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ANÁLISE COMPARATIVA DO DESEMPENHO ELÉTRICO DO CONJUNTO
MOTOR GERADOR UTILIZANDO BIODIESEL1
Thiago Dobler Huçulak2
RESUMO
Como alternativa para substituir o óleo diesel foi criado o biodiesel, que tem várias propriedades químicas e físicas razoavelmente semelhantes a ele, com a vantagem de poder ser produzido com recursos extraídos de fontes renováveis, ao contrário do óleo diesel. O presente artigo pretende realizar a analise elétrica da eficiência de um moto gerador abastecido com biodiesel puro (B100), com o intuito de comparar os resultados na questão do desempenho real do combustível em vista do óleo diesel comum, confrontando os dados obtidos de várias grandezas elétricas geradas com os dois combustíveis. Para tal análise, testes foram realizados, utilizando recursos atrelados à pesquisa de campo, em um moto gerador com motor diesel de 40 kVA de potência elétrica e alternador com capacidade de geração de 50 kVA no aeroporto municipal de Caçador - SC. Foram feitos testes com o óleo diesel comum (metropolitano) e com o biodiesel, tanto com carga como sem ela. Os testes demonstraram que o biodiesel é capaz de gerar um desempenho elétrico no moto gerador equivalente ao obtido como o óleo diesel comum, sem que seja necessária nenhuma alteração no equipamento. No processo final, percebe-se a importância da pesquisa no contexto atual da sociedade, haja vista, que o desempenho do biodiesel B100 possa ser tão eficiente quanto ao do diesel comum, permitindo assim maior inserção deste combustível na realidade de empresas e de todo um setor econômico que cresce constantemente, e que cada vez mais deve pensar na questão ambiental também.
Palavras–Chave: Moto gerador. Biodiesel. Diesel. Experimento. Gerador.
1 Artigo apresentado na disciplina de TCC, como avaliação M22 Acadêmico do curso de Engenharia de Controle e Automação da UNIARP Endereço: Rua Santa Edvirges, nº97, Bairro Nossa Senhora Salete – 89500-000, Caçador (SC) Brasil. E-mail: [email protected]
ABSTRACT
As an alternative to replace the diesel oil was created biodiesel, which have several chemical and physical properties fairly similar to it, with the advantage of being produced from resources extracted from renewable sources, unlike the diesel oil. This article aims to make the electrical analyze of the efficiency of a diesel generator fueled with pure biodiesel (B100), in order to compare the results on the question of the actual fuel performance in view of the common diesel, comparing the data obtained from various electrical quantities generated by the two fuels. For this analysis, tests were carried out using resources linked to field research, in a diesel generator with a 40 kVA of electric power diesel engine and generator with 50 kVA generating capacity at the Caçador - SC municipal airport. Tests were made with common diesel oil and biodiesel, both under load as without it. Tests have shown that biodiesel is capable of generating an electrical performance in the diesel generator equivalent to that obtained as common diesel oil, with no requirement of any change in the equipment. In the final process, it realize the importance of research in the current context of society, given that the performance of the B100 biodiesel can be as effective as the regular diesel, allowing greater integration of this fuel in the reality of companies and entire economic sector that is constantly growing, and increasingly must think about the environmental issue as well.
Keywords: Diesel Generator. Biodiesel. Diesel oil. Experiment. Generator.
INTRODUÇÃO
A questão da responsabilidade ambiental é um assunto muito discutido
atualmente, e muitas empresas e governos vêm adotando ações que visam à
preservação ambiental. É de conhecimento geral que o petróleo é um recurso não
renovável e desta forma está fadado a se acabar, e com isso, os combustíveis
fósseis derivados dele também. Para suprir o futuro esgotamento do petróleo, é que
estão sendo desenvolvidos os biocombustíveis, que são combustíveis desenvolvidos
através de fontes renováveis e que vêm para substituir os combustíveis fósseis. Um
dos combustíveis ameaçados pela futura escassez do petróleo é o óleo diesel. Este
combustível é amplamente utilizado para o transporte, em trens, caminhões, ônibus,
navios, máquinas agrícolas, e também para a geração de energia, e, por isso que é
tão importante.
Este trabalho vem fundamentar a eficiência do moto gerador utilizando
biodiesel, permitindo perceber quesitos que façam com que ele sirva de base para
que se encontrem recursos renováveis e mais baratos para amenizar a degradação
do meio ambiente.
Nos últimos anos tem havido uma consciência mais generalizada quanto à
necessidade de relacionar com mais intensidade a questão ambiental, com isso se
percebe a necessidade de mudanças, levando em consideração o fato de que as
semelhanças de propriedades fluidodinâmicas e termodinâmicas do biodiesel e do
diesel do petróleo apresentam características de completa equivalência,
especialmente vistas sob os aspectos de combustibilidade em motores do Ciclo
Diesel (BIODIESELBR, 2015).
Ressaltando que o biodiesel é uma alternativa frente à crescente
demanda energética, se torna relevante a realização de trabalhos voltados a estas
linhas de pesquisa que objetivem propor alternativas para a utilização de recursos
renováveis.
Tendo em vista a análise do desempenho elétrico de um grupo gerador
abastecido com biodiesel puro (B100), com o intuito de comparar os resultados do
desempenho real do combustível, foram realizados alguns testes em um grupo
gerador com motor diesel de 40 kVA de potência elétrica e alternador com
capacidade de geração de 50 kVA no aeroporto municipal de Caçador - SC. Nos
testes foram extraídas informações do desempenho elétrico do equipamento
utilizando óleo diesel normal (metropolitano) e depois biodiesel, tanto com carga
como sem ela. Depois os dados foram confrontados e analisados.
EQUIPAMENTOS, MATERIAIS E MÉTODOS
Moto Gerador
Para Pereira (2015) um grupo diesel gerador é denominado como um
conjunto de motor Diesel e alternador, convenientemente montados, dotado dos
componentes de supervisão e controle necessários ao seu funcionamento autônomo
e destinado ao suprimento de energia elétrica produzida a partir do consumo de
Óleo Diesel.
As características do grupo gerador dependem da sua aplicação e muitos
fatores devem ser considerados para a escolha do equipamento adequado. Em
alguns casos podem necessários grupos geradores com características especiais
para atender alguns requisitos do ambiente e dos consumidores.
Neste experimento os testes foram realizados em um grupo gerador da marca
STEMAC® com potência de 40 kVA, instalado no aeroporto municipal de Caçador.
Este gerador, em caso de falta de energia, liga automaticamente e supre a energia
elétrica da sinalização da pista, alimentação dos radares e também a iluminação do
local, assim como a sala de controle. A figura 1 mostra o moto gerador em questão:
Figura 1 - Moto gerador STEMAC® 40 kVA objeto de
estudo
Fonte: Da pesquisa, 2015
O moto gerador em utilizado nos testes é equipado com o motor diesel do
fabricante MWM®, modelo D229-3, o qual possui potência de 40 kVA, Injeção direta,
4 tempos, refrigerado a água, tem 3 cilindros em linha, 12 Vcc, com alternador para
carga de bateria, motor de partida e regulador de velocidade mecânico. O motor tem
a função de transformar a energia química, que é o combustível, em energia
mecânica que é o giro do rotor. (STEMAC, 2014)
Diferente dos motores do ciclo Otto, que têm a ignição produzida por uma
faísca elétrica da vela de ignição, no motor diesel a ignição se dá pela compressão,
a qual eleva a temperatura do ar na câmara de combustão de maneira que se atinja
o ponto de auto-inflamação do combustível que é injetado sob alta pressão por meio
de um injetor. A potência que o motor gera é determinada pela quantidade de
combustível provido pela bomba injetora, a qual é regulada pelo acelerador (COSTA,
2001).
Como o experimento se desenvolveu com um motor de quatro tempos que
são denominados assim porque realizam o ciclo em quatro cursos do pistão. No
motor diesel o óleo diesel é introduzido por uma fina pulverização no interior do
cilindro, onde está ar quente que foi comprimido pelo êmbolo. Desta forma acontece
a combustão da mistura ar-combustível, produzindo a expansão dos gases, fazendo
com que esta pressão desloque o êmbolo. O movimento linear do êmbolo é
modificado para movimento de rotação através de uma biela. Desta forma, o motor
funciona em quatro fases para cada ciclo, que são: admissão, compressão,
expansão e descarga (PEÇA, 2012).
Acoplado ao motor diesel, está o gerador, o qual tem a função de transformar
a energia mecânica do eixo do motor em energia elétrica. O gerador utilizado neste
grupo gerador é da marca WEG®, modelo GTA 200SI-12, o qual possui as
seguintes características: potência de 50 kVA, ele é síncrono, trifásico, e tem
sistema brushless (sem escovas), 4 pólos, passo encurtado, ligação estrela com
neutro acessível, isolamento classe H e regulador de tensão eletrônico. (STEMAC,
2014)
Outras características técnicas do grupo gerador estudado são as seguintes:
• Silenciador de absorção e segmento elástico em aço inoxidável;
• Amortecedores de vibração;
• Modos de operação automático, manual e teste;
• Partida automática através de falta ou falha da concessionária;
• Retificador eletrônico automático para bateria de partida;
• Sistema de pré-aquecimento;
• Chave de transferência por contatores eletromagnéticos e proteção por
fusíveis NH, montada junto ao comando
• Controlador microprocessado.
Biodiesel
Em 2004, foi criado o Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel, e
em 13 de Janeiro de 2005 foi aprovada a lei 11.097, desta forma foi introduzido o
biodiesel na matriz energética nacional. Todo o óleo diesel veicular comercializado
ao consumidor final passou a ter uma porcentagem de biodiesel. A mistura é
denominada óleo diesel B e, assim como o combustível de origem fóssil, requer
determinados cuidados para que a qualidade do produto seja mantida ao longo de
toda a cadeia de abastecimento, até que chegue ao consumidor final. (ANP, 2015)
Com o gráfico 1 é possível observar as matérias-primas mais utilizadas para a
produção do biodiesel nacional e quanto cada uma representa no quadro geral.
Gráfico 1 - Matérias-primas utilizadas para produção de biodiesel no Brasil
Fonte: (ANP, 2015).
O biodiesel utilizado nos testes foi disponibilizado pela Universidade Alto Vale
do Rio do Peixe – UNIARP, campus Caçador. Este biodiesel foi feito a partir de óleo
residual de fritura. As vantagens do biodiesel obtido desta forma é que, alem de ser
obtido de uma fonte renovável como os outros, ele ajuda a combater um grande
problema ambiental que é o descarte incorreto do óleo de fritura usado gerado pelas
indústrias e população. Quando não descartado corretamente são gerados vários
problemas, como entupimentos de tubulações e de sistemas de esgoto doméstico,
necessidade do aumento de insumos químicos nas estações de tratamento das
cidades, poluição de rios e lençóis freáticos. Portanto, na busca de soluções, para
este problema que surgiu a possibilidade de produção de biodiesel a partir do óleo
de fritura usado, que não só foi uma solução imediata para o problema, mas também
uma possibilidade de se obter certa vantagem do mesmo. (CASTELLANELLI, 2008).
Outras vantagens do biodiesel obtido através do óleo residual de fritura são
citadas por Costa Neto et al. (2000):
a) Vantagem química e mecânica: alto nível de cetanos que eleva a qualidade da
injeção de combustível, ponto de combustão apropriado e excelente lubricidade,
que diminuem o desgaste dos motores.
b) Vantagem Ambiental: livre de enxofre e compostos aromáticos que são
compostos cancerígenos, também é biodegradável e não tóxico o que reduz
sensivelmente a emissão de partículas de carbono, monóxido de carbono,
óxidos sulfurosos, hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, substâncias que são
responsáveis por provocar diversos problemas de saúde e a chuva ácida. O gás
carbônico é absorvido pelas oleaginosas durante o crescimento, o que equilibra
o balanço negativo gerado pela emissão na atmosfera;
c) Vantagem Econômica: complementa todas as tecnologias do diesel com
desempenho similar e sem a exigência da instalação de uma estrutura e política
de treinamento. Permite a valorização de subprodutos de atividades
agroindustriais, aumentando a arrecadação local de ICMS, aumento da fixação
do homem no campo e de investimentos complementares em atividades rurais;
d) Vantagem Social: acessível para empresas de pequeno e médio porte,
aproveitando a matéria prima disponível na região onde a empresa está
implementada.
Porem, Costa Neto et al. (2000) cita que o biodiesel obtido desta forma
também possui algumas desvantagens:
a) O óleo de fritura carrega muitas impurezas, vindas do próprio processo de
cocção de alimentos, sendo necessário realizar uma pré-purificação e secagem
dos óleos antes da reação de transesterificação;
b) Níveis maiores de emissões de gases nitrogenados, os quais estão ligados com
a produção das chuvas ácidas e a eutrofização (excesso de nutrientes) de lagos
e rios, além de serem provocadores de doenças respiratórias;
c) A emissão de aldeídos pode atingir valores 5 a l0 vezes maiores que os
alcançados na combustão do diesel que são causadores de irritação nos olhos e
nas vias respiratórias;
d) O odor derivado da queima dos ésteres de óleo vegetal, sensivelmente diferente
daquele do óleo diesel, tem sido avaliado como aceitável por algumas pessoas e
desagradável por outras.
MÉTODOS DE ENSAIO
Para o desenvolvimento do presente projeto foram feitos vários testes em um
grupo gerador instalado no aeroporto municipal da cidade de Caçador. Lá, Este
equipamento tem a função de garantir o suprimento de energia elétrica aos
equipamentos e instrumentos de vôo, tendo em vista que uma falta de energia
elétrica, sem este instrumento, poderia causar acidentes catastróficos, por exemplo,
se a aeronave estivesse fazendo um pouso à noite.
Desta forma, o motor do grupo gerador entra em funcionamento
imediatamente após uma falha do fornecimento de energia, então, quando o motor
alcança a velocidade nominal, o circuito elétrico é comutado para o gerador,
transferindo toda sua carga Este processo demora em torno de 10 segundos, este
tempo é conseguido porque a água do circuito de refrigeração do motor é mantida
aquecida por uma resistência a 60°C, fazendo com que a auto-ignição ocorra mais
facilmente dentro da câmara de combustão do motor, facilitando a sua partida.
Quando a energia da concessionária é restabelecida o gerador fica funcionando por
mais 10 minutos antes de transferir a carga novamente para a concessionária. Este
procedimento é feito para evitar que picos de tensão e oscilações, comuns ao
retornar a energia, atinjam os equipamentos ligados ao circuito.
Funcionamento com o diesel
Para analisar o desempenho elétrico do grupo gerador, foram realizados
testes com a finalidade de levantar dados para posteriormente poder ser realizada
uma comparação entre o diesel comum e o biodiesel. O primeiro teste foi realizado
utilizando como combustível o diesel comum, também chamado de metropolitano ou
S500.
Para esse teste, o grupo gerador foi ligado manualmente e deixado em
funcionamento por 15 minutos, e depois foram registrados os dados mostrados na
Interface Homem Máquina - IHM do controlador do equipamento e medido os dados
de corrente elétrica com um alicate amperímetro. Este tempo é necessário para que
todos os fluidos do motor circulem pelo motor, lubrificando os componentes deste. O
motor é mantido aquecido por uma resistência a aproximadamente 60º C, para que
seja otimizado o tempo de partida do motor, fazendo-se necessário um menor tempo
até que atinja o regime de trabalho nominal. A água do sistema de arrefecimento
estava a 67ºC no momento dos testes.
A primeira coleta de dados deste teste foi realizada sem nenhuma carga no
circuito, e os resultados estão mostrados na tabela a seguir:
Tabela 1 - Dados de tensão e frequência no teste com diesel, sem carga
FASE TENSÃO (V)
Tensão na fase R 220Tensão na fase S 219Tensão na fase T 219Tensão entre as fases R S 380Tensão entre as fases S T 379Tensão entre as fases R T 382
FREQUÊNCIA (Hz) 62,6Fonte: Do autor
Após registrar os dados sem cargas no circuito, foram ligadas todas as
cargas, resultando nos seguintes valores, conforme a tabela 2:
Tabela 2 - Dados de tensão, corrente, potência e frequência no teste com diesel, com carga
GERADOR COM DIESEL COMUM - Com carga
FASETENSÃO
(V)CORRENTE
(A)POTENCIA
(KW)Fase R 219 42,3 9,2637Fase S 231 14,12 3,2617Fase T 237 3,58 0,8484
POTENCIA TOTAL (R+S+T) (KW) 13,3738
FREQUÊNCIA (Hz) 61,1Fonte: Do autor
Com estes dados foi possível fazer uma analise comparativa do
comportamento do sistema quando com carga e sem carga, onde é possível analisar
as variações de tensão e frequência. Os resultados desta análise estão descritos na
tabela a seguir:
Tabela 3 - Análise comparativa da tensão e frequência nos testes com
diesel comum
COM CARGAFASE TENSÃO (V) TENSÃO (V)
R 220 210S 219 219 0,15198%T 219 230R S 380 365S T 379 394 0,00000%R T 382 382FREQUÊNCIA (Hz) 62,6 61,1 -2,39617%
DIESEL COMUM (ÁGUA 67°C)SEM CARGA
(R+S+T)/3
(R S+S T+S T)/3
219,333 219,667
380,333 380,333
% DA VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA
MÉDIA TENSÃO SEM CARGA
% DA VARIAÇÃO DA TENSÃO
MÉDIA TENSÃO COM CARGA
Fonte: Do autor
Desempenho com o biodiesel
Depois de coletados os dados das grandezas elétricas com o diesel comum,
foram feitos os testes utilizando o biodiesel puro, B100, produzido na Universidade
Alto Vale do Rio do Peixe. A metodologia do teste seguiu a mesma linha do teste
anterior, sendo deixado o sistema em funcionamento 15 minutos, antes de anotar os
dados da IHM da controladora. A água do sistema de arrefecimento estava a 67ºC
no momento dos testes.
Primeiramente foi testado o sistema sem cargas acopladas ao circuito. Deste
teste foram extraídos os seguintes dados:
Tabela 4 - Dados de tensão e frequência no teste com biodiesel, sem carga
FASE TENSÃO (V)Tensão na fase R 220Tensão na fase S 219Tensão na fase T 219Tensão entre as fases R S 379Tensão entre as fases S T 378Tensão entre as fases R T 382FREQUÊNCIA (Hz) 62,1
Fonte: Do autorO próximo teste foi feito com as cargas ligadas ao circuito, resultando nos
seguintes valores:
Tabela 5 - Dados de tensão, corrente, potência e frequência no teste com biodiesel, com carga
GERADOR COM BIODIESEL - Com carga
FASETENSÃO
(V)CORRENTE
(A)POTENCIA
(KW)Fase R 218 42,2 9,1996Fase S 230 13,95 3,2085Fase T 232 3,66 0,8491
POTENCIA TOTAL (R+S+T) (KW) 13,2572
FREQUÊNCIA (Hz) 60,8Fonte: Do autor
Os dados registrados puderam ser analisados e comparados conforme indica
a tabela seguinte:
Tabela 6 - Análise comparativa da tensão e frequência nos testes com
biodiesel
COM CARGAFASE TENSÃO (V) TENSÃO (V)
R 220 210S 219 219 0,15198%T 219 230R S 379 365S T 378 393 0,17559%R T 382 383FREQUÊNCIA (Hz) 62,1 60,8 -2,09340%
BIODIESEL (ÁGUA 67°C)
% DA VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA
(R+S+T)/3
219,667
379,667 380,333
(R S+S T+S T)/3
219,333
SEM CARGA MÉDIA TENSÃO COM CARGA
MÉDIA TENSÃO SEM CARGA
% DA VARIAÇÃO DA TENSÃO
Fonte: Do autor
A otimização do sistema hidráulico não foi realizada neste primeiro momento,
pois, mesmo tendo encontrado parâmetros de injeção que poderiam ser melhorados,
como ponto de injeção principal, ponto e débito de pré e pós injeção e pressão da
injeção, o motor funcionou satisfatoriamente quando alimentado com o biodiesel. O
motor não apresentou falhas tanto nos testes sem carga quanto os testes com
carga, contudo uma avaliação em longo prazo se faz necessária para que se
possam analisar o desgaste nos componentes do motor, como cilindros, pistões e
anéis de segmento, e outras alterações indesejadas, como entupimento dos bicos
injetores, formação de ferrugem e depósitos de coqueamento na câmara de
combustão .
Juntando os dados levantados nos testes realizados com os dois combustíveis
foi possível notar que as variações de tensão e frequência entre eles foram mínimas,
portanto insignificantes, conforme pode ser observado na tabela 6. Nesta mesma
tabela pode-se observar que com os dois combustíveis houve uma pequena
diminuição, tanto na tensão quanto na frequência, quando foi adicionada a carga ao
circuito, que ficou na faixa dos 0,15% para a tensão e a freqüência diminuiu pouco
mais de 2% em ambos. Esta queda é normal já que foi adicionada no circuito uma
carga de mais de 13kW.
A tabela 7 apresenta uma análise comparativa da corrente e potência
elétricas entre os dois combustíveis:
Tabela 7 – Comparativo de corrente e potência entre diesel comum e biodiesel
FASE CORRENTE (A) POTENCIA (KW) CORRENTE (A) POTENCIA (KW) CORRENTE (A) POTENCIA (KW)Fase R 42,3 9,2637 42,2 9,1996 0,2370% 0,6968%Fase S 14,12 3,2617 13,95 3,2085 1,2186% 1,6587%Fase T 3,58 0,8485 3,66 0,8491 -2,1858% -0,0777%
COMPARATIVO CORRENTE E POTÊNCIA
60TOTAL
DIESEL COMUM BIODIESEL % DA VARIAÇÃO
13,3739 13,2572 0,87997%59,81 0,3177%
Fonte: Do autor
Na tabela 7 é possível constatar que houve uma pequena queda na potência
total gerada com o biodiesel com a mesma carga, chegando perto de 0,9%. Já a
OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE INJEÇÃOCOMPARAÇÃO DO DESEMPENHO ENTRE DIESEL E BIODIESEL
corrente elétrica gerada com biodiesel teve uma queda menor ainda, sendo de
aproximadamente 0,3%. Dessa forma se percebe que o desempenho dos dois
combustíveis foi muito semelhante.
Tendo em vista a comparação das grandezas elétricas geradas com o
biodiesel, pode-se dizer que o biodiesel se equipara ao diesel comum no que se
refere à capacidade de geração elétrica neste grupo gerador específico.
RESULTADOS
Com o objetivo geral de realizar uma analise comparativa do desempenho
elétrico de um grupo gerador utilizando biodiesel como combustível, foram
realizados alguns testes em um grupo gerador da marca STEMAC com potência de
40 kVA, de propriedade do aeroporto municipal de Caçador. Este gerador, em caso
de falta de energia, liga automaticamente e supre toda a sinalização da pista,
alimentação dos radares e também a iluminação do local, assim como a sala de
controle. Os testes feitos neste grupo gerador consistiram em anotar os dados
elétricos mostrados na IHM do controlador do equipamento e medir a corrente
elétrica da saída do gerador com um alicate amperímetro, dentro dos parâmetros
exigidos. Os testes foram feitos primeiramente com o diesel comum, inicialmente
sem carga e depois com carga, sendo anotados os valores de tensão, corrente,
temperatura da água de refrigeração e freqüência. Depois foram realizados testes
com o biodiesel, que também seguiu o mesmo método, sendo feito primeiro o teste
sem carga e depois com carga.
Então, com os dados do desempenho dos dois combustíveis foi possível
realizar uma comparação entre eles, que permitiu verificar que o desempenho
elétrico foi muito semelhante ao do óleo diesel comum, onde as grandezas elétricas
como tensão, freqüência e potência tiveram muita pouca diferença entre os dois
combustíveis. Como pode ser visualizado na tabela 7. Isso comprovou que o
biodiesel B100 pôde ser utilizado, sem perdas significativas, no abastecimento do
conjunto motor gerador em questão. Também demonstrou que nenhuma
modificação é necessária, em princípio, quando utilizado o biodiesel B100 neste
grupo gerador. No entanto, sugerem-se estudos mais aprofundados, para se obter
dados do desempenho do sistema em longo prazo, obtendo-se assim resultados
mais específicos quanto ao uso de biodiesel B100 em sistemas de geração de
energia, assim como realizar testes com outros grupos geradores com diferentes
potências, para identificar se os resultados serão semelhantes. Como sugestão de
melhoria ao sistema, pode-se citar a criação de um sistema supervisório que seja
capaz de monitorar em tempo real as condições do sistema e que possa informar o
desempenho dos componentes do grupo gerador ao longo do tempo, para assim
identificar eventuais alterações indesejadas no funcionamento do mesmo.
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