Indaial – 2022
P neumáticos
Prof. Francisco José Rodrigues da Silva Junior
1a Edição
A cionAmentos
e létricos ,
H idráulicos e
Copyright © UNIASSELVI 2022
Elaboração:
Prof.ª Francisco José Rodrigues da Silva Junior
Revisão, Diagramação e Produção:
Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI
Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial.
S586a
Silva Junior, Francisco José Rodrigues da
Acionamentos elétricos, hidráulicos e pneumáticos. / Francisco José Rodrigues da Silva Junior – Indaial: UNIASSELVI, 2022.
228 p.; il.
ISBN 978-65-5663-815-7 ISBN Digital 978-65-5663-810-2
1. Acionamentos elétricos. - Brasil. II. Centro Universitário Leonardo da Vinci.
CDD 620
Este livro didático tem por objetivo apresentar os conceitos de Acionamentos Elétricos, Hidráulicos e Pneumáticos, mais especificamente, com enfoque em capacitar o leitor em compreender a automação dos processos industriais, que cresce a cada dia, pela necessidade de emprego de novas tecnologias, que sejam capazes de aumentar a autonomia dos processos de fabricação e reduzir ao máximo o esforço humano na cadeia do processo e minimizar trabalhos repetitivos ou naqueles que envolvem altos riscos de acidente para o operador. Espera-se também que o leitor compreenda os diversos tipos acionamentos elétricos, hidráulicos e pneumáticos, tornando-se apto a selecionar, espe- cificar e descrever os principais tipos de atuadores empregados na indústria.
Esperamos que, ao fim desta disciplina, você seja capaz não apenas de trabalhar com os conceitos e fundamentos apresentados, mas também de enfrentar os desafios na área de automação industrial.
O enfoque principal do livro está baseado na ementa da disciplina, que aborda temas como: acionamentos elétricos; atuadores e circuitos hidráulicos e pneumáticos;
servoválvulas e transmissores hidrostáticos; controladores pneumáticos: circuitos para controle contínuo de processos industriais; circuitos para automatizações industriais:
controle lógico e sequencial.
Na Unidade 1 serão discutidos aspectos de apresentação de tópicos relativos a acionamentos pneumáticos, em que veremos conceitos relativos a ar comprimido, fundamentos físicos e propriedades físicas do ar, modo de produção e distribuição do ar. Ainda serão vistos temas como compressores, preparação do ar comprimido e redes de distribuição. Por fim, veremos os tipos de controladores pneumáticos e os tipos de circuitos tanto pneumáticos, como eletropneumáticos.
Na Unidade 2 deste livro serão apresentadas algumas definições básicas sobre acionamentos elétricos. Em específico, você aprenderá os componentes dos circuitos elétricos, como os elementos de entrada, de processamento e de saída de sinais.
Aprenderá também os métodos de construção de circuitos, como os métodos intuitivo, de minimização de contatos e maximização de contatos.
A Unidade 3 apresenta acionamentos hidráulicos e circuitos para automatizações in- dustriais, discutindo alguns conceitos básicos, transmissão hidráulica de força e energia, flui- do e reservatório hidráulico. Veremos também os tipos de mangueiras e conexões utilizadas, tipos de circuitos hidráulicos, servoválvulas e transmissores hidrostáticos. Por fim, veremos os circuitos para automatizações industriais, que usam controle lógico e sequencial.
Todas as unidades contêm exemplos e autoatividades para a fixação do conteúdo.
Não deixe de resolvê-los, pois assim como qualquer outro ramo da engenharia, só se aprende praticando. Esperamos que você aproveite ao máximo este material. E lembre-se de que você pode contar com uma grande equipe de apoio para auxiliá-lo no estudo desta disciplina.
Bons estudos!
Prof. Francisco José Rodrigues da Silva Junior
APRESENTAÇÃO
Olá, acadêmico! Para melhorar a qualidade dos materiais ofertados a você – e dinamizar, ainda mais, os seus estudos –, a UNIASSELVI disponibiliza materiais que possuem o código QR Code, um código que permite que você acesse um conteúdo interativo relacionado ao tema que você está estudando. Para utilizar essa ferramenta, acesse as lojas de aplicativos e baixe um leitor de QR Code. Depois, é só aproveitar essa facilidade para aprimorar os seus estudos.
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SUMÁRIO
UNIDADE 1 - ACIONAMENTOS PNEUMÁTICOS ... 1
TÓPICO 1 - CONCEITOS INICIAIS ...3
1 INTRODUÇÃO ...3
2 AR COMPRIMIDO ...3
3 FUNDAMENTOS FÍSICOS ... 7
4 PROPRIEDADES FÍSICAS DO AR ...9
5 PRODUÇÃO E IMPLEMENTAÇÃO ...11
RESUMO DO TÓPICO 1 ... 15
AUTOATIVIDADE ... 17
TÓPICO 2 - COMPRESSORES E REDES DE DISTRIBUIÇÃO ... 19
1 INTRODUÇÃO ... 19
2 COMPRESSORES ... 20
2.1 COMPRESSORES ALTERNATIVOS ...20
2.2 COMPRESSORES ROTATIVOS ...23
2.3 COMPRESSOR RADIAL ...25
2.4 COMPRESSOR AXIAL ...26
3 PREPARAÇÃO DO AR COMPRIMIDO ...27
3.1 SECAGEM POR REFRIGERAÇÃO ...28
3.2 SECAGEM POR ABSORÇÃO ...30
3.3 SECAGEM POR ADSORÇÃO ...31
4 REDE DE DISTRIBUIÇÃO ... 32
RESUMO DO TÓPICO 2 ... 36
AUTOATIVIDADE ... 38
TÓPICO 3 - CONTROLADORES PNEUMÁTICOS ... 41
1 INTRODUÇÃO ... 41
2 ATUADORES PNEUMÁTICOS ... 41
3 CIRCUITOS PNEUMÁTICOS ... 46
4 CIRCUITOS ELETROPNEUMÁTICOS ... 52
LEITURA COMPLEMENTAR ... 55
RESUMO DO TÓPICO 3 ... 61
AUTOATIVIDADE ... 62
REFERÊNCIAS ... 64
UNIDADE 2 — ACIONAMENTOS ELÉTRICOS ... 65
TÓPICO 1 — COMPONENTES DOS CIRCUITOS ELÉTRICOS ...67
1 INTRODUÇÃO ...67
2 ELEMENTOS DE ENTRADA DE SINAIS ...67
2.1 BOTOEIRAS ...69
2.2 CHAVES FIM DE CURSO ...70
2.3 SENSORES DE PROXIMIDADE ...71
2.4 PRESSOSTATOS ... 74
3 ELEMENTOS DE PROCESSAMENTO DE SINAIS ...74
3.1 RELÉS AUXILIARES ... 75
3.2 RELÉS ELETROMAGNÉTICOS E DE INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA ... 76
3.3 CONTATORES DE POTÊNCIA ...78
3.4 CONTADORES PREDETERMINADORES ... 80
4 ELEMENTOS DE SAÍDA DE SINAIS ...81
4.1 INDICADORES LUMINOSOS ...82
4.2 INDICADORES SONOROS ... 84
4.3 SOLENOIDES ...85
RESUMO DO TÓPICO 1 ... 88
AUTOATIVIDADE ... 90
TÓPICO 2 - MÉTODO INTUITIVO PARA CONSTRUÇÃO DE CIRCUITOS ... 93
1 INTRODUÇÃO ... 93
2 MÉTODO INTUITIVO ... 93
3 SOLUÇÕES ELETRO-HIDRÁULICAS ...96
4 SOLUÇÕES ELETROPNEUMÁTICAS ...97
RESUMO DO TÓPICO 2 ...99
AUTOATIVIDADE ... 101
TÓPICO 3 - MÉTODO DE MINIMIZAÇÃO E MAXIMIZAÇÃO DE CONTATOS ...103
1 INTRODUÇÃO ...103
2 MÉTODO DE MINIMIZAÇÃO DE CONTATOS ...103
3 MÉTODO DE MAXIMIZAÇÃO DE CONTATOS ...105
4 PROGRAMAÇÃO CONVENCIONAL DE CLPs ...109
LEITURA COMPLEMENTAR ... 112
RESUMO DO TÓPICO 3 ... 119
AUTOATIVIDADE ...120
REFERÊNCIAS ...122
UNIDADE 3 — ACIONAMENTOS HIDRÁULICOS E CIRCUITOS PARA AUTOMATIZAÇÕES INDUSTRIAIS ...123
TÓPICO 1 — INTRODUÇÃO À HIDRÁULICA ...125
1 INTRODUÇÃO ...125
2 CONCEITOS BÁSICOS ...125
3 TRANSMISSÃO HIDRÁULICA DE FORÇA E ENERGIA ... 127
4 MANÔMETRO ...128
5 VISCOSIDADE ...130
6 VELOCIDADE X VAZÃO ...130
7 FLUIDO DE RESERVATÓRIO HIDRÁULICO ... 131
RESUMO DO TÓPICO 1 ...135
AUTOATIVIDADE ...137
TÓPICO 2 - RESERVATÓRIO E CIRCUITO HIDRÁULICO ...139
1 INTRODUÇÃO ...139
2 RESERVATÓRIOS HIDRÁULICOS ...139
3 RESFRIADORES ...142
4 BOMBAS E FILTROS ... 144
5 CIRCUITO HIDRÁULICO ...148
RESUMO DO TÓPICO 2 ...153
AUTOATIVIDADE ...155
TÓPICO 3 - SERVOVÁLVULAS E TRANSMISSORES HIDROSTÁTICOS ... 157
1 INTRODUÇÃO ... 157
2 TRANSMISSÕES HIDROSTÁTICAS ROTATIVAS ... 157
2.1 TIPOS DE TRANSMISSÃO HIDROSTÁTICA E SUAS CARATERÍSTICAS ...158
3 TIPOS DE CONTROLES EXISTENTES NAS TRANSMISSÕES HIDROSTÁTICAS ...159
4 APLICAÇÕES DE TRANSMISSÕES HIDROSTÁTICAS ...160
RESUMO DO TÓPICO 3 ...162
AUTOATIVIDADE ...164
TÓPICO 4 - CIRCUITOS PARA AUTOMATIZAÇÕES INDUSTRIAIS: CONTROLE LÓGICO E SEQUENCIAL ... 167
1 INTRODUÇÃO ... 167
2 NOÇÕES BÁSICAS DE CONTROLADORES PROGRAMÁVEIS ... 167
3 FUNCIONAMENTO E CLASSIFICAÇÃO DOS CONTROLADORES LÓGICOS ...169
4 INSTALAÇÃO DE UM CLP ...170
LEITURA COMPLEMENTAR ... 173
RESUMO DO TÓPICO 4 ...180
AUTOATIVIDADE ...182
REFERÊNCIAS ...184
UNIDADE 1 -
ACIONAMENTOS PNEUMÁTICOS
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
PLANO DE ESTUDOS
A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:
• conhecer conceitos primordiais de acionamentos pneumáticos;
• adquirir conceitos relativos ao ar comprimido, fundamentos físicos e propriedades físicas do ar, modo de produção e distribuição do ar;
• assimilar conhecimentos sobre compressores, preparação do ar comprimido e redes de distribuição;
• identificar as características relevantes dos tipos de controladores pneumáticos, dos tipos de circuitos pneumáticos e eletropneumáticos.
Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer dela, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.
TÓPICO 1 – CONCEITOS INICIAIS
TÓPICO 2 – COMPRESSORES E REDES DE DISTRIBUIÇÃO TÓPICO 3 – CONTROLADORES PNEUMÁTICOS
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UNIDADE 1!
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CONCEITOS INICIAIS
1 INTRODUÇÃO
A automatização dos processos de produção industrial vem em um ritmo crescente há muito tempo. Dessa forma, a procura de utilização de novas tecnologias também tem aumentado, com o intuito de, principalmente, realizar tarefas repetitivas ou que envolvam o operador em acidentes de alto risco. A automatização é possível graças à pneumática, que faz parte da Física e serve para estudar o comportamento do gás sob pressão, que se encontra confinado, seja em reservatórios ou ainda em tubulações. É de fundamental importância entender as características do ar comprimido e do vácuo, bem como as aplicações que regem a movimentação de máquinas e equipamentos industriais.
A pneumática, associada à hidráulica e à elétrica é útil para a atuação de diversos elementos, desde freios e válvulas até robótica e máquinas-ferramentas. A pneumática representa a tecnologia bem desenvolvida, na qual os componentes estão disponíveis em uma ampla gama de fornecedores, em forma modular. E, dessa forma, permitindo com que o projetista de engenharia especifique um sistema sob medida para uma aplicação particular.
Sabe-se que, atualmente, o controle de potência do fluido assume um papel amplo em todas as máquinas, já que as indústrias estão focadas na automação. No desenvolvimento atual, os controles de potência de fluido estão interligados, como eletropneumáticos, hidropneumáticos para o uso efetivo da potência e para obter potência de saída efetiva. Os sistemas de potência de fluido têm a capacidade de controlar vários parâmetros, como pressão, velocidade e posição, com alto grau de precisão em níveis de alta potência e, também, ocupam menos espaço.
Diante desse cenário, queremos que você, acadêmico, saiba como usar corretamente a pneumática, quais são seus conceitos físicos, tipos de acionamentos pneumáticos, características e propriedades principais; além de entender conceitos relativos ao ar comprimido, modo de produção e distribuição do ar.
TÓPICO 1 -
UNIDADE 1
2 AR COMPRIMIDO
Uma ampla gama de aplicações industriais requer que substâncias, objetos ou componentes sejam movidos de um local para outro. Outro requisito típico é a aplicação de uma força para localizar, segurar, dar forma ou comprimir um componente ou material.
Essas tarefas podem ser realizadas usando um motor principal, com o movimento rotativo sendo fornecido, por exemplo, por um motor elétrico; e o movimento linear por macacos de parafuso, cremalheira, pinhões e solenoides.
Líquidos e gases também podem ser usados para transportar energia de um local para outro e, como resultado, produzir movimentos rotativos e lineares e aplicar forças. Os sistemas à base de fluido que usam um líquido como meio de transmissão são conhecidos como hidráulicos, e aqueles que usam um gás são conhecidos como pneumáticos. Tais gases são comprimidos, sendo o ar para ser comprimido bastante utilizado por se encontrar em quantidades ilimitadas, praticamente em todos os lugares (THOLLANDER et al., 2020).
Sabe-se que o ar atmosférico é uma mistura de diversos gases, que possui como características ser incolor e inodor, formado usualmente por 78,09% de Nitrogênio (N2), 20,95% de Oxigênio (O2), 0,93% de Argônio (Ar) e 0,03 de Dióxido de Carbono; além de outras substâncias como os gases nobres, partículas sólidas em suspensão e vapor de água (NOVAIS, 2014). Do nível do mar até uma altitude de cerca de 20 km, essa composição do ar permanece relativamente constante. A pressão atmosférica ao nível do mar é de aproximadamente 1 kgf/cm² ou 101.325 Pa.
O ar comprimido geralmente consiste em ar atmosférico, com aumento de pressão na faixa de quatro a dez vezes, para realizar tarefas que requerem mais energia pneumática. O seu uso é repleto de diversas vantagens, porém, possuindo algumas limitações, que serão apresentadas no quadro a seguir.
QUADRO 1 – VANTAGENS E LIMITAÇÕES DO AR COMPRIMIDO
Vantagens Limitações
Transporte
o ar comprimido é fa- cilmente transportável por tubulações, mesmo para distâncias longas, e não há necessidade de preocupação com o retorno do ar.
Preparação.
O ar comprimido requer uma boa preparação.
Impureza e umidade devem ser evitadas, pois provocam des- gastes. Nos elementos pneumáticos.
Armazenamento
No estabelecimento, não é necessário que o com- pressor esteja em fun- cionamento contínuo. O ar poderá ser armazena- do em um reservatório e, posteriormente, tirado de lá. Além disso, é possível o transporte em reservatórios.
Compressibilidade.
Não é possível manter uniforme e constan- te as velocidades dos cilindros e motores pneumáticos median- te ar comprimido.
Temperatura
O trabalho realizado com ar comprimido é insensível às oscila- ções da temperatura.
Isto garante, também em situações térmicas extremas, um funcio- namento seguro.
Forças.
O ar comprimido é eco- nômico somente até uma determinada for- ça, limitado pela pres- são normal de trabalho de 700 kPa (7 bar), e pelo curso e velocida- de. O limite está fixado entre 20.000 e 30.000 N (2000 a 3000 kPa).
Segurança
Não existe o perigo de explosão. Portanto, não são necessárias custo- sas proteções contra explosões.
Escape de ar.
Or escape de ar é rui- doso. Com o desenvol- vimento de silencia- dores, este problema não ocorrerá mais.
Limpeza
O ar comprimido é lim- po. O ar que poderá es- capar das tubulações ou outros elementos, inadequadamente ve- dados, não polui o am- biente. Esta limpeza é uma exigência, por exemplo, nas indústrias alimentícias, madeirei- ras, têxteis e químicas.
- -
Construção dos elementos
Os elementos de traba- lho são de construção simples e, portanto, de custo vantajoso.
- -
Velocidade
O ar comprimido é um meio de trabalho rápi- do, permitindo alcan- çar altas velocidades de trabalho (a veloci- dade de trabalho dos cilindros pneumáticos oscila entre 1-2 m/s).
- -
Regulagem
As velocidades e forças de trabalho dos elemen- tos a ar comprimido são reguláveis sem escala.
- -
Proteção contra sobrecarga
Os elementos e ferra- mentas a ar comprimi- do são carregáveis até a parada total e, por- tanto, seguros contra sobrecargas.
- -
FONTE: O autor
TABELA 1 – CLASSES DE QUALIDADE PELA NORMA ISO-8573-1
Na indústria, o ar comprimido é muito utilizado em fábricas que possuem riscos, devido à atmosfera explosiva, e por possuir custos de produção relativamente acessíveis.
Para uma correta utilização do ar comprimido nos diversos equipamentos, é importante ter em conta a qualidade do ar comprimido requerida. A norma europeia ISO 8573-1 descrimina os valores de humidade, partículas e óleo. A descrição da qualidade do ar comprimido é essencial para determinar o tratamento que deverá ser realizado no ar atmosférico, antes da compressão; e no ar comprimido, antes da distribuição. A Tabela 1 ilustrará as diferentes classificações do ar comprimido em relação às concentrações de partículas contaminantes.
Classe de qualidade Sólidos (μm) Água (ºC) Óleo (mg/m³)
1 0,1 -70 0,01
2 1 -40 0,1
3 5 -20 1
4 15 3 5
5 40 7 25
6 X 10 x
7 X Não especificado x
FONTE: ISO 2010 (2010, p. 4)
A Tabela 1 ilustra as classes de qualidade do ar comprimido, com os três principais contaminantes que são localizados no ar comprimido (sólido, água e óleo) e com suas respectivas classes de qualidade. Cada uma apresenta o tamanho de partícula dos contaminantes sólidos, a temperatura da água em que se encontram esses contaminantes e a concentração de contaminantes presentes no óleo.
Em Paris, no ano de 1888, entrou em operação a primeira planta de distribuição de ar comprimido. Esse ar era usado desde o acionamento de geradores e relógios até distribuição de cerveja.
INTERESSANTE
FIGURA 1 – PRIMEIRA PLANTA DE DISTRIBUIÇÃO DE AR COMPRIMIDO
FONTE: Faria (2000, p. 9)
3 FUNDAMENTOS FÍSICOS
Nesse momento é necessário realizar uma breve visão geral de alguns fundamentos físicos, que são assuntos relevantes para sistemas pneumáticos e hidráulicos, tais como: pressão, compressibilidade e efeito de Venturi. Com relação à pressão, é definida como uma força aplicada uniformemente sobre uma superfície (área). Existem alguns tipos de pressão, vejamos:
• Pressão atmosférica: é o tipo de pressão que está sendo exercida pela atmosfera terrestre. É considerado um valor aproximado de 760 mmHg ou 1 atm para o nível do mar e para uma temperatura de 20 °C.
• Pressão relativa positiva ou manométrica: é definida como uma pressão positiva que é mensurada em relação à pressão atmosférica.
• Pressão absoluta: é a soma da pressão relativa e da pressão atmosférica, que também poderá ser considerada medida, a partir do vácuo absoluto ou do vácuo ideal.
• Pressão relativa negativa ou depressão: é definida como uma pressão negativa que é mensurada em relação à pressão atmosférica.
• Pressão diferencial: é a diferença de pressão entre duas pressões, geralmente apresentada por uma variação ΔP.
• Pressão estática: é o peso que a coluna de líquido exerce quando está estacionária ou fluindo perpendicularmente ao impulso (ponto de medição).
• Pressão dinâmica: é a pressão aplicada em paralelo com o fluido em movimento.
• Pressão total: é a soma da pressão estática e da pressão dinâmica efetuada pelo fluido em movimento.
A pressão do ar nem sempre é constante, pois varia de acordo com as condi- ções geográficas e atmosféricas. A faixa entre a linha zero absoluto e a linha de pressão de ar variável é chamada de faixa de queda de pressão (-pe); e a faixa acima dessa é chamada de sobre pressão (+ pe).
A pressão absoluta Pabs é formada pelas pressões –pe e +pe. Na prática, utilizam- se manômetros que indicam apenas a sobrepressão (+pe). Na indicação da pressão Pabs, um valor de 100 kPa ou 1 bar é acrescido do valor marcado. Com o auxílio das grandezas básicas demonstradas, as principais características físicas do ar podem ser explicadas.
Assim como em qualquer gás, o ar comprimido também não possui uma for- ma definida; ele se modifica a menor resistência. Em outras palavras, o ar se adaptará ao formato do ambiente e poderá ser comprimido. Quando isso acontece, o fenômeno é denominado de compressão, porém, ele sempre tende a apresentar uma expansão. Com relação à compressão, o ar poderá reduzir seu volume, ao ser submetido a uma força ex- terna; se essa força for retirada, o ar se expandirá novamente, conforme na figura a seguir.
FIGURA 2 – COMPRESSÃO E EXPANSÃO DO AR
FONTE: Adaptado de <https://bit.ly/3qHfrQ0>. Acesso em: 24 set. 2021.
Isso é observado pela Lei de Boyle-Mariotte, em que na condição de temperatura constante, o volume do gás fechado no recipiente é inversamente proporcional à pressão absoluta; ou seja, para uma certa quantidade de gás, o produto da pressão absoluta e o volume são constantes, logo: P1V1 = P2V2 = constante.
Com relação ao efeito de Venturi, a técnica compreende em fazer fluir ar comprimido por meio de um tubo contendo um giclê, no seu interior, que tem a função de realizar um estrangulamento na passagem do ar. A Figura 3 ilustrará o processo do pequeno tubo do carburador que regula a admissão de gasolina na corrente de ar, aspirada pelo motor para a combustão borboleta.
Giclê é um pequeno tubo que serve para regular a admissão de um fluido na corrente de ar aspirada por um motor.
NOTA
FIGURA 3 – EFEITO VENTURI
FONTE: Faria (2000, p. 16)
O ar fluindo através do tubo, após encontrar restrições pelo caminho, aumentará a taxa de fluxo, devido à passagem estreita. Um aumento no fluxo de ar comprimido no es- trangulamento dessa passagem irá causar uma queda significativa de pressão nesta área.
4 PROPRIEDADES FÍSICAS DO AR
Além da compressibilidade e expansibilidade, já discutida anteriormente, o ar apresenta outras propriedades físicas que devem ser entendidas como: elasticidade, difusibilidade e peso. Em relação à elasticidade, o ar possui essa propriedade de retornar ao seu volume inicial, após a remoção do efeito de força que lhe foi aplicado, ocasionando
redução de volume. Outra importante propriedade do ar é a difusibilidade, que faz com que ele seja capaz de se misturar, de forma homogênea, com outros meios gasosos que não estejam saturados.
O ar também possui peso tal como qualquer matéria concreta. Como todo concreto, o ar tem peso. O seguinte experimento (Figura 4) mostrará a presença do peso do ar. O experimento apresentará dois balões idênticos, que são hermeticamente fechados e possuem a mesma pressão e temperatura.
FIGURA 4 – BALÕES CONTENDO AR COLOCADOS NO MESMO NÍVEL
FONTE: Faria (2000, p. 18)
FIGURA 5 – REMOÇÃO DE AR DE UM DOS BALÕES
FONTE: Faria (2000, p. 19)
Nessa condição inicial, os balões são colocados no mesmo nível, de forma a equilibrar a balança. Em seguida, remove-se o ar de um dos balões, por meio de uma bomba de vácuo, conforme ilustra a Figura 5.
Por fim, o balão sem o ar é colocado na balança e nota-se que um desequilíbrio é causado nela, devido ao balão sem ar, conforme ilustra a Figura 6.
FIGURA 6 – EXEMPLOS DE HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS
FONTE: Faria (2000, p. 19)
As variáveis estudadas até aqui (compressibilidade, expansibilidade, elasticidade, difusibilidade e peso) são fundamentais para o entendimento do ar comprimido. Veremos a seguir como funciona o processo de produção e distribuição dele, para que o uso da pneumática seja efetivado.
5 PRODUÇÃO E IMPLEMENTAÇÃO
Os circuitos pneumáticos em maquinários industriais, veículos, clínicas dentárias, entre outros locais, requerem uma fonte de ar comprimido com pressão constante e capacidade de fornecer o fluxo consumido pelos componentes do circuito. A fonte de ar engloba unidades de produção, distribuição e condicionamento de ar comprimido, conforme mostrado na Figura 7.
FIGURA 7 – FONTE DE AR COMPRIMIDO, INCLUINDO: PRODUÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E CONDICIONAMENTO
FONTE: Negri (2001, p. 2)
A unidade de distribuição é preferencialmente composta por tubos aéreos, que são compostos por uma rede principal, e uma rede secundária, que é derivada da rede principal para fornecer energia aos pontos de conexão do circuito pneumático, conforme mostrado na Figura 7. No final da tubulação de abastecimento de água da rede secundária são instalados dispositivos reguladores especiais para cada tipo de equipamento, incluindo válvulas reguladoras de pressão, purgadores (usados para extrair condensado da rede) e filtros.
Uma das etapas básicas na geração de ar comprimido é a compressão. Antes de chegar ao instrumento que vai consumir ar para funcionar, ele passará por uma série de processos. Geralmente, o tipo de compressor a ser usado e sua localização afetarão a quan- tidade de sujeira, óleo e água, que entra no sistema pneumático. Alguns elementos neces- sários para preparação e utilização do ar comprimido (Figura 8), conforme Parker (2002) são:
• Compressor com filtro de admissão e, para compressores de dois estágios, um resfriador intermediário: tais máquinas têm a finalidade de elevar a pressão de uma certa quantidade de volume de ar, até certo valor de pressão, que é necessário para executar os trabalhos requeridos por ar comprimido.
• Separador de condensado: dispositivo utilizado principalmente para o tratamento de ar comprimido, que funciona retirando a água do ar, de modo a evitar os problemas comuns de resfriamento da água e condensação de vapor em gotículas.
• Resfriador posterior: este equipamento é um trocador de calor usado para resfriar o ar comprimido quente para precipitar a água, que de outra maneira iria condensar no sistema de tubulação. Esse trocador poderá ser refrigerado à água ou a ar; usualmente, ele possui um separador de água com dispositivo de drenagem automática, e deverá ser colocado próximo ao compressor.
• Reservatório com válvula de segurança: a válvula usada no reservatório tem a função de ser um dispositivo de alívio de pressão; geralmente, essa válvula é instalada em equipamentos pressurizados e dutos, de modo a evitar o acúmulo excessivo de pressão.
• Filtro de admissão: esses filtros são usados nas instalações de ar comprimido para retirar partículas sólidas e óleo que geralmente existentes no ar comprimido.
FIGURA 8 – PRODUTOS GERADOS DE UMA UNIDADE DE DESTILAÇÃO DE PETRÓLEO
FONTE: Negri (2001, p. 3)
Outro dispositivo importante em um sistema de ar comprimido é o dreno automático, que tem como função eliminar o líquido existente no sistema. É recomendável que esse processo ocorra com uma taxa de perda pequena de ar comprimido.
Caso a produção e implementação do ar comprimido não seja feita de maneira correta, o sistema terá alguns danos. Caso a separação da mistura de contaminantes do ar não seja realizada adequadamente, resultará em uma emulsão ácida e abrasiva, que irá comprometer o funcionamento do sistema, comprometendo-o em qualquer tipo de aplicação.
O desgaste acelerado das vedações também comprometerá o sistema, visto que provocará o vazamento do ar comprimido, através das tubulações, gerando perda de eficiência do sistema e, consequentemente, gerará retardo e prejuízo na produção.
Além disso, um vazamento de condensado poderá causar corrosão dos componentes, diminuindo a vida útil do sistema.
Para poder usufruir dos benefícios e vantagens dos sistemas de ar comprimido, uma implementação correta é fundamental. É necessário selecionar criteriosamente os equipamentos, preparar o layout e as dimensões do sistema de distribuição, instalar e realizar a manutenção adequada dos equipamentos de forma a evitar problemas na instalação do sistema.
Diante dos conceitos vistos até aqui, é importante ressaltar que os conhecimentos relativos ao ar comprimido são fundamentais para fazer funcionar um sistema de ar comprimido eficaz. Assim, o conhecimento das propriedades e fundamentos físicos do ar comprimido, bem como o modo de produção e distribuição dele é primordial para realizar os acionamentos pneumáticos, de modo a obter um ar de qualidade circulando na rede de distribuição. Para isso, os tipos de controladores pneumáticos, tipos de circuitos pneumáticos e eletropneumáticos devem ser conhecidos.
Neste tópico, você adquiriu certos aprendizados, como:
• A pneumática representa tecnologias bem desenvolvidas, nas quais os componentes estão disponíveis de uma ampla gama de fornecedores em forma modular, permitindo que o projetista de engenharia especifique um sistema sob medida para uma aplicação particular.
• Os sistemas à base de fluido que usam um líquido como meio de transmissão são conhecidos como hidráulicos, e aqueles que usam um gás são conhecidos como pneumáticos. Tais gases são comprimidos, sendo o ar, para ser comprimido, bastante utilizado por se encontrar em quantidades ilimitadas, praticamente em todos os lugares.
• O ar comprimido geralmente consiste em ar atmosférico com aumento de pressão na faixa de quatro a dez vezes para realizar tarefas que requerem mais energia pneumática.
• O ar comprimido é muito utilizado em fábricas que possuem riscos, devido à atmosfera explosiva, e por possuir custos de produção relativamente acessíveis.
Para uma correta utilização do ar comprimido nos diversos equipamentos, é importante ter em conta a qualidade do ar comprimido requerida.
• Assim como em qualquer gás, o ar comprimido também não possui uma forma definida. Ele se modifica a menor resistência, ou seja, o ar se adapta ao formato do ambiente. O ar pode ser comprimido e, quando isso acontece, o fenômeno é denominado de compressão, porém, ele sempre tende a apresentar uma expansão.
• Os circuitos pneumáticos em maquinários industriais, veículos, clínicas dentárias, en- tre outros locais, requerem uma fonte de ar comprimido com pressão constante e capacidade de fornecer o fluxo consumido pelos componentes do circuito. A fonte de ar engloba unidades de produção, distribuição e condicionamento de ar comprimido.
• A unidade de distribuição é preferencialmente composta por tubos aéreos, que são compostos por uma rede principal; e uma rede secundária é derivada da rede principal para fornecer energia aos pontos de conexão do circuito pneumático.
• No final da tubulação de abastecimento de água da rede secundária são instalados dispositivos reguladores especiais para cada tipo de equipamento, incluindo válvulas reguladoras de pressão, purgadores (usados para extrair condensado da rede) e filtros.
RESUMO DO TÓPICO 1
• Uma das etapas básicas na geração de ar comprimido é a compressão. Antes de chegar ao instrumento que vai consumir ar para funcionar, ele passará por uma série de processos. Geralmente, o tipo de compressor a ser usado e sua localização afetarão a quantidade de sujeira, óleo e água que entra no sistema pneumático.
• Alguns elementos necessários para preparação e utilização do ar comprimido são:
compressor com filtro de admissão e, para compressores de dois estágios, um resfriador intermediário; separador de condensado; resfriador posterior; reservatório com válvula de segurança; e filtro de admissão.
1 É necessário ter alguns cuidados com um sistema de ar comprimido, que vão da escolha do tipo de compressor até a unidade de tratamento do ar. Com relação aos elementos principais, necessários para preparação e utilização do ar comprimido, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) O separador de condensado é utilizado para o tratamento de ar comprimido, retirando ar da água, para evitar problemas comuns de resfriamento da água e condensação de vapor.
b) ( ) O filtro de admissão é usado nas instalações de ar comprimido, para evitar os problemas comuns de resfriamento da água e condensação de vapor em gotículas.
c) ( ) Uma válvula de segurança é um dispositivo de alívio de pressão, geralmente instalada em equipamentos pressurizados para evitar o acúmulo excessivo de pressão.
d) ( ) O compressor com filtro de admissão reduz a pressão de uma certa quantidade de volume de ar até um certo valor de pressão.
2 Sabe-se que a pressão é uma grandeza definida como uma força aplicada uniformemente sobre uma superfície, sendo uma grandeza física fundamental para um sistema de ar comprimido. Com relação aos tipos de pressões existentes, assinale a alternativa CORRETA:
a) ( ) A pressão manométrica é um tipo de pressão que está sendo exercida pela atmosfera terrestre e possui valor aproximado de 1 atm para o nível do mar a 20 °C.
b) ( ) A pressão absoluta é a diferença da pressão relativa e da pressão atmosférica, que também poderá ser considerada medida a partir do vácuo absoluto ou do vácuo ideal.
c) ( ) A pressão diferencial é a diferença de pressão entre duas pressões, geralmente expressa por uma variação ΔP.
d) ( ) A Pressão relativa positiva é definida como uma pressão positiva que é mensurada em relação à pressão manométrica.
3 Na indústria, o ar comprimido é muito utilizado em fábricas que possuem riscos, devido à atmosfera explosiva, e por possuir custos de produção relativamente acessíveis. Sobre as vantagens e desvantagens do ar comprimido, classifique V para as sentenças verdadeiras e F para as falsas:
( ) O ar comprimido é facilmente transportável por tubulações, mesmo para distâncias longas, e não há necessidade de preocupação com o retorno do ar.
( ) O ar pode ser sempre armazenado em um reservatório, mas posteriormente não deverá ser tirado de lá.
( ) O ar comprimido é econômico somente até uma determinada força, limitado pela pressão normal de trabalho de 700 kPa (7 bar), e também pelo curso e velocidade.
AUTOATIVIDADE
Assinale a alternativa que apresenta a sequência CORRETA:
a) ( ) V – F – F.
b) ( ) V – F – V.
c) ( ) F – V – F.
d) ( ) F – F – V.
4 Um tubo de Venturi é um dispositivo inicialmente desenhado para medir a velocidade de um fluido, aproveitando o efeito Venturi. Entretanto, alguns se utilizam para acelerar a velocidade de um fluido, obrigando-o a atravessar um tubo estreito em forma de cone. Disserte sobre o uso do efeito Venturi em um sistema de ar comprimido.
5 Caso a produção e implementação do ar comprimido não seja feita de maneira correta, o sistema terá alguns danos. Disserte sobre o que ocorrerá caso a mistura de contaminantes do ar não seja separada adequadamente.
COMPRESSORES E REDES DE DISTRIBUIÇÃO
1 INTRODUÇÃO
Conforme vimos anteriormente, é necessário que ocorra o fenômeno da compressão, para gerar o ar comprimido. Para isso, é necessário um equipamento chamado compressor de ar, para comprimir o ar ambiente. O compressor funciona convertendo normalmente uma energia elétrica em energia pneumática. Assim, um sistema eficaz de ar comprimido deverá apresentar um compressor adequado ao tipo de atividade requerida.
Como qualquer outra bomba, o compressor é uma fonte de fluxo e não de pressão. Em outras palavras, o compressor fornece uma certa vazão de ar para a rede de armazenamento e distribuição, que se acumula nela devido à alta compressibilidade do ar, o que faz com que a pressão suba. Existem muitos tipos de compressores no mercado, mas o método de escolha depende da quantidade de ar, qualidade e limpeza, e quão seco o ar deve ser. Existem diversos níveis de padrões de escolha, a depender do tipo de compressor.
A pressão na rede é garantida de diferentes maneiras: para compressores pequenos, é mais comum dar partida e poder parar automaticamente o motor de acionamento do compressor. Outras soluções, como descarga para a atmosfera, reabsorção de ar comprimido, mudanças na velocidade do motor de acionamento, mudanças na eficiência volumétrica e alívio de pressão na válvula de admissão também são adequadas para compressores industriais.
O método de controle tem como meta reduzir ou interromper a vazão fornecida ao reservatório de armazenamento e à rede de dutos para compatibilizá-la com a vazão consumida pelo circuito pneumático, de forma que a pressão do sistema permaneça com excelente estabilidade. Para isso, a rede de distribuição de ar comprimido é fundamental, e normalmente tem duas funções principais: a comunicação entre a fonte de produção e os equipamentos que consomem ar; e a função de operar como reservatório, atendendo exigências locais do sistema.
Diante desse cenário, queremos que você, acadêmico, saiba os conceitos que envolvem os compressores, bem como saiba classificá-los, conforme os seus tipos.
Será estudada a preparação do ar comprimido, além de características e propriedades principais da rede de distribuição de ar comprimido.
UNIDADE 1 TÓPICO 2 -
2 COMPRESSORES
Conforme o ar passa pelo compressor, a pressão aumenta, convertendo a energia cinética em energia de pressão. O ar permitido está em contato com o impulsor de alta velocidade (rotor laminado). O ar é acelerado e atinge uma alta velocidade, então o impulsor transfere energia cinética para o ar. Posteriormente, seu fluxo é retardado pelo difusor, forçando o aumento da pressão. Em ambientes industriais, os tipos de compressores utilizados são classificados em dois tipos: deslocamento positivo (ou volumétrico) e dinâmico.
Os compressores volumétricos ou de deslocamento positivo têm como base reduzir o volume do gás para conseguir o aumento da pressão. Após atingir uma certa pressão, é aberta a válvula de descarga, ou simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga, enquanto o volume da câmara de compressão vai diminuindo continuamente.
Em um compressor dinâmico, quando o ar passa pelo compressor, a pressão é aumentada pela conversão de energia cinética em energia de pressão. Após a admissão do ar, esse entrará em contato com um impulsor de alta velocidade. O ar é acelerado e atinge uma alta velocidade, então o impulsor transferirá energia cinética para o ar. Pouco tempo depois, seu fluxo, através do difusor, será reduzido, forçando a pressão a aumentar.
A seguir serão abordados os principais tipos de compressores disponíveis no mercado.
2.1 COMPRESSORES ALTERNATIVOS
Esses compressores usam um sistema de biela-manivela para converter o movimento rotativo do eixo no pistão ou o movimento de translação do pistão. Portanto, a cada rotação do atuador, o pistão avança e recua na direção do cabeçote, formando, assim, um ciclo de trabalho. Esta operação está relacionada ao desempenho da válvula, que possui uma parte móvel denominada obturador, que compara as pressões interna e externa do cilindro. Quando a pressão da tubulação for maior que a pressão interna do cilindro, o obturador da válvula de sucção se estenderá para o interior do cilindro; caso contrário, permanecerá fechado. A Figura 9 ilustrará esse tipo de compressor.
FIGURA 9 – COMPRESSOR ALTERNATIVO
FONTE: <https://bit.ly/3FXuZFW>. Acesso em: 27 set. 2021.
Na fase de admissão, o pistão se moverá na direção oposta ao cabeçote do cilindro. Devido à tendência de depressão no cilindro, a válvula de admissão se abrirá e o gás será aspirado desta forma. Se o pistão se movimentar na direção oposta, neste caso, em direção ao cabeçote, chega-se ao estágio de compressão, fazendo com que a válvula de sucção feche, e a pressão interna do cilindro seja suficiente para proporcionar a abertura da válvula de descarga.
Na fase de exaustão, devido a sua abertura, o movimento do pistão em direção ao cabeçote do cilindro descarregará gás de dentro para fora do cilindro, pois nem todo o gás é descarregado dele. No final do movimento do pistão, a parte chamada de volume morto, entre o cabeçote do pistão e o ponto final de deslocamento, faz com que a pressão no cilindro não caia imediatamente quando o curso de retorno inicia.
Depois que a válvula de exaustão é fechada, a pressão interna no cilindro começa a cair até que a pressão caia o suficiente para acionar a válvula de admissão novamente. Nesse momento, ambas as válvulas são fechadas. Isso é chamado de fase de expansão, que é uma fase anterior à fase de admissão do novo ciclo. Como a válvula funciona automaticamente, é óbvio que o compressor sugará e descarregará gás nas pressões existentes no tubo de sucção e no tubo de descarga, respectivamente. A Figura 10 mostrará as etapas do compressor alternativo.
FIGURA 10 – ETAPAS DO COMPRESSOR ALTERNATIVO
FONTE: <https://slideplayer.com.br/slide/361406/>. Acesso em: 27 set. 2021.
Na Figura 10, observam-se as etapas descritas do compressor alternativo, co- meçando com a etapa de admissão do ar com o deslocamento do pistão na direção oposta ao cabeçote do cilindro, com abertura da válvula de admissão e entrada do gás.
Em seguida, a etapa de compressão ilustra o pistão se deslocando em direção ao ca- beçote, e fechando a válvula de sucção. Na etapa de descarga, tem-se a abertura do pistão, descarregando o gás de dentro para fora do cilindro. E, por fim, na etapa de ex- pansão, o volume inicialmente contido no volume morto é expandido pelo movimento do pistão, reduzindo, assim, a pressão.
Quanto aos tipos de compressores alternativos, têm-se:
• Compressores alternativos de ação simples: são assim chamados porque o pistão se move para cima e obtém a compressão do ar em uma direção somente.
• Compressores alternativos de dupla ação: esses compressores permitem que o ar seja comprimido em ambas as direções de deslocamento do êmbolo. Por suas características, são mais eficientes do que os compressores alternativos de ação simples.
A Figura 11 ilustrará esses tipos de compressores.
FIGURA 11 – COMPRESSORES ALTERNATIVOS DE AÇÃO SIMPLES (ESQUERDA) E DUPLA AÇÃO (DIREITA)
FONTE: <https://slideplayer.com.br/slide/10277946/>. Acesso em: 27 set. 2021.
Quanto ao formato desses compressores, existe uma diferença entre a articulação existente e a biela. A Figura 11 ilustra, no tipo de ação simples, o pistão com deslocamento para cima, obtendo a compressão do ar em uma direção apenas. Já no tipo de dupla ação é ilustrado que o ar é comprimido em ambas as direções de deslocamento do êmbolo.
2.2 COMPRESSORES ROTATIVOS
Para atingir a pressão operacional ideal, esses compressores utilizam o movimento rotacional dos componentes internos. Eles promovem diretamente a entrada e a compressão do ar. Esses compressores são divididos em três tipos: compressor de palheta, compressores de parafuso e compressores de lóbulos.
Tais compressores de palhetas possuem essa denominação porque possuem um rotor central ou tambor que gira excentricamente em relação ao invólucro, e tem fendas radiais que se estendem por todo o comprimento, com pás retangulares inseridas nele. Isso poderá ser visto mais claramente na Figura 12.
FIGURA 12 – COMPRESSOR DE PALHETA
FONTE: <https://pt.slideshare.net/EltonRicardo/aula-01-histrico-pneumtica>. Acesso em: 27 set. 2021.
Em relação aos compressores de parafuso, tem-se, neste tipo, de compressor dois rotores que possuem movimento de rotação, girando em sentidos opostos em forma de parafusos, e mantendo, assim, um estado de engrenamento entre eles. Isso poderá ser visto conforme ilustra a Figura 13.
FIGURA 13 – COMPRESSOR DE PARAFUSO
FONTE: <https://pt.slideshare.net/EltonRicardo/aula-01-histrico-pneumtica>. Acesso em: 27 set. 2021.
Este tipo de compressor é projetado para comprimir certos fluidos. Obviamente, o ar é um componente comprimido por um compressor de ar de parafuso. No entanto, ao contrário de outros modelos de compressor, este modelo foi projetado para comprimir grandes quantidades de ar. Daí o aumento da utilização desse tipo de compressor, pois além de aplicações industriais, também é utilizado para movimentação de máquinas e, até mesmo, para geração de energia.
Os compressores de lóbulos são equipamentos industriais eletromecânicos, que são compostos por um cilindro e dois rotores excêntricos, projetados com grande precisão, de modo a serem sempre tangentes ao cilindro e tangentes um ao outro. A Figura 14 ilustrará esse tipo de compressor.
FIGURA 14 – COMPRESSOR DE LÓBULO
FONTE: <https://bit.ly/3HzifFw>. Acesso em: 27 set. 2021.
Este compressor é um dos tipos que são lubrificados fora da câmara de compressão, o que garantirá a distribuição do ar sem risco de contaminação do óleo.
Neste modelo, dois rotores com formato de parafuso são inseridos durante a rotação para fornecer ar na câmara, que possui portas de sucção e exaustão para eliminar cargas axiais ou de empuxo.
Os compressores discutidos até aqui são do tipo volumétrico. Veremos a seguir os principais tipos de compressores dinâmicos.
2.3 COMPRESSOR RADIAL
Denominados também de compressores centrífugos, os compressores radiais consistem em uma série de rodas e pás dispostas em série no mesmo eixo. O ar entra no tubo de sucção e passa por sua primeira roda, acontecendo um aumento de velocidade.
Em seguida, ele passará pelo difusor, com redução de velocidade e aumento de pressão.
Após, passará pelo coletor e entrará na segunda rodada, na qual ocorrerá uma nova centrifugação. Portanto, a pressão do ar aumenta gradualmente até ser descarregado.
A Figura 15 ilustrará as várias partes do compressor radial.
FIGURA 15 – COMPRESSOR RADIAL
FONTE: <https://bit.ly/3eIV9QA>. Acesso em: 27 set. 2021.
Os compressores radiais são amplamente utilizados em aplicações industriais.
Eles são usados em processos que usam ar comprimido nas indústrias química e petroquímica para apoiar a engenharia de processo. Também é utilizado no tratamento de efluentes e na renovação do ar em diversos ambientes.
2.4 COMPRESSOR AXIAL
Os compressores axiais, também denominados de turbocompressores (Figura 16), funcionam da seguinte forma: o ar, após a admissão, é acelerado axialmente por uma série de pás giratórias que giram no sentido axial. O fluxo do fluido é tem direcionamento radial, e do raio da entrada para o raio de saída tem-se uma mudança significativa.
FIGURA 16 – COMPRESSOR AXIAL
FONTE: <https://slideplayer.com.br/amp/51766/>. Acesso em: 27 set. 2021.
A velocidade do ar aumenta gradualmente e as lâminas fixas convertem a energia cinética em pressão. Um tambor de balanceamento é normalmente embutido no compressor para equilibrar o empuxo axial. Os compressores axiais são usualmente de menor tamanho e possuem menor peso em relação aos compressores centrífugos equivalentes, funcionando geralmente com velocidades mais altas.
Ao operar na carga máxima de trabalho, a quantidade de ar fornecida poderá ser definida como a quantidade total do compressor em m³. Isso ainda poderá ser definido de forma teórica ou efetiva. O volume teórico é determinado multiplicando-se o volume do cilindro pelo número de revoluções do compressor, também deve-se considerar a efici- ência do compressor como parâmetro para determinar a quantidade de ar (FIALHO, 2011).
Já o volume efetivo é a quantidade de ar que vai ser utilizado efetivamente, para fazer os automatismos pneumáticos funcionar. O rendimento varia de acordo como tipo de compressor. A pressão também é um fator muito importante, pois é através dela
que conseguimos a força desenvolvida pelos atuadores, a pressão também pode ser definida como: pressão de regime e pressão de trabalho.
Em relação ao volume efetivo, este é a quantidade de ar efetivamente utilizada para automatizar o trabalho pneumático. O desempenho varia de acordo com o tipo de compressor. A pressão também é um fator muito importante, pois por meio dela podemos obter a força gerada pelo atuador, que também pode ser definida como:
pressão de regime e pressão de trabalho (FIALHO, 2011).
A pressão que o compressor fornece efetivamente à tubulação é denominada de pressão da zona e esta pressão alimenta todos os componentes. Devido às oscilações de temperatura, não é recomendável usar a pressão liberada pelo tanque de armazenamento de óleo em um dispositivo automático. A pressão de trabalho é a pressão utilizada para acionar vários dispositivos automáticos.
A pressão deverá ser inferior à pressão de regime. Para isso ocorrer, uma válvula redutora de pressão, normalmente denominada LUBRIFIL, é utilizada. O conjunto é composto de válvula redutora de pressão, manômetro e lubrificador. Com isso, a pressão é reduzida, mantendo-se constante, de forma a garantir a força e a velocidade geradas pelo dispositivo automático, durante o processo.
O compressor usa dois modos de ativação diferentes, que são iniciados por um motor elétrico e um motor de explosão, respectivamente. Em motores de explosão, uti- liza-se gasolina ou diesel. Normalmente, o tipo de acionamento é selecionado de acor- do com as necessidades e, neste caso, o local de instalação seria o fator de escolha. A gama de acionamentos de motor é muito ampla, desde baixa potência para laboratórios, residências e oficinas até alta potência para uso industrial com grandes reservatórios.
3 PREPARAÇÃO DO AR COMPRIMIDO
Neste capítulo será explicado o tratamento do ar comprimido, antes de chegar aos pontos de alimentação dos equipamentos. Após a compressão, o ar é resfriado e armazenado em reservatórios e deverá passar por um processo de preparação, que consiste na retirada da umidade, através de desumidificadores.
Da mesma forma será apresentado como tratar o ar comprimido antes de atingir o ponto de alimentação do equipamento. Após a compressão, o ar é então resfriado e armazenado nos reservatórios de armazenamento, devendo passar por um processo de preparação que inclui a retirada da umidade por meio de um desumidificador. O tamanho do reservatório de ar comprimido dependerá, principalmente, de fatores, como:
• Consumo de ar da instalação.
• Produção do compressor em volume de ar comprimido.
• Tipo de regulagem em relação ao ciclo do compressor.
• Dimensão da rede de distribuição.
• Queda na rede de suprimento de pressão admissível.
O processo de preparação envolve a remoção da umidade gerada pelos desumidificadores ou secadores, que podem ser operados por refrigeração, por processo químico de absorção ou por processo físico de adsorção. O símbolo do elemento de secagem em uma rede de ar comprimido será ilustrado na Figura 17.
FIGURA 17 – SIMBOLOGIA PARA SECAGEM
FONTE: O autor
Após a secagem e resfriamento, o ar comprimido é distribuído pela fábrica por meio de uma rede de distribuição em malha fechada ou em circuito aberto (mais barata e geralmente utilizada para menor consumo, quando não há demanda simultânea), dividido em várias partes, e restrito por válvulas nas linhas. Existem drenos e várias tomadas de ar ao longo das linhas de distribuição para consumo.
Pode-se distinguir entre linha principal, rede secundária da linha de distribuição e linha de conexão. Geralmente, essas linhas reduzem a perda de carga usando algumas restrições ou curvas acentuadas, que são colocadas com uma inclinação, de aproximadamente 3% na tubulação, de modo que a umidade condensada nessas linhas possa estar direcionada para o ponto de drenagem.
Embora a compra de um secador de ar comprimido geralmente seja considerada um grande investimento na empresa, pode-se constatar que a implantação de um se- cador de ar comprimido se tornou muito lucrativa, e o custo poderá ser recuperado em pouco tempo. Existem várias maneiras de secar o ar e, em seguida, discutiremos os três métodos mais usados, tanto do ponto de vista do resultado quanto de sua maior difusão.
3.1 SECAGEM POR REFRIGERAÇÃO
O método de desumidificar o ar comprimido por refrigeração é manter o ar a uma temperatura baixa o suficiente para remover uma grande quantidade de água e, assim, não danificar o funcionamento do equipamento de nenhuma forma, porque a capacidade de retenção do ar à umidade é uma função da temperatura.
FIGURA 18 – SECAGEM POR REFRIGERAÇÃO
FONTE: Faria (2000, p. 42)
Além de remover a água, também faz com que o óleo lubrificante e a emulsão do compressor formem uma emulsão na câmara de resfriamento, ajudando, assim, a remover uma certa quantidade de emulsão. O método de secagem por refrigeração é muito simples, conforme a Figura 18.
O ar comprimido entra inicialmente em A no pré-resfriador (trocador de calor), e a temperatura cai devido à saída do ar do resfriador principal no ponto B. No resfriador prin- cipal, quando o ar entra em contato com o circuito de refrigeração, ele é resfriado ainda mais. Nesta fase, a umidade presente no condicionador de ar formará uma pequena gota de água encanada, chamada de condensado, que será eliminada pelo separador no ponto C; logo, a água depositada será despejada na atmosfera, através do dreno no ponto D.
No resfriador principal, a temperatura do ar comprimido é mantida entre 0,65 e 3,2
°C por um termostato atuando no compressor de refrigeração no ponto E. O ar comprimido seco é devolvido ao trocador de calor original no ponto A, pré-resfriando no ar de entrada úmido, e coletando, assim, parte do calor do ar. O calor obtido é utilizado para recuperar sua energia e evitar o resfriamento por expansão. Se for liberado na rede de distribuição em baixas temperaturas devido à alta velocidade, a expansão irá causar a formação de gelo.
3.2 SECAGEM POR ABSORÇÃO
Esse método de secagem é um processo de fixação de um concentrado, formado, geralmente, por líquido ou gás, dentro da massa de um concentrado sólido devido a uma série de reações químicas. Dessa forma, é um método de usar uma substância sólida ou líquida que poderá absorver outra substância líquida ou gasosa. Esse processo também é denominado processo químico de secagem. A Figura 19 ilustrará esse processo.
FIGURA 19 – SECAGEM POR ABSORÇÂO
FONTE: Faria (2000, p. 43)
A Figura 19 ilustra o ar sendo conduzido em determinado volume por meio de substâncias higroscópicas, insolúveis ou deliquescentes, como as pastilhas dessecan- tes, que absorvem a umidade do ar, produzindo condensado para realizar as reações químicas. Ao final do processo, o ar seco é retirado.
O elemento secador é um material granular com bordas ou formas de pérolas.
O elemento de secagem é composto por quase 100% de sílica, também chamada de GEL – sílica gel. Cada vez que o elemento secador é saturado, ele poderá ser regenerado de forma simples: ao fluir ar quente dentro da câmara de saturação, esse ar absorverá a
FIGURA 20 – SECAGEM POR ADSORÇÃO
3.3 SECAGEM POR ADSORÇÃO
Nesse tipo de secagem (Figura 20), a água é colocada sobre uma superfície sóli- da, e o agente que provoca a secagem é um material granular (gel), que consiste em qua- se 100% de sílica (sílica gel). Normalmente são usados dois tanques: enquanto um tanque saturado apresentar o gel, o outro tanque terá o fluxo de ar direcionado para ele. O tanque saturado é regenerado por secagem com ar quente e, nesses secadores, consegue-se al- cançar os menores pontos de orvalho, equivalente em temperaturas menores que -90 °C.
FONTE: Croser e Ebel (2002, p. 19)
Aqui, as moléculas de um adsorvato são fixadas na superfície do adsorvente, geralmente, poroso e granular, ou seja, é a deposição de moléculas de uma substância (como água) na superfície de outra geralmente sólida. Este método também é chamado de processo físico de secagem, entretanto, maiores detalhes são desconhecidos.
A teoria aceita é que há forças desequilibradas na superfície sólida, que afetam as moléculas de líquido e gás, por meio de sua atração, portanto, pode-se considerar que as moléculas são adsorvidas na monocamada ou multimolecular do sólido, de forma a atingir um equilíbrio semelhante à lei do octeto dos átomos. O processo de adsorção é regenerativo, ou seja, após o material adsorvente ser saturado com umidade, a água será liberada durante o aquecimento regenerativo.
4 REDE DE DISTRIBUIÇÃO
Devido à racionalização e automação dos equipamentos de fabricação, a indústria precisa constantemente de quantidades maiores de ar para suas operações que envolvem ar comprimido. Cada máquina e equipamento requer certa quantidade de ar, que é fornecida por um compressor por meio de uma rede de distribuição tubular.
O diâmetro do tubo deverá ser selecionado de forma que, caso haja aumento do con- sumo, um valor de 10 kPa (0,1 bar) não seja excedido na queda de pressão entre o depósito e o consumidor. Caso a queda de pressão exceda esse valor, a capacidade do sistema será bas- tante reduzida, prejudicando a lucratividade do sistema. No projeto de novos equipamentos, deve-se prever que futuramente se expandam para aumentar a demanda (consumo) de ar, devendo ser o maior diâmetro das tubulações da rede de distribuição. A montagem subse- quente (expansão) de uma rede de distribuição maior incorrerá em altos custos.
A escolha do diâmetro da tubulação não é realizada por quaisquer fórmulas em- píricas para aproveitar tubos por acaso existentes no depósito, mas sim considerando-se:
O diâmetro do tubo não poderá ser selecionado por qualquer fórmula empírica em casos de aproveitamento de tubulações que estejam sobrando em estoque no depósito. Portanto, os seguintes fatores devem ser considerados:
• Volume corrente (fluxo).
• Comprimento do tubo.
• Queda de pressão admissível.
• Pressão do trabalho.
• Quantidade de pontos de estrangulamento na rede.
Em termos práticos, utiliza-se um nomograma, ilustrado na Figura 21, que ajuda a verificar a queda de pressão ou o diâmetro do tubo na rede. O crescimento necessário no futuro deverá ser previsto e considerado.
FIGURA 21 – NANOGRAMA PARA OBTENÇÃO DE DIÂMETRO DO TUBO NA REDE
FONTE: <https://bit.ly/31krr1c>. Acesso em: 27 set. 2021.
Neste nomograma, um traço deverá ser usado para conectar o valor da coluna A (o comprimento do tubo) com o valor da coluna B (consumo de ar) e estendê-lo para a coluna C (eixo de referência 1), para obter o ponto de interseção. O próximo passo é combinar o valor da coluna E (pressão) com o valor da coluna C (queda de pressão), passando pela coluna F (eixo de referência 2), para obter uma interseção. Os pontos que passam pelos eixos 1 e 2 devem ser combinados em uma linha para obter o valor inicial do tubo na coluna C (diâmetro do tubo).
Para elementos de estrangulamento da vazão, tais como: válvula de gaveta, válvula de passagem, peça em T, entre outros, tem-se uma conversão das resistências em comprimentos equivalentes. O comprimento equivalente inclui o comprimento
linear do tubo reto, e a passagem de ar de resistência do tubo reto é igual à resistência fornecida pelo componente em questão. A seção transversal do tubo de comprimento equivalente é igual à do tubo usado na rede.
Isso não é importante apenas para o dimensionamento correto, mas também para a montagem da tubulação. Os tubos de ar comprimido requerem manutenção regular, por isso não devem ser instalados em paredes ou cavidades estreitas na medida do possível, pois isso dificultará a detecção de vazamentos de ar. Pequenos vazamentos são a causa de uma grande perda de pressão.
Dutos, especialmente redes abertas, devem ser monitorados com uma incli- nação de 1-2% na direção do fluxo. Devido à formação de condensado, o ramal de to- mada de ar deverá ser instalado na parte superior do tubo principal, em uma tubulação horizontal. Isso evitará que o condensado que pode existir no tubo principal alcance a entrada de ar pelo ramal.
Para interceptar e drenar a água condensada, uma torneira com dreno deverá ser instalada na parte inferior das tubulações principais. Tais tubulações são geralmen- te montadas em circuito fechado. Ligações de derivação são instaladas partindo-se da tubulação principal. Quando o consumo de ar é alto, um abastecimento uniforme poderá ser obtido por meio deste tipo de montagem, sendo que o ar fluirá em ambas as direções.
Para melhor distribuir o ar, a definição do layout é muito relevante, de forma que o arranjo deverá ser feito em um desenho ou escala isométrica, permitindo que o comprimento do tubo seja obtido em diferentes comprimentos de extensão. O diagrama de layout mostra a rede de distribuição principal, bem como as ramificações, além de todos os pontos de consumo, de modo a incluir aplicações futuras. O diagrama ainda apresentará a pressão nesses pontos, a posição da válvula de fechamento, conexão, curvatura, separador de condensado, entre outros elementos. Através do layout, o caminho mais curto da tubulação pode ser definido, reduzindo, assim, a perda de carga e economizando custos.
Para o tipo de linha de produção a ser executada, pode-se ter em dois tipos: anel fechado (circuito fechado) ou circuito aberto. Assim, devem ser analisadas as vantagens e desvantagens de cada linha. A rede de distribuição é geralmente um circuito fechado (Figura 22), localizado ao redor da área na qual o ar comprimido é necessário. Deste anel saem ramificações para pontos distintos de consumo.
