo são
necessários 3 kg de sementes de andiroba, aplicando-se uma taxa de 11,5%, com a empresa
trabalhando 286 dias ao ano, tendo as usinas uma vida útil de 25 anos, e para o calculo dos
custos de implantação analisou-se os custos das instalações, dos maquinários, das
ferramentas, móveis e utensílios.
Deve-se ressaltar que as informações referentes aos custos de implantação das usinas e
a quantidade necessária de funcionários, foram obtidas a partir de um estudo realizado pelo
Instituto Superior de Administração e Economia (ISAE, 2012).
A partir dos dados de mercado, investimentos, custos e receita, foi possível, calcular
os resultados desses indicadores que demonstraram a viabilidade do modelo proposto na
tabela 2.
Tabela 2 – Indicadores de produção.
INDICADOR
Unidade
Andiroba 600 t/dia
Investimento Total (Fixo + Capital Giro)
milhões R$
5,683
Investimento Fixo Indústria
milhões R$
3,443
Investimento por Tonelada Óleo
R$/t
578,85
Custo Variável Total / ano
milhões R$
4,651
Custo Variável (Compra Insumos) / ano
milhões R$
1,076
Custo Variável (Mão de Obra) / ano
milhões R$
0,896
Custo Variável (Outros) / ano
milhões R$
1,270
Custo Variável Tonelada Esmagada
R$/t
576,64
Custo Fixo Total / ano
milhões R$
0,482
Custo Fixo (Mão de Obra) / ano
milhões R$
0,146
Custo Fixo (Depreciação) / ano
milhões R$
0,336
Custo Produção de Óleo
R$/L
1,74
Produção Total Óleo / ano
milhões L
5,261
Receita Total / ano
milhões R$
50,775
Receita Gerada pelo Óleo / ano
milhões R$
30,479
Empregos Diretos Gerados Indústria
Empregados
92
Indicadores financeiros da indústria
Fonte:ISAE, 2012
52
É possível notar que as variações do preço do óleo, da e da produçãosão simultâneas,
ou seja, caso haja uma alta no preço dos óleos os preços dos outros produtos seguem a mesma
tendência. Mesmo com essas variações é evidente que a implantação da usina de extração de
óleo de andiroba seria bem sucedida, pois nos três cenários os principais indicadores de
confiabilidade do investimento, T.I.R., T.R.C e V.P.L, da indústria atingiram valores
relevantes.
Analisando a tabela 2 verifica-se que os empreendimentos mostraram-se viáveis, pois
os VPLs calculados são maiores do que zero, o que significa que os rendimentos futuros
atualizados, deduzidos do investimento inicial foram superiores a zero. O VPL ainda indica
que o projeto de 100kg/h gera uma riqueza de R$ 2.084.895,28, e o de 300 kg/h de R$
13.802.617,18 durante os 25 anos do negócio.
Ambas as TIR são bastante atrativas, tanto a de 82% a.a para 100kg/h quanto a de 96%
a.a para 300kg/h asseguram menor risco ao investidor, pois cobrem os custos de
oportunidade, ou TMA de 11,5% a.a (Selic), o que indica certa margem de conforto para as
inversões financeiras, os ganhos do projeto ou VPL são descendentes com a elevação da taxa
de desconto e tornando-se nulo ao patamar de TIR 82% a.a, para a micro usina de 100kg, e de
96% para a de 300kg/h, ou seja, financiamentos que superam estes patamares inviabilizam a
implantação de uma micro usina extratora de óleo de Andiroba. Como os valores da TIR
calculados foram bastante elevados, o investimento suporta altas taxas de desconto, sem
comprometer a viabilidade, o que representa um incentivo ao empreendimento, pois a
sensibilidade a taxa é favorável ao produtor.
Para finalizar, a qualidade do óleo de andiroba ser de origem vegetal pode determinar
toda a diferença para o uso futuro do mesmo. Após as plantações estarem completamente em
vigor, os lucros serão extremamente positivos.
53
CAPÍTULO V
5. DESEMPENHO
DO
ÓLEO
DE
ANDIROBA
NOS
PROCESSOS
DE
FABRICAÇÃO DE TRANSFORMADORES ELÉTRICOS
5.1. PERFIL DA EMPRESA
A Indústria de Transformadores Amazonas Ltda., denominada ITAM, é uma empresa
de médio porte especializada na produção de transformadores de distribuição, bem como
prestadora de reparos em transformadores em geral. Empresa com elevado conceito regional,
mostrando o reflexo do crescimento empresarial no Estado do Amazonas, valorizando a
importância da mão-de-obra local.
Fundada em 1987, localizada no parque industrial de Manaus à rua Palmeira do Miriti,
808, Distrito Industrial II, tendo como sócios Januário de Almeida e Antonio Carlos A.
Borghi. Fruto de arrojo e empreendedorismo para atendimento da demanda em recuperação
de transformadores da Zona Franca de Manaus, atualmente reconhecida como PIM - Polo
Industrial de Manaus.
A partir do ano de 1994, inicia-se de forma modesta a fabricação de transformadores
consolidando-se no mercado em 1996, por meio de aprimoramento de tecnologias,
desenvolvimento de seus projetos e contratação de profissionais com vasto conhecimento na
área de fabricação de transformadores, que marcaram o ano 1997 com grandes investimentos
na área fabril, adquirindo modernas máquinas e equipamentos avançados para garantia de
qualidade de seus produtos.
Com o objetivo de sistematizar a melhoria contínua de qualidade de seus produtos, a
ITAM é certificada com a norma de Sistema de Gestão de Qualidade NBR ISO 9001,
conforme versão 2000 da norma.
Em 2002, identificou-se a necessidade de ampliação de sua produção, fato que
justificou a mudança de sua fábrica para uma nova unidade de fabricação com área total de
14.000 m2.
A marca de 20.000 transformadores fabricados desde 2004 é obtida em 2006, mesmo
momento em que se planeja a construção de uma nova Fábrica no Parque Industrial de
Manaus.
54
Finalmente em 2010, mudou-se para o novo Parque Fabril de 27.000 m2 no Distrito
Industrial. O projeto de expansão se concretizou em julho de 2010, e a empresa está
vivenciando um processo de mudança intensa, nos seus vários elos de crescimento: pessoas,
clientes, fornecedores, sociedade e produto. A ITAM apresenta-se como uma nova roupagem
no mercado nacional, amadurecida e com o foco direcionado para as inovações tecnológicas e
desenvolvimento, tornando-se dia após dia cada vez mais competitiva.
A ITAM tem como missão "fabricar e comercializar transformadores com qualidade
reconhecida pelos consumidores, a preços competitivos e margem de lucro mínima para
prover a perpetuação do negócio".
Com o passar do tempo a empresa solidificou ainda mais seus valores, reflexos de uma
gestão participativa desde o início. Valores esses que demonstram o perfil do fundador da
empresa, que visa principalmente à valorização do ser humano, parcerias com novos
fornecedores e o foco no cliente.
5.2. LEVANTAMENTO DE DADOS
5.2.1. VARIANTES CONSTRUTIVAS DOS TRANSFORMADORES
Os transformadores de potencia, sobre os quais se enquadra o presente trabalho, são do
tipo imerso em óleo, com regulador de tensão em carga, apresentando valores de tensão
estipulada (nominal) para o seu enrolamento de alta tensão de 400, 220 ou 150 Kv e valores
de potencia estipulada (aparente trifásica) de 50 a 450 MVA.
Os transformadores de potencia são constituídos por 2 enrolamentos principais, o de
alta tensão (AT) e o de media tensão (MT). Possuem ainda um enrolamento de compensação,
designado por enrolamento de baixa tensão (BT) ou terciário. A ligação trifásica dos
enrolamentos AT e MT e sempre realizada em estrela. O enrolamento BT e ligado em
triangulo, funcionando como enrolamento de compensação.
Normalmente, os terminais do enrolamento de compensação estão acessíveis,
possibilitando a ligação dos circuitos auxiliares da subestação. No caso de transformadores de
enrolamentos separados os enrolamentos AT e MT tem neutros independentes. Uma parte do
enrolamento AT, do lado do neutro, e dividida em varias tomadas, onde e possível a regulação
de tensão em carga.
Em bancos de transformadores monofásicos as ligações de fecho do neutro dos
enrolamentos principais são realizadas no exterior, assim como as varias ligações para
55
estabelecer a configuração em triangulo do enrolamento terciário, como se pode observar no
exemplo da Figura 8.
Figura 8 - Esquema de ligações dos enrolamentos de transformadores monofásicos.
Fonte: ITAM, 2008.
Em maquinas trifásicas é também habitual que o fecho do triangulo seja assegurado
por uma ligação exterior, nos terminais do enrolamento terciário. Desta forma e possível
remove-la sempre que se pretenda realizar a medição da resistência de cada fase do
enrolamento terciário.
Todos os transformadores se aquecem durante o funcionamento, em virtude das perdas
que existem em todos eles, quanto mais alta a potência retirada nos secundários de um
trafego, maior será o aquecimento do mesmo.
Os núcleos devem ser feitos de chapas de ferro silício, que possui excelentes
características de magnetização (temporário), baixas perdas por histerese e por mudança de
temperatura, não servindo para o mesmo fim ferro doce ou outro ferro comum, assim como
também não é possível um núcleo de ferro maciço.
O empilhamento das lâminas, isoladas entre si e do núcleo, é feito para minimizar a
ação das correntes parasitas provenientes da variação de fluxo ocorridos sobre o material, que
é condutor, em trafos de força usa chapa de ferro silício de 0,7/1,7/2 Watts/Kg e chapas de
56
baixo carbono e 3,7Watts/Kg. Se o ferro for de qualidade inferior, a secção do núcleo deverá
ser aumentada para um mesmo transformador.
Os problemas que podem surgir ao nível do circuito magnético manifestam-se através
de sobreaquecimentos, podendo ser acompanhados de descargas elétricas, alterações das
vibrações e ruído de funcionamento. A sua origem pode dever-se aos seguintes fatores
(UHREN, 2007): perda de compactação e envelhecimento das chapas magnéticas, correntes
de circulação induzidas, aparecimento de solicitações dielétricas devido a deficiente ligação a
terra (potencial indefinido no circuito magnético).
Para determinada tensão variável aplicada no primário do transformador teremos uma
tensão induzida no secundário de acordo com esquema a seguir:
Figura 9 - Esquema de um transformador de distribuição.
Fonte: ITAM, 2008.
Onde: V1 = tensão no primário; V2 = tensão no secundário; I1 = corrente no primário; I2 =
corrente no secundário; N 1= espiras do primário N2 = espiras do secundário.
Dai então para calcular um transformador, teremos que fazer uso da expressão geral da
tensão alternada como segue:
N= _____E x 108_____
Eq.(4) 4,44 x B x S x F
Onde teremos:
E = tensão elétrica alternada.
N = núcleo de espiras do primário.
B = densidade de fluxo magnético em Gauss = 10.000 linha de força.
S = secção magnética eficaz do núcleo em centímetro, (lado x lado).
F = frequência da tensão alternada, se for da rede elétrica será sempre 60Hz.
57
Dessa forma encontramos uma relação chamada de espira por Volt, o que quer dizer
que, o N encontrado deve ser multiplicado pela tensão do primário; para encontrarmos o
número de espiras necessário no primário. De acordo com equação abaixo:
N= E x 104/266,4 x S
Eq.(5)
Hoje em dia é mais comum encontramos chapas tipo gno (grão não orientado) de
10.000 Gauss com perda de 1,7W/Kg, chapas tipo (grão orientado ou sinterizada) de 16.000
Gauss e perda de 0,7W/Kg. Devido ao custo, muitos transformadores para aplicações onde
as perdas no núcleo que geram calor são irrelevantes utiliza-se chapa de baixo carbono que
chegam a ter uma perda de 3,7W/Kg.
O que implica e dizer que quanto maior o valor de Gauss, menor ficará fisicamente o
transformador, pois menor será o número de espiras por Volts, e menos o transformador se
aquecerá. - Quanto maior o valor de W/Kg, maior será a perda por aquecimento no
transformador, na prática ele se aquecerá mais.
5.2.2. CICLO DE VIDA DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA
Segundo Tumiatti (2007), a curva de expectativa de vida da norma NBR-54l6/81 leva
em consideração apenas os aspectos de envelhecimento térmico. O fim de vida foi
estabelecido arbitrariamente em 50% do valor inicial da tensão de tração do papel. Eliminados
os efeitos aceleradores provocados pelo excesso de oxigênio e água no transformador, pode-se
considerar apenas o efeito térmico como principal fator de envelhecimento Assim, usando-se
a curva como referência, observa-se que um papel envelhecendo constantemente a 78 °C
levaria 60 anos para atingir 50% do valor inicial de sua tensão de tração, isto é, seu fim de
vida arbitrário.
De acordo com Trindade (2007), atualmente não se considera mais 50% da tração
inicial como fim de vida arbitrário. Mas já há quem defenda 20%, o que corresponde
aproximadamente a um GP de 200. Além do mais, protótipos de transformadores
envelhecidos aceleradamente em laboratório a 200°C chegaram a ter uma vida até 15,3 vezes
superior àquela estabelecida pela norma ANSI. Já transformadores selados com colchão de
nitrogênio e mantidos com baixos teores de água e oxigênio, atingiram valores de GP de 314 e
124 após 55 e 61 anos em operação respectivamente.
A simples eliminação da maior parte do oxigênio e da água do óleo tem efeito
extremamente positivo na vida útil do transformador. Assim, colocando em prática medidas
58
com esse objetivo, os autores estabeleceram na CPFL o projeto 60 anos. Este visa dobrar a
vida útil estimada para os transformadores de potência, que passará de 30 para 60 anos. Ao
mesmo tempo também se reduzirão os custos com tratamento de óleo isolante (TRINDADE,
2007).
5.2.3. ENVELHECIMENTO DO TRANSFORMADOR
Os critérios para especificação dos transformadores utilizados no Brasil contemplam
custos das perdas, do investimento em núcleo e enrolamentos e no resfriamento, mas não em
extensão de vida do equipamento por meio de investimento em preservação do óleo isolante.
A maioria dos transformadores de potência instalados no sistema da CPFL possui
conservadores constituídos por tanques de expansão à pressão atmosférica equipados com
respiros de sílica-gel, com ou sem membranas em seu interior (R. E. ETV, 2002).
Isto possibilita que o óleo isolante dessas unidades fique contaminado com o oxigênio
atmosférico, mesmo no caso de transformadores com membranas. O compromisso destas de
ser resistentes ao óleo resulta em baixa eficiência em conter água e oxigênio. Além disso,
como tais transformadores estão instalados em regiões quentes e úmidas, a eficiência da
sílica-gel fica comprometida. Logo, parte da umidade atmosférica também penetra no
transformador, contaminando tanto o óleo quanto o isolamento sólido, composto por papel
isolante. Independentemente da carga do transformador, a água e o oxigênio aceleram seu
processo de envelhecimento. Pode-se ver que, à medida que o teor de água aumenta, a vida do
papel reduz-se. Segundo Clark, papéis envelhecidos a mesma temperatura têm sua vida
reduzida pela metade, se o teor de água dobra.
De acordo com Mcshane (2003), quanto ao oxigênio, pode-se ver que um papel em
contato com elevado teor de oxigênio (cerca de 30.000 ppm) tem a vida reduzida dez vezes
em relação a outro papel que, embora tendo envelhecido à mesma temperatura, esteja em
contato com um teor baixo de oxigênio (inferior a 3000 ppm). Assim, o oxigênio não é nocivo
apenas ao papel isolante, como também ao óleo. À medida que este envelhece, são formados
ácidos que atacam o próprio papel. Num estágio mais avançado de degradação do óleo,
forma-se borra que se acumula nas partes mais frias como aletas dos radiadores. Isto provoca
sobreaquecimento do transformador. Dessa forma, deve-se manter o nível de oxigênio o mais
baixo possível para impedir a formação de ácidos e de borra.
Como corrobora Mcshane (2003) a acidez do óleo acelera muito o envelhecimento do
papel, mesmo o teor de água do óleo estando baixo. Siqueira e outros realizaram estudo de
59
laboratório em que amostras de papel isolante foram secas e envelhecidas a 155°C em tubos
selados sob atmosfera de nitrogênio. Parte das amostras foi imersa em óleo novo, com teor de
água de 17 ppm. A outra parte foi colocada em contato com óleo oxidado, com teor de água
de 13 ppm e índice de neutralização de 0,35 mg KOH/g. O papel envelhecido no óleo
novolevou um tempo seis vezes maior que o papel no óleo ácido para atingir grau de
polimerização de 200.
5.3. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Nesta sessão será analisado e discutido os resultados após coleta e organização dos
dados obtidos, de forma comparativa entre os dados e a literatura pertinente. As mudanças
verificadas, principalmente no enfoque do objeto e nos campos de relações bibliográficas,
redirecionaram este estudo na proposição de uma proposta inovadora, que atenda as demandas
por elementos levantados pela coleta de dados e ao intercâmbio de registros bibliográficos.
5.3.1. AVALIAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA DO ÓLEO
O óleo vegetal OV-A objeto deste estudo apresentou acidez superior ao limite
estabelecido na NBR 15422 (ABNT). Após esta evidencia procedeu-se à neutralização de 1L,
e realizou-se novamente a caracterização físico-química e dielétrica. A Figura 10 mostra os
resultados dos índices de acidez dos óleos OV-A, OVI-1, OVI-2 e OMI-1.
Figura 10: IA do OV-A, bruto e tratado com hidróxido de sódio, OVI-1, OVI-2 e OMI-1.
Uma vez processado os dados do índice de acidez que indica um valor qualitativo dos
óleos (MORETO, E), é um parâmetro de valiosa importância para avaliação do estado de
60
conservação da matéria prima, um processo de decomposição seja por hidrólise, oxidação,
fotoxidação, termoxidação ou fermentação, altera quase sempre a concentração dos íons
hidrogênio.
O aumento da acidez indica o desenvolvimento de reações hidrolíticas, com
conseqüente produção de ácidos graxos livres (AGL) e, por conseguinte, de diglicerídeos, que
pode ocorrer devido à presença de água e de temperatura elevada.
Por isso, a acidez está intimamente ligada à natureza da matéria prima, grau de pureza
e com o processamento ao qual foi submetido o óleo vegetal. Durante a utilização do óleo no
equipamento, este está sujeito a um processo de oxidação, formando ácidos como produtos
finais da degradação.
No caso do óleo mineral, estes compostos, a partir de certa concentração, são
indesejáveis, pois reage com materiais do equipamento, principalmente papel, diminuindo
consequentemente a sua vida útil. Podem, ainda, polimerizar e formar borra que ao se
depositar na parte ativa ou nos trocadores de calor, dificulta a transferência de calor para o
meio ambiente.
O índice de acidez dos fluidos isolantes à base de óleo vegetal são normalmente mais
altos do que os do OMI, OVIs são compostos de longas cadeias de ácidos graxos formadas a
partir da hidrólise do triacilglicerol de óleo vegetal que reagem com as hidroxilas da celulose
do papel Kraft via reação de esterificação, impedindo a sua degradação por estes sítios ativos,
ou seja, evitando sua degradação precoce.
Portanto, para óleo em uso, tanto de origem mineral como vegetal, pode-se considerar
que o índice de acidez é um indicativo do grau de oxidação do mesmo.
Os dados apresentados na tabela 3 mostram os valores de densidade relativa do óleo de
andiroba após o processo de neutralização e dos fluidos isolantes: Envirotemp® FR3™ e
Biotemp®.
Tabela 3: Densidade relativa.
Tipo de óleo
Densidade relativa
Andiroba (OV-A)
0,9200 ± 0,00
Envirotemp® FR3™
0,9197 ± 0,00
Biotemp®
0,9159 ± 0,00
Mineral (OMI-1)
0,8880 ± 0,00
Limite NBR 15442
0,96 máximo
61
A densidade relativa do óleo de andiroba é superior à do óleo mineral; contudo, os
valores não ultrapassam o valor limite estabelecidos pela norma. Não há diferença
significativa entre a densidade desse óleo e as dos fluidos vegetais comerciais Envirotemp®
FR3TM e Biotemp®. Os dados representados na Figura 11 expressam a viscosidade
cinemática dos óleos nas três temperaturas recomendadas pela norma ABNT 15422.
Figura 11: Viscosidade dos óleos nas temperaturas de 20, 40 e 100°C comparada aos limites estabelecidos na
NBR 15422.
Os dados mostram que o óleo de andiroba, e cerca de três vezes mais viscosos que o
óleo mineral, entretanto apresentou viscosidade menor de forma significativa que os óleos
isolantes vegetais Envirotemp® FR3™ e Biotemp® nas três temperaturas avaliadas,
evidenciou-se ainda que a viscosidade está dentro dos limites estipulados pela ABNT.
Segundo Claiborne (2006) o comprimento das cadeias graxas, o grau de insaturação,
assim como a possibilidade de interações moleculares, em geral determina variações nos
valores de viscosidade. A predominância de ácidos graxos insaturados no OV-A, (que
aparecem naturalmente na configuração cis, dificulta o alinhamento destas moléculas,
62
resultando em interações intermolecular mais fraca e consequentemente, menor viscosidade.
Como mostra a Tabela 4.
Tabela 4 - Composição dos ácidos graxos majoritários do óleo vegetal de Andiroba por
CGAR.
Óleo Vegetal
Saturados (%)
Andiroba
Insaturados (%)
C16:0
25,04
C18:1
44,66
C18:0
13,51
C18:2
12,49
Fonte: Cooper Power System, 2006
A viscosidade do fluido isolante deve ser tal, que permita a convecção do óleo dentro
do equipamento elétrico, a fim de facilitar a troca do calor gerado pelas perdas do
equipamento com o meio ambiente. Seu valor numérico não é afetado significativamente por
contaminantes ou produtos de degradação, portanto a viscosidade não é um indicativo da
qualidade do óleo, nem um parâmetro de medida de envelhecimento.
Entretanto, se a viscosidade está muito alta, o óleo tende a reduzir sua circulação por
convecção, afetando sua característica de resfriamento (RAAP,DAI, 2008), o isolamento e a
taxa de impregnação de papel é altamente dependente da viscosidade do óleo.
5.3.2. COMPATIBILIDADE
COM
MATERIAIS
INTERNOS
DO
TRANSFORMADOR
O resultado dos testes relacionados a corrosividade apresentados na figura 12a, 12b e
12c mostram que não houve mudança na coloração das fitas de cobre com OV-A, OVI-1 e
OVI-2. Classificados como não corrosivos. Sendo que o mesmo comportamento não foi
evidenciado na figura 12d para as fitas de cobre submetidas ao teste na presença do óleo
mineral (OMI-1), classificado como corrosivo.
63
Figura 12- Detalhe das fitas de cobre após o ensaio de corrosividade.
Figura 12a - Aspecto não corrosivo do OV-A Figura 12b - Aspecto não corrosivo doOVI-1
Figura 12c - Aspecto não corrosivo do OVI-2
Figura 12d - Detalhe do aspectocorrosivo do OMI-1
O aspecto não corrosivo mostrado pelo óleo OV-A na figura 12a é bastante positivo,
levando em consideração que as reações de corrosão produzem sulfeto de cobre que tem
elevada condutividade e, ao se depositar sobre o papel isolante do equipamento reduz a
rigidez dielétrica, sugere-se que o comportamento corrosivo do OMI-1 destacado na figura
12d é devido ao fato de ser um fluido que passou por desgaste durante seu tempo de uso.
5.3.3. AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DIELÉTRICO
Observa-se, na Tabela 5 que o óleo OV-A apresentou rigidez e fator de perdas
dielétricas fora dos parâmetros especificados na NBR 15422 ABNT.
Tabela 5 -Rigidez dielétrica e fator de perdas.
Tipo de óleo
Andiroba (OV-A)
Envirotemp® FR3™
Biotemp®
Mineral (OMI-1)
Limite NBR 15442
Fator de perdas
(%)
T= 100°C
12,5
1,2
1,6
0,17
≥4
Rigidez dielétrica
(Kv)
T = 100ºC
10,5
45
45
53
≤ 30
64
O fator de perdas dielétricas, porém necessita de uma análise mais criteriosa. Para o
OV-A, este parâmetro não atendeu o valor limite determinado pela norma, na temperatura
ensaiada.
Segundo Gamboa (2006), a medida das perdas dielétricas em um material isolante está
relacionada com a quantidade de energia dissipada pelo material sob a forma de calor. Para o
OMI novo, este valor está relacionado com a qualidade do produto e, quanto mais baixo for
este valor, mais este se aproxima da condição de dielétrico ideal consequentemente, as perdas
são menores.
Os valores de perdas dielétricas associados ao valor da rigidez dielétrica podem ser
usados como uma medida indireta das impurezas contidas no líquido (água, fibras celulósicas,
partículas), Sob o ponto de vista químico a medida da corrente dissipada pelo óleo está
relacionada diretamente com os produtos polares, polarizáveis e partículas (metálicas ou não).
Tem-se verificado que a rigidez dielétrica de óleos vegetais se mantém acima de 30kV para
concentrações de água abaixo de 500ppm.
A presença de umidade é um aspecto que merece atenção, pois acelera a reação com a
celulose do papel Kraft isolante, levando-o a degradação causando a diminuição da vida do
sistema de isolamento. A amostra do OV-A demostrou um teor de 1306ppm, índice muito
além do máximo recomendado em norma: 200ppm. O teor de água é utilizado para monitorar
a qualidade do fluido dielétrico, sendo um indicador de possível deterioração do óleo que
pode afetar as propriedades elétricas do mesmo, como a rigidez dielétrica. O teor de água,
para os óleos OV-A, pode facilmente ser corrigido por meio de uma secagem utilizando
materiais adsorventes ou termo-vácuo.
A umidade sempre está presente nos líquidos isolantes, em quantidades que variam
com a estrutura química dos mesmos, A solubilidade de esteres naturais em água, é cerca de
15 vezes mais elevado do que no óleo mineral, isto é, fluidos polares apresentam maior
afinidade com a água (exemplo: óleo vegetal) que os apolares (exemplo: óleo mineral), e
variam, também, com as condições de manipulação e de armazenamento as quais foram
submetidos.
65
5.3.4. ANALISE DOS GASES DISSOLVIDOS NO ÓLEO
Os resultados cromatográficos dos gases dissolvidos dos óleos OV-A,
OV A, OVI-1,
OVI OVI-2 e
OMI-1, encontram-se
se na tabela 6.
Tabela 6.. Concentrações dos gases dissolvidos em ppm
GASES PRESENTRES
H2 – Hidrogênio
O2 – Oxigênio
N2 – Nitrogênio
CO – Monóxido de carbono
CH4 – Metano
CO2 – Dióxido de carbono
C2H4 – Etileno
C2H6 – Etano
C2H2 – Acetileno
Total
Combustíveis
TIPO DE ÓLEO
Andiroba Envirotemp®
Biotemp®
(OV-A)
FR3™
0
0
0
9004
5675
0
39538
36498
35461
56
50
65
0
37
46
4231
2980
4159
0
75
28
0
12
14
0
153
378
52838
45480
40151
56
327
531
Mineral
(OMI-1)
0
0
34214
310
0
365
38
0
327
35254
675
A figura 13 mostra que as concentrações de gases combustíveis estão dentro dos
padrões estabelecidos pela norma NBR 7070.
Figura 13:
13 Concentrações dos gases combustíveis em ppm.
Por meio da análise dos gases dissolvidos nos óleos foram identificados traços de
monóxido de carbono e etileno no OV
OV-A
A avaliado, o equipamento isolado com este óleo
66
operaria em condição 1: Operação normal. Já no OVI-1 foram detectados gases combustíveis
como: Monóxido de carbono, metano, etileno, etano e acetileno, indicando que o
transformador isolado com este óleo opera em condição 2: Possível falha no Equipamento.
De acordo com o Guiade for the interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed
da IEEEC57.104 (2004), que avalia a condição de operação do isolamento, a presença desses
gases pode levar a identificação de eventuais falhas que possam estar ocorrendo, as principais
falhas são: o sobreaquecimento do isolamento ou a ocorrência de descargas elétricas em seu
interior.
A detecção de certos gases gerados no óleo do transformador em serviço é
frequentemente a primeira indicação de seu mal funcionamento. Descargas de baixa energia,
de alta energia e sobreaquecimento são alguns dos mecanismos de falha que podem ser
identificados através desta análise. A ocorrência destes eventos pode resultar na
decomposição dos materiais isolantes e conseqüente formação de vários gases combustíveis e
não combustíveis. A identificação de uma condição anormal requer a avaliação da quantidade
de gases presentes e a sua taxa de geração ao longo do tempo.
5.3.5. ESTABILIDADE A OXIDAÇÃO E TEMPERATURA DE FULGOR
Utilizando a metodologia descrita no capítulo III, foi determinada a estabilidade a
oxidação dos óleos vegetais isolantes OV-A, OVI-1, OVI-2 e OMI-1 em diferentes
temperaturas. Os resultados obtidos estão mostrados na Tabela 7.
Tabela 7: Estabilidade Oxidativa do óleo de andiroba
Óleo Vegetal
Temperatura do
Ensaio (°C)
Tempo de
Indução (h)
OV-A (Andiroba)
110
120
130
34,3
14,2
13,1
OVI-1 Biotemp
110
120
130
35,8
20,5
13,1
OVI-2 Envirotemp®
110
120
130
36,4
15,7
12,4
OMI-1
110
120
130
95,4
88,9
45,2
67
Observa-se que quanto maior a temperatura de realização do ensaio, menor o período
de indução, ou seja, menor o tempo necessário para promover a formação dos primeiros
compostos do processo de degradação térmica e oxidativo, tais como peróxidos,
hidroperóxidos, aldeídos, cetonas a oxidação dos óleos vegetais isolantes.
O período de indução é proporcional à temperatura de realização do ensaio e esta
temperatura precisa ser reportada na emissão do resultado. Os óleos OVI-1 e OVI2apresentaram períodos de indução semelhantes, na temperatura investigada. Os óleos
vegetais isolantes analisados apresentaram, de forma comparativa, a seguinte ordem para o
período de indução, nas temperaturas investigadas: OV-A< OVI-1 < OVI-2 < OMI.Ter
estabilidade à oxidação é necessário para maximizar a vida em serviço do óleo, minimizando
a formação de borra e de ácidos (GRANATO, 2005).
De acordo com Adonis (2006), para utilização de óleos vegetais para fins dielétricos,
dentre outros, torna-se importante o conhecimento da estabilidade oxidativa e térmica destes
óleos. Uma vez que estas informações são úteis na medida em que auxiliam, definindo muitas
vezes as condições e tempo de estocagem e ainda corroboram na determinação do uso de
antioxidantes para melhoria desses parâmetros.
Para que o óleo seja considerado estável, deve atender ao critério de exposição à
programação de teste no Rancimat que estabelece um período mínimo de 6,0 horas, de acordo
com a norma EN 14112 (EB – 2108/91, 2013).
Comparativamente ao OMI, os OVIs possuem um maior ponto de fulgor e de
combustão, acima de 300°C, os ensaios demonstraram que o óleo de andiroba apresenta uma
temperatura de fulgor de 325ºC conferindo-lhes a característica de fluidos de segurança. Esta
propriedade é importante principalmente em se tratando de equipamentos instalados em
ambientes fechados, onde uma maior proteção contra incêndio é requerida.
É importante conhecer a temperatura em que os gases inflamáveis são formados, a fim
de definir a temperatura máxima de operação dos equipamentos elétricos, principalmente
quando estes são instalados onde os riscos de incêndio e explosão devem ser minimizados
(GRANATO, 2005).
68
CAPÍTULOVI
6. CONCLUSÕES
De acordo com os dos resultados obtidos nesta nesse estudo, pode-se concluir que o
OV-A apresenta propriedades distintas do OMI-1 como maior viscosidade, teor de água,
densidade e fator de perdas dielétricas. Esta diferença é oriunda da natureza química do OVA, que é diferente da natureza química do OMI-1. Tecnicamente, tanto O óleo OMI como o
OVI apresentam distinção em suas configurações. Isto quer dizer que, a aplicação do óleo fará
grande diferença para se escolher um ou outro.
Ecologicamente, pode-se afirmar que o óleo vegetal de andiroba apresenta maior
tendência a ser adotado, porém, como os custos ainda se encontram mais elevados do OVI, o
OMI ainda terá muito tempo de uso.
No estudo também se comprovou que o óleo vegetal de andiroba não apresenta
comportamento corrosivo detectável com a aplicação da metodologia recomendada pela NBR
10505. Contudo, no aspecto teor de água, os resultados foram além dos limites estipulados
pela norma brasileira NBR 15422. O que, em teoria, compromete diretamente os valores de
perda e rigidez dielétrica, que se mostraram fora dos parâmetros aceitáveis.
Entretanto, o índice de água elevado pode ser facilmente resolvido com processos
termo-vácuo ou adsortivos aplicados para diminuir o teor de água sem comprometer outras
propriedades do óleo de andiroba.
Também foi constatado que o óleo vegetal de andiroba gerou os mesmos gases
dissolvidos que o OVI-1, OVI-2 e OMI-1, mas com taxas de concentrações mais baixas. Isto
indica que o OV-A não apresentou formação de gases combustíveis que comprometam a
operação do equipamento.
Embora o óleo vegetal de andiroba apresente características favoráveis para ser
aplicado como fluido vegetal isolante, é imprescindível o uso de tratamentos específicos para
atender parâmetros da NBR 15422. Portanto, podemos dizer que, os resultados aqui
apresentados levam a considerar o óleo vegetal de andiroba, como um sério candidato a futuro
substituto do óleo mineral para a utilização como fluido dielétrico em transformadores de
potência, visando assim, o aproveitamento do potencial de óleo vegetal em abundância
encontrado na região.
69
Viabilizando assim, também questões econômicas e de desenvolvimento da região.
Visto que quanto maior o consumo do óleo vegetal de andiroba, maior será a mão-de-obra
empregada na produção e refino deste óleo, promovendo uma oferta de empregos
consideráveis.
6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
No seguimento deste trabalho, ficam identificadas e abertas novas linhas de investigação e
trabalho possíveis de desenvolver no futuro:
1. Investigação do aumento de perdas dielétricas do OV-A em função do seu alto teor de agua
e o seu efeito sobre os materiais internos doequipamento;
2. Aplicação de técnica de termo vácuo para redução do teor de agua e os respectivos efeitos
sobre a rigidez dielétrica;
3. Ensaios adicionais elétricos, dielétricos e de compatibilidade para comprovar a
aplicabilidade e o desempenho desses óleos como fluidos isolantes;
4. Análise de misturas de óleos vegetais de diferentes matérias primas como potenciais fluidos
isolantes;
5. Avaliação de diferentes antioxidantes naturais e sintéticos e suas misturas para extensão da
vida útil do OVI de Andiroba em transformadores.
70
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Vagner Barroso Pinto - PPGEI

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