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Desenvolvimento de novas tecnologias para o resistor de um chuveiro elétrico
Douglas Borges Siqueira[footnoteRef:2] [2: Alunos do curso de Engenharia de Produção, Universidade Nove de Julho, UNINOVE, 01156-050, São Paulo, SP.
] 
E-mail:douglas-borges@hotmail.com
Douglas Silva Cardoso 
E- mail: dgscardoso@live.com
Eduardo Luiz Santos da Silva
E-mail: edlss22@gmail.com
Estela Ap. Marques dos S. Souza 
E-mail: estelamaq@yahoo.com.br
João Manoel l. Nascimento
E-mail: joaomanoel_bond@hotmail.com
Rodrigo dos Santos Amador 
E-mail: amador.rodrigo@gmail.com
Claudineia Helena Recco[footnoteRef:3], [3: Mestre em Matemática Aplicada, docente da Universidade Nove de Julho, UNINOVE, 01156-050, São Paulo, SP.
] 
E-mail: claudineiarecco@uni9.pro.br
Resumo
Este artigo tem por finalidade descrever de forma clara e sucinta o processo de fabricação de um resistor elétrico, utilizada no chuveiro doméstico, afim de apresentar novas metodologias no processo de desenvolvimento do resistor para melhoria do produto.Para o desenvolvimento desse artigo foram utilizados como metodologia pesquisas na literatura sobre como é feita a fabricação do material, tipos de materiais utilizados, alguns equipamentos além de fazermos umapesquisa de campo para sabermos o índice de devolução do produto final (chuveiro).Constatado que com a melhoria no processo da crimpagem e a troca do latão binário por aço austeniticos nos terminais do resistor já resolveria os principais problemas na devolução do chuveiro.Tendo em vista sempre a melhoria continua do produto,apresentaremos novos tipos de materiais para o processo de fabricação do resistor, afim de melhorar a qualidade e fazer com que essa resistência apresente uma duração de vida útil maior.
Palavra chave:Fabricação de resistência elétrica, resistor de chuveiro elétrico.
1.0 Introdução
Um eletrodoméstico imprescindível na casa de muitas pessoas, o chuveiro elétrico torna a vida de muitas pessoas agradável em questão de higiene. Foi Francisco Canhos na década de 40, que desenvolveu o primeiro chuveiro automático por um sistema de diafragma de borracha, no qual esse processo caracterizava-se por contatos e uma resistência.
Em meados da década de 50 a empresa Lorenzetti desenvolve com base no sistema de Francisco Canhos o chuveiro que carrega até hoje essa marca só que desta vez o investimento foi num pistão interno que abria e fechava o circuito elétrico. (Aguiar, 2015).
Graças ao desenvolvimento desses métodos e aperfeiçoamento do chuveiro elétrico, esse eletrodoméstico tornou-se aparelho muito seguro em nossas casas. 
Hoje com o desenvolvimento dessas novas tecnologias as empresas buscam produtos que se destacam no mercado consumidor, gerando vantagens competitivas de médios em longo prazo.
Como dito anteriormente, dentro do chuveiro elétrico existe uma câmara onde a água entra em contato com uma resistência ligada a uma rede elétrica. Após a abertura da torneira, a água que se acumula na câmara empurra o diafragma que serve como uma “chave” para o chuveiro. 
Esse diafragma fecha a conexão e a energia elétrica fazendo com que a água se aqueça.Para regulagem do chuveiro existem duas ou mais opções de temperatura (verão e inverno) que tem o papel de estabelecer a potência.
Neste artigo, realizaremos um estudo do resistor do chuveiro elétrico da marca Lorenzetti, afim de tornar a vida útil do resistor mais longa, visto que há inúmeros problemas que levam o mesmo a torná-lo com menos eficiência, mostraremos no geral uma forma de reduzir as devoluções devido a rupturas das resistências elétricas.
Pesquisa realizada numa loja de materiais elétricos, cujas principais reclamações e devoluções do chuveiro da marca Lorenzetti é a queima das resistências elétricas. Relatos técnicos indicam que as resistências elétricas desses chuveiros duram menos de seis meses, ocasionando insastifação para os clientes e devoluções dos mesmos. No mês de setembro de 2016 foram devolvidos 189 chuveiros nesta referida empresa, conforme demonstrao gráfico 1:
Gráfico 1: Principais devoluções no mercado consumidor
Fonte: Própria
Este artigo tem por objetivo especifico minimizar a queima dos resistores dos chuveiros elétricos, a fim de prolongar a vida útil do mesmo.
O principal motivo que levaram para o estudo de caso sobre a queima de resistor elétrico é devido à alta devolução do mercado consumidor aos seus fornecedores. Devido a isso, propusemos fazer uma melhoria nos resistores como analisar o tipo de material usado na confecção e blindagem dos resistores.
2.0 Processo de fabricação de um resistor elétrico
Resistores elétricos são dispositivos utilizados em circuitos elétricos que tem por objetivo transformar energia elétrica em energia térmica. Através de seu material utilizado esses dispositivos oferecem uma oposição na passagem de correntes.
Esta oposição de corrente é denominada resistência elétrica, onde é causada uma queda em sua tensão. No Sistema Internacional (S.I) a unidade de medida é em OHM (Leis de OHM), Volt (Volt) ou Ampere (A).
A resistência elétrica foi descoberta pelo físico alemão Georg Simon Ohm (1787-1824), em 1927, no qual postulou duas leis que contribuiu muito para a elétrica. Destacando-se:(Robert ,1999).
Primeira Lei de Ohm: quando um condutor ôhmico (resistência constante), quando mantido a temperatura constante, a intensidade de corrente elétrica será proporcional à diferença de potencial aplicada entre suas extremidades. É representada por: (Robert,1999).
Onde:
R: resistência, medida em Ohm (Ω)
U: diferença de potencial elétrico (ddp), medido em Volts (V)
I: intensidade da corrente elétrica, medida em Ampére (A).
Segunda Lei de Ohm: estabelece que a resistência elétrica de um material é diretamente proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional à sua área de secção transversal, representada por:
Onde:
ρ: resistividade do condutor (depende do material e de sua temperatura)
R: resistência
L: comprimento
A: área de secção
Conforme proposto na disciplina de Projeto Integrado II a resistência elétrica deverá:
· Ter a capacidade de aumentar a temperatura de 1 litro de água, na temperatura ambiente (entre 20° e 30°C);
· A elevação da temperatura da água deverá ser de no mínimo 20°C no tempo de 20 segundos;
· A matéria prima para fabricação da resistência elétrica deverá ser metálica ou liga metálica
· O produto final deverá ter o formato espiral, após fabricação, com o comprimento entre 150 e 200mm
Para atingir o objetivo foram realizados os cálculos especificados a seguir:
É denominado calor sensível, a quantidade de calor que tem como efeito apenas a alteração de temperatura de um corpo. 
Este fenômeno é regido pela lei física conhecida como Equação fundamental da Calorimetria, que diz que a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto de sua massa, da variação de temperatura e de uma constante de proporcionalidade dependendo da natureza de cada corpo denominada calor específico, dado por: (Ramalho J. F. et al 2008)
Onde:
Q= Quantidade de Calor (cal)
m= massa (g)	
c= calor específico
Delta= Variação temperatura
Primeiramente verificou-se que a quantidade de calor necessário para aquecer 1 litro de água em 20°C será de:
Calor específico água= 1 cal/g°C
Como 1 Kcal equivale a 4184J
	Ou seja, para aquecer 1 litro de água a temperatura de 20º Celsius é necessário 83680 J de calor.
Para que um corpo seja aquecido, normalmente usa-se uma fonte térmica de potência constante, ou seja, uma fonte capaz de fornecer uma quantidade de calor por unidade de tempo.
Definimos fluxo de calor (Φ) que é a fonte que fornece de maneira constante como o quociente entre quantidade de calor (Q) e o intervalo de exposição (Δt), dado por: (Ramalho et al 2008)
Onde:
Φ= Fluxo de calor (W)
Q= quantidade de calor (J)
Δt= tempo de exposição (s)
Sendo a unidade adotada para fluxo de calor, no Sistema Internacional, o Watt (W), que corresponde a Joule por segundo temos:
	Ou seja, necessitamos de 4184 W de potência que será utilizado na resistência elétrica.
Calculandoaresistência utilizando a potência de 4184 W, a tensão fornecida será de 220 V:
	Determinando o comprimento do fio para obter uma resistência de 11,568Ω. O material comumente utilizado em resistência é o Níquel-Cromo (Nicromo) sua composição química Cobre 60%; Cromo 12% e Ferro 28%, sua resistividade elétrica é 100x10-8Ωm. A área de seção transversal foi de 0,818mm2 (Ø 1,020mm).
Calculando a área de seção transversal utilizando o diâmetro do fio temos:
Após esse cálculo da área consegue calcular então o comprimento do fio conforme a Segunda Lei de Ohm: (Kazuito Fuke Carlos, 1999).
Determinando o tamanho da circunferência e a quantidade de espiral, objetivando o especificado 150 a 200 mm.
Como o diâmetro do fio utilizado na resistência foi de Ø 1,020mm, e o comprimento da resistência não pode ultrapassar 200mm devemos determinar a quantidade de espiral.
O comprimento do fio de níquel-cromo anteriormente calculado foi de 9,451 metros, a quantidade de espiral é 196,08 espiral, devemos agora determinar a circunferência de cada espiral.
Com o valor da circunferência determinamos o diâmetro da espiral:
	Com base nesses dados estaremos utilizando esses parâmetros para estudo da fabricação de um resistor elétrico.
A seguir serão abordadas etapas da fabricação de um resistor elétrico, bem como a fundição das ligas metálicas, laminação, trefilação dos arames, estampagem das chapas, prensagem e montagem final no suporte plástico.
2.1	 Fabricação dos fios
O fio de alimentação de um chuveiro elétrico deve ser compatível com a intensidade de corrente que é exigido tanto para o seu funcionamento quanto por medidas de segurança. 
A fabricação dos fios se dá pelo processo de fundição do metal, no qual são quimicamente refinados para remoção das impurezas, após ser fundido o mesmo é vazado em um molde onde se solidificará.(Batalha,1997).
2.2 	Laminação
Laminação ou trabalho mecânico é a conformação dos metais já que são tipicamente macios e dúcteis. Esse procedimento tem como principal objetivo a produção de chapas, tiras e folhas de aço fazendo com que esse material permita uma melhor propriedade mecânica e adequada para o processo. Esse processamento pode reduzir a espessura das chapas laminadas entre 50 e 90 % (porcentagem).(Chiaverini, 1986).
A figura 1 demonstra o referido processo.
Figura 1: Laminação do molde
Fonte: https://sites.google.com/site/epdprocessos/laminacao
2.3	Trefilação
Trefilação é um processo à temperatura ambiente onde é produzido o fio, tem como princípio o estiramento na bancada, porém como estamos falando em grandes escalas, faz-se o estiramento através de máquinas especiais.
Esse processo constitui basicamente na tração de uma extremidade do material, reduzindo o diâmetro do material, aumentando simultaneamente o seu comprimento. (Chiaverini, 1986).
A figura 2 esquematiza o processo de trefilação conforme mencionado acima:
Figura 2: Processo de trefilação
Fonte: http://trinoxtrefilacao.ind.br/trefilacao. php
O processo de trefilação pode ter várias aplicabilidades, tais como: fios elétricos, produção de cabos, arames, entre outros.
Além disso, o processo uma vez que as deformações envolvidas são grandes, há um aumento de temperatura durante a operação.
Um fator a ser considerado nesse processo é o desgaste na fieira, decapagem mal feita ou até mesmo aplicação de velocidade de tração associadas ao índice de redução inadequada. No caso de desgaste na fieira, faz a peça ficar fora de esquadro, já na decapagem quando não realizada adequadamente partes da “carepa”, das partículas depositadas na superfície do material poderão depositar-se na fieira, o que ocasionará uma obstrução parcial da mesma, gerando riscos superficiais na peça trefilada. Portanto quanto menor for o desvio da superfície, melhor será a qualidade do produto final, ou seja, a resistência diminuirá a corrosão.(Chiaverini, 1986).
2.4	Processos de estampagem das chapas
Segundo Kalpakjian (2003) e Batalha (1997), geralmente processos de conformação mecânica de materiais metálicos exigem o conhecimento do comportamento do material durante o processamento, para que se obtenha sucesso no mesmo. Os tipos mais comuns de materiais a serem conformados são fitas ou chapas finas para estampagem, ou barras e placas para dobramento de um determinado produto final.
Estampagem é um processo operacional de prensagem a frio, através de corte ou deformação de uma chapa. Essa operação é divida em cortes, dobramento embutimento ou repuxo. Esse procedimento é realizado por equipamento com designação de estampos.
As chapas mais comuns usadas nas estampagens são feitas de ligas de aços de baixo carbono, aços inoxidável, alumínio, cobre e diferentes ligas não ferrosas. 
Quando é investida no processo de grandes séries de peças, apresenta como principais vantagens como a alta produção, redução dos custos das peças, bom acabamento, entre outros fatores.
Um exemplo que é utilizado no resistor do chuveiro elétrico da marca Lorenzetti, são os terminais de encaixe que servem para união dos arames, conseguindo uma excelência resistência à tração. Abaixo está representada a figura 3 que demonstra um terminal de encaixe:
Figura 3: Terminal de encaixe
Fonte: http://www.repel.com.br/automotivo/terminal-de-encaixe-faa-mea-c-trava.html
Os metais em chapas mais empregados em embutimento são cobre (Cu) e suas ligas, como latão (Cu-Zn), alumínio (Al), Níquel (Ni), aço de baixo carbono, e aço inoxidável (Fe, Cr, Ni).
Para esse processo de fabricação dos terminais empregam-se os latões binários (Cu-Zn) conforme propriedades químicas da tabela 1, propriedades físicas da tabela 2 e propriedades mecânicas da tabela 3, por ser um material maleável, dúctil, resistente a impactos e um bom condutor de energia térmica e energia elétrica.
Tabela 1: Propriedades Químicas do latão
	Elementos Químicos - Latão Liga C23000
	% Concentração do Elementos
	Cobre (Cu)*
	84,00%/86,00%
	Chumbo (Pb)
	0, 050% máximo
	Ferro (Fe)
	0,050% máximo
	Zinco (Zn)
	Restante
	* Cobre + somatória dos elementos nomeados >=99,8%
Fonte: American Society for Testing and Materials (ASTM)
Tabela 2: Propriedades físicas do latão
	Condutibilidade Elétrica Volumétrica % IACS (material recozido)
	37,0
	Condutibilidade Térmica 20°C (Kcal/h.m.°C)
	136,8
	Densidade a 20°C (g/cm3)
	8,75
	Coeficiente de Expansão Térmica p/°C x10-6 20 a 300°C
	18,7
	Ponto de Fusão
	1027
Fonte: http://www.paranapanema.com.br/show.aspx?idCanal=Y+c3XmHkO1KwIBZ4CCrSCQ==.
Tabela 3: Propriedades mecânicas do latão
	Liga
	Têmpera
	Resistência a tração (kgf/mm2)
	Limite de Escoamento (0,5%)(kgf/mm2)
	Dureza
	Alongamento em 2" (%)
	230
	Mole
	27 - 32
	10
	-
	45
	
	1/4 Duro
	31 - 38
	27
	33 - 62 (HRB)
	25
	
	1/2 Duro
	36 - 43
	34
	56 - 71 (HRB)
	12
	
	3/4 Duro
	40 - 47
	38
	66 - 76 (HRB)
	8
	
	Duro
	44 - 51 
	40
	72 - 80 (HRB)
	5
	
	Extra Duro
	51 - 56
	43
	78 - 85 (HRB)
	4
	
	Duro de Mola
	55 - 60
	46
	82 - 87 (HRB)
	3
	
	Extra Duro de Mola
	58 - 63
	48
	84 - 89 (HRB)
	2
Fonte: http://www.paranapanema.com.br/show.aspx?idCanal=Y+c3XmHkO1KwIBZ4CCrSCQ==.
Afim de eliminar o uso do latão binário nos terminais por ser um material compacto e possuir uma alta quantidade para deformação plástica, foi considerado os estudos de outros materiais para substituiçãodestacando-se o aço inox austeniticos.
O aço inox austeniticos é uma liga composta por cromo e níquel, sua principal característica é a resistência aos mecanismos de corrosão quando comparado ao aço carbonos, além de ter ótima ductibilidade, conformabilidade e tenacidade.
Dentre os elementos de liga e seus benefícios, destacam-se os elementos Molibdênio, Cromo e Nitrogênio para o aumento na resistência à corrosão dos aços inoxidáveis. (Handbook, 1992).
Além disso, sugere-se a adição do molibdênio na liga do aço inox austeniticos, pois devido a suas propriedades o elemento aumentaria a resistência aos mecanismos de corrosão, designada corrosão galvânica por pite ou alveolar.
2.5	 Crimpagem
Ao confeccionar uma resistência elétrica,uma das principais partes da produção é o momento da crimpagem, ou seja, a fixação do terminal elétrico a um cabo ou fio, através de prensagem ou martelamento.
Afixação dos fios nos terminais deve ter a melhor qualidade possível, pois uma má crimpagem resulta na diminuição da vida útil da resistência. 
A sugestão é a eliminação desse terminal crimpado, pois as resistências têm formação helicoidal nas extremidades e pontos intermediários do próprio fio, resultando num encaixe adequado nos chuveiros. (Chiaverini, 2005). 
3.0 	Principais motivos das deteriorização dos resistores elétricos
Devido à presença de cloro na água, as resistências têm sua vida útil reduzida, pois a água favorece a corrosão e a oxidação dos contatos (resistor e terminal). E um dos principais fatores que favoreceisso é a corrosão.
A corrosão pode ser definida de diversas formas, seja como a deterioração de um material por ação química ou eletroquímica do meio ambiente, aliada ou não a tensões, ou ainda como sendo um processo natural resultante da inerente tendência dos metais se reverterem para sua forma mais estável. A corrosão é um processo espontâneo, pois está constantemente transformando os materiais metálicos, fazendo com que os mesmos voltem ao seu estado inicial decompostos, ou mais exatamente, em óxidos e sulfetos metálicos. (Gentil, 2007)
Existem vários tipos de corrosão, porém para efeito deste artigo estudaremos corrosão galvânica que influenciam na degradação das resistências elétricas.
3.1	 Corrosão Galvânica
A corrosão galvânica ocorre quando há união de dois metais distintos, num determinado meio. Quando em contato elétrico, a corrosão do metal é acelerada, reduzindo ou eliminando a corrosão do metal mais nobre, dessa forma pode-se dizer que haverá esse tipo de corrosão quando há um diferencial de potência no sistema.
Numa resistência elétrica, quando há a união dos fios com os terminais que são de latão num meio eletrólito com energia elétrica ocorre à corrosão galvânica, pois há uma oxidação no ânodo e conseqüentemente a redução no catodo.Descrição de oxi-redução conforme tabela 4:
Tabela 4: Tabela de Potencial eletrodo numa liga de Fe e Cu
	Tabela Potencial de Eletrodo - Solução Ácida
	Potencial de Oxidação E° (V)
	Reação do Eletrodo
	Potencial de Redução E° (V)
	0,440
	Fe2+ + 2e <=> Fe
	-0,440
	-0,337
	Cu2+ + 2e <=> Cu
	0,337
Fonte: Castellan, G. Fundamentos de físico-química. Rio de Janeiro: LTC, 1989.
Conclui-se que, o ferro sofre a oxidação (perde massa) e o cobre sofre redução(ganha massa). A partir daí podemos concluir que para a prevenção da corrosão nas resistências elétricas sugere-se:(Castellan, 1989).
· Usar metais próximos da série galvânica.
· Adicionar inibidores de corrosão, ou seja,empregar revestimentos protetores (cladeamento, galvanização alonização, etc).
· Adicionar um terceiro metal mais ativo do que ambos, como por exemplo o cromo que é fica praticamente indestrutível pela corrosão. 
Caso o controle da corrosão não seja econômico estimar uma margem de corrosão, que consiste no calculo de uma espessura extra da peça metálica, a qual poderá ser sacrificada sem prejudicar a resistência mecânica da peça.
4.0 Considerações Finais
Este artigo num todo,considerando que se forem aplicadasa troca dos terminais de encaixes de latão por terminais com aço inox mais a adição de molibdênio nos mesmos para ficar uma liga mais resistente, além de outros processos como crimpagem e corrosão conforme descritas no decorrer do texto haverá um prolongamento da vida útil das resistências elétricas.
 Além disso, investimentos em novos materiais nos terminais e na própria resistência dariam uma maior qualidade nos produtos e expansão empresarial para venda dos produtos.
Para trabalhos futuros recomenda-se uma pesquisa aprofundada em aço inoxidável para implantação desses materiais em terminais e fazer testes em longo prazo aplicando o abordado nesse projeto. 
5.0	Referências Bibliográficas
Batalha, Conformação Plástica dos Metais,Campinas: Editora da Unicamp, 5ª. Edição, 1997.
Castellan, G. Fundamentos de físico-química, Rio de Janeiro LTC, 1989.
Chiaverini,V Processos de Fabricação e Tratamento, vol. II, 2ª Edição, São Paulo, McGraw Hill, 1986.
Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos, 7ª Edição, São Paulo, ABM, 2005. 
Aguiar, Flávio.Histórias da Inovação XII: O nosso chuveiro elétrico. 2015.Disponível em: <pt.wikipedia.org/wiki/Chuveiro>. Acesso em 25/10/2016.
Gentil, V.Corrosão, 5ª Edição, Rio de Janeiro, LTC, 2007.
Handbook,ASM International, pp.787-796, 1992.
ISO 9001: 2008 - Sistemas de Gestão da Qualidade.
Ramalho J. F. et al 2008 -Disponível em:<www.sofisica.com.br>. Acesso em 15/10/2016.
Robert L. Boylestad Livro de Introdução a Análise de Circuitos, 1999 Capitulo 4- 8ª Edição.
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