Pneu Hidr Fascículo 1

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS Campus Itumbiara

Acionamentos Pneumáticos e Hidráulicos Fascículo 1

Joaquim Francisco Martins 2011 I


Índice 1. PNEUMÁTICA.....................................................................................................1 1.1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................1 1.2. AR COMPRIMIDO ...............................................................................................2 1.2.1. Vantagens e Limitações............................................................................2 1.3. FUNDAMENTOS FÍSICOS ....................................................................................4 1.3.1. Fluido........................................................................................................4 1.3.2. Força e Pressão ..................................................... ......................................................................................... .................................... 4 1.3.3. Propriedades do Ar ....................................................... ................................................................................... ............................ 4 1.3.3.1. Expansibilidade..................................................................................4 1.3.3.2. Compressibilidade ............................................................................. ............................................ ................................. 5 1.3.3.3. Elasticidade........................................................................................5 1.3.3.4. Difusibilidade .................................................................................... ........................................... ......................................... 6 1.3.3.5. Peso....................................................................................................6 1.3.4. Transformações: Transformações: Isotérmica, Isotérmica, Isocórica Isocórica e Isobárica Isobárica .................................. 7 1.4. CUSTOS ENERGÉTICOS ......................................................................................7 1.4.1. Usos Indevidos..........................................................................................9 1.4.2. Excesso de Pressão ................................................................................... .......................................... ......................................... 9 1.4.3. Vazamentos...............................................................................................9 1.4.3.1. Identificação de Vazamentos...........................................................11 1.4.5. Sistema Eficiente .................................................................................... .......................................... .......................................... 12 1.5. CONSIDERAÇÕES PRÁTICAS ............................................................................12 1.5.1. Pressão Baixa..........................................................................................12 1.5.2. Pressão Normal.......................................................................................12 1.5.1. Pressão alta ................................................... ............................................................................................. .......................................... 12 1.6. EXERCÍCIOS PROPOSTOS .................................................................................12 2. PRODUÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO..........................15 2.1. DEFINIÇÕES BÁSICAS ......................................................................................15 2.1.1. Deslocamento Positivo ................................................ ........................................................................... ........................... 15 2.1.2. Deslocamento Dinâmico.........................................................................15 2.1.3. Difusor ................................................. .................................................................................................. ..................................................... 15 2.1.4. Cores Técnicas........................................................................................15 2.2. GERAÇÃO DE PRESSÃO ...................................................................................16 2.2.1. Compressores Alternativos Tipo Pistão..................................................18 2.2.1.1. Compressor Compressor Alternativo Alternativo de Simples Efeito ..................................... 19 2.2.1.2. Compressor Compressor Alternativo Alternativo de Duplo Efeito Efeito ........................................ 19 2.2.1.2. Compressor Alternativo de Duplo Estágio......................................20 2.2.2. Compressor Compressor Alternativo Alternativo Tipo Diafragma Diafragma ............................................... 21 II


2.2.3. Compressores Rotativos ............................................... ......................................................................... .......................... 22 2.2.3.1. Compressor de Palhetas...................................................................22 2.2.3.2. Compressor de Parafuso ................................................... .................................................................. ............... 23 2.2.3.3. Compressor Compressor de Lóbulos ou “Roots” “Roots” ................................................ 24 2.2.4. Compressores Dinâmicos ..................................................... ....................................................................... .................. 24 2.2.4.1. Compressor Axial............................................................................24 2.2.4.2. Compressor Centrífugo....................................................................25 2.2.5. Considerações.........................................................................................26 2.2.5.1. Deslocamento Positivo ................................................. .................................................................... ................... 26 2.2.5.2. Deslocamento Dinâmico..................................................................26 2.2.5.3. Comparativo .................................................................................... .......................................... .......................................... 26 2.2.5.4. Curiosidades ............................................. .................................................................................... ....................................... 27 2.2.5.4.1. Compressores Alternativos.......................................................27 2.2.5.4.2. Compressores de Parafuso........................................................27 2.2.5.4.3. Compressores Centrífugos........................................................27 2.3. PREPARAÇÃO DO AR COMPRIMIDO .................................................................28 2.3.1. Compressor.............................................................................................28 2.3.2. Refrigerador ou Resfriador.....................................................................29 2.3.3. Reservatório de Ar Comprimido ............................................................ ............................................ ................ 30 2.3.4. Secador ................................................ ................................................................................................... ................................................... 31 2.3.4.1. Secagem por Resfriamento..............................................................31 2.3.4.2. Secagem por Adsorção ............................................. .................................................................... ....................... 32 2.3.4.3. Secagem por Absorção ............................................. .................................................................... ....................... 33 2.4. LUBREFIL ........................................................................................................34 2.5 TUBULAÇÃO.....................................................................................................35 2.5.1. Tubos de Aço Perfilados.........................................................................35 2.5.2. Tubos de Aço Sem Costura ............................................. .................................................................... ....................... 36 2.5.3. Tubos de Aço Inoxidável........................................................................36 2.6. CONTAMINAÇÃO .............................................................................................39 2.6.1. Fontes de Contaminação.........................................................................39 2.6.1.1. Externa.............................................................................................39 2.6.1.2. Interna..............................................................................................40 2.6.1.3. Manutenção / Montagem.................................................................40 2.6.2. Efeitos da Contaminação........................................................................41 2.7. EXERCÍCIOS PROPOSTOS .................................................................................41

III


Índice de Figuras Figura 1.1 – Diagrama esquemático esquemático de um sistema pneumático. .......................................... 1 Figura 1.2 – Diagrama de blocos de um sistema pneumático. ............................................... 1 Figura 1.3 - Exemplo de aplicação de uma força em uma u ma superfície (10 Kgf/cm2). ....... ........... ........44 Figura 1.4 – Expansibilidade do ar.........................................................................................5 Figura 1.5 – Compressibilidade do ar.....................................................................................5 Figura 1.6 – Elasticidade do ar...............................................................................................6 Figura 1.7 – Difusibilidade do ar............................................................................................6 Figura 1.8 - Custo efetivo, médio, de um compressor durante 10 anos de uso......................8 Figura 1.9 - Demanda média em um sistema de ar comprimido............................................8 Figura 1.10 – Identificação de vazamentos em um sistema de ar comprimido....................11 Figura 2.1 – Exemplo de produção de ar comprimido. ..................................................... ........................................................ ... 16 Figura 2.2 – Compressão e condicionamento do ar em sistemas pneumáticos....................17 Figura 2.3 – Compressão e condicionamento do ar em sistemas pneumáticos....................17 Figura 2.4 – Diagrama esquemático de um compressor alternativo alternativo de simples simples efeito. efeito. ....... 19 Figura 2.5 – Diagrama esquemático de um compressor alternativo de duplo efeito............20 Figura 2.6 - Diagrama esquemático de um compressor de dois estágios.............................20 Figura 2.7 – Diagrama esquemático de um compressor tipo tipo diafragma. ............................. 21 Figura 2.8 – Compressor de palheta.....................................................................................22 Figura 2.9 – Compressor de parafuso...................................................................................23 Figura 2.10 – Compressor de lóbulos...................................................................................24 Figura 2.11 - Diagrama esquemático de um compressor axial.............................................25 Figura 2.12 - Diagrama esquemático de um compressor centrífugo....................................25 Figura 2.13 – Diagrama Diagrama esquemático de uma estação estação de ar comprimido. comprimido. ........................... 28 Figura 2.14 – Diagrama Diagrama de resfriador posterior. ........................................................ .................................................................. .......... 29 Figura 2.15 - Diagrama Diagrama esquemático de um reservatório reservatório de ar comprimido. ...................... 30 Figura 2.16 - Diagrama esquemático de um secador por resfriamento................................32 Figura 2.17 - Diagrama esquemático da secagem por adsorção...........................................32 Figura 2.18 - Diagrama esquemático de uma secagem por absorção...................................33 Figura 2.19 – Exemplos de Lubrefil e sua simbologia.........................................................34 Figura 2.20 – Distribuição Distribuição de ar comprimido comprimido (a) Anel aberto e (b) Anel fechado. ............. 38 Figura 2.20 – Diagrama esquemático do declive de uma tubulação. ................................... 38 Figura 2.21 – Tomada de ar em uma tubulação de ar comprimido......................................39

IV


Índice de Tabelas Tabela 1.1 - Relação de vazamento vazamento x perda de potência com o custo. custo. ................................ 10 Tabela 2.1 – Relação entre entre número de estágios e a pressão para compressores. compressores. ................. 21 Tabela 2.2 – Características gerais dos compressores..........................................................27

V


1. Pneumática 1.1. Introdução Pneumática é deriva do grego “Pneumos” ou “Pneuma” que significa: Respiração, sopro. É definida como parte da Física responsável pelo estudo da dinâmica e dos fenômenos físicos relacionados com os gases e os vácuos. Além disso, estuda a conversão da energia pneumática em energia mecânica. Sistemas pneumáticos são bastante comuns nas áreas industriais, devido sua simplicidade aliados à velocidade e a força aplicada. Como por exemplo: Acionamentos e controles industriais, transporte pneumático, ejetores defluidos, processos como produção de peças de vidro ou plástico, jato de areia, pinturas, ferramentas (marteletes, perfuratrizes, etc.), acionamento de freios, operações submarinas, dentre outros. ou tros. A figura 1.1 mostra um diagrama esquemático de um sistema pneumático.

Figura 1.1 – Diagrama esquemático de um sistema pneumático.

A figura 1.2 mostra o diagrama de blocos de um sistema pneumático.

Figura 1.2 – Diagrama de blocos de um sistema pneumático.

1


1.2. Ar Comprimido O ar é insípido, inodoro e incolor, mas é facilmente percebido através dos ventos, correntes de ar que sustentam pássaros e asas deltas e que atenuam a queda através do páraquedas. Apresenta algumas propriedades importantes, as quais podem favorecer ou limitar sua aplicação nos ambientes industriais.

1.2.1. Vantagens e Limitações Um sistema pneumático no ambiente industrial, geralmente, é caracterizado pelas seguintes vantagens: •

Robustez dos componentes pneumáticos: A robustez inerente aos controles pneumáticos torna-os relativamente insensíveis a vibrações e golpes, permitindo que ações mecânicas do próprio processo sirvam de sinal para as diversas seqüências de operação. São de fácil manutenção;

•

Facilidade de implantação: Pequenas modificações nas máquinas convencionais, aliadas a disponibilidade de ar comprimido, são os requisitos necessários para implantação dos controles pneumáticos;

•

Simplicidade de manipulação : Os controles pneumáticos não necessitam de operários especializados para sua manipulação;

•

Disponibilidade: O ar está disponível em quantidade em qualquer parte;

•

Custo da tubulação : Não há necessidade de tubulação de retorno;

•

Velocidade do fluído: A velocidade de fluxo do ar no interior das válvulas e tubulação é alta;

•

Estocagem: O ar comprimido pode ser estocado dentro de reservatórios;

•

Limpeza: Não polui o ambiente em caso de vazamentos;

•

•

Montagem: Apresenta facilidade de montagem entre os componentes do sistema com tubulações flexíveis, em outras palavras, apresenta engate rápido; Custo de produção: Incremento da produção com investimento relativamente pequeno; 2


•

Redução dos custos operacionais: A rapidez nos movimentos pneumáticos e a libertação do operário de operações repetitivas possibilitam possibilitam o aumento do do ritmo de trabalho, aumento de forma significativa à produtividade e, como consequência, um menor custo operacional.

•

Segurança: Como os equipamentos pneumáticos envolvem sempre pressões moderadas, tornam-se seguros contra possíveis acidentes, tanto para os operários, quanto para o equipamento, além de evitar problemas de explosão.

•

Redução do número de acidentes: A fadiga é um dos principais fatores que favorecem acidentes, a implantação de controles pneumáticos reduz este problema. Também diminuem doenças funcionais, já que o trabalho físico repetitivo fica restrito ao maquinário.

Um sistema pneumático no ambiente industrial, geralmente, é caracterizado pelas seguintes limitações: •

Preparação : O ar comprimido necessita de uma boa preparação para realizar o trabalho proposto, entre as quais destacam: o o o

•

•

•

•

•

Remoção de impurezas; Eliminação de umidade para evitar corrosão nos equipamentos; Desgastes acentuados nas partes móveis do sistema;

Utilização: Os componentes pneumáticos são normalmente projetados e utilizados a uma pressão máxima de 1.723,6 kPa (17,2 BAR). Logo o tamanho dos atuadores são maiores quando se devem d evem vencer grandes forças; Controle de velocidade: Velocidades muito baixas são difíceis de ser obtidas com o ar comprimido devido às suas propriedades físicas. Neste caso, recorre-se a sistemas mistos (hidráulicos / pneumáticos); pneu máticos); Compressibilidade: O ar é um fluido altamente compressível, portanto, é impossível de se obter o bter paradas intermediárias e velocidades uniformes; Poluição sonora: O ar comprimido é um poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões para a atmosfera. Esta poluição pode ser evitada com o uso de silenciadores nos orifícios de escape; Vazamentos: As perdas por vazamento são dispendiosas devido à constante perda de energia, pois o compressor permanece muito tempo ligado. 3


1.3. Fundamentos Físicos A seguir serão abordados os principais fundamentos físicos do ar para um bom entendimento da Pneumática.

1.3.1. Fluido Qualquer substância que é capaz de escoar e assumir a forma do recipiente que a contém é denominado de fluido. O fluido pode ser líquido ou gasoso. A pneumática trata dos fluidos gasosos, especialmente, o ar.

1.3.2. Força e Pressão Pode-se dizer que força é qualquer causa capaz de alterar o estado de equilíbrio de um corpo, podendo produzir ou alterar o movimento ou ainda produzir deformações. Já a pressão é definida como a aplicação de uma força sobre uma área determinada. Como mostrado pela figura 1.3.

Figura 1.3 - Exemplo de aplicação de uma força em uma superfície (10 Kgf/cm 2).

1.3.3. Propriedades do Ar A seguir serão abordadas as principais propriedades do ar para um bom entendimento da Pneumática.

1.3.3.1. Expansibilidade Expansibilidade Propriedade do ar que lhe possibilita ocupar totalmente o volume de qualquer recipiente, adquirindo o seu formato, como mostra a figura 1.4. 4


Figura 1.4 – Expansibilidade do ar.

Onde: (a) Recipiente contendo ar e a válvula está fechada; (b) Quando a válvula é aberta o ar expande, assumindo o formato dos recipientes envolvidos no circuito pneumático.

1.3.3.2. Compressibilidade Compressibilidade O ar quando submetido à ação uma força reduz seu volume. Logo, é possível encerrá-lo em um recipiente com volume determinado e posteriormente provocar-lhe uma redução. Pode-se concluir que a compressibilidade do ar permite reduzir o seu volume quando sujeito à ação de uma u ma força exterior, como mostra a figura 1.5.

Figura 1.5 – Compressibilidade do ar.

1.3.3.3. Elasticidade Devido a sua elasticidade, o ar volta ao seu volume inicial quando cessa a ação da força, como mostra a figura 1.6. 5


Figura 1.6 – Elasticidade do ar.

1.3.3.4. Difusibilidade Difusibilidade Propriedade do ar que lhe permite misturar-se homogeneamente com qualquer meio gasoso que não esteja saturado. Como mostra a figura 1.7.

Figura 1.7 – Difusibilidade do ar.

Onde: (a) Volumes contendo ar e gás com a válvula fechada; (b) Válvula aberta, é obtida uma mistura homogênea.

1.3.3.5. Peso Um litro de ar, a temperatura de 0 ° Celsius e ao nível do mar pesa aproximadamente: 1,293 gramas. Em função do peso do ar e do volume da atmosfera terrestre, todos nós sofremos a ação de uma força em todos os sentidos e direções, estando associada a uma pressão. 6


1.3.4. Transformações: Isotérmica, Isocórica e Isobárica As leis de Boyle-Mariotte, Charles e Gay Lussac referem-se a transformações de estado, nas quais uma das variáveis físicas permanece constante, para gases perfeitos. Geralmente, a transformação de um estado para outro envolve um relacionamento entre todas, sendo assim, a relação generalizada é expressa pela fórmula:

P1 .V 1 T 1

=

P2 .V 2 T 2

Logo as transformações para gases perfeitos, podem ser: •

•

•

Isotérmica: Caracteriza-se Caracteriza-se pela temperatura constante, onde: o

Diminui o Volume  Aumenta a pressão;

o

Aumenta o Volume  Diminui a pressão.

Isocórica ou Isovolumétrica: Caracteriza-se pelo volume constante , onde: o

Diminui a Temperatura  Diminui a Pressão;

o

Aumenta-se a Temperatura  Aumenta a Pressão.

Isobárica: Caracteriza-se Caracteriza-se pela pressão constante, onde: o

Diminui a Temperatura  Diminui o Volume;

o

Aumenta a Temperatura  Aumenta o Volume.

1.4. Custos Energéticos Um sistema pneumático gasta energia para seu funcionamento implicando que, quanto menor seu gasto de energia, menor o custo de produção. Um erro comum é não contabilizar o ar comprimido com custo de produção, pois apesar do ar ser encontrado na natureza sua geração requer um gasto de energia. Economizar energia por melhorias no sistema de ar comprimido pode resultar em uma economia de 20 a 40% do consumo de energia elétrica. O Gerenciamento do sistema de ar comprimido adequado pode: 7


• • • • • •

Diminuir em até em torno de 40% o consumo de energia elétrica; Reduzir o número de compressores em serviço; Evitar manutenção não programada, ou seja, manutenção corretiva; Diminuir o tempo de equipamentos fora de serviço; Aumentar a Produção; Melhorar a qualidade dos produtos produzidos.

A figura 1.8 mostra o custo efetivo, médio, de um compressor durante 10 anos de uso.

Figura 1.8 - Custo efetivo, médio, de um compressor durante 10 anos de uso.

A figura 1.9 mostra a demanda média em um sistema de ar comprimido.

Figura 1.9 - Demanda média em um sistema de ar comprimido.

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1.4.1. Usos Indevidos Entendem-se como usos indevidos atividades que não estão ligadas ao uso do sistema pneumático a qual foi projetado, dentre os principais, estão: • • • •

Resfriamento pessoal: Resfriamento de motores: Limpeza de peças; Limpeza do chão da fábrica.

Estas atividades representam, representam, em média, 5% da demanda de ar comprimido, ou seja, um custo elevado e desnecessário. Logo, devem ser proibidos. p roibidos.

1.4.2. Excesso de Pressão Excesso de pressão no sistema também tem um custo bem representativo, em torno de 8% da demanda média. Por exemplo: Um sistema que, normalmente, trabalha com 5,5 bar consome em média 11,3 m3 /h. Se o mesmo trabalhar com excesso de pressão de 8, o bar irá consumir em média 15 m3 /h. Logo o desperdício é de 3,7 m3 /h que em média é de 30 HP. Este desperdício de 30 HP, considerando o custo médio de energia de R$ 0,20 kW/h. Em um ano o prejuízo estará em torno de R$ 40.000,00. Conclui-se que, evitar excesso de pressão nem um sistema significa maior disponibilidade no caixa para investimento, mais competitividade e menos problemas na rede de ar.

1.4.3. Vazamentos Vazamentos além de aumentar o consumo de energia elétrica por aumentar o trabalho do compressor, também contribuem para a ocorrência de problemas operacionais em um sistema, tais como: • • •

Flutuações no sistema de pressão, as quais podem tornar os equipamentos menos eficientes e afetar a qualidade da produção; Exigir mais trabalho do compressor, resultando em custos mais altos que o necessário; Reduzir a vida útil e aumentar a manutenção dos equipamentos ligados ao suprimento de ar, inclusive do próprio compressor, em virtude do aumento de partidas e paradas desnecessárias e ao aumento da carga em trabalho. 9


A tabela 1.1 mostra a relação de vazamento x perda de potência com o custo.

Tabela 1.1 - Relação de vazamento x perda de potência com o custo.

O volume de ar dos vazamentos está relacionado diretamente com a pressão de suprimento, quanto maiores os vazamentos, maior será a necessidade de aumento na pressão para compensá-los. No ambiente industrial é muito comum, quando uma área de trabalho é afetada por queda de pressão, que a primeira providência seja ajustar a descarga do compressor para uma pressão mais elevada. A conseqüência é que isso provoca o aumento de vazamentos, implicando em mais gasto energético e, obviamente, em custos mais elevados. Os vazamentos ocorrem com maior freqüência em: • • • • • • •

Engates rápidos; Mangueiras; Tubos: Conexões; Filtros; Reguladores; Lubrificadores;

• • • • • •

Drenos; Válvulas; Flanges; Vedações; Juntas de tubulações; Roscas mal vedadas; 10


• •

Válvulas, cilindros e ferramentas ferramentas pneumáticas; Pontos fora de uso, mas ainda ligados à rede de ar.

1.4.3.1. Identificação de Vazamento Va zamentoss Ao fluir através do local do vazamento, um fluxo turbulento é gerado. Essa turbulência tem fortes componentes ultra-sônicos, os quais são captados através de uma sonda e transmitidos para fones de ouvido e para um medidor que os transforma em sinais luminosos ou sonoros. Quanto maior o vazamento, maior o nível de ultra-som. Estabelecer um pequeno roteiro para identificar vazamentos em um sistema de ar facilita o desenvolvimento deste trabalho. Também dá uma visão mais ampla do que está ocorrendo, criando uma forma metódica e criteriosa para um plano contínuo de controle e manutenção. A forma mais adequada de identificar vazamentos em um sistema de ar comprimido é através de um sensor de uultra-som, ltra-som, como mostra a figura 1.10.

Figura 1.10 – Identificação de vazamentos em um sistema de ar comprimido.

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1.4.5. Sistema Eficiente Um sistema eficiente de ar comprimido garante, ao sistema: • • • • • •

Economiza energia; Elimina desperdícios; Menor custo de reposição; A vida útil dos componentes é maior; Os vazamentos são insignificantes; A pressão no sistema é estável;

• •

Menor ruído no ambiente; Economia em manutenção;

1.5. Considerações Práticas A seguir são abordadas algumas considerações práticas de utilização de pressões em sistemas pneumáticos.

1.5.1. Pressão Baixa Considera-se baixa pressão baixa sistemas que operam até 1,5 bar. Geralmente, utilizam estas pressões sistemas sistemas de comando e / ou ativação de sensores pneumáticos.

1.5.2. Pressão Normal Considera-se pressão normal sistemas que operam de 1,5 a 10 bar. Geralmente, utilizam estas pressões sistemas de comando e / ou trabalho. Normalmente, operam em torno de 6 bar por terem um bom custo / benefício. b enefício.

1.5.1. Pressão alta Considera-se pressão alta sistemas que operam acima de 10 bar. Geralmente, são sistemas especiais especiais sistemas que justificam o seu custo, normalmente, elevado.

1.6. Exercícios Propostos 1) Uma empresa possui uma linha pneumática que apresenta pequenos vazamentos. Como você é o técnico responsável pela área, deve justificar para gerência que a manutenção desta linha faz-se necessário.

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Para tal você associou os vazamentos a pequenos furos e os representou como um furo total de: a) b) c) d) e) f) g)

Área de 113 mm2; Área de 57 mm2; Área de 20 mm2 Área de 10 mm2; Área de 5 mm2; Área de 3 mm2; Área de 0,7 mm2; Indique: Os volumes de ar escapado bem como seus custos anuais.

2) Um êmbolo que pode se mover livremente por um cilindro tem uma massa de 0,60 Kg. Sua situação inicial é que o embolo está a uma altura de 5 cm a uma temperatura de 27 ºC. Admita a área área do embolo de 10 cm cm2 e a gravidade g = 9,81 m/s 2. a) Se o cilindro for aquecido até 180 ºC, qual a altura que o êmbolo estará ? b) Qual será o peso necessário para se colocar no êmbolo para que o mesmo fique na posição inicial ? ( 5 cm )

3) Um êmbolo que pode se mover livremente por um cilindro tem uma massa de 0,30 Kg. Sua situação inicial é que o embolo está a uma altura de 5 cm a uma temperatura de 25 ºC. Admita a área do embolo de 10 cm2 e a gravidade g = 9,81 m/s 2. a) Se o cilindro for aquecido até 180 ºC, qual a altura que o embolo estará ?

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b) Quando o êmbolo atingir o equilíbrio, o mesmo é travado e mergulhado em nitrogênio líquido ( 77 K ). Determine o valor da nova pressão interna mediante esta variação brusca de temperatura em BAR.

4) Um cilindro, de área de seção transversal reta A, é provido de um êmbolo móvel, podendo-se variar, assim, o volume de um gás (ideal) contido no cilindro. Quando o êmbolo esta marcando 0,30 sua temperatura é de 300 k e a pressão é 2 BAR. Levando o êmbolo até a marca 0,20. Pede-se:

a) Se a temperatura for mantida a mesma, qual é a pressão no interior do cilindro ? b) Se a temperatura for alterada para 400 k, qual é a pressão no interior do cilindro ?

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2. Produção e Distribuição do Ar Comprimido O elemento que produz ar comprimido é denominado compressor. Por definição: “ Compressores Compressores são máquinas destinadas a elevar a pressão de um certo volume de ar, admitido nas condições atmosféricas, até uma determinada pressão, exigida na execução dos trabalhos realizados pelo ar comprimido” .

2.1. Definições Básicas 2.1.1. Deslocamento Positivo Baseia-se fundamentalmente fundamentalmente na redução de volume. O ar é admitido em uma câmara isolada do meio exterior, onde seu volume é gradualmente diminuído, processando-se a compressão. Quando uma determinada pressão é atingida, provoca a abertura de válvulas de descarga, ou simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga durante a contínua diminuição do volume da câmara de compressão;

2.1.2. Deslocamento Dinâmico A elevação da pressão é obtida por meio de conversão de energia cinética em energia de pressão, durante a passagem do ar através do compressor. O ar admitido é colocado em contato com impulsores (rotor laminado) dotados de alta velocidade. Este ar é acelerado, atingindo velocidades elevadas e consequentemente os impulsores transmitem energia cinética ao ar. Posteriormente, seu escoamento é retardado por meio de difusores, obrigando a uma elevação na pressão.

2.1.3. Difusor É uma espécie de duto que provoca diminuição na velocidade de escoamento de um fluido, causando aumento de pressão.

2.1.4. Cores Técnicas As cores utilizadas pelo ANSI (American National Standard Institute), que substitui a organização ASA, pois sua padronização de cores é bem completa e abrange a maioria das necessidades de um circuito pneumático, onde: 15


• • • • • • •

Vermelho: Indica pressão de alimentação, pressão normal do sistema, é a pressão do processo de transformação de energia, por ex.: Compressor; Violeta: Indica que a pressão do sistema de transformação de energia foi intensificada, por ex.: Multiplicador de pressão; Laranja: Indica linha de comando, pilotagem ou que a pressão básica foi reduzida, por ex.: Pilotagem de uma u ma válvula; Amarelo: Indica uma restrição no controle de passagem do fluxo, por ex.: Utilização de válvula de controle de fluxo; Azul: Indica fluxo em descarga, escape ou retorno, por ex.: Exaustão para atmosfera; Verde: Indica sucção ou linha de drenagem, d renagem, por ex.: Sucção do compressor; Branco: Indica fluido inativo, por ex.: Armazenagem.

2.2. Geração de Pressão Na indústria, geralmente, o ar comprimido é produzido em local central, por exemplo: Na casa de máquinas e, posteriormente, conduzido ao local da aplicação através de uma rede de tubulação. A figura 2.1 mostra um exemplo de produção de ar comprimido.

Figura 2.1 – Exemplo de produção de ar comprimido.

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Obviamente, através da figura 2.1 que o ar em um sistema pneumático deve ser além comprimido condicionado, ou seja, ter qualidade. Como por exemplo: Isento de umidade e impurezas. A figura 2.2 mostra em forma gráfica estas condições.

Figura 2.2 – Compressão e condicionamento do ar em sistemas pneumáticos.

Para a geração de ar comprimido em sistemas pneumáticos são necessários equipamentos adequados, denominados de compressores. A figura 2.3 mostra em diagrama esquemático os tipos mais comuns de compressores que são aplicados em sistema pneumáticos. p neumáticos.

Figura 2.3 – Compressão e condicionamento do ar em sistemas pneumáticos.

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Através da figura 2.3, pode-se comentar que: •

Compressores Volumétricos: São compressores que realizam o processo de comprimir o ar através da redução de volume. Devido esta característica são também conhecidos como compressores de deslocamento positivo. Em geral, são subdivididos em dois subgrupos: o

Compressores Alternativos: o

o

o

Compressores Rotativos: o o o o

•

Pistão: o Simples efeito, de um ou múltiplos estágios; o Duplo efeito de um ou múltiplos estágios; Diafragma.

Palhetas; Lóbulos, também conhecidos como “Roots”; Parafuso; Turbocompressores.

Compressores Dinâmicos: São compressores que realizam o processo de comprimir o ar através da aceleração de massa, ou seja, através do fluxo. Devido esta característica são também conhecidos como compressores de deslocamento dinâmico. Em geral, são subdivididos em dois subgrupos: o o

Centrífugos; Axiais.

2.2.1. Compressores Alternativos Tipo Pistão Um compressor alternativo é, geralmente, utilizado para produzir altas pressões. Geralmente, seu funcionamento é dado por quatro etapas distintas: •

Admissão – Etapa 1: Quando o pistão se move para baixo, o ar flui para o interior do cilindro através da válvula de entrada;

•

Compressão – Etapa 2: Quando o pistão se move para cima, o ar é comprimido sendo liberado convenientemente por uma válvula de saída;

•

Descarga – Etapa 3: O ar comprimido é expelido e entra, então, em um reservatório de armazenamento; armazenamento; 18


•

Expansão – Etapa 4: Após a descarga, nem todo o gás é expulso do cilindro. Resta uma parte denominada volume morto ou espaço morto, compreendido entre o cabeçote e o pistão no ponto final de deslocamento. Válvulas de entrada e de saída fechadas, enquanto o pistão se desloca para baixo. Precede a etapa de admissão até que a pressão interna se torne menor que a pressão externa.

2.2.1.1. Compressor Alternativo de Simples Efeito Resumidamente, o compressor de simples efeito, também conhecido como compressor de simples ação, pode ter um ou mais estágios. São caracterizados por obterem a compressão do ar somente quando o êmbolo realiza seu movimento ascendente. O ar é comprimido pela ação de um pistão em um cilindro como mostra a figura 2.4.

Figura 2.4 – Diagrama esquemático de um compressor alternativo de simples efeito.

Este tipo de compressor também e conhecido como compressor do tipo tronco.

2.2.1.2. Compressor Alternativo de Duplo Efeito Compressor de duplo efeito, também conhecido como compressor de dupla ação, pode ter um ou mais estágio. São caracterizados por comprimirem o ar em ambos os sentidos do deslocamento do êmbolo, em outras palavras, o compressor de duplo efeito possui duas câmaras, ou seja, as duas faces do êmbolo aspiram e comprimem. Desta forma, o êmbolo efetua o movimento descendente e o ar é admitido na câmara superior, enquanto que o ar contido na câmara inferior é comprimido e expelido. 19


Procedendo-se o movimento oposto, a câmara que havia efetuado a admissão do ar realiza a sua compressão e a que havia comprimido efetua a admissão. Como mostra a figura 2.5.

Figura 2.5 – Diagrama esquemático de um compressor alternativo de duplo efeito.

Logo, apresentam maior eficiência, pois em cada ciclo (subida e descida) comprimem maior volume de ar por unidade de tempo. Este tipo de compressor também e conhecido como compressor do tipo cruzeta .

2.2.1.2. Compressor Alternativo de Duplo Estágio O compressor de dois estágios após o ar ser sugado ele sofre dupla compressão, devido a esta característica é necessário um sistema de refrigeração para diminuir a temperatura para a segunda compressão, já que após a primeira compressão o ar sofre um aumento natural de temperatura. A figura 2.6 mostra um diagrama esquemático de um compressor de dois estágios.

Figura 2.6 - Diagrama esquemático de um compressor de dois estágios.

20


A tabela 2.1 mostra a relação entre número de estágios e a pressão para compressores. RELAÇÃO ENTRE NÚMERO DE ESTÁGIOS E PRESSÃO Nº de Estágios Pressão Usual * Pressão Possível ** 1 4 bar 12 bar 2 15 bar 30 bar 3 ou mais > 15 bar > 30 bar Tabela 2.1 – Relação entre número de estágios e a pressão para compressores.

Onde:

* Pressão, normalmente, econômica; ** Pressão possível, mas não necessariamente econômica.

2.2.2. Compressor Alternativo Tipo Diafragma Em um compressor alternativo tipo diafragma, a pressão hidráulica oscilante de um lado do diafragma faz com que este flexione dentro de uma câmara, comprimindo o gás do outro lado. Tanto as válvulas de admissão, quanto as válvulas de descarga permitem que gás de baixa pressão entre no compressor e o gás pressurizado seja descarregado para o sistema, respectivamente. A pressão oscilante é gerada por um pistão que se move dentro de um cilindro, onde a câmara do compressor é separada do pistão por um diafragma. A figura 2.7 mostra um diagrama esquemático de um compressor alternativo tipo diafragma.

Figura 2.7 – Diagrama esquemático de um compressor tipo diafragma.

21


Sua vantagem é que nenhuma tubulação de óleo entra no fluxo de ar, a partir do compressor. O compressor de diafragma é, portanto, utilizado onde o óleo deve ser excluído do suprimento de ar, por exemplo: • Indústrias: o Alimentícias; o Farmacêuticas; o Produtos químicos.

2.2.3. Compressores Rotativos São compressores de deslocamento positivo que utilizam meios rotacionais de seus elementos internos promovem de forma direta a sucção e compressão do ar até que o mesmo esteja em condições de utilização para dispositivos pneumáticos. Em geral, são subdivididos em três subgrupos: subg rupos: Palhetas; • • Parafuso; Lóbulos ou “Roots”. •

2.2.3.1. Compressor de Palhetas O compressor em palhetas é composto por um rotor central que gira excentricamente em relação à carcaça, como mostra a figura 2.8.

Figura 2.8 – Compressor de palheta.

22


2.2.3.2. Compressor de Parafuso O compressor em parafuso é composto de dois rotores em forma de parafuso que giram em sentido contrário um em relação ao outro, mantendo uma condição de “engrenamento”, como mostra a figura 2.9.

Figura 2.9 – Compressor de parafuso.

Onde: •

(a) - O ar é sugado pela abertura de admissão preenchendo o espaço entre os parafusos;

•

(b) - À medida que os rotores giram, o ar é isolado, iniciando a compressão;

•

(c) - O movimento de rotação produz uma compressão suave, que continua até atingir a abertura de descarga;

•

(d) - O ar comprimido é suavemente descarregado do compressor, ficando a abertura de descarga selada, até a passagem do volume comprimido no ciclo seguinte. 23


2.2.3.3. Compressor de Lóbulos ou “Roots” O compressor é constituído em sua carcaça por um cilindro e dois rotores descentrados, projetados para que sejam constantemente tangentes, tanto a carcaça, quanto entre si. Como mostra a figura 2.10.

Figura 2.10 – Compressor de lóbulos.

Onde: •

(a) – Sucção do ar atmosférico;

•

(b) – Início da compressão do ar com a rotação do rotor, pois há uma diminuição do seu volume;

•

(c) – Compressão completa  ar comprimido;

•

(d) - Descarga do ar comprimido para utilização em um sistema pneumático.

2.2.4. Compressores Dinâmicos São compressores de deslocamento dinâmico que utilizam sua força rotacional para acelerar uma determinada massa de ar e, consequentemente, causando a compressão do mesmo. Estes compressores são particularmente ajustáveis para grandes quantidades de produção.

2.2.4.1. Compressor Axial No compressor axial, também conhecido como turbocompressor, o ar admitido é acelerado axialmente ao longo do eixo, em outras o utras palavras, paralelo ao eixo de rotação.

24


O compressor é composto de várias linhas de cascatas de superfícies de sustentação. Algumas destas linhas, chamadas rotores, são ligadas à haste central e rodam a alta velocidade. Os maiores utilizadores deste tipo de compressores são as fábricas de aeronaves e motores de aeronaves. Devido suas propriedades únicas, permitem que este tipo de desenho seja facilmente incorporado em um engenho “fui através”, tal como são hoje usados nas modernas aeronaves. A figura 2.11 mostra um diagrama esquemático de um compressor axial.

Figura 2.11 - Diagrama esquemático de um compressor axial.

2.2.4.2. Compressor Centrífugo O compressor centrífugo é constituído por uma sucessão de pás colocadas em série sobre o mesmo eixo, ou seja, o rotor dotado de d e lâminas dispostas radialmente. A figura 2.12 mostra um diagrama esquemático de um compressor centrífugo.

Figura 2.12 - Diagrama esquemático de um compressor centrífugo.

O ar é acelerado a partir do centro de rotação, em direção à periferia, ou seja, é admitido pela primeira hélice e assim sucessivamente sucessivamente pela outras ou tras hélices, sendo acelerado e expulso radialmente. 25


Os compressores centrífugos produzem uma descarga de alta pressão através da conversão de um momento angular resultante da rotação do impulsor caracterizando o deslocamento dinâmico. De forma fazê-lo eficientemente eles rodam a maiores velocidades v elocidades do que os outros tipos de compressores. Estes compressores são também projetados e desenhados para altas capacidades porque o fluir do ar através do compressor é contínuo. Ajustar as palhetas de guia de entrada do ar é o método mais comum para controlar a capacidade de um compressor centrífugo. Fechando as palhetas guia o fluido volumétrico e, consequentemente, a capacidade é reduzida e vice-versa.

2.2.5. Considerações Considerações A seguir são mencionadas algumas considerações consideradas importantes.

2.2.5.1. Deslocamento Positivo A compressão se dá pela redução física do volume da câmara em intervalos discretos. O clássico compressor a pistão, também denominado de compressor alternativo, é o exemplo mais evidente. Já os compressores denominados rotativos também são de deslocamento positivo, mas a redução de volume ocorre pelo movimento de rotação de um conjunto de peças, conforme visto anteriormente.

2.2.5.2. Deslocamento Dinâmico A compressão se dá pela ação de um rotor ou outros meios que aceleram o ar, aumentando sua pressão total através da massa do ar, conforme visto anteriormente. Devido à aceleração do ar, são atingidas velocidades elevadas e quando este ar é retardado por difusores há naturalmente uma elevação de pressão.

2.2.5.3. Comparativo Comparativo De forma geral, pode-se dizer que os compressores de deslocamento positivo são mais adequados para maiores pressões e menores vazões. Já e os compressores de deslocamentos dinâmicos, são mais adequados para menores pressões e maiores vazões. Algumas vezes, compressores de alta vazão e pressão relativamente baixa, como os usados em transportadores pneumáticos, são denominados sopradores. 26


A tabela 2.2 mostra algumas características gerais dos compressores de deslocamento positivo e deslocamento dinâmico. CARACTERÍSTICAS GERAIS Deslocamento positivo Deslocamento Dinâmico Compressão Redução de volume Aceleração de massa Processo Intermitente Contínuo Aplicação Maiores pressões Menores pressões Menores vazões Maiores vazões Tabela 2.2 – Características gerais dos compressores.

2.2.5.4. Curiosidades Curiosidades A seguir, são comentadas algumas curiosidades encontradas no ambiente industrial. 2.2.5.4.1. Compressores Alternativ A lternativos os

Para pressão de saída de 7 bar, encontram-se modelos com vazões de aproximadamente 2 nm3 /h até 10000 nm3 /h que representam 0,4 a 900 kW de potência do motor, respectivamente. respectivamente. Em geral, os de maior porte fazem sua compressão em dois ou mais estágios, com resfriamento resfriamento intermediário em trocador de calor, denominado “Intercooler ”. Também podem ter refrigeração a ar ou a água, lubrificação ou isento de óleo e outras características características para atender as mais diversas d iversas necessidades. Podem ser de ação simples: Apenas um lado do pistão comprime. Ou de dupla du pla ação: Há compressão nos dois lados do pistão, conforme visto anteriormente. 2.2.5.4.2. Compressores de Parafuso

É o tipo de compressor rotativo mais usado. Podem ser encontrados com vazões de aproximadamente 50 a 5000 nm3 /h. Alguns são de dois estágios para maiores pressões. Podem ter lubrificação com óleo ou ser isentos de óleo, resfriamento a ar ou a água, etc. A instalação destes compressores é simples por não haver vibrações como nos alternativos. 2.2.5.4.3. Compressores Centrífugos

São apropriados para altas vazões. Valores típicos na faixa de 700 a 25000 nm 3 /h. Em geral, são de vários estágios e o ar é isento de óleo, pois a lubrificação dos mancais é isolada da câmara de compressão, sendo, normalmente, refrigerados a água. 27


2.3. Preparação do Ar Comprimido O ar aspirado da atmosfera, obviamente, contém pó e umidade. Para o desempenho contínuo de sistemas pneumáticos de controle e elementos de trabalho, é necessário garantir que o fornecimento de ar esteja na n a pressão necessária, seco e limpo. Se alguma destas condições não for atendida, vai haver uma degeneração de curto e médio prazo. Logo, haverá o maquinário irá parar, gerando custos operacionais. Além disso, haverá custos, normalmente, elevados com reparos e/ou a substituições de peças. A figura 2.13 mostra um diagrama esquemático de uma estação de ar comprimido.

Figura 2.13 – Diagrama esquemático de uma estação de ar comprimido.

2.3.1. Compressor O compressor é responsável pela produção do ar comprimido a ser utilizada pelo sistema pneumático, em outras palavras, o compressor deve fornecer um volume de ar comprimido em m3. O compressor é responsável pela pressão de regime , que é a pressão com a qual o ar se encontra armazenado no reservatório. Após passar pelo compressor, apesar da redução da quantidade de poeira, retirada por uma pré-filtragem, juntam-se ao mesmo o óleo usado na lubrificação do próprio compressor. A presença de poeira é prejudicial porque ela é abrasiva, provocando desgastes nas peças móveis dos equipamentos. Já a presença de água condensada nas linhas de ar é a causa de principalmente: • Oxidação da tubulação e componentes pneumáticos; Redução da vida útil das d as peças, por remover a película lubrificante; • 28


•

• • • •

Avarias em válvulas e instrumentos; Rápido desgaste das vedações e partículas em movimento nos cilindros e válvulas; Silenciadores contaminados; Corrosão nos canos, válvulas, cilindros e outros componentes; Em caso de vazamento, o ar comprimido que escapa pode prejudicar os materiais a serem processados, como por exemplo: Indústria alimentícia.

Logo, é importante antes de utilizar o ar comprimido nas instalações, deve-se realizar um condicionamento de ar, normalmente composto por: Filtros; • • Resfriadores; • Secadores; • Reguladores de pressão; • Lubrificador de ar; • Drenos.

2.3.2. Refrigerador ou Resfriador Quando o ar é comprimido há um aumento de temperatura no mesmo, o que faz que este ar retenha a umidade. Sendo assim, não haverá precipitação no interior das câmaras de compressão. A precipitação de água ocorrerá quando o ar sofrer um resfriamento, ou seja, no resfriador ou na linha de distribuição. O resfriador é simplesmente um trocador de calor utilizado para resfriar o ar comprimido. Como consequência deste resfriamento, permite-se retirar cerca de 75% a 90% do vapor de água contido no ar, bem como vapores de óleo; além de evitar que a linha de distribuição sofra uma dilatação, causada pela alta da temperatura de descarga do ar. A figura 2.14 mostra um diagrama de resfriador um sistema pneumático.

Figura 2.14 – Diagrama de resfriador posterior.

29


2.3.3. Reservatório de Ar Comprimido De forma geral, um reservatório é configurado como acessório de um compressor, para estabilizar o ar comprimido. Também deve compensar as flutuações de pressão quando o ar comprimido está sendo retirado do sistema. Se a pressão no reservatório cair abaixo de um determinado valor, o compressor irá compensar até que o valor mais alto definido seja atingido novamente. Isso é uma vantagem uma vez que o compressor não necessita operar continuamente. A grande área de superfície do reservatório resfria o ar. Dessa maneira, uma parte da umidade do ar é separada diretamente no reservatório na forma de água, a qual deve ser drenada regularmente por meio de um dreno. Sua capacidade deve ser em torno de 6 a 10 vezes a capacidade do compressor pôr segundo. A figura 2.15 mostra um diagrama esquemático de um reservatório de ar comprimido.

Figura 2.15 - Diagrama esquemático de um reservatório de ar comprimido.

Os reservatórios devem ser instalados de modo que todos os drenos, conexões e aberturas de inspeção sejam facilmente acessíveis. Em nenhuma condição, o reservatório deve ser enterrado ou instalado em local de difícil acesso; deve ser instalado, de preferência, fora da casa dos compressores, na sombra, para facilitar a condensação da umidade e do óleo contidos no ar comprimido. Deve possuir um dreno no ponto mais baixo para fazer a remoção deste condensado acumulado em cada 8 horas de trabalho; o dreno, preferencialmente, deverá ser automático.

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Os reservatórios devem ser dotados ainda de manômetro, válvulas de segurança, termômetro e são submetidos a uma prova de pressão hidrostática, antes da utilização. Os reservatórios são construídos no Brasil conforme a norma PNB 109 da A.B.N.T, que recomenda: “ Nenhum reservatório deve operar com uma pressão acima da Pressão Máxima de Trabalho permitida, exceto quando a válvula de segurança estiver dando vazão; nesta condição, a pressão não deve ser excedida em mais de 6% do seu valor” .

Em resumo, o reservatório reservatório possui as seguintes funções: • • • • • •

Armazenar o ar comprimido; Resfriar o ar auxiliando a eliminação do condensado; Compensar as flutuações de pressão em todo o sistema de distribuição; Estabilizar o fluxo de ar; Garantia de reserva em altas demandas; Controlar as marchas dos compressores.

2.3.4. Secador Consiste no 3º estágio da separação da umidade contida no ar comprimido. Sua finalidade é manter o ponto de orvalho do ar, na pressão de saída do sistema, 10 ºC abaixo da mínima temperatura do ambiente onde estão os instrumentos. Sua utilização é necessária quando um ar de altíssima qualidade é requerido (instrumentação). Existem três métodos de secagem de redução de umidade do ar: • • •

Secagem por Resfriamento; Secagem por adsorção; Secagem por absorção.

2.3.4.1. Secagem por Resfriamento Resfriamento O método de secagem ou desumidificação do ar comprimido por refrigeração consiste em submeter o ar a uma temperatura suficientemente baixa, a fim de que a quantidade de água existente seja retirada em grande parte e não prejudique de modo algum o funcionamento dos equipamentos, porque, como mencionamos anteriormente, a capacidade do ar de reter umidade está em função da d a temperatura. Utilizado para temperaturas entre +2 e +5 ºC, além de remover a água, provoca, no compartimento de resfriamento, uma emulsão com o óleo lubrificante do compressor, auxiliando na remoção de certa quantidade. O método de secagem por refrigeração refrigeração é bastante simples. A figura 2.16 mostra um diagrama esquemático de um secador por resfriamento. 31


Figura 2.16 - Diagrama esquemático de um secador por resfriamento.

2.3.4.2. Secagem por Adsorção Na secagem por adsorção a água é depositada na superfície de sólidos. O agente de secagem é um material granulado (gel), que consiste quase que inteiramente de dióxido de silício (silica-gel). A figura 2.17 mostra um diagrama esquemático da secagem por adsorção.

Figura 2.17 - Diagrama esquemático da secagem por adsorção.

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Normalmente, dois tanques são utilizados. Quando o gel em um tanque estiver saturado, o fluxo de ar é comutado para o segundo tanque seco e o primeiro tanque é regenerado por meio de secagem de ar quente. Os menores pontos de orvalho equivalentes (abaixo a -90 ºC) podem ser atingidos por meio de secagem por adsorção. As principais substâncias utilizadas são: Cloreto de Cálcio, Dry-o-lite, Cloreto de Lítio. Com a diluição das substâncias no processo de adsorção, é necessária uma reposição regular, caso contrário o processo torna-se deficiente. A umidade retirada e a substância diluída são depositadas na parte inferior do invólucro, junto a um dreno, de onde são eliminadas para a atmosfera.

2.3.4.3. Secagem por Absorção Pode-se definir absorção como uma substância sólida ou líquida se une a uma substância gasosa. A secagem por absorção é puramente um processo químico. A figura 2.18 mostra um diagrama esquemático de uma secagem por absorção.

Figura 2.18 - Diagrama esquemático de uma secagem por absorção.

É importante lembrar que: •

Tanto vapor de óleo, quanto as partículas de óleo são separadas no secador por absorção;

•

Um filtro de poeira deve ser instalado no secador para capturar quaisquer partículas arrastadas juntamente juntamente ao agente de fluxo;

33


•

Pode ser atingida pressão de pontos de orvalho abaixo de 0 ºC.

Logo, a secagem por absorção é o método que utiliza em um circuito uma substância sólida ou líquida, com capacidade de absorver outra substância líquida ou gasosa. Este processo é também chamado de Processo Químico de Secagem, pois o ar é conduzido no interior de um volume através de uma massa higroscópica, insolúvel ou deliquescente ( que absorve a umidade do ar ), processando-se uma reação química. A secagem por absorção não tão importante na prática, atualmente. Uma vez que os custos operacionais são muito altos e a eficiência é muito baixa para a maioria das operações. A umidade no ar comprimido forma um composto com o agente secador no tanque. Isso faz com que o agente secador se distribua; é nesse momento que ele é descarregado na forma de um fluído na base do tanque. A mistura deve ser drenada regularmente e o agente de fluxo deve ser substituído. As características características do processo de absorção são: • • •

Instalação simples do sistema; Baixo desgaste mecânico, por não possuir partes que se movem no secador; Sem necessidade de energia externa;

2.4. Lubrefil Após passar por todo o processo de produção, tratamento e distribuição, o ar comprimido deve sofrer um último condicionamento, antes de ser colocado para trabalhar, a fim de produzir melhores desempenhos. A figura 2.19 mostra exemplos de lubrefil.

Figura 2.19 – Exemplos de Lubrefil e sua simbologia.

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Neste caso, o beneficiamento do ar comprimido consiste no seguinte: Filtragem, regulagem da pressão e introdução de uma quantidade de óleo adequada à lubrificação de todas as partes mecânicas dos componentes compon entes pneumáticos. A utilização desta unidade de serviço é indispensável em qualquer tipo de sistema pneumático, do mais simples ao mais complexo. Ao mesmo tempo em que permite aos componentes trabalharem em condições favoráveis, prolonga a sua vida útil.

2.5 Tubulação No que se refere à tubulação é importante escolher o material adequado, baseado nas necessidades de rede de ar comprimido, tais como: • • • •

Baixas perdas de pressão Ausência de vazamentos Resistência à corrosão Capacidade de ampliação do sistema

Podem ser utilizados como tubulação de um sistema de ar comprimido vários materiais, os mais comuns são: • • • •

Tubos de aço perfilados; Tubos de aço sem costura; Tubos de aço inoxidável; Tubos plásticos

2.5.1. Tubos de Aço Perfilados Conforme as normas DIN 2440, 2441 e 2442 (tipo de pesos médio e pesado) os tubos perfilados são feitos de aço. A máxima pressão de trabalho é de 10 a 80 bar e a máxima temperatura de trabalho é de 120 ºC. As vantagens dos tubos de aço perfilado são: • •

São baratos e rápidos de instalar; As conexões são separáveis e os componentes individuais podem ser reutilizados.

As desvantagens dos tubos de aço perfilado são:

35


• • • •

Alta resistência para o fluxo de ar; As juntas começam a apresentar vazamentos após certo tempo de uso; A instalação desse tipo de tubulação requer certa experiência; Tubos perfilados que não sejam galvanizados não devem ser utilizados em sistemas de fornecimento de ar comprimido sem que haja um secador acoplado ao sistema, visto que eles são sensíveis à corrosão.

2.5.2. Tubos de Aço Sem Costura Conforme a norma DIN 2448, os tubos de aço sem costura (nas versões galvanizados ou com recozimento) normalmente, são instalados em sistemas de ar comprimido. A pressão máxima de trabalho é de 12,5 a 25 bar e a temperatura máxima de trabalho é de 120 ºC. As vantagens dos tubos de aço sem costura são: •

São baratos e nas instalações profissionais os vazamentos de ar são quase totalmente descartados.

As desvantagens dos tubos de aço sem costura são: • •

A instalação requer certa experiência, visto que esses tubos têm que ser soldados ou colados; Tubos de aço sem costura que não sejam galvanizados não devem ser utilizados em sistemas de fornecimento de ar comprimido sem que haja um secador acoplado ao sistema, visto que eles são sensíveis à corrosão.

2.5.3. Tubos de Aço Inoxidável Conforme as normas DIN 2462 e 2463, os tubos de aço inoxidável são escolhidos para satisfazer as demandas de qualidade mais altas. A pressão máxima de trabalho é de até 80 bar e a temperatura máxima de trabalho é de 120 ºC. As vantagens dos tubos de aço inoxidável são: • •

São resistentes à corrosão e oferecem baixa resistência ao fluxo de ar; Nas instalações profissionais, os vazamentos são quase que totalmente descartados.

As desvantagens dos tubos de aço inoxidável são: •

A instalação requer certa experiência visto que os tubos devem ser soldados ou colados; 36


•

Custos iniciais são altos.

È importante destacar que ao selecionar um material adequado para as tubulações, deve ser considerado não somente o preço por metro, mas também outro fator importante, que são os custos de instalação. Estes custos são menores quando se opta por materiais plásticos, pois podem ser adicionadas completamente seladas com a utilização de adesivos ou conexões, além de permitir facilidades na ampliação da rede. Já as tubulações de aço, ferro e cobre tem um preço de compra menor, mas necessitam ser soldadas ou conectadas por meio de conectores com rosca. Caso a montagem não for feita corretamente, limalhas, resíduos, partículas de solda ou materiais seladores podem acabar sendo introduzidos no sistema. Isso pode levar a um mau funcionamento. Em geral, para pequenos e médios diâmetros, a tubulação de plástico é superior a outros materiais, em relação à: • • • •

Custos; Montagem; Manutenção; Facilidade de ampliação.

Como é comum haver flutuações de pressão na rede, torna-se necessário assegurar que os canos estejam montados firmemente para que não haja vazamentos nas conexões, tanto rosqueáveis, quanto soldadas. É importante dimensionar o diâmetro da rede de ar comprimido de forma tal que não ocorra uma perda de pressão maior que 0,1 Bar. Para evitar transtornos futuros, é também recomendável que seja prevista uma ampliação, pois uma substituição posterior p osterior da rede é demasiadamente cara. Para o dimensionamento do diâmetro da rede deve-se levar em consideração: • • • • •

Vazão; Comprimento da rede; Queda de pressão p ressão admissível; Pressão de trabalho; Pontos de estrangulamento.

A figura 2.20 mostra redes de distribuição de ar comprimido em anel aberto e anel fechado. 37


Figura 2.20 – Distribuição de ar comprimido (a) Anel aberto e (b) Anel fechado.

A aplicação da rede aberta mostrada na figura 2.20 (a), geralmente, é quando se deseja abastecer pontos isolados ou distantes. Neste tipo de rede o ar flui numa única direção e, como conseqüência não há uniformidade de ar comprimido. Já o sistema de rede fechada mostrada na figura 2.20 (b), é mais utilizado, pois facilita a instalação de novos pontos, bem como possibilita uma uniformidade de ar comprimido nos dois sentidos. É importante lembrar que é importante: •

Realizar manutenção periódica na tubulação;

•

Deve haver um declive entre 0,5 % a 2 % na direção do fluxo, como mostra o diagrama esquemático da figura 2.20;

•

As tomadas de ar devem sair pela parte superior da tubulação principal, como mostra o diagrama esquemático da figura 2.21. 2 .21.

Figura 2.20 – Diagrama esquemático do declive de uma tubulação.

38


Figura 2.21 – Tomada de ar em uma tubulação de ar comprimido.

É conveniente que cada ponto instalado se tenha uma válvula de registro, o que facilita em muito a manutenção do ponto. Isto porque pode-se isolar o ponto evitando desligamento geral do circuito pneumático.

2.6. Contaminação É importante a monitoração do nível de contaminação e/ou dos equipamentos que realizam a preparação do ar comprimido para assegurar um desempenho adequado do sistema pneumático.

2.6.1. Fontes de Contaminação Usualmente, há três fontes de contaminação do ar comprimido em um sistema pneumático: • • •

Externa; Interna; Manutenção / Montagem.

2.6.1.1. Externa A contaminação externa ocorre através do próprio ar aspirado, pois o mesmo contém vários contaminantes, por exemplo: 39


• • • •

Poeira; Umidade; Fuligem; Fumaça.

2.6.1.2. Interna A contaminação interna ocorre através dos próprios componentes internos do sistema pneumático, por exemplo: •

Compressor: Óleo proveniente da lubrificação interna;

•

Tubulação: Corrosão da tubulação e/ou desagregação de escoria de solda;

•

Ambiente: Elevação da temperatura de descarga do ar comprimido elevando seu ponto de saturação.

2.6.1.3. Manutenção / Montagem A contaminação durante a manutenção ou montagem de um sistema pneumático ocorre, em geral, por imprudência e/ou mão de d e obra não qualificada. Os contaminantes adicionados ao sistema durante a manutenção são responsáveis, em grande parte, pela quebra imediata dos equipamentos e/ou falhas de funcionamento do sistema. As ocorrências mais comuns destas fontes de contaminação são: •

Peças pequenas esquecidas / perdidas: Em reservatórios, tubulação, como por exemplo: Molas, parafusos, anéis, porcas, etc.

•

Tubulação aberta durante a montagem: Que permite a entrada de contaminantes;

•

Fios de estopa e trapos: Deixados durante a limpeza de tanques e peças, onde em hipótese alguma pode-se usar este tipo de material para limpeza dos componentes;

•

Excesso de vedantes: Na união de conexões, como por exemplo: colas, fitas, dentre outros. 40


2.6.2. Efeitos da Contaminação Contaminação Componentes e linha de distribuição: • • • • •

Destruição da película lubrificante entre as peças móveis, acarretando desgaste prematuro e redução de vida útil das válvulas e atuadores; Arraste de partículas sólidas, promovendo o entupimento dos orifícios de passagem; Instabilidade ao processo; Aumento do índice de manutenção; Oxidação da tubulação de distribuição e dos componentes pneumáticos.

Válvula de retenção: •

Desgaste nas esferas e sedes, resultando em vazamentos.

Atuadores: • •

Desgaste excessivo das hastes, vedações e camisas; “Riscamento” da camisa.

Válvulas direcionais: • • • •

Entupimento de orifícios; Desgaste em regiões da carcaça e do carretel, criando excessivo vazamento; Emperramento em carretéis com falhas do solenóide; Emperramento de válvulas podendo causar excessivas cargas de choque, golpe de Aríete, e danos nas tubulações e outros componentes.

Válvulas de controle de vazão: •

Erosão em orifícios, com mudança das características do fluxo e da própria capacidade de regulagem.

2.7. Exercícios Propostos 1) Indique (F) para falso e (V) para verdadeiro em relação aos compressores volumétricos, caso a afirmação for falsa, justifique. 41


( ( ( (

) Podem ser divididos em: Alternativos, Rotativos e Dinâmicos. ) Utilizam sua força rotacional para gerar ar comprimido. ) Realizam o processo de comprimir o ar através da redução de volume. ) São mais adequados para maiores pressões e menores vazões.

2) Comente, resumidamente, como ocorre a compressão do ar em um compressor alternativo. 3) Indique (F) para falso e (V) para verdadeiro em relação aos compressores alternativos, caso a afirmação for falsa, justifique. ( ( (

) Compressores de simples ação são mais eficientes que os de dupla ação. ) Quanto maior maior a número de estágios menor será será a pressão fornecida pelo compressor. ) É comum em um compressor e dois estágios resfriar o ar comprimido do primeiro estágio para posteriormente realizar a segunda compressão.

4) Descreva, resumidamente, o funcionamento do compressor de parafuso. 5) Descreva, resumidamente, a função do reservatório de ar comprimido em uma linha pneumática. 6) Comente o processo p rocesso de geração de ar comprimido, baseado na figura abaixo.

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7) Comente as diferenças de se optar por uma tubulação de plástico e de ferro em uma linha pneumática. 8) Qual a finalidade do lubrefil ? 9) Qual a razão da necessidade de haver um declive entre 0,5 % a 2 % na direção do fluxo em uma linha pneumática ? 10) Porque as tomadas de ar devem sair pela parte superior da tubulação principal em uma linha pneumática ? 11) Indique (F) para falso e (V) para verdadeiro em relação aos compressores volumétricos e dinâmicos: ( ( ( ( (

) Compressores volumétricos de simples ação obtêm compressão do ar somente quando o êmbolo realiza seu movimento descendente. ) Compressores volumétricos de dupla ação obtêm compressão do ar em ambos os sentidos de deslocamento do êmbolo. ) Compressor de palheta fornece ar comprimido livre de pulsação por p or possuir um funcionamento contínuo e uniforme. un iforme. ) A relação de compressão interna do compressor de parafusos independe da geometria da máquina e da natureza do gás. g ás. ) Compressores dinâmicos são particularmente particularmente ajustáveis para grandes quantidades de produção.

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Pneu Hidr Fascículo 1

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