FACULDADE SATC

GILIARD PAZ

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA APLICADA A UM SISTEMA DE VENTILAÇÃO E

EXAUSTÂO DE UMA MINA DE CARVÃO: UM ESTUDO DE CASO

Criciúma

Mês – Ano (entrega do trabalho)

GILIARD PAZ

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA APLICADA A UM SISTEMA DE VENTILAÇÃO E

EXAUSTÂO DE UMA MINA DE CARVÂO: UM ESTUDO DE CASO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso

de Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade

SATC, como requisito parcial à obtenção do título de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Me. Marcelo Massayuki Sunada.

Coordenador do Curso: Prof. Me. André Abelardo Tavares.

Criciúma

Mês – Ano (entrega do trabalho)

GILIARD PAZ

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA APLICADA A UM SISTEMA DE VENTILAÇÃO E

AXAUSTÃO DE MINA DE CARVÃO: UM ESTUDO DE CASO

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado

adequado à obtenção do título de bacharel em

Engenharia Elétrica e aprovado em sua forma final pelo

Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da

Faculdade SATC.

Criciúma, (dia) de (mês) de (ano da defesa).

______________________________________________________

Professor e orientador Marcelo Massayuki Sunada, Mestre.

Faculdade SATC

______________________________________________________

Prof. Nome do Professor, Título.

Faculdade SATC

______________________________________________________

Prof. Nome do Professor, Título.

Faculdade SATC

Texto das dedicatórias. Texto das dedicatórias.

Texto das dedicatórias. Texto das dedicatórias.

Texto das dedicatórias. Texto das dedicatórias.

Texto das dedicatórias.

AGRADECIMENTOS

Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.

Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.

Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.

Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.

Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.

Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos. Texto de agradecimentos.

“Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto

da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe. Texto da epígrafe.” (Autor, ano, p.)

RESUMO (NÃO ULTRAPASSAR 500 PALAVRAS)

O resumo precisará conter: a delimitação da pesquisa; o propósito da investigação; a

relevância da pesquisa; a fundamentação teórica empregada no estudo; a metodologia de

pesquisa e/ou tipo de estudo; o desenho de investigação; a modalidade de pesquisa (caso seja

necessário), tamanho de população, tamanho da amostra, técnica empregada para a coleta de

dados, tipo de instrumento de coleta usado, validez e confiabilidade (reportando o índice de

confiabilidade); de forma muito breve, faz-se referência aos resultados e às conclusões mais

significativas da pesquisa. O resumo não é dividido em parágrafos, apenas em frases e, além

disso, não apresenta citações.

Palavras-chave: Palavra 1; Palavra 2; Palavra 3. (máximo: 5 palavras)

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1 – Tipos de carvão, reservas e usos [9] ............................................................................ 14

Fig. 2 – Técnica de câmaras e pilares [15] ............................................................................... 16

Fig. 3 – Componentes de uma ventilação local exaustora [16, adaptada] ................................ 18

Fig. 4 – Esquema de ventilação geral diluidora por insuflamento e exaustão [16, adaptada] .. 19

Fig. 5 – Componentes do sistema de ventilação de uma mina [19, adaptada] ......................... 20

Fig. 6 – Viscosidade dinâmica [22, adaptada] .......................................................................... 24

Fig. 7 – Gradiente de velocidade [22, adaptada] ...................................................................... 24

Fig. 8 – Fator de perda para curvas em ângulo reto e secção retangular [19] .......................... 28

Fig. 9 – Fator de perda para curvas com ângulo diferente de 90º e secção retangular [19] ..... 28

Fig. 10 – Fator de perda para entrada com arestas de cantos vivos [19] .................................. 28

Fig. 11 – Fator de perda para entrada com arestas arredondadas [19] ..................................... 29

Fig. 12 - Associação em série [19] ........................................................................................... 31

Fig. 13 – Associação em paralelo [19] ..................................................................................... 31

Fig. 14 – Esquema das pressões existentes em um ventilador [19] .......................................... 32

Fig. 15 – Modelos de ventiladores axiais e suas curvas características [18] ............................ 35

Fig. 16 – Ventilador centrífugo de pás radiais e sua curva característica [18] ......................... 35

Fig. 17 – Ventilador centrífugo de pás inclinadas para frente e sua curva característica[18] .. 36

Fig. 18 – Ventilador centrífugo de pás inclinadas para trás e sua curva característica[18] ..... 36

Fig. 19 – Triângulo de potência[18] ......................................................................................... 39

LISTA DE TABELAS

Tab. 1 – Reserva de carvão mundial [10, adaptada] ................................................................. 15

Tab. 2 - Composição do ar atmosférico [16, adaptada] ............................................................ 21

Tab. 3 – Composição do ar atmosférico [20, adaptada] ........................................................... 21

Tab. 4 – Fator de atrito de Atkinson [20, adaptada] ................................................................. 27

Tab. 5 – Composição do ar atmosférico [23, adaptada] ........................................................... 34

LISTA DE ABREVIAÇÕES

SIGLAS

SATC ___ Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina

DNPM ___ Departamento Nacional de Produção Mineral

NR ___ Norma Regulamentadora

NRM ___ Norma Regulamentadora de Mineração

IBRAM ___ Instituto Brasileiro de Mineração

PIB ___ Produto Interno Bruto

MTE ___ Ministério do Trabalho e Emprego

MIT ___ Massachustts Institute of Technology

VLE ___ Ventilação Local Exaustora

VGD ___ Ventilação Geral Diluidora

SÍMBOLOS

Q [m³/s] Vazão

Ɐ [m³] Volume

ρ [kg/m³] Massa específica

ṁ [kg/s] Fluxo de massa

γ [N/m³] Peso específico

G [N] Peso de um fluido

m [kg] Massa

g [m/s²] Aceleração da gravidade

µ [N.s/m²] Viscosidade absoluta ou dinâmica

Ft [N] Força de tração

Vo [m/s] Velocidade inicial

τ [N.s/m²] Tensão de cisalhamento

t [ºC] Temperatura

v [m²/s] Viscosidade cinemática

P [Pa] Pressão

F [N] Força

A [m²] Área

h [m] Altura

Re ___ Número de Reynolds

D [m] Diâmetro

V [m/s²] Velocidade

F12 [PA] Perda de cargas

W12 [PA] Pressão de trabalho

Hf [Pa] Perdas por atrito

Hx [Pa] Perdas por turbulência

Rg [N.s²/m8] Resistencia da galeria

k [N.s²/m4] Fator de atrito de Atkinson

L [m] Comprimento

per [m] Perímetro

x ___ Fator de perdas por turbulência

Qg [m³/s] Vazão necessária para diluição do gás metano

Eg [m³/t] Taxa de emissão de gás

Cg [%] Máxima concentração de gás

Qp [m³/s] Vazão necessária para reduzir a concentração de poeira

Ed Taxa de emissão de poeira

Pd [t/h] Taxa de produção de minério

Cd [%] Máxima concentração de poeira

Peq [Pa] Queda de pressão equivalente

Req [N.s²/m8] Resistência equivalente

p [Pa] Queda de pressão

PTV [Pa] Pressão total do ventilador

PVV [Pa] Pressão de velocidade do ventilador

PEV [Pa] Pressão estática do ventilador

Peixo [W] Potencia no eixo do ventilador

nvt ___ Eficiência total do ventilador

nve ___ Eficiência estática do ventilador

Cos ϕ ___ Fator de potência (FP)

Qt [m³/s] Vazão total

Pt [cv] Potência dos equipamentos a diesel

nvent [%] Eficiência do sistema de ventilação

Qlavra [m³/s] Vazão de ar na frente de serviço

Qsup [m³/s] Vazão de ar retirado da superfície

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO................................................................................................................. 11

1.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES ........................................................................ 11

1.2 OBJETIVO GERAL ........................................................................................................ 12

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS........................................................................................... 12

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................... 13

2.1 MINERAÇÃO ................................................................................................................. 13

2.1.1 A mineração no Brasil................................................................................................. 13

2.2 CARVÃO MINERAL ..................................................................................................... 14

2.3 MÉTODO DE EXTRAÇÃO DO CARVÃO NO BRASIL ............................................. 16

2.4 VENTILAÇÃO ................................................................................................................ 17

2.4.1 Ventilação local exaustora .......................................................................................... 17

2.4.2 Ventilação geral diluidora .......................................................................................... 18

2.4.3 Ventilação em mina de carvão ................................................................................... 19

2.4.4 Ar atmosférico e ar poluído ........................................................................................ 21

2.5 DESLOCAMENTO DE AR ............................................................................................ 22

2.5.1 Fluido ............................................................................................................................ 22

2.5.2 Vazão [Q] ..................................................................................................................... 22

2.5.3 Massa específica [ρ] ..................................................................................................... 22

2.5.4 Peso específico [γ] ........................................................................................................ 23

2.5.5 Viscosidade ................................................................................................................... 23

2.5.6 Viscosidade absoluta ou dinâmica [µ] ....................................................................... 23

2.5.7 Viscosidade cinemática ............................................................................................... 25

2.5.8 Pressão em um fluido .................................................................................................. 25

2.5.9 Equação da continuidade ........................................................................................... 25

2.5.10 Equação de Bernoulli .................................................................................................. 26

2.5.11 Perdas de carga............................................................................................................ 26

2.5.12 Remoção do gás metano .............................................................................................. 29

2.5.13 Poeira ............................................................................................................................ 29

2.6 REDES DE VENTILAÇÃO ............................................................................................ 30

2.6.1 Circuitos em séries ...................................................................................................... 31

2.6.2 Circuitos em paralelo .................................................................................................. 31

2.7 EXAUSTORES OU VENTILADORES ......................................................................... 32

2.7.1 Tipos de ventiladores .................................................................................................. 34

2.8 LEGISLAÇÃO BRASILEIRA ........................................................................................ 36

2.9 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ......................................................................................... 37

3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS (MANTENHA O NOME) ...................... 40

4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS (MANTENHA O NOME) ............. 41

5 CONCLUSÕES (MANTENHA O NOME) .................................................................... 42

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 43

11

1 INTRODUÇÃO

Com o avanço da tecnologia, faz-se ainda mais necessária a utilização da energia

elétrica, o que acarreta o aumento do seu consumo. Uma das medidas que pode ser tomada

para a diminuição do consumo da energia elétrica é aumentar a eficiência dos equipamentos

ou a troca por outros com rendimento maior.

Dada a situação, o presente trabalho visa a melhorar a eficiência energética do

sistema de ventilação de uma mina de carvão subterrânea, obedecendo à legislação vigente da

norma regulamentadora 22 e, similarmente, à portaria do Departamento Nacional de Produção

Mineral (DNPM) por meio da norma regulamentadora de mineração 06.

Tal estudo, realizado em uma empresa1 carbonífera de Lauro Müller – SC,

consiste em levantar as perdas existentes no sistema de ventilação e o dimensionamento

correto dos ventiladores, evitando assim o desperdício no consumo da energia elétrica,

considerando que a mina possui atividades no subsolo apenas nos dias de semana. O atual

sistema de ventilação possui um exaustor principal de 400cv, instalado na superfície, que

supre com folga as normas vigentes para a ventilação.

Devido às constantes mudanças que ocorrem em uma mina subterrânea, que pode

ter sua frente de serviço (painel) mais distante ou mais próximo da entrada, pode não haver a

mesma necessidade da ventilação devido às perdas serem menores, podendo ser necessário

alterar a quantidade de ar.

1.1 JUSTIFICATIVA E CONTRIBUIÇÕES

O sistema de ventilação é considerado o principal sistema funcional em uma mina

subterrânea, pois além de garantir a segurança e o bem-estar dos trabalhadores, reflete

diretamente nos níveis de produção.

O presente trabalho torna-se relevante, visto que aumentar a eficiência da

ventilação diminuirá o desperdício no consumo de energia elétrica, reduzindo os gastos e,

consequentemente, aumentará a produção e gerará lucros à empresa.

1 Não será citado o nome da empresa por questão de sigilo.

12

1.2 OBJETIVO GERAL

- Aumentar a eficiência energética do sistema de ventilação, obedecendo às

normas regulamentadoras NR22 e NRM06 que são empregadas nas atividades de mineração

em subsolos.

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Constatar os tipos de mineração através da pesquisa literária;

- Revisar conceitos de mecânica dos fluidos a respeito do deslocamento do ar;

- Pesquisar as normas vigentes referentes à ventilação em minas;

- Compreender o funcionamento da ventilação em uma mina subterrânea;

13

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Neste capítulo, serão revisados alguns conceitos de suma importância sobre

mineração, ventilação, deslocamento de ar, ventiladores e eficiência energética. Além disso,

será apresentado um resumo das normas aplicadas à ventilação em minas de carvão.

2.1 MINERAÇÃO

É o termo utilizado para o processo de extração e beneficiamento de minerais que

se encontram em estado natural existentes no solo. Essa prática é realizada em todo o mundo,

tornando-se um setor fundamental na economia de um país, e garantindo assim, uma

constante evolução nas técnicas empregadas na mineração [1; 2].

Por se tratar de uma atividade planejada para um longo prazo, torna-se uma área

muito complexa, englobando diferentes áreas da engenharia. A técnica empregada para a

extração do minério trivialmente é denominada de método de lavra2. Os métodos de lavra

podem ser divididos em dois grandes grupos: a céu aberto e subterrânea [3].

Entende-se por mineração de lavra a céu aberto, o método utilizado quando o

minério se encontra a profundidades relativamente pequenas em relação à superfície,

geralmente a menos de 30 metros. A extração é feita por meio de máquinas de grande porte

que retiram toda a camada do solo até encontrar o minério ao qual será lavrado. As principais

técnicas utilizadas neste processo são: tiras, bancadas, minas de encostas e covas, dragagem e

lavra por dissolução [3; 4].

Na mineração de lavra subterrânea, o minério a ser extraído encontra-se a grandes

profundidades, o que não seria viável a mineração a céu aberto.

2.1.1 A mineração no Brasil

O Brasil apresenta uma grande diversidade mineral, englobando uma produção de

72 minérios diferentes, sendo 23 metálicos, 45 não metálicos e 4 energéticos. Dessa forma, o

país destaca-se no cenário da mineração mundial e tem, nesse setor, um importante pilar de

sustentação para a sua economia [5; 6].

2 Processo de extração do minério.

14

De acordo com dados do Instituto Brasileiro de Mineração (IBRAM), em 2014, a

produção mineral atingiu um total de US$ 40 bilhões, cerca de 5% do PIB industrial do país.

Já no comércio exterior, pouco mais de US$ 34 bilhões vieram das exportações de minérios

[7].

Conforme os dados de julho de 2015, do Ministério do Trabalho e Emprego

(MTE), o setor extrativo mineral brasileiro gera 214.070 empregos diretos e 770.652

indiretos. Segundo o IBRAM, em toda a cadeia industrial brasileira quase 2,7 milhões de

trabalhadores estão envolvidos de alguma forma com a atividade de mineração [7].

2.2 CARVÃO MINERAL

O carvão mineral é uma variada e complexa mistura de hidrocarbonetos formada

pela decomposição, compactação, variação de temperatura e pressão de matéria orgânica

durante milhões de anos. Sua qualidade é determinada pelo teor de carbono [8].

A Fig. 1 mostra os tipos de carvão mineral existentes e também suas reservas e

utilização.

Fig. 1 – Tipos de carvão, reservas e usos [9]

As reservas de carvão mineral são encontradas em diferentes regiões do mundo,

totalizando - aproximadamente - 894 bilhões de toneladas, como se pode ver na Tab. 2. Sendo

que 75% das reservas estão concentradas em apenas cinco países: Estados Unidos, Rússia,

China, Austrália e Índia [10].

15

Tab. 1 – Reserva de carvão mundial [10, adaptada]

DISCRIMINAÇÃO RESERVA

PAÍSES 2014

Brasil 2.771

China 144.500

Estados Unidos da América 237.295

Índia 60.600

Austrália 76.400

Indonésia 28.017

Rússia 157.010

África do Sul 30.156

Alemanha 40.548

Polônia 5.465

Cazaquistão 33.600

Ucrânia 33.873

Colômbia 6.746

Canadá 6.582

República Tcheca 1.052

Outros países 59.689

TOTAL 894.302

No Brasil, as reservas são compostas pelo carvão do tipo linhito e sub-

betuminoso. Essas reservas de carvão mineral estão localizadas nos estados do Rio Grande do

Sul (89,25% da reserva total), Santa Catarina (10,41%) e, em menor quantidade, nos estados

do Paraná (0,32%) e São Paulo (0,02%) [9; 11].

Atualmente, em nível mundial, a principal utilização do carvão é na geração de

energia elétrica, por meio de usinas termoelétricas, como é o caso da China e dos Estados

Unidos, onde a maior parte de sua matriz energética provém do carvão mineral. Em segundo

lugar é empregado na indústria siderúrgica como matéria-prima para fabricação de aço e

ferro, e também é utilizado para geração de calor em processos de secagem, na indústria

química entre outras.

Segundo o DNPM, o consumo por carvão mineral no Brasil encontra-se

distribuído nos seguintes setores: geração de energia elétrica (80,3%), indústria de papel e

celulose (4,8%), cerâmicos (4,5%), alimentos (3,6%), cimento e petroquímica (2,4%),

siderurgia e metalurgia (1,7%), e outros (0,3%) [10].

16

O meio tradicional para a geração de energia é através da combustão. Tal processo

contribui para o aquecimento global, entretanto, novas pesquisas e tecnologias estão sento

realizadas nessa área para minimizar os impactos.

Algumas dessas tecnologias já estão em uso comercial, como a utilização de

novas ligas de altas temperaturas e resistência, permitindo assim, a elevação da temperatura e

pressão no interior da caldeira e, dessa forma, aumentando em até 25% a eficiência do

processo [12].

Pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) combinarão duas

tecnologias a gaseificação do carvão com uma célula combustível em um único sistema,

promovendo a geração de energia por meio de reação eletroquímica e não por combustão do

carvão [13].

2.3 MÉTODO DE EXTRAÇÃO DO CARVÃO NO BRASIL

No Brasil, a mineração do carvão dá-se por meio de dois métodos: método por

lavra a céu aberto e método por lavra subterrânea.

No método de lavra subterrânea, a técnica aplicada é o de câmaras e pilares,

mostrado na Fig. 2 [14].

Fig. 2 – Técnica de câmaras e pilares [15]

17

Nesse método, o carvão é extraído de forma horizontal, deixando partes do

mesmo de modo a formar pilares quadrados ou retangulares para suportarem o teto. A

dimensão das câmaras e pilares depende de vários fatores dentre eles: a profundidade que se

encontra o material e a estabilidade do teto.

O conjunto de inúmeras câmaras e pilares é denominado de painéis, onde está

localizada a frente de trabalho.

2.4 VENTILAÇÃO

É o processo de renovação do ar de um determinado recinto. Os objetivos

principais da ventilação é garantir a segurança e o bem-estar físico dos trabalhadores.

Mediante ao controle e a pureza do ar, mantém-se os níveis aceitáveis dos contaminantes,

temperatura e umidade, e a prevenção de explosões devido ao acúmulo de gases inflamáveis

[16].

Essa troca de ar pode ser feita de duas formas: ventilação natural, quando ocorre

por meio dos ventos e gradientes de temperaturas, ou através de ventilação mecânica, onde

são induzidas por meio de equipamentos mecânicos que geram uma diferença de pressão.

A ventilação mecânica, segundo Costa, pode ser classificada em dois grandes

grupos: ventilação local exaustora (VLE) e ventilação geral diluidora (VGD) [16].

2.4.1 Ventilação local exaustora

O princípio consiste em capturar os agentes contaminantes onde são gerados,

evitando assim, que esses contaminantes se espalhem pelo restante do ambiente.

O sistema VLE é mais eficiente e econômico para o controle do ar nos ambientes

de trabalho, por necessitar de uma quantidade menor de ar [17].

A Fig. 3 demostra os componentes de uma instalação VLE.

18

Fig. 3 – Componentes de uma ventilação local exaustora [16, adaptada]

Sendo:

1) Captores: São os dispositivos colocados próximo as fontes de contaminação do

ar.

2) Coletor: Responsável por reter as partículas contaminantes, evitando assim a

liberação direta dessas partículas ou gases para a atmosfera.

3) Ventilador: Encarregado de fornecer a energia necessária para que ocorra o

deslocamento do ar dentro dos dutos.

4) Dutos: Incumbidos de conduzir o ar contaminado ao longo de todo o sistema de

ventilação [16].

2.4.2 Ventilação geral diluidora

O sistema VGD consiste em minimizar a concentração dos contaminantes por

meio da diluição do ar limpo (externo) com o ar viciado contido no ambiente de trabalho,

sendo que, dessa forma, todo o ambiente é ventilado e pode-se ter o controle da temperatura,

da umidade e da velocidade do ar [18].

No entanto, nesse sistema VGD, a quantidade de ar necessário para ventilar todo o

ambiente é muito maior do que a utilizada no sistema VLE.

19

A ventilação geral diluidora pode ser feita por meio de insuflamento, exaustão ou

uma combinação dos dois, como mostra a Fig. 4.

Fig. 4 – Esquema de ventilação geral diluidora por insuflamento e exaustão [16, adaptada]

Sendo:

1) Entrada de ar externo.

2) Dutos de entrada de ar.

3) Filtro.

4) Ventilador de insuflamento.

5) Dutos de insuflamento.

6) Bocas de insuflamento.

7) Bocas de saída.

8) Dutos de saída.

9) Ventilador de aspiração.

10) Descarga do ar para o exterior [16].

2.4.3 Ventilação em mina de carvão

O sistema de ventilação de uma minha subterrânea de carvão é composto pelo

circuito de ventilação principal e pelo circuito auxiliar de ventilação [19].

A Fig. 5 mostra o sistema de ventilação de uma mina de carvão.

20

Fig. 5 – Componentes do sistema de ventilação de uma mina [19, adaptada]

A ventilação principal é composta por:

1) Exaustor principal: localizado na superfície e é responsável por gerar um

gradiente de pressão ao longo de todo o trajeto da mina, levando o ar da superfície (ar fresco),

até a frente de trabalho pelas vias de entrada e retirando o ar viciado da frente de serviço para

a superfície pelas vias de retorno.

2) Tapumes: construídos em forma de paredes separando as vias de entrada e

retorno de ventilação.

3) Portas de acesso: onde há necessidade de acesso entre as vias se faz o uso de

portas articuladas.

As portas de acesso, localizadas no trajeto onde há uma grande diferença de

pressão entre as duas vias, são montadas em um conjunto formado por duas portas, formando

uma câmara de descompressão [19].

4) Barragem ou selos: método usado para lacrar os painéis onde já foi minerado e

não serão mais utilizados. Essas barragens devem ser resistentes a explosões e à prova de

fogo.

E o circuito auxiliar é composto por:

5) Exaustores: responsáveis por manter e conduzir a corrente de ar ao longo de

todo o painel.

6) Ventiladores com dutos: encarregado de conduzir o fluxo de ar da corrente

principal até à frente de serviço.

21

2.4.4 Ar atmosférico e ar poluído

O ar atmosférico apresenta uma mistura de gases, onde, em condições normais,

apresenta os valores da Tab. 2 para a composição volumétrica3 e para a composição

gravimétrica4.

Tab. 2 - Composição do ar atmosférico [16, adaptada]

SUBSTÂNCIAS

COMPOSIÇÃO

VOLUMÉTRICA

(%)

COMPOSIÇÃO

GRAVIMÉTRICA

(%)

N2 – Nitrogênio 78,03 76,45

O2 – Oxigênio 20,99 22,72

CO2 – Gás Carbônico 0,03 0,05

H2O – Água (vapor) 0,47 0,3

Outros gases 0,48 0,49

O ar, mesmo considerado puro, muitas vezes, apresenta, além das substâncias

mencionadas na Tab. 2, pequenas quantidades de poeira, além de conter possíveis bactérias. A

alteração dos valores dessa composição acarreta a contaminação e poluição do ar [16].

Quando o ar em um ambiente apresenta propriedades físicas e químicas que são

nocivas à saúde, esse ambiente é denominado de insalubre.

A Tab. 3 foi adaptada de Hartman (2012) e mostra a consequência da baixa

concentração de oxigênio para o homem [20].

Tab. 3 – Composição do ar atmosférico [20, adaptada]

Oxigênio (%) Efeito

17 Respiração mais rápida e profunda

15 Tonturas, zumbidos nos ouvidos e taquicardia

13 Possível perda de consciência com a exposição prolongada

9 Desmaio

7 Risco de morte

6 Convulsões e morte

3 Composição volumétrica [%] é obtida por meio da razão entre o volume de uma substância pelo volume total

da mistura.

4 Composição gravimétrica [%] está relacionada ao peso.

22

2.5 DESLOCAMENTO DE AR

Denomina-se deslocamento de ar o movimento de uma certa massa ao longo de

um caminho. No item 2.5, serão apresentados alguns conceitos sobre mecânica dos fluidos

relacionados ao deslocamento de ar.

2.5.1 Fluido

O fluido é uma substância que quando submetido a uma tensão de cisalhamento

(tangencial) se deformam continuamente, não importando a quão pequena seja essa força

[21].

2.5.2 Vazão [Q]

Define-se vazão em volume como sendo o volume de um fluido que atravessa a

seção transversal do escoamento por unidade de tempo. Podendo ser calculada pela seguinte

equação [21]:

[m³/s] (1)

2.5.3 Massa específica [ρ]

É a razão entre uma massa de fluido pelo volume ocupado.

Para o ar que se encontra a uma temperatura de 25°C e uma pressão atmosférica

de 101,3 kPa (nível do mar), a massa específica é da ordem de 1,2 kg/m3.

Grande parte das medidas em sistemas de ventilação são baseadas no volume de

ar que atravessam uma dada secção transversal por unidade de tempo (Q em m³/s), no entanto,

é preferível se trabalhar em termos de fluxo de massa, isto é, a massa de ar que atravessa a

secção transversal em um segundo (kg/s) [19].

Portanto:

[kg/m³] (2)

23

Para sistemas de ventilação em minas subterrâneas, consegue-se uma precisão

aceitável assumindo ρ constante [19].

2.5.4 Peso específico [γ]

É o peso (G) de um fluido por unidade de volume ( ):

[N/m³] (3)

2.5.5 Viscosidade

Viscosidade é a resistência de um fluido as forças cisalhantes que atuam sobre ele,

ou seja, está relacionada à dificuldade maior ou menor desse fluido de escoar por um meio

[22].

Referente a gases, a viscosidade é originada pelo choque entre as moléculas e está

diretamente relacionada à temperatura. Com o aumento da temperatura, as moléculas dos

gases tendem a se afastar umas das outras, facilitando assim o escoamento.

2.5.6 Viscosidade absoluta ou dinâmica [µ]

A Fig. 6 demonstra o funcionamento da viscosidade dinâmica, que acontece em

dois momentos:

No primeiro momento, mantém-se a placa inferior parada e aplica-se uma força

(Ft) à placa superior, que será acelerada atingindo uma velocidade (V0), fazendo com que o

fluido junto à placa superior se desloque a mesma velocidade, enquanto que o fluido contido

junto à placa inferior se manterá em repouso. As camadas intermediárias de fluido deverão se

adaptar às camadas externas adquirindo velocidade que vai de zero até V0 [22].

Na segunda situação, observa-se que a diferença entre as velocidades relativas (V1

– V2) das camadas gera tensões de cisalhamento (τ), as quais, segundo Newton, em muitos

fluidos essa tensão é proporcional ao gradiente da velocidade [22].

24

Fig. 6 – Viscosidade dinâmica [22, adaptada]

Portanto, a viscosidade, segundo a lei de Newton, é determinada pela fórmula

abaixo:

[N.s/m²] (4)

Onde dv/dy é o gradiente da velocidade mostrado na Fig. 8.

Fig. 7 – Gradiente de velocidade [22, adaptada]

Como as moléculas tendem a se manter imóveis nas tubulações, para que haja o

deslocamento do fluido, é necessário aplicar energia para que consiga escoar ao longo da

tubulação.

Em conformidade com Mcpherson, a temperatura influencia na viscosidade

dinâmica de um fluido. No caso do ar, pode ser determinada pela fórmula a seguir [19]:

[N.s/m²] (5)

Onde t é a temperatura em °C numa escala de 0°C a 60°C.

25

2.5.7 Viscosidade cinemática

É a resistência imposta pelo fluido para impedir seu próprio deslocamento.

Calculada pela fórmula mostrada na Eq. (6):

[m²/s] (6)

No caso do ar, é da ordem de 1,5x10-5 m²/s.

2.5.8 Pressão em um fluido

Um fluido pode ser submetido em apenas dois tipos de esforços, compressão e

cisalhamento. Os esforços por cisalhamento estão relacionados à taxa de deformação do

fluido, enquanto os esforços de compressão são responsáveis pela variação do volume

ocupado pelo fluido, sendo caracterizados em compressível e incompressível [18].

A pressão sobre um fluido pode ser determinada pela Eq. (7), sendo a força (F) em

N, aplicada sobre uma área (A) em m², de uma determinada superfície. Sendo também obtida

por meio do produto entre: a massa específica em kg/m³, a aceleração da gravidade (g) em

m/s² e a altura (h) da coluna dada em metros.

[Pa] (7)

2.5.9 Equação da continuidade

O fluxo de massa que escoa por um sistema de ventilação sem vazamentos é

constante e determinado pela Eq. (9), conhecida como equação da continuidade [18].

(9)

Onde Vi é o módulo da velocidade em m/s, A é a área onde escoa o fluido com a

velocidade Vi em m² e é o fluxo de massa em kg/s.

26

Da Eq. (9), adotando que a densidade específica e o fluxo de massa são

constantes, obtém-se a Eq. (10).

[m³/s] (10)

2.5.10 Equação de Bernoulli

Tal equação é de fundamental importância para o estudo de fluxo de fluido.

Permite verificar as relações entre as variáveis de pressão (P), velocidade (V) e altura (h) [22].

A Eq. (11) é conhecida como a equação de Bernoulli para um fluido a condições

ideais, ou seja, sem atrito e com densidade constante [19].

(11)

No entanto, para condições reais onde há perdas, a Eq. (11) passa a ter mais dois

termos referentes. Um às perdas de carga denominado de F12 e outro referente ao trabalho do

eixo por unidade de massa W12 mostrada na Eq. (12) [19].

(12)

2.5.11 Perdas de carga

As perdas de carga representadas pelo termo F12, na Eq. 12 estão relacionadas a

duas condições distintas:

Por atrito do fluido (Hf) contra as superfícies;

E por turbulência (Hx) no escoamento do fluido.

As perdas por atrito correspondem, segundo Mcpherson, acerca de 70% da perda

total e podem ser calculadas por meio da equação de Atkinson, mostrada na Eq. (13) [19].

[Pa] (13)

27

Sendo R conhecido como a resistência da galeria ou resistência de Atkinson em

N.s2/m8 e Q a vazão de volume de fluido que atravessa a sessão transversal da galeria em

m3/s.

A resistência da galeria é obtida pela Eq. (14).

[N.s2/m8] (14)

Onde Rg é a resistência de Atkinson, k é o fator de atrito de Atkinson dado em

N.s2/m4de acordo com a Tab. 4, L e per são respectivamente o comprimento e o perímetro da

galeria em metros, A é a área da secção transversal da galeria em m2 e ρ é a massa específica

do fluido em kg/m3.

Tab. 4 – Fator de atrito de Atkinson [20, adaptada]

TIPO DE

GALERIA

RETILÍNEA SINUOSA

Limpa Pouco

obstruída

Moderadamente

obstruída Limpa

Pouco

obstruída

Moderadamente

obstruída

Acabamento

suave 0,0046 0,0052 0,0061 0,0055 0,0069 0,0076

Desmonte

convencional 0,008 0,0091 0,011 0,011 0,0121 0,014

Com

escoramento

de madeira

0,012 0,0134 0,015 0,016 0,0164 0,017

As perdas por turbulência Hx podem ser calculadas pela Eq. (15)

[Pa] (15)

Onde: X é o fator de perdas por turbulência adimensional, ρ é a massa específica

do fluido em kg/m3 e A é a área em m².

O fator x é determinado através de gráficos, as principais configurações estão

mostradas abaixo:

Curva 90º com secção retangular.

28

Fig. 8 – Fator de perda para curvas em ângulo reto e secção retangular [19]

Curva diferente de 90º com secção retangular.

Fig. 9 – Fator de perda para curvas com ângulo diferente de 90º e secção retangular [19]

Entrada com arestas de cantos vivos.

Fig. 10 – Fator de perda para entrada com arestas de cantos vivos [19]

29

Entrada com arestas arredondadas.

Fig. 11 – Fator de perda para entrada com arestas arredondadas [19]

2.5.12 Remoção do gás metano

O metano (CH4) é o gás inflamável mais frequente em minas de carvão,

encontrado também em minas de calcário, potássio e xisto betuminoso e em menores

quantidades em minas de cobre, ferro, ouro e prata. É altamente inflamável, incolor, inodoro,

insípido, atóxico e mais leve que o ar se concentrando no teto das galerias [20].

Em minas de carvão, o metano é encontrado em fissuras e fendas entre as camadas

de carvão e também absorvido no próprio carvão. A vazão necessária para que haja a remoção

pode ser calculada pela Eq. (16) [19].

[m³/s] (16)

Onde Qg é a vazão necessária para a diluição do gás metano, Eg é a taxa de

emissão de gás em m³/t e Cg é a máxima concentração de gás permitida por lei em percentual

de volume.

2.5.13 Poeira

Poeira é a dispersão de partículas solidas no ar. No caso de minas de carvão,

partículas de poeiras inferiores a 5µm podem causar problemas pulmonares graves enquanto

partículas maiores apresentam menor risco, pois, não estão suspensas no ar [19].

A Eq. (17) permite o cálculo da vazão necessária para diminuir a concentração de

poeira presente no ar [26].

30

[m³/s] (17)

Onde Qp é a vazão necessária para reduzir a concentração de poeira no ar, Ed é a

taxa de emissão de poeira, Pd é a taxa de produção do minério e Cd é a máxima concentração

de poeira permitida por lei.

2.6 REDES DE VENTILAÇÃO

Qualquer sistema de ventilação pode ser representado como um circuito elétrico

obedecendo as leis de Kirchhoff e a primeira lei de Ohm [19].

Em circuitos de ventilação, ao se fazer a analogia da primeira lei de Kirchhoff,

afirma-se que o fluxo de massa que entra em um determinado cruzamento é igual ao fluxo de

massa que sai desse mesmo cruzamento com sinal inverso, ou seja, o somatório dos fluxos de

massa em um cruzamento será igual a zero como mostrado na Eq. (18):

(18)

Em sistemas de ventilação para minas com altura inferior a 500 metros de

profundidade, pode-se considerar a massa específica do ar constante, resultando na Eq. (19)

[19].

(19)

Com o auxílio da segunda lei de Kirchoff aplicada a circuitos de ventilação, tem-

se que a soma algébrica de todas as quedas de pressão em um circuito fechado deve ser igual

a zero de acordo com a Eq. (20).

(20)

Porém, a aplicação direta das leis de Kirchhoff para grandes sistemas de

ventilação de minas resultara em centenas de equações. Com isso, faz-se necessário o uso de

computadores com softwares apropriados [19].

31

2.6.1 Circuitos em séries

Nessa configuração, o ar passa ao longo de um único caminho como mostra a Fig.

12:

Fig. 12 - Associação em série [19]

Pode-se obter as quedas de pressão (p) por meio da Eq. (21) [19].

[Pa] (21)

Para esse tipo de circuito, a queda de pressão equivalente (Peq) e a resistência

equivalente (Req) são dadas pelas Eq. (22) e Eq. (23), respectivamente [19].

[Pa] (22)

[N.s²/m8] (23)

2.6.2 Circuitos em paralelo

Num circuito em paralelo, o deslocamento de ar se faz por meio de mais

caminhos, simultaneamente, como mostrado na Fig. 13 [19].

Fig. 13 – Associação em paralelo [19]

A queda de pressão (p) é determinada pela Eq. (24).

32

[Pa] (24)

Portanto, como a vazão final é o somatório das vazões de cada caminho dado pela

Eq. (25) e por meio de simplificações matemáticas, obtém-se a Eq. (26).

[m³/s] (25)

[m³/s] (26)

Onde a resistência equivalente é obtida pela Eq. (27) [19].

(27)

2.7 EXAUSTORES OU VENTILADORES

É chamado de exaustor um ventilador quando o mesmo está trabalhando de forma

a exaurir o ar de um local.

Para que ocorra o escoamento do ar pelo sistema de ventilação, é necessário um

gradiente energético, o qual é criado por meio de ventiladores ou exaustores [23].

São estruturas mecânicas destinadas a transformar energia mecânica de rotação

aplicada ao eixo com pás, em aumento de pressão do ar [18].

A Fig. 14 mostra as pressões existentes num ventilador.

Fig. 14 – Esquema das pressões existentes em um ventilador [19]

33

Sendo:

PT a pressão total;

PV a pressão de velocidade;

PE a pressão estática;

PTV pressão total do ventilador obtida pela Eq. (28);

[Pa] (28)

PVV pressão de velocidade do ventilador encontrada pela Eq. (29) ou pela Eq.

(30);

[Pa] (29)

[Pa] (30)

PEV pressão estática do ventilador obtida pela Eq. (31).

[Pa] (31)

Para que ocorra o escoamento do ar, é necessária uma potência aplicada ao eixo

do ventilador denominada de Peixo, expressa pelas Eq. (32). E, no caso de se trabalhar com

pressão total, ou pressão estática pela Eq. (33) [18].

[W] (32)

[W] (33)

No caso de o acionamento ser efetuado por um motor de indução trifásico, a

potência do eixo do motor será a mesma potência do eixo do ventilador, como mostra a Eq.

(34) [18].

34

[W] (34)

Sendo: Q a vazão em m³/s, PTV a pressão total do exaustor em Pa, PEV é a

pressão estática do exaustor em Pa, nvt é a eficiência total do ventilador e nve é a eficiência

estática do ventilador [18].

A Tab. 5 relaciona as variáveis de rotação (n) em rpm, densidade do ar (ρ)em

kg/m³ e diâmetro do rotor(D) em metros com as variáveis de vazão (Q) em m³/s, pressão

estática (PEV) em Pae potência do eixo (Peixo) em Watts, conhecida como leis dos

ventiladores [23].

Tab. 5 – Composição do ar atmosférico [23, adaptada]

Variando a rotação (n) Variando a densidade do ar (ρ) Variando o diâmetro (D)

As leis dos ventiladores podem ser escritas e demonstradas por meio das seguintes

equações [19]:

(35)

(36)

(37)

2.7.1 Tipos de ventiladores

De modo geral, existem dois tipos de ventiladores: os axiais e os centrífugos.

Os ventiladores axiais são constituídos por uma carcaça cilíndrica e um conjunto

de rotor com pás aerodinâmicas que fazem o fluxo de ar se deslocar no sentido axial (paralelo

35

ao eixo) ao ventilador. Ventiladores axiais comparados com ventiladores centrífugos

apresentam eficiências menores e níveis de ruídos maiores [18].

A Fig. 15 mostra dois modelos de ventiladores axiais, o primeiro denominado de

propulsor na Fig. 15a e o segundo na Fig. 15b, conhecido como turbo axial.

Fig. 15 – Modelos de ventiladores axiais e suas curvas características [18]

Em ventiladores centrífugos, o fluxo de ar é radial a estrutura. Eles são formados

por uma carcaça, um rotor com pás acionado por um motor. O fluxo de ar entra pelo centro do

rotor que com o movimento é deslocado pelas pás até a saída.

Apresentam um rendimento maior que os ventiladores axiais e níveis de ruídos

mais baixos [18].

De acordo com o arranjo das pás, os principais tipos de ventiladores centrífugos

são:

De pás radiais, mostrado na Fig. 16. Permite movimentar ar com grande carga

de poeira e uma baixa eficiência comparado aos outros dois tipos [18];

Fig. 16 – Ventilador centrífugo de pás radiais e sua curva característica [18]

36

De pás voltadas para frente, exibido na Fig. 17. Não é indicado para trabalhar

com poeira, porém, sua eficiência é maior se comparado ao de pás retas [18];

Fig. 17 – Ventilador centrífugo de pás inclinadas para frente e sua curva característica[18]

De pás voltadas para trás, como mostra a Fig. 18. Apresenta uma alta eficiência

e autolimitação de potência, mas não é adequado para trabalhar com poeira [18].

Fig. 18 – Ventilador centrífugo de pás inclinadas para trás e sua curva característica[18]

2.8 LEGISLAÇÃO BRASILEIRA

No Brasil, as atividades de mineração são regulamentadas pela NR 22. O item

número 24 da norma se encontra as condições necessária para um sistema de ventilação de

uma mina subterrânea.

Segundo a NR 22, uma mina subterrânea deve conter um sistema de ventilação

mecânico que: a) supra o oxigênio até o ambiente de trabalho; b) renovação contínua do ar; c)

diluição de gases inflamáveis, nocivos e da poeira; d) mantenha os níveis de temperatura e

umidade adequados ao trabalho humano; e e) ser mantido operando de forma contínua [24].

De acordo com a norma regulamentadora para minas de carvão, a velocidade do

ar onde há circulação de pessoas deverem estar ente 0,2 m/s e 10 m/s, no caso da galeria ser

utilizada apenas para ventilação a velocidade poderá ser superior a 10 m/s [24].

37

No local de trabalho e onde há transito de pessoas, a concentração de oxigênio não

pode estar abaixo dos 19% em volume [24].

Ainda em conformidade com a NR 22, a vazão ar fresco mínima para cada frente

de trabalho é de 6 m³/min por pessoa e, para o último travessão arrombado, a vazão deverá ser

superior a 250 m³/min [24].

Segundo a portaria nº. 732 de maio de 2014 da NR 22, para minas de carvão que

utilizam veículos e equipamentos a óleo diesel, a vazão de ar fresco na frente de trabalho

deverá ser aumentada em 3,5 m³/min para cada cavalo-vapor (cv) de potência instalada. No

caso de uso simultâneo de veículos e equipamentos, a vazão de ar fresco será calculada pela

Eq. (38) [24].

[m³/min] (38)

Onde: QT é a vazão total, Pt1 é a potência em cv do equipamento de maior

potência em operação, Pt2 é a potência em cv do equipamento de segunda maior potência em

operação e Ptn é a somatória da potência dos equipamentos restantes em operação em cv.

A vazão total de ar fresco para uma mina de carvão que utiliza veículos e

equipamentos a óleo diesel será o somatório das vazões citadas acima [24].

Enquanto há presença de pessoas trabalhando na frente de serviço, a ventilação

auxiliar não deve ser desligada [24].

2.9 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

A eficiência energética consiste em adotar processos e equipamentos mais

eficientes para diminuir o desperdício no consumo da energia elétrica, mantendo a mesma

qualidade [25].

Por meio das variáveis nvt (eficiência total do ventilador) e nve (eficiência estática

do ventilador), obtidas mediante as Eq. (32) e Eq. (33), pode-se determinar a eficiência

energética, ou seja, o quanto da potência elétrica aplicada ao motor do ventilador está sendo

convertida em deslocamento do ar.

Entretanto, a eficiência de um determinado sistema de ventilação está relacionada

entre a vazão de ar que chega na frente de serviço (Qlavra) com a vazão de ar retirado da

superfície (Qsup), o qual é determinado pela Eq. (39) [26].

38

[%] (39)

Segundo Mcpherson, a eficiência do sistema de ventilação em minas subterrâneas

pode variar de 10% até 75% [19].

Há inúmeros fatores que contribuem para uma baixa eficiência do sistema de

ventilação, dentre os principais estão a extensão da mina, pressão do exaustor principal e

obstruções parciais das galerias utilizadas na ventilação [26].

Ventiladores axiais apresentam rendimentos na faixa dos 80% quando instalados

corretamente [27].

Alguns fatores influenciam diretamente no preço da fatura paga por uma empresa,

dentre eles: a demanda, a energia consumida e o fator de potência da carga.

O levantamento do consumo de energia dos equipamentos e suas rotinas de

trabalho são as atividades mais importantes num estudo de eficiência energética. É necessário

o conhecimento do processo igualmente como trabalha cada equipamento. Em motores

elétricos, as perdas internas variam entre 5% e 20% [25].

No entanto, superdimensionamento de um motor elétrico contribui para sua

ineficiência além de diminuir de forma significante o fator de potência [25;28].

Para se ter o melhor rendimento de um determinado motor, o mesmo deve

trabalhar utilizando mais de 75% da sua potência nominal. A adequação de potência de

motores pode gerar economias de até 14% no consumo de energia elétrica [28].

Com o uso de inversores de frequência para controlar a velocidade dos

ventiladores, por meio da frequência de alimentação do motor. Quando o inversor diminui a

frequência de alimentação do motor, faz sua rotação diminuir e, consequentemente, o

consumo de energia elétrica será menor, pois a quantidade de ar a ser deslocada será menor

também [27].

O fator de potência (FP), também conhecido como cos ϕ, é um índice

adimensional que indica a relação entre as potências ativa, aparente e reativa, consumidas por

um equipamento.

A potência ativa dada em kW é responsável por realizar trabalho. Enquanto a

potência reativa em kVAR é utilizada por cargas indutivas para gerar e manter os campos

eletromagnéticos. A soma vetorial das potências ativa e reativas é denominada de potência

39

aparente em kVA. Essas potências estão relacionadas ao triângulo de potência mostrado na

Fig. 19.

Fig. 19 – Triângulo de potência[18]

O fator de potência pode ser obtido utilizando a Eq. (40).

[adimensional] (40)

40

3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Nesta etapa, você deverá descrever como foi realizada a pesquisa, ou seja, como

foi executada: quantitativa, qualitativa, descritiva, explicativa e/ou exploratória. A

Metodologia é a explicação minuciosa, detalhada, rigorosa e exata de toda ação desenvolvida

no método (caminho) do trabalho de pesquisa.

É a explicação do tipo de pesquisa, do instrumental a ser utilizado (questionário,

entrevista etc), do tempo previsto, da equipe de pesquisadores e da divisão do trabalho, das

formas de tabulação e tratamento dos dados, enfim, de tudo aquilo que se utilizou no trabalho.

Não se esqueça de delimitar:

a) Método de abordagem

Forma(s) de abordagem teórica da pesquisa.

Exemplo: método de abordagem dedutiva (do geral para o específico); indutiva

(do particular para o gera); dialética (contraposição de ideias).

b) Técnicas de pesquisa

Técnicas que serão utilizadas para a coleta de dados e para a análise dos mesmos.

Exemplo: revisão bibliográfica; análise de dados técnicos; análise de relatórios.

Em caso de dúvidas, consulte livros de Introdução à Metodologia Científica.

Você os encontrará na biblioteca da Instituição. Sugestão de autor: Fabio Rauen.

41

4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS (MANTENHA O NOME)

Nesta etapa, você analisará os dados obtidos na pesquisa e mostrará os resultados

obtidos. Para iniciar a escrita, questione: Como os dados coletados serão analisados?

A partir da sua resposta, procure confirmar ou refutar hipótese anunciada,

sintetizando os resultados obtidos.

42

5 CONCLUSÕES (MANTENHA O NOME)

Etapa esta que servirá para você evidenciar as conquistas alcançadas com o estudo

e indicar as limitações e as reconsiderações. Além disso, você poderá apontar a relação entre

fatos verificados e teoria e mostrar a contribuição da pesquisa para o meio acadêmico,

empresarial e/ou para o desenvolvimento da ciência e tecnologia. Além disso, você poderá

sugerir temas complementares a sua pesquisa para estudos futuros.

Responda aqui a sua pergunta-problema de pesquisa (esta que deve estar presente

na introdução).

43

REFERÊNCIAS

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