carneiro hidráulico

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FEDERAÇÃO DAS INDÚSTRIAS DO ESTADO DA BAHIA 
CURSO TÉCNICO EM MECÂNICA – SENAI
PROJETO HIDRÁULICO PARA BOMBEAMENTO DE ÁGUA SEM UTILIZAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, USANDO SOMENTE ENÈRGIA MECÂNICA.
CAMAÇARI, BA
2021
 
FEDERAÇÂO DAS INDÚSTRIAS DO ESTADO DA BAHIA
CURSO TÈCNICO EM MECÂNICA – SENAI
Trabalho da disciplina Projeto final de curso – PFC, Apresentado
Ao Curso Técnico em Mecânica, da instituição SENAI
Como requisito parcial avaliativo.
Orientador
CAMAÇARI-BA
2021
Resumo
A utilização do carneiro hidráulico como opção para bombeamento representa uma das aplicações hidráulica largamente utilizada, onde se dispõe de uma fonte de água. Este estudo tem como objetivo a construção de um carneiro hidráulico bombeie água sem utilizar energia elétrica, utilizando tubos e conexões de Policloreto de Vinila (PVC). Também chamado de bomba de aríete hidráulico, trata-se basicamente de um aparelho muito simples e de grande utilidade para o fornecimento de água, principalmente em pequenas propriedades rurais, com usos em irrigação e abastecimento para animais, sendo definido como um aparelho de elevação de água com energia própria. Dentre as principais vantagens desse aparelho, vale destacar sua capacidade operacional que pode operar 24 horas por dia em regime permanente de escoamento, além disso, apresenta rendimento com variação entre 50 a 80%, ou seja, tem mais de metade da água escoada elevada, apresentando como pontos altos, os gastos com manutenção desprezíveis e o custo de implantação baixo, tornando-o extremamente viável. Entretanto, existem variáveis que devem ser estudadas para que se torne possível a instalação do carneiro hidráulico, sendo elas a presença de fonte de água com queda superior a um metro, água limpa para que não ocorra o entupimento das tubulações e vazão expressiva.
Sumário
Resumo...................................................................................................3
Sumário....................................................................................................4
1 Introdução..............................................................................................5
 1.1 Apresentações do Trabalho..................................................................5
1.2 Objetivos Gerais....................................................................................6
1.3 Objetivos específicos..............................................................................6
2. Fundamentação Teórica...........................................................................6
2.1 Energias Renováveis.............................................................................. 6
2.2 Energias Hidráulicas.................................................................................7
2.3 Carneiro Hidráulico.................................................................................8 
2.4 Componentes de um Carneiro Hidráulico...............................................9
2.4.1 Válvula de Sucção................................................................................10
2.4.2 Válvula de Retenção............................................................................11
2.5 Energia Cinética......................................................................................12
2.7 Policloreto de Vinila (PVC)......................................................................14
3. Metodologia.............................................................................................15
3.1 Matérias..................................................................................................15
3.2 Montagem...............................................................................................20
3.3 Onde o carneiro Hidráulico pode ser instalado.......................................21
3.4 Carneiro Hidráulico em Funcionamento...................................................23
4. Conclusões..................................................................................................24
5. Referências..................................................................................................26
Introdução
1.1 Apresentações do Trabalho
O carneiro hidráulico ou bomba de aríete é um mecanismo mecânico que trabalha de forma intermitente transportando água de um nível para outro sem a utilização de energia elétrica. Trata-se de um aparelho bastante simples na sua construção e que é bastante utilizado em fazendas. Uma vez instalado pode operar por 24 (vinte e quatro) horas por dia e tem baixo custo de manutenção, assim como também a baixa necessidade de ocorrer manutenção, podendo assim ter uma vida útil elevada.
 O aparelho funciona com o golpe de aríete que ocorre quando a água chega numa grande velocidade fazendo com que a válvula de sucção tenha um fechamento abrupto e gerando assim uma sobre pressão o que faz com que a água seja elevada pelo sistema. A utilização deste aparelho em fazendas é muito comum já que ele é totalmente limpo e não necessita de energia elétrica para seu funcionamento ocorrer. 
O carneiro trabalha somente com a energia potencial e a energia cinética geradas pela queda d’água. Como a fonte de energia do carneiro é a água e a mesma é considerada uma fonte renovável de energia pode considerar o carneiro como sendo um mecanismo que não degrada o meio ambiente para realização do seu trabalho. O efeito que o carneiro hidráulico causa ao meio ambiente é mínimo. O carneiro hidráulico ou bomba de aríete apresenta dois tipos de rendimentos distintos.
 O rendimento volumétrico, onde é calculado com base nas vazões de alimentação e a vazão de recalque. Normalmente esse rendimento apresenta uma variação entre 30 e 50%. Já o outro rendimento do carneiro hidráulico é o rendimento de Rankine que é calculado levando em consideração tanto as vazões de alimentação e vazão de recalque como também as alturas dos desníveis do local de alimentação do carneiro até o local onde será depositada a água elevada pelo equipamento. Já esse rendimento costuma ter uma variação entre 50 a 80%. 
Neste presente trabalho só iremos abordar o rendimento volumétrico, verificando como se comporta o carneiro hidráulico com as variações das vazões de alimentação, para se chegar a uma conclusão de qual seria uma boa vazão e qual apresentaria um mínimo de desperdício possível. 
Este trabalho foi proposto a fim de dissertar sobre como é feita a construção do protótipo, realizar experimentos para verificar seu rendimento volumétrico assim como mostrar a importância de ter instrumentos limpos nos dias atuais.
1.2 Objetivos Gerais 
Demonstrar a viabilidade de utilização de um carneiro hidráulico Bombeamento da água recalcar de baixo para cima, sem energia elétrica 
1.3 Objetivos específicos 
· Projetar um carneiro hidráulico para bombeamento de água sem utilizar fonte de energia elétrica.
· Testar o carneiro hidráulico fabricado.
2 Fundamentação Teórica
2.1 Energias Renováveis
 Umas das fontes renováveis mais presentes em nosso planeta é a água. O carneiro hidráulico é um mecanismo que utiliza essa fonte para a geração de energia mecânica para o seu funcionamento, assim como transporta água para o seu destino final. Em uma visão holística compreende-se que o termo energia renovável é amplamente utilizado para expressar e descrever as fontes de energia que estão disponíveis na natureza na forma cíclica ou continua. 
Estas fontes de energia também conhecidas por fontes renováveis podem ser utilizadas na produção de energia elétrica, gerando assim eletricidade para uma gama de aplicações. A eletricidade gerada por essas fontes renováveis apresentam diversas finalidades, como produção de combustíveis, setor industrial, setor agrário, maquinário, uso diário pela população, entre outras aplicações. 
O investimento dos países em busca de ampliar e inserir as fontes renováveis de energia na matriz energética é primordial e vem crescendo a cada ano. Visto que as conhecidas fontes não-renováveis como o petróleo, por exemplo,tem seu esgotamento e um alto grau de poluição do meio ambiente. 
É de suma importância o aumento da participação das fontes renováveis de energia na produção energética de um país já que estas fontes não apresentam esgotamento e são bem menos poluentes se comparadas às fontes não-renováveis. A fonte renovável – eólica, solar, biomassa, pequena central hidrelétrica (PCH), usinas hidrelétricas - tem contribuído cada vez mais na matriz energética de um país e assim se tornado um excelente alternativo ás fontes não-renováveis. As energias resultantes das fontes renováveis são: energia hidráulica, energia eólica, energia solar, energia de biomassa.
 Na energia eólica a fonte renovável é o vento, onde no Brasil se encontra de forma mais considerável nas regiões nordeste e sul do país. Os estados brasileiros que apresentam uma maior potência instalada até fevereiro de 2018 são o Rio Grande do Norte e a Bahia (Abeeolica, 2018).
2.2 Energias Hidráulica
 A água é um recurso natural de suma importância para o desenvolvimento rural do nosso país. Pois o trabalhador rural necessita de água para a sua sobrevivência assim como a sobrevivência dos animais de suas criações, para a agricultura de comercio e também para a agricultura de subsistência. 
O recurso natural que se apresenta com maior abundancia em nosso planeta é a água. Mais de 70% (setenta por cento) da Terra é coberto por água, não obstante quase que a totalidade da água disponível está nos oceanos. O restante de água disponível se encontra em rios, lagos e geleiras. Desta forma, para a produção de energia elétrica através da força da água, utiliza-se ainda que de forma menor a força das marés.
 A energia elétrica é gerada através das águas de rios e lagos, porém nem toda essa água pode ser empregada já que o rio ou lago deve apresentar um acentuado desnível e/ou grande vazão, pois essas características são de suma importância para que haja geração de energia mecânica para mover as turbinas nas hidroelétricas.
 Entretanto, em alguns locais do planeta a água sofre um esgotamento em algum período de tempo, já que para manutenção dos níveis de água em um reservatório é necessário que se tenha chuva no local a fim de manter o reservatório em seu nível normal. Com o crescimento da participação de novas fontes de energia nas matrizes energéticas dos países, houve certo decréscimo da energia hidráulica entre as fontes renováveis para a geração de eletricidade. 
Para a classificação das hidrelétricas é levado em consideração a altura de queda d’água, vazão, tipo de turbina utilizada para geração de energia, capacidade 6 de geração ou potência instalada, localização do reservatório, reservatório e tipo de barragem. A vazão e queda d’água vão sofrer influência do local de construção da usina.
 Quanto o que diz respeito a classificação dos reservatórios existem dois tipos: acumulação e fio d’água. O tipo fio d’água é o que menos sofre com danos ambientais, já que geram energia com um fluxo de água do rio, assim com o mínimo ou nenhum acúmulo de recurso hídrico, além de reduzirem áreas de alagamentos e não formarem reservatórios para estocar água. A estrutura de uma usina hidroelétrica é composta por barragem, sistema de captação e adução de água, casa de força e vertedouro, todo esse conjunto funciona de maneira integrada. 
Os sistemas de captação e adução são formados por túneis onde estão localizadas as turbinas que por sua vez estão ligadas a um gerador. As turbinas têm como função converter a energia cinética em energia elétrica por meio de geradores que produzem eletricidade. Os principais tipos de turbinas são: Pelton, Kaplan, Francis e Bulbo. As do tipo Bulbo são utilizadas em usinas de fio d’água. Já os vertedouros são utilizados em épocas de fortes chuvas e quando o reservatório chega ao seu limite a fim de evitar enchentes em regiões periféricas as da usina.
2.3 Carneiro Hidráulicos 
A invenção do carneiro hidráulico foi feita em 1796 e é atribuída ao francês Joseph Michal Montgolfier (CARVALHO, 1998), que ficou mais conhecido pela invenção do balão de ar quente. O carneiro hidráulico consegue elevar água de uma região com um determinado desnível para outra região. O seu funcionamento ocorre pelo efeito do golpe de aríete que cria uma pressão que transfere parte do fluxo de água. A grande vantagem de se fabricar e na utilização de um carneiro hidráulico consiste no seu baixo custo e a não necessidade de utilização de energia elétrica.
 Em regiões do país menos favorecidas e elétrica o carneiro hidráulico aparece como uma forma de se obter um transporte de água para o abastecimento de diversos locais.
 O carneiro hidráulico necessidade de energia elétrica somente também tem basto custo de produção, pouca manutenção e bastante utilizado no meio rural, pois possibilita o abastecimento de água nas fazendas. Uma vez instalado o carneiro pode ser mantido em funcionamento durante 24 horas por dia.
Funcionamento do carneiro hidráulico
Dá-se da seguinte maneira: a água que vem do local de abastecimento do carneiro, ganha velocidade até chegar ao aríete hidráulico e empurra o embolo da válvula externa, fechando a mesma de forma rápida e criando assim uma sobre pressa com o em toda a base do carneiro, para esse acontecimento se da o nome de golpe de aríete. A onda de sobre pressão ao voltar pela tubulação abre a válvula interna do carneiro fazendo com que a água entre pela campânula ( região do tubo de PVC com 40cm de altura )comprimindo o ar em seu interior.
Fig: Ilustração de um funcionamento de um carneiro hidráulico 
Sucessivamente, quando o ar no interior da campânula começa a se descomprimir ele empurra a água novamente para baixo, a água sairá pela abertura de abastecimento do reservatório a ser preenchido, isso ocorre, pois a válvula interna não deixa que a água volte para a tubulação ligada ao abastecimento. A campânula pode ser fabricada com diversos materiais, o PVC foi utilizado para a construção do carneiro hidráulico proposto neste trabalho, mas também podemos substituir, por exemplo, por uma garrafa pet. Para se ter um bom funcionamento do carneiro hidráulico é necessário respeitar as seguintes condições: evitar corpos estranhos no interior do carneiro, sempre antes de começar a operar deve-se retirar o ar do seu interior, regular para que o golpe de aríete não ocorra com uma freqüência muito grande, pois pode desgastar precocemente a válvula e utilizar um bom apoio para sustentar o carneiro.
2.4 Componentes de um carneiro hidráulico
 2.4.1 Válvula de Sucção 
A válvula de Sucção tem como seu funcionamento primordial a retenção de fluido em refluxo de tubulações verticais. Ela é ideal para o uso na extremidade da tubulação de sucção de bombas centrífugas em poços. No caso do carneiro hidráulico esta válvula sofre uma adaptação para que proporcione o golpe de aríete.
Fig. 1 Válvula de Sucção
Na figura 1 acima podemos ter uma visão da válvula de sucção antes de sofrer a adaptação necessária para a geração do golpe.
2.4.2 Válvula de Retenção 
A válvula de retenção tem como função permitir que o líquido ou o ar flua em apenas uma direção e evita o fluxo de retorno (fluxo reverso). No caso do carneiro hidráulico a válvula vai reter a água quando a campânula foi descomprimida. 
Após a válvula de sucção gerar o golpe de aríete e a água retornarem na tubulação, a válvula de retenção irá permitir o fluxo de água no sentido de saída do carneiro e impedir que a água volte para a tubulação de abastecimento do carneiro hidráulico. 
Na figura 3 temos a vista de como se deve posicionar a válvula de retenção, para que permita somente a passagem de água na direção vertical e no sentido de baixo para cima.
Figura 3 Válvula de retenção
Já na figura 4 mostra-se a parte que se encontra localizada no sentido do fluxo da água, assim permitindo que a água somente suba para a parte superior do carneiro hidráulico.
2.5 Energia Cinética
 A energia gerada através da movimentação dos corpos é definida como energia cinética. A energia cinética correspondeao trabalho dos corpos realizado através do movimento. Quanto maior a massa de um corpo maior vai ser sua energia cinética, já que são grandezas diretamente proporcionais. A equação 1 mostra como se calcula a energia cinética (Cengel, 2011), nela podemos observar que a energia é proporcional a massa do corpo e proporcional a velocidade do corpo ao quadrado.
Onde:
𝐸c - é a energia cinética, em 𝒥.
𝑚 - é a massa do corpo,em kg.
 𝑉 - é a velocidade do corpo, em m/s. 
2.6 Energias Potencial Gravitacional 
A capacidade que um corpo/objeto tem de realizar trabalho devido a sua posição em um campo gravitacional é definida como energia potencial gravitacional. Essa energia produzida pela posição do corpo em um campo gravitacional é medida pelo trabalho realizado pelo peso do referido corpo para ir de uma posição mais elevada para uma posição menos elevada. No ponto mais alto o objeto possui maior energia potencial, quando entra em movimento liberando sua energia que será convertida em energia cinética. A energia potencial gravitacional é relacionada com a posição do objeto, sua massa e a força da gravidade. A equação mostra como calcular a energia potencial gravitacional (Cengel, 2011).
2.7 Policloreto de Vinila (PVC)
 O PVC (Policloreto de Vinila) é obtido a partir de 43% de insumos provenientes do petróleo e gás natural com 57% de insumos de saís marinho ou salgema. O PVC é um termoplástico bastante versátil, utiliza-se plastificantes de baixo peso molecular o que deixa o material flexível ou com comportamento de borracha. Entretanto o PVC não modificado apresenta alta rigidez (Wiebeck, 2005). 
Podem ser encontrados outros aditivos no PVC, como: pigmentos, lubrificantes, carga e estabilizantes. O uso do policloreto de vinila é bastante diversificado, podendo ser aplicado até em produtos médico-hospitalares já que o PVC é totalmente atóxico e inerte (Wiebeck, 2005). 
Todavia, seu ponto fraco é a sua sensibilidade térmica por este motivo é necessário grande controle para que se evite a decomposição do polímero durante o processamento. O PVC pode ser processado por extrusão ou sopro e para isso existem bastantes formas, calandragem, termoformagem, injeção, compressão, entre uma gama de outros processos de fabricação, pois o PVC é rígido e flexível.
 Vale destacar suas características como não propagar chamas, ter bom isolamento térmico, elétrico e acústico, longa vida útil, alta resistência química, atóxico, inerte, ser resistente a ação de fungos, insetos, bactérias.
3 Metodologia
 A fabricação do carneiro hidráulico foi realizada em etapas. Após a obtenção do material necessário para a construção do carneiro, foi realizada a adaptação da válvula de sucção para depois ocorrer à montagem da bomba. O primeiro procedimento realizado foi à adaptação da válvula de sucção para que ela tivesse o desenvolvimento desejado e realizasse o golpe de aríete conforme é necessário para que o carneiro se comporte da forma correta.
3.1 Materiais 
O material necessário para a fabricação do carneiro hidráulico foi todo fabricado em PVC com exceção da válvula de sucção que é fabricada de bronze. Compreende como material os seguintes itens: 
· Uma válvula de sucção de bronze
· Uma válvula de retenção vertical
· Um registro
· “Um parafuso de rosca sem fim de 5/16”
· Uma mola de Aproximadamente 3 cm,para encaixe em um parafuso de 5/16 
· Três porcas de 5/16
· Um cap.
· Um adaptador com rosca para mangueira
· Um joelho com rosca interna
· Dois T (S)
· Quatro Nípes
· Um pedaço de cano de PVC de aproximadamente 60 cm
A figura abaixo apresenta o registro utilizado no carneiro hidráulico fabricado, onde a sua função é permitir ou bloquear a vazão de acionamento.
Na figura abaixo mostra o t que se utilizou no projeto, com função de servir de conector entre outros elementos.
A figura abaixo mostra o joelho que serviu como conector da válvula de sucção do carneiro hidráulico.
Já na figura abaixo, temos a visão de um nípel que serviu para a junção dos demais elementos com os ts e o joelho.
Figura abaixo um Adaptador de cano
A figura abaixo, mostra o cap que foi utilizado para tampar o cano de 40 cm, assim fabricando a campânula.
Figuras Conjuntos de elementos 
A figura acima apresenta os elementos utilizados para a fabricação do carneiro hidráulico.
3.2 Montagem
 Para começar efetivamente o procedimento de montagem foi preciso primeiramente adaptar a válvula de sucção para que depois fosse dado início de fato à montagem propriamente dita. Primeiramente, deve-se colocar um “t” na posição horizontal e em seguida conectar um nípel na entrada central do “t” e outro a direita.
 Após a conexão dos nípeis é necessário que seja conectado o joelho ao nípel que está localizado a direita do “t”. No joelho deve ser conectado um nípel com uma bucha de redução para posteriormente conectar a válvula de sucção adaptada.
 Em seguida, foi implementada outra bucha de redução ao nípel localizado no centro do “t”, a essa bucha foi instalada a válvula de retenção num sentido a permitir que a água suba.
Para finalizar a instalação do primeiro “t”, coloca-se o adaptador de cano a sua esquerda e no adaptador é colocado um cano de 10 cm de comprimento e junto ao final do cano é instalado o registro. Assim, foi encerrada a parte inferior e horizontal do carneiro hidráulico. 
Posteriormente, é imprescindível que seja montada a parte superior e vertical do carneiro. Como já foi inserida a válvula de retenção vertical na posição central do primeiro “t”,conecta então mais um nípel com uma bucha de redução para que seja instalado o segundo “t”. Essa conexão ocorrerá com o “t” posicionado na vertical e na entrada inferior do “t”.
 Após a instalação do “t” na válvula de retenção, coloca-se um adaptador de mangueira na posição central do segundo “t”. Para finalizar a parte superior do carneiro, conecta um adaptador para cano na saída superior do “t” e em seguida instala o cano de 40 cm com o cap assim formando a campânula.
Figura. Carneiro montado com Campânula.
 
3.3 Onde o carneiro Hidráulico pode ser instalado?
Para instalar o carneiro hidráulico é necessário obedecer algumas regras e fazer alguns cálculos.
A altura H que a água pode ser recalcada para o reservatório depende do comprimento L e de altura (desnível) h do tubo de captação, entre a fonte de água e o local de instalação do carneiro hidráulico.
Se o local de instalação apresenta algum limite de desnível ou comprimento do tubo de captação, deve-se calcular a altura H de recalque que a água pode atingir em função desses limites de altura (desnível) h e de comprimento L do tubo de captação, usando essa fórmula.
Se não há limites de desnível e de comprimentos em função tipo de terreno, para que a água seja recalcada a uma altura H desejada, o comprimento do tubo de captação deve ser calculado pela seguinte fórmula: 
Para cada umas das fórmulas acima,L é o comprimento do tubo de captação,H é a altura que se deseja que a água seja recalcada até o reservatório e h é a altura (desnível) da fonte de alimentação até o aparelho. 
O tubo de captação deverá ser preferencialmente de metal e o mais reto possível a fim de evitar perdas de eficiência, porem pode ser de PVC.
Na ponta de entrada da água do tubo de captação deve-se construir uma pequena represa ou reservatório, a fim de evitar a entrada de ar pelo tubo de captação, o que compromete o funcionamento do aparelho.
A eficiência do carneiro hidráulico depende exclusivamente da altura H de recalque da água ate o reservatório, da altura (desnível) h da fonte de água ate o aparelho e do comprimento L do tubo de captação e varia conforme a tabela a seguir:
Isso significa que se o tubo de captação for instalado com um desnível h de 1 metro, a água poderá ser recalcada a uma altura H de 2 metros comum aproveitamento de 60%, ou seja, nessa condição, se entrar 100 litros de água pelo aparelho, 60% litros serão recalcadas para o reservatório. 
Mas se o tubo de captação for instalado comum desnívelh de 1 metro, a água poderá ser recalcada a altura H de 10 metros com um aproveitamento de 20%, ou seja, nessa condição, se entrar 100 litros de água pelo aparelho, 20 litros serão recalcadas para o reservatório.
Uma relação de 1/10 significa que se o desnível h for de 10 metros, a água poderá ser recalcada a altura H de 100 metros (10/100=1/10), com a mesma eficiência de 20%.
Isso parece pouco, mas levando em consideração que o carneiro hidráulico funciona 24 horas por dia sem necessidade de nenhum tipo de combustível e muito menos eletricidade, faz sentido investir nessa forma ecológica de se bombear água. 
Veja o esquema de instalação abaixo.
O carneiro hidráulico antes do funcionamento.
Carneiro Hidráulico em Funcionamento
Com finalidade de se ter um melhor rendimento volumétrico e maior vazão de recalque, e conseqüentemente menor desperdício de água, é necessário que o carneiro esteja devidamente apoiado, para que assim, ele não sofra qualquer influencia externa, esteja firme para que não mude sua posição devido ao golpe de aríete. Além disso, é importante também que alimentação seja feita de forma a mangueira que vai alimentar o carneiro esteja na mesma posição que o seu registro.
4. Conclusões
De acordo com os objetivos propostos neste trabalho, temos como conclusões.
· A fabricação do carneiro hidráulico de baixo custo é bastante simples.
· Os matérias para fabricação é de fácil aquisição.
· O golpe de aríete pode ser observado e se mostrou eficiente.
· O custo de fabricação do carneiro hidráulico de baixo custo saiu em torno de R$ 90,00 reais;
· O carneiro hidráulico estudado apresenta baixo custo de manutenção e baixa freqüência de manutenção.
De acordo com o que foi estudado, podemos sugerir.
· A instalação do carneiro hidráulico de baixo custo deve ser realizada em um local que se tenha o aproveitamento da água desperdiçada,
· O carneiro hidráulico deve este bem apoiado para ser posto em funcionamento.
· A válvula de retenção de cobre pode ser substituída por uma fabricada de material PVC.
· A válvula de sucção deve-se manter a fabricada em cobre devido a necessidade de uma adaptação .
Referências.
CERPCH- Centro Nacional de Referência em pequenos Aproveitamentos Hidroenergéticos.
HTTP://www.cerpch.unifei.edu.br/menus/01/carneiro.htm - 22 Nov. 20055. Acessado em 02/07/08
Barreto, A. C; Lima, L. Revista Globo Rural. 31. ed. São Paulo:Globo, 2007. Ano 22,n.258.p.102
HTTP://www.feiradeciencias.com.br/sala07/07-57.asp 09/07/08
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