G. Sözleşmenin Sona Erdirilmesi İhtimalinde Zararın Hesaplanması
1. Zararın Somut Metotla Hesaplanması
Estes pares de placas são chamados de "flutuantes" e eles produzem gás, apesar da imagem mostrar que as placas não estão conectadas eletricamente. Isto decorre de um fluxo de corrente que circula pelo eletrólito, que faz com que cada placa tenha uma diferença de potencial em relação à sua subsequente (Fig. 39).
Figura 39 – Efeito voltaico do fluxo de corrente [71].
As porcas de aço inoxidável são utilizadas entre cada par de placas e formam uma conexão elétrica entre as placas adjacentes, como mostra o ponto “B”, da Figura 39. A matriz das placas feita desta forma é barata, fácil de construir e ao mesmo tempo compacta e robusta. As tiras elétricas são aparafusadas na tampa, na parte superior da unidade e ambas fixam a matriz de placas de forma segura nos parafusos de ligação elétrica do lado de fora da tampa, mantendo uma vedação hermética para os orifícios na tampa, conforme o esquema mostrado abaixo (Fig. 40).
A ligação elétrica do eletrolisador é executada através de uma fonte construída no Laboratório de Energias da UFRN, a partir de três fontes de computadores, com voltímetro e amperímetro digitais (Fig. 41), além de uma bateria automotiva de 60A/h adaptada ao gerador de energia elétrica, descrito anteriormente.
Figura 40 - Visão esquemática do conjunto Eletrolisador + Borbulhador.
Figura 41 – Fonte de alimentação dos eletrolisadores construída nas
dependências do PPGCEM/UFRN.
O eletrolisador de Célula Seca foi construído com os materiais listados na Tabela 14 e pode ser visualizado na Figura 34. Eletronicamente, segue os mesmos princípios de construção da célula seca, com distâncias entre placas de 3,0mm e com fluxos de correntes utilizando a resistência do eletrólito.
3º passo – Acionamento do sistema.
Em primeiro lugar foi realizada uma fase preliminar de utilização do gerador de energia elétrica instalado em uma sala com tratamento acústico, para não passar o ruído do motor de cerca de 70 decibéis para o ambiente externo e descarga acoplada para exaurir os gases do escapamento, por 100h com um pistão novo com as características próprias de fábrica, divididas em quatro acionamentos de 25h cada, sem a adição de hidrogênio, conforme tabela 16.
Esta etapa teve como meta descobrir em que condições o pistão saía, quando retirado do motor, quando utilizado em suas condições normais de acordo com o projeto do fabricante, para futuras comparações com um pistão que seria forçado a trabalhar na presença de hidrogênio gasoso.
Neste momento também foram feitos testes de consumo de combustível com as diferentes cargas de trabalho (Tabela 16), para futuras comparações com o nível do consumo com a adição de gás hidróxi, além das medidas de emissões de gases de descarga, uma vez que em toda a literatura consultada esta economia é citada.
As medidas de emissões de gases de descarga também foram realizadas com um Aparelho Analisador Portátil NDIR (Non dispersive infra-red), da marca HORIBA, de propriedade do CTGás-ER/SENAI-RN. O mesmo analisador de gases foi utilizado nas fases posteriores.
Tabela 16 – Distribuição das cargas de acordo com os períodos
Como banco de cargas foram utilizados dois quadros contendo 10 lâmpadas incandescentes de 100W cada, confeccionados no próprio laboratório (Fig. 42).
Figura 42 – Quadro de carga 1.
Estes testes foram realizados com a utilização de gasolina comum, adquirida no comércio regular do produto e para cada faixa de carga foi medida a massa de gasolina que entrava e ao final do ciclo media-se a quantidade, em massa, de gasolina que saía, usando uma balança de precisão (Fig. 43).
Figura 43 – Balança de precisão.
Ao final das 100h o pistão foi retirado e cortado para fazer as amostras que foram submetidas à microscopia, para as devidas análises.
4º passo – Primeiro acionamento do sistema utilizando hidróxi
O sistema formado pelos geradores (de energia elétrica e de hidrogênio) teve seu primeiro estágio de funcionamento por 100 horas dividas em 10 dias de trabalho, trabalhando 10h/dia com os mesmos parâmetros da tabela 15, utilizando gasolina comum, com uma adição de 1,5L de gás hidróxi por minuto. Testes de emissões de gases de descarga foram realizados, para comparação com a etapa sem a utilização do gás hidróxi.
Ao final destes testes foi feita outra etapa de análises microscópicas e de caracterização (DRX, MO, MEV e EDS) com aumento de até 2000X, para ver se havia alguma alteração significativa na cabeça do pistão e se havia indícios da presença de hidrogênio em sua estrutura. Os dados foram registrados para futuras comparações, com os resultados anteriores e futuros. Nesta etapa também se fez a medição do consumo, usando os mesmos parâmetros da Tabela 16, com a finalidade de verificar a faixa de consumo em relação à da gasolina comum sem a adição de gás hidróxi.
A produção de gás hidróxi foi controlada de acordo com as variáveis apontadas pelas equações (4) e (5), nesta e em todas as outras fases do experimento com a utilização deste gás.
5º Passo – Análise dos resultados obtidos entre o 3º e 4º passos
Neste momento foi realizada uma comparação entre as imagens obtidas nos ensaios de microscopia feitos no 3º e 4º passos. Os resultados foram catalogados e armazenados para comparações futuras.
6º Passo - Acionamento do sistema para 500h de trabalho sem hidróxi
Mais uma vez iniciou-se com um pistão novo, sem nenhum tipo de modificação, como veio de fábrica.
O sistema, nesta etapa, foi religado para uma rodada de 500 horas de funcionamento. Em 50 dias, com a mesma carga horária diária da fase anterior (10h/dia) e sem carga de trabalho. Trabalhou-se sem carga, visto que seria uma longa jornada, que tinha como objetivo apenas a análise do desgaste natural do pistão em trabalho contínuo. Ao final foi feita uma segunda etapa de análises microscópicas (MO, Confocal e MEV-EDS) com aumento de até 2000X, para ver se houve alguma alteração significativa no material da cabeça do pistão.
7º Passo – Acionamento do sistema para 500h de trabalho com hidróxi
Outra vez o sistema foi acionado com um pistão novo original de fábrica, para um trabalho de 500h divididas em 50 dias, com 10h/dia de trabalho, mas desta vez utilizando a adição de 1,5L de hidróxi, para comparação com os resultados do 6º passo.
Ao final as análises foram feitas as mesmas análises microscópicas (MO, Confocal e MEV-EDS), com aumento de até 2000X, além da caracterização por DRX, para ver se houve alguma alteração significativa no material da cabeça do pistão.
8º Passo – Análise dos resultados entre o 6º e 7º passos
Nesta fase de análises foi realizada uma comparação entre as imagens
obtidas nos ensaios microscópicos feitos no 6º e 7º passos.
Surgiram, nesta etapa, elementos suficientes para concretizar a primeira fase de coletas de dados. Foram encontradas alterações na estrutura da cabeça do pistão usado no 7º passo - indícios dos efeitos da presença de hidrogênio na estrutura do metal base. Registraram-se os dados para futuras comparações e foi aplicado um tratamento à base de nitretação (deposição de filme fino de AlN – nitreto de alumínio) por plasma da cabeça de outros pistões, com a técnica de Magnetron Sputtering, para análises do comportamento do material, agora tratado, com relação ao hidrogênio.
9º Passo – Nitretação das cabeças dos pistões
Aplicou-se um tratamento de nitretação (deposição de filme fino de AlN – nitreto de alumínio) por Magnetron Sputtering em pistões para a continuidade dos experimentos.
Para a nitretação foi necessário cortar outro pistão novo, para fazer amostras que foram nitretadas em diferentes condições. Para uma avaliação de quais seriam os melhores parâmetros de nitretação, visto que seria preciso um filme bem aderido e com uma espessura que não interferisse nas dimensões do pistão. Quaisquer mudanças nas dimensões dos pistões poderia alterar o funcionamento do motor, visto que influenciaria na taxa de compressão do mesmo.
Os filmes foram crescidos em um sistema de sputtering em equipamento construído no laboratório de plasma da Universidade Estadual de Santa Catarina, a partir de um alvo puro Al (99,9%) confeccionado no mesmo laboratório da UDESC, utilizando-se como gás de sputtering o argônio com alto grau de pureza. Como substratos, foram utilizadas as amostras retiradas da cabeça de um pistão novo, feito de uma liga alumínio-silício e, posteriormente, dois pistões inteiros, que tiveram suas cabeças nitretadas.
Uma fase importante do crescimento de filmes foi a limpeza do substrato. Nesta fase os óxidos e compostos orgânicos foram removidos. A limpeza foi feita em dois passos:
a) depois de cortados, os substratos foram colocados no ultrassom imersos em acetona PA por 10 min.
b) em seguida, os substratos foram imersos em alcool metílico PA, por mais 10 min no ultrassom.
Terminada a etapa de preparação dos substratos, estes foram colocados no porta-substrato e foram para a câmara de deposição (Figura 44-a).
Tabela 17 – Parâmetros de nitretação das amostras.
Amostra P(m
Torr) V(v) I(A) T(ºC) V bias Fx (Ar) (sccm) Fx (N) (sccm) T (mim) 01 5,1 400 0,5 200 Flutuante 6,4 13,1 30 02 5,1 400 0,5 200 50 6,4 13,1 30 03 5,4 400 2,0 200 100 6,4 13,1 30 04 6,7 400 2,0 201 150 6,4 13,0 30
As análises das amostras após a nitretação indicaram como melhores parâmetros os das amostras 02 e 03. Desta feita, além dos exames micrográficos, utilizou-se também um teste de dureza Vickers, com Microdurômetro Digimess HVS 1000 (Fig. 45), do laboratório de tribologia da UFRN, para analisar as variações na dureza da superfície dos pistões e encontrou-se nestas amostras (02 e 03) os melhores resultados, em termos de dureza.
Figura 45 – Microdurômetro do Laboratório de Tribologia da UFRN.
10º Passo – Acionamento do sistema com pistão nitretado
Após a fase de nitretação, fez-se uma nova montagem do motor com um pistão nitretado e o sistema foi ligado. Este foi para um trabalho de 500 horas distribuídas em 50 dias, com carga horária de 10h/dia. Utilizou-se gasolina comum (por questões logísticas - redução de custos), adicionada de 1,5L de hidróxi.
Na produção de hidróxi utilizou-se as duas células geradoras (wet cell e dry cell) em conjunto (Figura 46) e em revezamento, para uma comparação de qual das células obteria o melhor desempenho na produção do gás.
Como nas fases anteriores, foram realizados testes de caracterização por DRX e microscópicos (MO, Confocal e MEV-EDS), para comparação com o material retirado do 7º passo.
11º Passo – Análise dos dados e comparações entre o 7º e o 10º passos
As comparações entre as imagens retiradas do 7º passo, com as do 10º passo foram realizadas nesta etapa e os resultados anotados para uso posterior.
12º Passo – Acionamento do sistema para 1000h de trabalho com hidróxi
Outra vez foi posto um pistão novo sem tratamento (original de fábrica), para um trabalho de 1000h distribuídas em 100 dias, com carga de trabalho de 10h/dia, com adição de 1,5L de hidróxi por minuto, para análises de desgaste do pistão em trabalho prolongado.
Ao final foram realizados os ensaios microscópicos (MO, Confocal e MEV-EDS), além da caracterização por DRX. Os resultados foram registrados, para comparações com o passo seguinte (13º passo).
13º Passo - Acionamento do sistema para 1000h de trabalho com hidróxi, com pistão tratado
Um pistão com a cabeça nitretada foi colocado para um trabalho de 1000h, distribuídos em 100 dias, com carga de trabalho de 10h/dia, com gasolina comum adicionada de 1,5L de hidróxi por minuto, para comparação com os resultados dos testes no 12º passo.
Ao final foram realizados os mesmos ensaios microscópicos (MO, Confocal e MEV-EDS), além da caracterização por DRX e seguiu-se para a análise dos dados.
14º Passo – Análise dos resultados entre o 12º e o 13º passos
As imagens dos ensaios de microscopia (MO, Confocal e MEV-EDS) e de caracterização por DRX das duas últimas etapas foram analisadas, comparadas e tiveram seus resultados registrados para ilações posteriores.
15º Passo – Acionamento do sistema para os ensaios finais
Para finalizar a etapa de coleta de dados foi montado um novo pistão original de fábrica para um trabalho de 80h, divididas em 40h com gasolina aditivada sem adição de hidróxi e 40h com gasolina aditivada, com adição de hidróxi.
Nas duas condições foram apenas realizados os testes de consumo de combustível com cargas de trabalho de 0W, 500W, 1000W e 2000W e testes de emissões de gases de descarga, para comparação com as mesmas condições que quando utilizou-se a gasolina comum.
4.3– Caracterização
A análise dos dados foi feita a partir da comparação das imagens captadas pela microscopia ótica e/ou eletrônica em cada etapa de observação, ou seja, com 100 horas, 500 horas e 1000 horas de funcionamento do sistema, com e sem adição de gás hidróxi.
As alterações encontradas foram analisadas através de microscopia eletrônica, nos laboratórios de microscopia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, utilizando-se microscópios óticos e eletrônicos (MEV, EDS, DRX, etc.).
5 – Resultados e discussão
De posse dos resultados das análises realizadas foram estabelecidas as relações existentes entre a fase inicial e a fase final do processo. A partir daí seguem os resultados das análises feitas.
5.1- Caracterizações do pistão
O passo inicial foi a caracterização detalhada do primeiro pistão utilizado, realizada por MEV-EDS, no laboratório do DEMAT-UFRN, o que permitiu constatar que se tratava de uma liga alumínio-silício, conforme a Tabela 18.
Tabelas 18 – Componentes da liga dos pistões
Elemento Peso % Peso % σ Atômico %
Alumíno 83.717 2.823 84.256
Silício 16.283 2.823 15.744
A figura 47 (a) e (b) apresenta a rugosidade da parte intermediária e a parte central da cabeça do pistão, respectivamente. Na Figura 47(a) vê-se uma rugosidade que varia de 80μm da parte mais funda à parte mais alta. Por conta dessas depressões na topografia, espera-se que existam forças diferenciadas no momento da explosão em cada região (topo e fundo), o que causaria áreas de maior propensão ao desgaste. Da mesma forma na Figura 47 (b) percebe- se uma região usinada a frio em forma de espiral, com distância entre o fundo e o topo com 24μm aproximadamente, que também seria uma região propensa à ação de forças de intensidades variadas tornando-se sujeita ao desgaste.
Figura 47 – Detalhes da topografia da superfície da cabeça do pistão. Área rugosa (a) e área central (b).
5.2 – Acionamento do gerador de energia elétrica
Na primeira parte dos ensaios com o motor ligado, foi feita uma série de acionamentos do motor por 10h/dia durante dez dias, totalizando 100h de funcionamento. Foram realizadas as medidas de consumo de gasolina e de emissões de gases de descarga, sem adição de gás hidróxi, para as cargas de trabalho de 500W, 1000W e 2000W, além do trabalho sem carga. As medidas foram tomadas em relação à massa de combustível utilizado. A gasolina utilizada nesta etapa tinha uma densidade de 788g/l. Todas as considerações retratam uma hora de trabalho para cada carga de trabalho.
Os resultados na Tabela 19 e figura 48 mostraram as seguintes faixas de consumo:
Tabela 19 – Consumo de gasolina por carga de trabalho (gasolina comum,
sem adição de hidróxi)
Combustível (carga) Entrada (g) Saída (g) Consumo (g/h) Consumo (l/h) Gasolina (Sem Carga) 1576 1072 504 0,64 Gasolina (¼ de Carga - 500 w) 1576 1016 560 0,71 Gasolina (½ de Carga - 1000 w) 1576 936 640 0,81
Gasolina (Carga Total
Figura 48 - Consumo de gasolina por carga aplicada.
As emissões de gases de descarga estão apontadas na Tabela 20. Como o motor é estacionário e sem controle de rotação, as medições foram todas feitas com a rotação nominal do equipamento e em carga máxima, visto que os gases NOx são detectados com o motor em carga e são formados em alta temperatura. Ainda assim o equipamento não detectou gases NOx.
Tabela 20 – Emissões de gases – Gasolina comum, sem hidróxi
Gases Índices CO [%Vol] 2,723 CO2 [%Vol] 13,99 HC [ppm Vol] 42 O2 0 γ 0,924 NOx[ppm Vol] 0
Após os ensaios anteriormente citados, foi efetuada a desmontagem do motor, retirou-se o pistão para as análises das condições em que este se encontrava. Encontrou-se uma grande formação de crostas carbonizadas sobre a cabeça do pistão, como mostrado na Figura 49.
Figura 49 – Crostas carbonizadas na cabeça do pistão (100h gasolina comum – sem adição de hidróxi).
A Figura 50 registra a região rugosa da cabeça do pistão após a limpeza da borra carbonizada. Nos testes microscópicos realizados não foram detectadas quaisquer alterações na estrutura do material, nesta etapa de testes.
As amostras cortadas da cabeça deste pistão foram analisadas por testes micrográficos (MO, Confocal e MEV-EDS), que não detectaram alterações estruturais visíveis neste ensaio no material.
5.3 – Acionamento do gerador de energia elétrica com a utilização de um gerador de hidróxi
Para um acionamento de 100h utilizando uma adição de 1,5L de gás hidróxi por minuto foi realizada uma nova montagem do motor, com um pistão novo, nas condições de fábrica.
Como se queria estabelecer distinções entre o uso do eletrolisador de célula seca e o de célula molhada utilizou-se apenas o gerador de hidróxi de célula seca, fazendo o controle das variáveis influentes na produção de gás (pressão, temperatura e corrente elétrica), de acordo com as equações (4) e (5).
Assim sendo, foram reproduzidas as mesmas experiências da fase anterior, porém agora usando o gás hidróxi como fator diferencial. Os testes de consumo obedeceram às mesmas condições de carga, tipo de gasolina e horas observadas. Quais sejam, 25h sem carga, 25 horas com 500 w de carga, 25h com 1000 w de carga e mais 25h com carga máxima de 2000 w, com gasolina comum. A tabela 21 e a Figura 51 registram o desempenho do motor nesta etapa, onde foi verificada uma densidade de 768 g/l.
Tabela 21 - Consumo de gasolina por carga de trabalho (gasolina comum +
hidróxi)
Combustível Entrada Saída Consumo (g/l) Consumo (l/h) Gasolina + Hidróxi (S/Carga) 1536 1123 413 0,54 Gasolina + Hidroxi ¼ de Carga (500 w) 1536 1060 476 0,62 Gasolina + Hidroxi ½ de Carga (1000 w) 1536 980 556 0,72 Gasolina + Hidroxi Carga Total (2000 w) 1536 743 793 1,03
Figura 51 – Consumo de gasolina comum adicionada de 1,5l de hidróxi por
minuto.
O consumo de combustível comparado usando gasolina comum sem e com hidróxi fica exemplificado na Figura 52. Nota-se uma redução no consumo de cerca de 18%, quando adicionou-se 1,5L de hidróxi por minuto.
Figura 52 – Gráfico do consumo de gasolina comum, sem e com adição de
As emissões de gases de descarga estão registradas na Tabela 22.
Tabela 22 – Emissões de gases – Gasolina comum, com hidróxi
Gases Índices CO [%Vol] 1,692 CO2 [%Vol] 10,87 HC [ppm Vol] 33 O2 0,01 γ 0,893 NOx[ppm Vol] 0
Após esta etapa de ensaios, mais uma vez foi desmontado o motor para a retirada do pistão, que foi seccionado para a produção de amostras para as verificações microscópicas de suas estruturas físicas.
Na imagem do pistão retirado (Fig. 53) pode-se observar uma grande diferença do anterior que funcionou sem a presença de hidróxi. É notória a ausência do excesso de borras carbonizadas no topo da peça. Essa diferença já era esperada, visto que conforme alguns autores [9, 71,74] isto se dá por conta do hidrogênio agir como um catalizador da queima da gasolina, provocando a queima total da mesma.
Figura 53 - Crostas carbonizadas na cabeça do pistão (100h gasolina comum adicionada de 1,5l de hidróxi por minuto).
5.4 – Ensaios de 500h sem a adição de hidróxi
Neste ensaio a retirada do pistão mostrou um pistão muito semelhante ao retirado nas 100h sem adição de hidróxi. Uma forte formação de borras carbonizadas, praticamente igual à da Figura 49, por isso, sendo dispensável sua apresentação.
Com relação ao desgaste do material, os testes de micrografia também não apontaram nenhuma alteração que pudesse ser aqui discutida. A cabeça do pistão apresentava-se íntegra e sem marcas de danos detectáveis aos microscópios usados.
5.5 - Ensaios de 500h com a adição de hidróxi
Na retirada do pistão percebeu-se que não havia muitas diferenças
visuais em relação à etapa anterior (100h, com 1,5l de hidróxi por minuto), no que tange à formação de crostas carbonizadas na cabeça do pistão. A imagem é muito semelhante, como ilustra a Figura 54.
Figura 54 – Detalhe da cabeça do pistão após 500h com gasolina comum adicionada de hidróxi (1,5L/min).
Os resultados das análises microscópicas possibilitaram visualizar um princípio de corrosão no pistão, que fica evidenciado na comparação das imagens do pistão que trabalhou por 100h na presença de hidróxi (Figura 55 -
a), em relação ao que trabalhou por 500h em atmosfera mais rica em hidrogênio (Figura 55 -b).
Na figura 55 (a) pode-se ver que não há alterações significativas na