UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO – UFOP ESCOLA DE MINAS – EM
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO-CECAU
ELEMENTOS DE PNEUMÁTICA E AUTOMAÇÃO,
CLASSIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE
ATUADORES: APLICAÇÃO AO CASO DE PLATAFORMAS
DE EMBARQUE DE DEFICIENTES FÍSICOS EM
VEÍCULOS DO TRANSPORTE URBANO COLETIVO
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
ROMULO RODRIGUES DE FARIA
AUTOR – ROMULO RODRIGUES DE FARIA
ELEMENTOS DE PNEUMÁTICA E AUTOMAÇÃO,
CLASSIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE
ATUADORES: APLICAÇÃO AO CASO DE PLATAFORMAS
DE EMBARQUE DE DEFICIENTES FÍSICOS EM
VEÍCULOS DO TRANSPORTE URBANO COLETIVO
Orientador: Prof. Dr. Luiz Joaquim Cardoso Rocha Co-orientador: Prof. Dr. Milton Realino de Paula
Ouro Preto Escola de Minas - UFOP
Abril/ 2007
Monografia defendida e aprovada, em 11 de Abril de 2007, pela comissão avaliadora constituída pelos professores:
___________________________________________________ Prof. Dr. Luiz Joaquim Cardoso Rocha
___________________________________________________ Prof. Dr. Henor Artur de Souza
III
AGRADECIMENTOS
A Deus pela dádiva da vida, por estar sempre presente em meu caminho e por me dar forças e coragem para sobrepor os desafios do dia-a-dia.
Aos meus amados pais Romeu e Terezinha pelo exemplo de vida, dedicação e empenho. Por prover-me as condições necessárias nesses anos de estudos e para a realização deste trabalho; e por muitas vezes abdicarem aos seus próprios sonhos para que os meus se tornassem possíveis de serem realizados.
À minha irmã e a toda minha família pelo incentivo constante e por nunca terem deixado que o desânimo tomasse conta de minha pessoa.
Aos professores Luiz Joaquim e Milton Realino pela orientação e por serem uma referência na realização deste trabalho.
Aos irmãos da República Pureza por muitas horas abdicarem ao uso do computador, mesmo quando isso era necessário, para que a realização deste trabalho fosse possível. Pelos anos de convivência, pela amizade e companheirismo, pelos momentos de risos e de tristezas, muito mais momentos de alegria, é verdade. E por ao longo desse tempo terem me tornado uma pessoa melhor. VALEU DEMAIS GALERA!!!
Aos amigos do curso pelas risadas, pelas brincadeiras, pelas “ferrações” nas madrugadas e por encararem juntos os desafios da Engenharia. Pelo incentivo constante e por muitas vezes terem me “carregado nas costas”.
A todos os professores por sempre se esfoçarem ao máximo para que nós alunos evoluíssemos cada vez mais e por sempre estarem dispostos a repassar seus conhecimentos. Aos funcionários da Universidade por tornarem mais acolhedor o local onde muitas vezes eu passei a maior parte dos meus dias.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...VII LISTA DE TABELAS...X
I - INTRODUÇÃO...1
1.1 – O que é pneumática? ...1
1.2 – Classificação dos grupos de pneumática...2
1.2.1 – Pneumática de baixa pressão...2
1.2.2 – Pneumática de pressão normal...2
1.2.3 – Pneumática de pressão alta...3
1.3 – O que é um circuito eletropneumático automatizado?...3
1.4 – Características físicas do ar comprimido...4
1.5 – Vantagens e limitações do uso do ar comprimido...5
1.5.1 – Vantagens do uso do ar comprimido...6
1.5.2 – Limitações do uso do ar comprimido...6
II – PRODUÇÃO, TRATAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO...7
2.1 – Compressores...9
2.1.1 - Compressores de deslocamento positivo...10
2.1.1.1 – Compressores alternativos...11
2.1.1.2 – Compressores rotativos...12
2.1.1.2.1 – Compressores rotativos de parafusos...12
2.1.1.2.2 – Compressores rotativos de palhetas...13
2.1.1.2.3 – Compressor roots...14
2.1.2 – Compressores de deslocamento dinâmico...15
2.1.2.1 - Compressor dinâmico de fluxo radial...16
2.1.2.2 - Compressor dinâmico de fluxo axial...16
2.1.3 - A escolha do tipo de compressor a ser usado...18
2.2 - Equipamentos destinados ao tratamento do ar comprimido...19
2.2.1 - Resfriador posterior...21
V
2.2.3 - Secadores de ar comprimido...23
2.2.3.1 - Secagem por refrigeração...24
2.2.3.2 - Secagem por absorção...25
2.2.3.3 Secagem por adsorção...26
2.2.4 - Unidade de condicionamento de ar comprimido...27
2.3 – Reservatório...28
2.4 - Redes de distribuição de ar comprimido...30
III - ELEMENTOS DE UM CIRCUITO ELETROPNEUMÁTICOAUTOMATIZADO...33
3.1 - Elementos de sinal...34
3.1.1 - Sensores magnéticos...35
3.1.2 - Sensores óticos...36
3.1.3 - Sensores indutivos...37
3.1.4 - Sensores barométricos...38
3.1.5 – Botoeiras...39
3.1.6 - Chaves fim de curso...40
3.2 - Elementos de trabalho...40
3.3 - Elementos de comando...41
3.3.1 - Válvulas de controle direcional...42
3.3.2 - Válvulas de bloqueio...46
3.3.2.1 - Válvula de retenção...47
3.3.2.2 - Válvula de escape rápido...48
3.3.2.3 - Válvula de isolamento ou elemento “OU”...48
3.3.2.4 - Válvula de simultaneidade ou elemento “E”...49
3.3.3 - Válvulas de controle de fluxo...50
3.3.3.1 - Válvulas de controle de fluxo unidirecional...50
3.3.3.2 - Válvulas de controle de fluxo bidirecional...51
3.3.4 - Válvulas de controle de pressão...52
3.4 - Elementos de controle...53
3.4.1 - Os PLC’s...54
IV - CLASSIFICAÇÃO DOS ATUADORES PNEUMÁTICOS...56
4.1.1 - Cilindro de simples efeito ou simples ação...57
4.1.2 - Cilindro de duplo efeito ou dupla ação...59
4.1.2.1 - Cilindro de dupla ação com haste dupla...60
4.1.2.2 Cilindro duplex contínuo ou tandem...61
4.1.2.3 - Cilindro duplex geminado ou de múltiplas posições...62
4.1.2.4 - Cilindro de impacto...63
4.1.2.5 - Cilindros com amortecimentos...64
4.1.2.6 Cilindros sem haste...64
4.2 - Motores a ar comprimido ou motores pneumáticos...65
4.2.1 - Motores de pistão...66
4.2.2 - Motor de palhetas...67
4.2.3 - Motores de engrenagem...68
4.2.4 - Turbomotores ou turbinas...69
4.2.5 - Características gerais dos motores pneumáticos...70
4.3 - Osciladores pneumáticos...70
V - DIMENSINAMENTO DO CONJUNTO CILINDRO E VÁLVULA...72
VI - APLICAÇÃO AO CASO DAS PLATAFORMAS DE EMBARQUE...78
6.1 – Dimensionamento do atuador linear...80
6.2 - Simulação dos resultados com o uso do software FluidSim P...86
6.3 Considerações finais em relação ao caso das plataformas de embarque...92
VII – CONCLUSÃO...93
VII – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...94
ANEXO A - TABELA DE SELEÇÃO DOS CILINDROS DA SÉRIE 3400 ...-
ANEXO B - DIAGRAMAS ELETRO-HIDRÁULICOS DOS MODELOS DAS PLATAFORMAS DE EMBARQUE MKS 250 PDO E MKS 300 PDO...-
VII
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Gráfico do campo de aplicação da tecnologia pneumática...1
Figura 1.2 – Exemplo de um sistema de eletropneumático automatizado...3
Figura 1.3 – Exemplo prático de expansibilidade...5
Figura 2.1 – Fonte de ar comprimido, incluindo produção e distribuição...7
Figura 2.2 – Gráfico da umidade relativa do ar...8
Figura 2.3 - Classificação dos compressores...9
Figura 2.4 – Princípio de funcionamento de um compressor alternativo...10
Figura 2.5 – Compressores alternativos de simples e de duplo efeito...11
Figura 2.6 – Compressor rotativo de duplo parafuso...13
Figura 2.7 – Compressor rotativo de palhetas...14
Figura 2.8 – Compressor roots...15
Figura 2.9 – Compressor dinâmico com fluxo radial com 3 estágios...16
Figura 2.10 – Compressor dinâmico de fluxo radial...17
Figura 2.11 – Fotografia tirada na oficina de reparo de turbinas da PETROBRÁS...18
Figura 2.12 – Produção de ar comprimido em função da pressão...19
Figura 2.13 – Seqüência de equipamentos recomendados pela ISO 8573-1...20
Figura 2.14 – Resfriador posterior...21
Figura 2.15 – Filtro de ar comprimido...22
Figura 2.16 – Secagem do ar por refrigeração...24
Figura 2.17 – Secagem por absorção...25
Figura 2.18 – Secagem por adsorção...27
Figura 2.19 – Unidade de condicionamento de ar comprimido...28
Figura 2.20 – Reservatório de ar comprimido e seus componentes...29
Figura 2.21 – Redes de distribuição de ar comprimido...31
Figura 2.22 – Parte de uma rede de ar comprimido com inclinação...32
Figura 3.1 – Ilustração de um sensor magnético...35
Figura 3.2 – Sensor magnético instalado em um cilindro...35
Figura 3.3 – Sensor ótico de barreira...36
Figura 3.5 – Sensor ótico retro-reflexivo...37
Figura 3.6 – Foto de um sensor indutivo...38
Figura 3.7 – Sensor barométrico...38
Figura 3.8 – Fotos dos dois tipos botoeiras...39
Figura 3.9 – Chave fim de curso acionada por rolete mecânico...40
Figura 3.10 – Acionamentos musculares...45
Figura 3.11 – Tipos de acionamentos mecânicos...45
Figura 3.12 – Tipos de acionamentos pneumáticos...46
Figura 3.13 – Válvula de retenção com mola...47
Figura 3.14 – Construção de uma válvula de escape rápido...48
Figura 3.15 – Válvula de isolamento ou elemento OU...49
Figura 3.16 - Válvula de simultaneidade ou elemento E...50
Figura 3.17 – Válvula de controle de fluxo unidirecional...51
Figura 3.18 – Válvula de controle de fluxo bidirecional...52
Figura 3.19 – Válvula de alívio...53
Figura 3.20 – Diagrama de funcionamento de um PLC...55
Figura 4.1 – Cilindros pneumáticos de simples ação...58
Figura 4.2 - Cilindro de simples ação comandado por uma válvula direcional...58
Figura 4.3 – Cilindro de dupla ação...59
Figura 4.4 – Exemplo de cilindros de dupla ação comandados por válvulas...60
Figura 4.5 – Cilindro pneumático de dupla ação com haste dupla...61
Figura 4.6 – Cilindro pneumático duplex contínuo ou tandem...61
Figura 4.7 – Cilindro pneumático geminado duplex ou de múltiplas posições...62
Figura 4.8 – Cilindro de impacto...63
Figura 4.9 – Cilindro com amortecimentos...64
Figura 4.10 – Cilindro sem haste...65
Figura 4.11 – Motores pneumáticos de pistão...67
Figura 4.12 – Princípio de funcionamento do motor pneumático de palhetas...68
Figura 4.13 – Motor pneumático de engrenagens...69
Figura 4.14 – Exemplo construtivo de turbomotor...69
Figura 4.15 – Osciladores pneumáticos...71
Figura 5.1 – Seção transversal de uma válvula direcional...73
IX
Figura 6.1 – Dimensões construtivas das plataformas...80
Figura 6.2 – Seqüência de movimentos da plataforma...81
Figura 6.3 – Tela principal do software FluidSim P...86
Figura 6.4 – Parâmetros de configuração do cilindro...87
Figura 6.5 – Segunda tela de configuração do cilindro...88
Figura 6.6 – Terceira tela de configuração do cilindro...88
Figura 6.7 – Configuração da válvula direcional...89
Figura 6.8 – Configuração do compressor...90
Figura 6.9 – Avanço do cilindro com a velocidade de projeto...90
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Classes de qualidade do ar comprimido segundo a Norma ISO 8573-1....20
Tabela 2.3 – Perdas com vazamentos de ar nas tubulações...32
Tabela 3.1 – Características funcionais dos tipos de sensores citados...34
Tabela 3.2 – Símbolos utilizados para indicar a utilização da via...43
Tabela 3.3 – Regras para identificação dos orifícios ou conexões de válvulas...44
Tabela 4.1 – Classificação dos atuadores pneumáticos rotativos...66
Tabela 4.2 – Especificações de alguns dos modelos de osciladores pneumáticos...71
Tabela 5.1 – Simbologia de parâmetros e variáveis...73
Tabela 6.1 – Diâmetros comerciais de cilindros pneumáticos...83
Tabela 6.2 – Escolha do coeficiente de montagem da haste...84
Tabela 6.3 – Parte da tabela de seleção do valor de Tp...85
XI
RESUMO
Esta pesquisa destina-se ao estudo dos elementos relacionados à tecnologia pneumática, tecnologia esta que vem cada vez mais apresentando aplicabilidade em termos industriais. Tarefas tais como a mudança de peças em correias transportadoras, elevação de peças, estampagem e curvatura de placas metálicas, se tornam muito mais fáceis de serem realizadas com o uso de um circuito eletropneumático automatizado, além de apresentarem a vantagem de um menor contato do operador com a máquina, possibilitando assim, dentre outras vantagens, uma redução no número de acidentes. Para tal, aborda-se neste trabalho não só a utilização do ar comprimido pelos atuadores pneumáticos, que são os equipamentos destinados a converter a energia pneumática contido no ar comprimido em energia mecânica; a produção, tratamento e distribuição do ar comprimido também é tema de relevância, bem como também a discussão em relação a uma possível montagem eletropneumática das plataformas de embarque de deficientes físicos nos veículos do transporte urbano coletivo, montagem esta que hoje em dia se faz por meio da tecnologia eletro-hidráulica.
ABSTRACT
This article presents a study of the related elements of the pneumatic technology that comes presenting a big industrial applicability. Works, such as the change of parts in transporting leather straps, rise of parts, stamping and bending of metallic plates, if become easier to be carried through with the use of an automatized eletropneumatic circuit, beyond presenting the advantage of a lesser contact of the operator with the machine, reducing the number of accidents.
1
I. INTRODUÇÃO
1.1 O que é pneumática ?
Conforme proposto pela norma ISO 5598 do ano de 1985, que se refere a sistemas e componentes hidráulicos e pneumáticos, mais precisamente sobre suas terminologias, pneumática é a ciência ou a tecnologia que trata do uso do ar ou dos gases neutros como meio de transmissão de potência.
No caso deste trabalho em especial, o gás estudado será o ar comprimido. Tal fluido será responsável por transmitir energia pneumática aos atuadores, fazendo assim com que estes possam convertê-la em trabalho mecânico ou torque, como será melhor detalhado mais adiante neste estudo.
O campo de aplicação da pneumática é bastante vasto, estando esta tecnologia presente em praticamente todos os setores de uma fábrica e nos mais diversos segmentos da indústria (BELAN, 2005).
A Figura 1.1 é um gráfico (força de atuação em Newton X velocidade de atuação em milímetros por segundo), do campo de aplicação da pneumática, comparado a outras tecnologias como a hidráulica, por exemplo.
1.2 Classificação dos grupos de pneumática
Devido a grande aplicabilidade da pneumática, conforme mencionado na seção anterior, convenciona-se delimitar o amplo campo de trabalho possível de ser realizado por meio do ar comprimido.
Esta delimitação, ou melhor, a classificação dos grupos de pneumática acontece basicamente pela faixa ou nível de pressão a que está submetido um determinado sistema.
Apenas como forma comparativa, assim como na eletricidade que estabelece três níveis básicos para a voltagem; a pneumática também possui níveis pré-definidos para a pressão, são eles: baixa pressão, pressão normal ou média pressão e alta pressão (REIS, 2004).
Neste ponto, vale ressaltar que estes valores podem sofrer pequenas flutuações, de acordo com a fonte literária adotada.
1.2.1 Pneumática de baixa pressão
É a parte da pneumática que engloba processos envolvendo níveis de pressão até, aproximadamente, 1,5 bar. Estão nesta categoria todos os sistemas para a execução de tarefas que não requerem a produção de um torque tão elevado.
1.2.2 Pneumática de pressão normal
3
1.2.3 Pneumática de pressão alta
Engloba as aplicações especiais da pneumática. Não se trata mais aqui dos comandos utilizados na pneumática convencional, ou seja, em pressões que atingem valores de até 16 bar. É uma faixa de pressão que apresenta custo elevado de produção e é de difícil obtenção, sendo assim utilizada apenas em aplicações especiais.
1.3 O que é um sistema eletropneumático automatizado?
Um sistema eletropneumático automatizado, como será detalhado no capítulo 3, é basicamente uma montagem na qual variáveis como abertura e fechamento de válvulas de controle, avanço e retorno de cilindros pneumáticos, dentre outras, são controladas com tempos pré-programados para a sua ocorrência, bem como a duração de tal acontecimento, (DE NEGRI, 2001). A figura 1.2 mostra um exemplo de um sistema eletropneumático automatizado de uma máquina embaladora.
Figura 1.2 – Exemplo de um sistema de automação empregando PLC e sua correlação com um sistema automático. 1- lugar para depósito de embalagens, 2- válvulas e
1.4 Características e propriedades físicas do ar
O ar que se respiram é composto basicamente de Nitrogênio e Oxigênio, porém existem alguns outros gases diluídos nesta mistura. Mais precisamente, segundo a Norgren Herion Industrial, temos o ar atmosférico como sendo uma composição de 78,09% de Nitrogênio, 20,95% de Oxigênio, 0,93% de Argônio e 0,03% de outros gases.
Apesar de o ar apresentar algumas características que em um primeiro momento o torne de uma difícil percepção, tais como o fato de ser insípido, inodoro e incolor, pode-se concluir que o ar tem existência concreta, ocupando lugar no espaço e possuindo propriedades físicas importantes, tais como compressibilidade, expansibilidade, elasticidade e difusibilidade (PARKER AUTOMATION, 2000). Pode-se dizer, de maneira resumida, que compressibilidade é a propriedade que o ar possui de reduzir o seu volume quando submetido à aplicação de forças opostas, de fora para dentro, ou seja, forças essas que provocam um aumento da pressão e uma conseqüente redução do volume ocupado por ele. Esta talvez seja para a Pneumática a propriedade física mais importante relacionada ao ar atmosférico, visto que, como será abordado mais adiante, é por meio da compressão do ar atmosférico que é gerada a energia pneumática, que posteriormente é convertida em transmissão de potência ou trabalho pelos atuadores.
Em contrapartida, a expansibilidade pode ser definida como sendo uma propriedade oposta à compressibilidade, de maneira que esta é a propriedade que o ar apresenta de aumentar seu volume quando submetido à aplicação de forças externas, neste caso de dentro para fora. Porém este aumento de volume pode ocorrer até mesmo na ausência de aplicação de forças externas, como pode ser visto no exemplo prático apresentado na Figura 1.3, onde na situação inicial, a válvula intermediária está fechada, sendo ela aberta em seguida, possibilitando ao ar ocupar um volume maior em relação ao inicial.
5
Figura 1.3 – Exemplo prático de expansibilidade. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
Já para o caso da difusibilidade, pode-se defini-la como sendo a capacidade do ar de quando colocado em presença de um outro meio gasoso qualquer, misturar-se a ele.
Outra importante propriedade relacionada ao ar, ainda não citada, é a baixa viscosidade, ou seja, a resitência que o ar apresenta ao escoar. Quanto mais viscoso é
um fluido, quanto mais “grosso” é ele, maior será sua viscosidade (WIKIPÉDIA, 2006).
1.5 Vantagens e limitações no uso do ar comprimido
As vantagens e limitações no uso da pneumática são decorrentes basicamente de duas importantes propriedades físicas citadas acima, são elas:
• Compressibilidade;
1.5.1 Vantagens do uso do ar comprimido
São apontadas como características vantajosas na utilização do ar comprimido e da tecnologia pneumática, dentre outras:
• O ar pode ser encontrado em quantidades ilimitadas em praticamente todos os lugares;
• É facilmente transportável por tubulações; • O ar pode ser armazenado em reservatórios;
• Funcionamento seguro, mesmo quando exposto a variações na temperatura; • Não apresenta perigo de explosão ou de incêndio;
• O ar comprimido é limpo, não poluindo o ambiente;
• O ar comprimido permite alcançar velocidades de trabalho relativamente altas;
1.5.2 Limitações do uso do ar comprimido
São apontadas como desvantagens na utilização do ar comprimido, dentre outras:
• O ar comprimido requer uma boa preparação, impurezas e umidade devem ser evitadas, pois provocam desgastes indesejados;
• Devido à alta compressibilidade do ar não é possível manter uniformes e constantes as velocidades dos pistões;
• Limitação das forças máximas de trabalho; • O escape de ar é ruidoso;
7
II. PRODUÇÃO, TRATAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO
Como mencionado na seção 1.4, a compressibilidade do ar talvez seja sua propriedade física mais importante no que tange à pneumática. Será por meio da compressão do ar atmosférico que este adquirirá um aumento em sua energia interna, produzindo assim a energia pneumática que será utilizada no acionamento dos atuadores.
O equipamento destinado a realizar esta compressão é denominado compressor. Compressores são equipamentos mecânicos destinados à realização do aumento da energia utilizável de gases como, por exemplo, o ar (SANTOS, 2006). Um sistema típico de produção, tratamento e distribuição de ar comprimido é mostrado na Figura 2.1, nele podemos observar, dentre outros, a presença de equipamentos tais como o reservatório, o resfriador posterior, o separador de condensado, o secador, além do compressor já mencionado.
Todos estes equipamentos citados trabalham em conjunto na busca de um mesmo objetivo, a busca na excelência da qualidade do ar comprimido. Quanto maior for sua qualidade, quanto mais livre de impurezas estiver o ar, mais eficiente se tornará a execução do trabalho a ser realizado, e conseqüentemente, maior será a economia gerada com a produção de ar comprimido.
Além de uma indesejada queda no rendimento do serviço, impurezas provocam muitas vezes avarias nos equipamentos pneumáticos, além de falhas no funcionamento dos mesmos. Portanto, ferrugem, partículas de sujeira, restos de óleo e umidade devem sempre ser evitados (REIS, 2004).
É necessária uma atenção especial para a umidade presente no ar comprimido. Quando o ar comprimido resfria certa quantidade de água condensa Esta presença de vapor d’água contida é uma porcentagem do ar atmosférico e é medida em Umidade Relativa (%UR) (NORGREN HERION IND., 2006).
A Figura 2.2 é um exemplo em forma de gráfico da proporção máxima de água que pode ser mantida em forma de vapor à uma determinada temperatura.
Figura 2.2 – Gráfico Temperatura °C por gramas de vapor de água/ metro cúbico de ar. Fonte: NORGREN, 2006.
9
Os equipamentos e dispositivos envolvidos na produção, tratamento e distribuição de ar comprimido serão abordados mais detalhadamente a seguir.
2.1 Compressores
Como já foi exposto de forma sucinta anteriormente, compressores são máquinas destinadas basicamernte a elevar a pressão do ar, admitido em condições atmosféricas, tornando-o útil às mais variadas tarefas e aplicações.
A classificação dos tipos de compressores se dá basicamente levando-se em consideração os aspectos construtivos, bem como também o princípio de funcionamento que proporciona a ele a possibilidade de uma elevação da pressão do ar.
Levando-se em consideração o princípio de funcionamento responsável pela elevação da pressão, podemos destacar dois tipos básicos:
• Compressores de deslocamento positivo; • Compressores de deslocamento dinâmico.
Estes dois tipos apresentam ainda subdivisões, como pode ser observado no diagrama da Figura 2.3.
Os vários tipos de compressores apresentam diferenças entre si, portanto, ao se fazer a escolha por um deles deve-se levar em consideração aspectos como a vazão fornecida, pressão, etc. (METALPLAN, 2006).
Deve-se também levar em consideração alguns cuidados quanto à localização da instalação dos compressores, locais com boa ventilação, livres de poeiras e com baixa umidade devem ser preferidos, bem como locais livres de altas temperaturas.
2.1.1 Compressores de deslocamento positivo
Os compressores de deslocamento positivo se baseiam no princípio de redução de volume para a compressão do ar. Consegue-se a compressão aqui sugando-se o ar para dentro de uma câmara fechada, e diminuindo-sugando-se posteriormente o tamanho deste ambiente (REIS, 2004).
Quando uma certa pressão é atingida, esta provoca a abertura de válvulas de descarga, ou simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga durante a redução do volume da câmara de compressão (PARKER AUTOMATION, 2000)
Este princípio de funcionamento pode ser melhor observado na Figura 2.4.
11
Na admissão do ar, o pistão se movimenta em sentido contrário ao cabeçote, fazendo com que aumente o volume da câmara, o que propicia a abertura da válvula de sucção, aspirando assim o ar.
Ao inverter-se o sentido de movimentação do pistão, a válvula de sucção se fecha e o gás é comprimido até que se atinja uma pressão interna de funcionamento ideal, o que provoca a abertura da válvula de descarga, caracterizando a etapa de compressão.
Quando a válvula de descarga se abre, a movimentação do pistão faz com que o gás seja expulso do interior do cilindro. Essa situação corresponde à etapa de descarga e dura até que o pistão encerre o seu movimento no sentido de encontro ao cabeçote (CABANO, 2006).
Existem dois tipos básicos de compressores com este tipo de configuração, um denominado alternativo, e outro denominado rotativo. Os principais compressores com estes aspectos construtivos serão citados a seguir.
2.1.1.1 Compressores alternativos
Neste tipo de construção, como pode ser observado na Figura 2.5, um conjunto biela-válvula é responsável por converter o movimento rotativo de um eixo em um movimento translacional de um pistão (CABANO, 2006).
A cada rotação do conjunto biela-válvula, o pistão efetua um movimento de ida e outro de volta em direção ao cabeçote, finalizando assim um ciclo.
Os compressores de simples efeito possuem apenas uma câmara de compressão.
Quando se deseja a obtenção de pressões mais elevadas, existe a possibilidade da construção de um compressor com mais de uma câmara de compressão, como pode ser visto na parte da direita da Figura 2.5.
Nestes compressores o ar é comprimido por um êmbolo, passa por um resfriador intermediário, conhecido como aftercooler, e enviado à uma segunda câmara de compressão, sendo o volume desta segunda câmara menor do que a o volume da primeira (REIS, 2004).
2.1.1.2 Compressores rotativos
São os compressores cujo processo mecânico comprime o ar por meio da movimentação de espirais internas que aumentam a sua energia cinética do. O compressor rotativo dispensa um maior número de peças móveis, o que proporciona a ele menores perdas mecânicas por atrito, este fato diminui também a necessidade de lubrificação. Portanto, acontece também menor contaminação de ar com óleo lubrificante (ARSINCO, 2007).
Outro aspecto muito importante deste tipo de compressor, prende-se ao fato da economia de energia, com maiores rendimentos volumétricos e menores fugas de ar; devido ao fato da ausência de válvulas de admissão e descarga. Este aspecto colabora também para uma menor necessidade de manutenção desses compressores.
2.1.1.2.1 Compressores rotativos de parafusos
13
Nos compressores com apenas um eixo, um parafuso helicoidal girante aumenta a energia cinética do ar, que é aprisionado contra a carcaça do equipamento e impulsionado para frente por meio da rotação do parafuso.
Porém no tipo mais utilizado destes compressores, dois rotores em forma de parafuso helicoidal giram em sentido contrário, sincronizados por engrenagens, como pode ser visto na Figura 2.6. Esta rotação desloca o ar para frente, reduzindo o espaço disponível para ele, provocando assim a compressão (SANTOS, 2006).
Figura 2.6 – Compressor rotativo de duplo parafuso. Fonte: CABANO, 2006.
Os compressores de parafusos apresentam dimensões pequenas e permitem alcançar altas rotações, porém, o consumo de potência é maior se comparado aos compressores de pistões (SANTOS, 2006).
2.1.1.2.2 Compressores rotativo de palhetas
O compressor de palhetas possui um rotor central que gira excentricamente em relação a uma carcaça, ou corpo do compressor, que possui aberturas de entrada e saída. Esse rotor possui rasgos radiais que se prolongam por todo o seu comprimento, onde são dispostas palhetas retangulares (CABANO, 2006).
As vantagens deste compressor estão no fato dele apresentar uma construção com dimensões reduzidas; e um funcionamento silencioso, contínuo e equilibrado, gerando assim fornecimento de ar uniforme e livre de pulsações.
Figura 2.7 – Compressor rotativo de palhetas. Fonte: REIS, 2004.
2.1.1.2.3 Compressor roots
O funcionamento deste tipo de compressor é simples, nele existem duas rodas dentadas que giram dentro de uma carcaça, intercaladas com ar a uma rotação pré-determinada, ocasionando assim uma depressão de um dos lados, onde acontece a aspiração do ar; e uma sobrepressão do outro lado, onde acontece a descarga. Como pode ser visto na Figura 2.8.
15
Figura 2.8 – Compressor roots. Fonte: REIS, 2004.
2.1.2 Compressores de deslocamento dinâmico
A construção deste tipo de compressor funciona segundo o princípio da aceleração do fluxo da massa de ar. Nele acontece a sucção de ar de um lado e compressão do outro, por aceleração da massa, ou seja, a elevação da pressão é obtida por meio da conversão de energia cinética em energia de pressão, durante a passagem do ar através do compressor (PARKER AUTOMATION, 2000).
Como dito, o ar admitido do lado da sucção é colocado em contato com rotores dotados de alta velocidade, conhecidos como impulsores, sendo então o ar acelerado, aumentando assim sua velocidade, e consequentemente sua energia cinética. A transformação desta energia cinética em pressão acontece por meio de um retardamento do fluxo do ar, do lado oposto à sucção. Esta desaceleração do fluxo de ar acontece pela passagem dele por dutos que vão se estreitando gradativamente, conhecidos como difusores.
2.1.2.1 Compressor dinâmico de fluxo radial
Este tipo de compressor, conhecido também como centrífugo, caracteriza-se pelo fato de a admissão do ar acontecer no sentido axial, sendo porém ele conduzido e acelerado internamente no sentido radial do compressor, ou seja, 90º em relação ao eixo; para então expulso pela extremidade oposta à admissão (SANTOS, 2006).
Quando vários estágios estão reunidos em uma mesma carçaça, o ar passa pelo difusor antes de ser conduzido ao centro de rotação do estágio seguinte, causando a conversão de energia cinética em energia de pressão (PARKER AUTOMATION, 2000).
Na Figura 2.9 pode ser visto um compressor dinâmico de fluxo radial com 3 estágios.
Figura 2.9 – Compressor dinâmico com fluxo radial com 3 estágios. Fonte: REIS, 2004.
2.1.2.2 Compressor dinâmico de fluxo axial
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Figura 2.10 – Compressor dinâmico de fluxo radial. Fonte: REIS, 2004.
Estes tipos de compressores, são geralmente construídos sob uma configuração de múltiplos estágios, com turbinas posicionadas em série, o que aumenta o poder de compressão..
A Figura 2.11 mostra uma foto tirada pela turma da disciplina de Máquinas Térmicas da Profª. Silvia Azucena Nebra, da UNICAMP, em visita à oficina de reparação de turbinas da PETROBRÁS S.A., na cidade de Macaé, no estado do Rio de Janeiro. Nela pode ser observado a construção interna de um compressor axial de 11 estágios.
2.1.3 A escolha do tipo de compressor a ser usado
Como mostrado nas seções anteriores, estão disponíveis no mercado vários tipos e modelos de compressores de ar.
Um sistema de ar comprimido eficiente começa pela escolha mais adequada do tipo de compressor mais indicado para realizar uma determinada atividade. Essa escolha é função da vazão, pressão e nível de pureza exigidos para tal tarefa (METALPLAN, 2006).
No gráfico da Figura 2.12 estão indicadas as capacidades, em quantidade de ar aspirado e respectiva pressão alcançada para os principais tipos de compressores.
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2.2 Equipamentos destinados ao tratamento do ar comprimido
Como já foi dito no início deste capítulo, a qualidade do ar comprimido é de suma importância para que se obtenha a realização de uma determinada tarefa não só de forma eficiente, mas também de uma maneira econômica (REIS, 2004).
A contaminação do ar comprimido é a soma da contaminação do ar ambiente com outras substâncias que são introduzidas durante o processo de compressão. O ar ambiente é contaminado por partículas de natureza sólida, tais como a poeira, por vapor d’água, além de poluentes gasosos.
Durante o processo de compressão, o ar é contaminado também pelo óleo lubrificante do compressor e por partículas sólidas provinientes do desgaste das peças móveis do mesmo. Na tubulação de distribuição, o ar comprimido ainda pode arrastar ferrugem e outras partículas.
A qualidade do ar comprimido pode ser classificada em quatro níveis, como descritos a seguir (MSPC, 2007) .
• Ar de respiração: hospitais, cilindros para mergulho, respiradores industriais para trabalhos de pintura, jatos de areia, etc;
• Ar de processo: indústria eletrônica, de alimentos e farmacêutica; • Ar de instrumentos: laboratórios, pinturas, etc;
• Ar industrial: ferramentas pneumáticas e uso geral.
Basicamente, os teores de contaminação por poeiras, água e óleo definem o nível de qualidade do ar.
A pressão e a temperatura elevada do ar potencializam os efeitos prejudiciais de todos esses contaminantes. Por outro lado, a redução gradual da temperatura do ar comprimido ao longo da tubulação causa a condensação de alguns deles, como é o caso da umidade presente no ar atmosférico (METALPLAN, 2006).
a partículas microscópicas, conhecidas como aerosóis, dispersas entre as moléculas do ar comprimido.
A norma internacional ISO 8573-1 de 2004 é a referência central sobre a qualidade do ar comprimido. Na Tabela 2.1. podem ser analisadas as classes de qualidade do ar comprimido em função dos seus três contaminantes típicos: água, óleo e partículas sólidas, onde o ponto de orvalho pressurizado representa a temperatura na qual o ar comprimido pode ser resfriado antes que o vapor d’água presente no ar começar a condensar-se, transformando-se partículas d’água.
Tabela 2.1 – Classes de qualidade do ar comprimido segundo a Norma ISO 8573-1
Fonte: NORGREN, 2007.
A mesma norma ISO 8573-1 de 2004 recomenda uma seqüência padrão de equipamentos, mostrada na Figura 2.13, que auxilia num melhor tratamento do ar comprimido industrial. Tais equipamentos serão estudados nas seções a seguir.
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2.2.1 Resfriador posterior
A função do resfriador posterior, também conhecido como aftercooler, é reduzir a temperatura do ar que deixa o compressor para níveis próximos da temperatura ambiente, por isso de o seu posicionamento ideal ser logo após à saída do compressor. Com isso, obtém-se uma grande condensação dos contaminantes gasosos, especialmente o vapor d’água (METALPLAN, 2006).
Em termos construtivos, podemos dizer que o resfriador posterior é um trocador de calor que pode ser resfriado pelo ar ambiente ou também por água. Um exemplo pode ser visto na ilustração da Figura 2.14.
Figura 2.14 – Resfriador posterior. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
2.2.2 Filtros de ar comprimido
Pode-se definir filtragem como sendo o uso de dispositivos capazes de conter as impurezas presentes no fluxo de ar comprimido, estes dispositivos são os filtros (PARKER AUTOMATION, 2000).
O filtro de ar comprimido pode ser posicionado de três posições diferentes numa instalação: antes e depois do secador de ar comprimido e também junto ao ponto de uso. O secador de ar comprimido é um equipamento que será estudado mais adiante. O filtro instalado antes do secador, ou pré-filtro, tem por função separar o restante da contaminação sólida e líquida remanescente do resfriador posterior, protegendo assim o secador contra o excesso de óleo oriundo do compressor de ar, o que poderia diminuir a eficiência.
O filtro instalado após o secador, ou pós-filtro, é responsável pela eliminação da pequena umidade residual não removida pelo separador de condensados do secador, além da contenção dos sólidos não retidos no pré-filtro.
Os filtros instalados no ponto de uso são usados para evitar que os contaminantes presentes ao longo da tubulação de ar comprimido atinjam a aplicação final do mesmo. Se o sistema não possui qualquer tipo de tratamento de ar comprimido, os filtros instalados no ponto de uso são ainda mais recomendados (METALPLAN, 2006).
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Hoje em dia, os modernos filtros para ar comprimido são do tipo coalescente e adsorvedor.
O princípio de funcionamento de um filtro coalescente baseia-se em dois processos distintos, a retenção mecânica e a coalescência.
A retenção mecânica é a simples obstrução da passagem do contaminante através do elemento filtrante, permitindo apenas que o ar comprimido siga adiante. Já a coalescência, segundo a norma ISO 8573: 2004, é a ação pela qual partículas líquidas em suspensão unem-se para formar partículas maiores. Como uma parte significativa da contaminação líquida presente no ar comprimido é composta por partículas em suspensão, também chamadas de aerosóis, a coalescência ganhou importância central para a eficiência de um sistema de tratamento de ar comprimido, pois esta é a forma mais eficiente de separar esta forma de contaminante.
2.2.3 Secadores de ar comprimido
Como já dito anteriormente, a presença de umidade no fluxo de ar comprimido é sempre prejudicial ao sistema. Portanto, se torna necessário reduzir ao máximo esta umidade. O ideal seria eliminá-la por completo, porém isto é praticamente impossível.
O secador de ar comprimido é um equipamento destinado a reduzir ao máximo a umidade presente no fluxo de ar.
Apesar de geralmente ser um equipamento de alto investimento inicial, seu valor pode ser rapidamente recuperado visto que ocorrerá uma grande redução dos incovenientes causados pela presença de umidade no ar.
2.2.3.1 Secagem por refrigeração
A secagem por refrigeração consiste em submeter o ar a uma temperatura suficientemente baixa, na qual se é possível obter a máxima condensação dos vapores de água e óleo sem o risco de congelamento, permitindo assim a retirada de grande parte dos contaminantes.
Depois de removido o condensado, a maioria dos secadores por refrigeração reaquece o ar comprimido, por meio de recuperadores de calor, que reaproveitam o calor do ar comprimido na entrada do secador, devolvendo-o ao sistema numa condição mais adequada ao uso (PARKER AUTOMATION, 2000).
Na verdade, este reaquecimento é intencional, visando a economia de energia e evitar que a tubulação fique gelada; porém provoca a completa reevaporação da umidade residual que não foi removida pelo separador de condensados. No estado gasoso, essa umidade não pode ser eliminada pelo pós-filtro.
Na Figura 2.16 pode ser visto o esquema de secagem por refrigeração.
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Vale lembrar que se o secador for resfriado a ar, deve-se ter uma atenção especial à temperatura ambiente do local onde este será instalado.
2.2.3.2 Secagem por absorção
Este método utiliza uma substância sólida ou líquida para absorver outra substância líquida ou gasosa. Neste processo, como pode ser visto na Figura 2.17, o ar é conduzido no interior de um volume onde está presente uma massa higroscópica, insolúvel que absorve a umidade do ar e partículas de óleo, formando assim uma mistura secador-umidade por meio de uma reação química, sendo assim este processo também chamado de secagem química (PARKER AUTOMATION, 2000).
Figura 2.17 – Secagem por absorção. Fonte: REIS, 2004.
Com a utilização constante do equipamento, o elemento higroscópico ou secador é consumido, sendo necessária a sua reposição periodicamente, em geral, de duas a quatro vezes por ano.
2.2.3.3 Secagem por adsorção
O secador por adsorçaão caracteriza-se por renovar os vapores de ar comprimido sem a necessidade de condensá-los.
Podemos definir adsorção como sendo o efeito de atração das moléculas de gases e líquidos para superfícies de um sólido adsorvedor, mantendo-as aderidas na mesma (WIKIPÉDIA, 2006).
O material adosrvedor de um secador por adsorção tem um altíssimo poder de atração e retenção das moléculas de água sobre sua superfície. Entre os materiais adsorvedores podemos citar a sílica-gel, a alumina ativada, etc.
Este tipo de secagem é indicada para aplicações extremas, quando o secador por refrigeração deixa de ser eficaz, pois consomem muito mais energia do que os secadores por refrigeração, limitando assim sua aplicação.
Em geral, um secador por adsorção possui dois leitos de secagem, como mostrado na Figura 2.18, de modo a permitir que um leito esteja secando ar comprimido, enquanto que o leito já saturado possa ser reativado pelo simples aquecimento do material adsorvedor ( PARKER AUTOMATION, 2000).
Em termos construtivos, um secador por adsorção, além dos dois leitos verticais, possui base, tubulação de interligação, sistema de válvulas, silenciador e painel de comando.
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Figura 2.18 – Secagem por adsorção. Fonte: REIS, 2004.
2.2.4 Unidade de condicionamento de ar comprimido
Mesmo tendo passado por todo o processo de produção, tratamento e distribuição, é recomendável que o ar comprimido passe por um último tratamento antes de sua utilização final. O uso de uma unidade de condicionamento de ar, é indispensável em qualquer tipo de sistema pneumático, pois ajuda a prolongar a vida útil dos componentes e permite que os mesmos trabalhem em condições favoráveis (BELAN, 2005)
Nesta etapa, a filtragem é aplicada para manter o ar absolutamente limpo; a regulagem de pressão para limitar a carga de trabalho dos equipamentos, e a lubrificação da partes móveis para auxiliar na manutenção dos movimentos livres e uniformes (SANTOS, 2006).
Devemos lembrar que existem casos nos quais a lubrificação do ar não é recomendada, como por exemplo a utilização do ar para respiração humana, devendo este ser um ponto a ser levado em consideração na hora de aplicar o uso deste dispositivo. Na Figura 2.19 pode ser vista uma unidade de conservação de ar comprimido.
Figura 2.19 – Unidade de condicionamento de ar comprimido. Fonte: BELAN, 2005.
2.3 Reservatório
O reservatório de ar comprimido de um sistema tem como funções básicas:
• Armazenar o ar comprimido para consumo; • Equalizar as pressões das linhas de consumo;
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Sua capacidade, em termos práticos, deve ser em média de 6 a 10 vezes a capacidade do compressor por segundo, devendo também possuir dispositivos de segurança, tais como manômetro, termômetro, etc.
Outra questão é que os dispositivos destinados ao tratamento do ar comprimido, conseguem geralmente uma eficiência em torno de 80 a 90% na retenção de umidade; o restante acompanha o ar comprimido até o reservatório, onde a velocidade é consideravelmente reduzida, fazendo assim com que a maior parte dos condensados residuais deposite-se sobre as paredes e escorra para o fundo deste. Sendo assim, é muito importante a existência de uma tubulação de dreno na parte mais baixa do reservatório para permitir a retirada desta água.
Quanto à localização da instalação, os reservatórios devem, se possível, ser instalados fora da casa de compressores e à sombra, visando facilitar a formação do condensado. Na Figura 2.20 pode ser visto um reservatório típico.
2.5 Redes de distribuição de ar comprimido
A rede de distribuição compreende todas as tubulações que saem do reservatório, e que unidas, orientam o ar comprimido até os vários pontos de utilização. Uma rede de distribuição de ar comprimido dimensionada de forma correta garante uma baixa perda de carga, gerando assim um fornecimento de ar adequado e econômico. Para tal, alguns aspectos devem ser obedecidos (PARKER AUTOMATION, 2000).
Para que esta baixa perda de carga seja alcançada, as tubulações requerem uma manutenção regular; portanto, de preferência, elas não devem ser instaladas dentro de paredes ou cavidades estreita.
Com relação aos materiais da tubulação, deve-se dar preferência aos resistentes à oxidação, como o aço galvanizado, aço inoxidável, alumínio, cobre e plásticos de engenharia, pois estes evitam a produção de ferrugem, um potencial contaminante do ar comprimido utilizado.
Já em relação à forma montagem da rede, existem duas principais, a rede de distribuição em circuito aberto e a em circuito fechado.
Porém, na maioria dos casos a rede é montada em circuito fechado, pois esta permite um fornecimento de ar comprimido mais uniforme em casos de consumo muito grande pelos equipamentos.
A rede em circuito fechado pode ser montadas com derivações transversais, ou então com derivações montadas a partir do anel principal, como mostrado na figura Partindo da tubulação principal, são instaladas as ligações em derivação, podendo estas derivações ser montadas a partir do próprio anel principal da rede, ou então com derivações transversais, como mostrado na Figura 2.21.
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Figura 2.21 – Redes de distribuição de ar comprimido em circuito fechado, com derivações do próprio anel e da transversal. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
Recomenda-se que as tubulações sejam montadas com um declive de 0,5 a 2%, na direção do fluxo, como exemplificado na Figura 2.22. Esta inclinação serve para favorecer o recolhimento de eventuais condensados, levando-os para a parte mais baixa, onde são eliminados por meio de drenos.
Figura 2.22 – Parte de uma rede de ar comprimido com inclinação. Fonte: REIS, 2004.
Embora, em termos teóricos, as perdas de pressão por vazamentos de ar devessem ser nulas, na prática elas acontecem por meio de diferentes tipos de defeitos, tais como: pequenos furos, acoplamentos com folgas, vedações defeituosas, etc; alcançando valores elevados quando somadas. Em geral, recomenda-se que estas perdas não ultrapassem 5% da vazão total do sistema.
A ocorrência de vazamentos na rede representa um consumo consideravelmente maior de energia. Como pode ser visto na Tabela 2.3.
Tabela 2.3 – Perdas com vazamentos de ar nas tubulações.
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III. ELEMENTOS DE UM CIRCUITO ELETROPNEUMÁTICO AUTOMATIZADO
Como tudo em engenharia, um sistema eletropneumático automatizado deve ter seu início por um projeto muito bem detalhado.
Existem várias motivações que influenciam na implantação de um sistema eletropneumático automatizado. Um dos principais motivos é a redução dos custos operacionais; a rapidez nos movimentos pneumáticos e a liberação do operário de operações repetitivas, o que possibilita o aumento do ritmo de trabalho, aumento da produtividade, e portanto um menor custo operacional.
Os sistemas de atuação pneumáticos são empregados em situações em que normalmente existem vários cilindros, motores, ventosas, etc. Conseqüentemente, existe a necessidade que uma parte do sistema processe informações para provocar o acionamento de tais atuadores no momento mais correto, desencadeando seqüências de operações pré-estabelecidas pelo projeto.
Um sistema de atuação corresponde ao conjunto de elementos capaz de receber uma informação proviniente de um circuito elétrico, ou de um programa de CLP, ou até mesmo de um operador estabelecendo qual a ação que deve ser executada (BELAN, 2005).
São elementos básicos de um circuito eletropneumático:
• Elemento de sinal – Sensores elétricos, botoeiras, chaves fim de curso; • Elemento de trabalho – Máquinas elétricas e/ ou atuadores pneumáticos; • Elemento de comando - Dispositivos elétricos e/ ou válvulas eletropneumáticas; • Elemento de controle - Circuito eletropneumático e/ ou CLP.
3.1 Elementos de sinal
Os elementos de sinal são responsáveis por transformar grandezas físicas de um sistema, tais como a pressão e temperatura, em sinal compatível para os elementos de processamento de sinal ou de controle (BELAN, 2005).
Entre os elementos de entradas de sinais podemos citar as botoeiras, as chaves fim de curso, interruptores, pressostatos e sensores, todos destinados a emitir sinais para a energização ou desenergização do circuito ou parte dele (PARKER AUTOMATION, 2001).
Os sensores fazem parte do grupo dos elementos eletrônicos de sinal, sendo os outros dispositivos citados denominados mecânicos. A principal vantagem dos sensores de proximidade frente aos elementos mecânicos de sinal é o fato de que não precisam de contato direto com o objeto a ser detectado, evitando assim , desgastes ou contaminações.
Os tipos de sensores mais usuais são os magnéticos, óticos, indutivos e barométricos. Algumas das características desses sensores estão na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Características funcionais dos tipos de sensores citados.
Fonte: BELAN, 2005.
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3.1.1 Sensores magnéticos
Estes sensores apresentam uma construção relativamente simples, onde duas lâminas de contato elétrico ficam alojadas no interior de uma ampola contendo gás inerte, como pode ser notado na Figura 3.1.
Figura 3.1 – Ilustração de um sensor magnético. Fonte: BELAN, 2005.
Estes sensores detectam apenas a presença de materiais metálicos e magnéticos. Estes dispositivos são montados diretamente sobre o lado externo dos cilindros pneumáticos, nos quais os êmbolos devem conter uma cinta magnética que ao passar pela região do cilindro onde está posicionado o sensor, gere um campo capaz de fechar o contato entre as duas lâminas, produzindo assim um sinal de corrente elétrica de saída.
Esta construção pode ser vista na Figura 3.2.
3.1.2 Sensores óticos
Os sensores óticos detectam a aproximação de qualquer tipo de objeto, desde que este não seja transparente, apresentando a vantagem da possibilidade de detectar presença de objetos desde a pequenas distâncias, até outras consideradas grandes (PARKER AUTOMATION, 2001)
Os sensores óticos são construídos por dois elementos distintos, sendo um emissor de luz, normalmente luz infravermelha, e o outro receptor.
As diferenças no tipo construtivo se baseiam na localização dos elementos emissor e receptor e também da superfície refletora, podendo ser:
Sensor ótico de barreira, que se caracteriza quando um objeto se coloca entre os dois elementos do sensor, interrompendo a passagem de luz entre eles, o que provoca a emissão de um sinal de saída (PARKER AUTOMATION, 2001).
O sensor ótico de barreira está mostrado na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Sensor ótico de barreira, com e sem a presença de objeto. Fonte: BELAN, 2005.
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Figura 3.4 – Sensor ótico reflexivo. Fonte: BELAN, 2005.
Uma terceira montagem é conhecida como sensor retro-reflexivo, assim como no sensor reflexivo, o emissor e o receptor são montados num mesmo corpo, porém aqui a reflexão é realizada por uma superfície refletora que não é a peça, como pode ser notado na Figura 3.5. Sua aplicação é indicada quando o objeto a ser detectado apresenta características de reflexão ruins (BELAN, 2005).
Figura 3.5 – Sensor ótico retro-reflexivo. Fonte: BELAN, 2005.
3.1.3 Sensores indutivos
Os sensores indutivos são capazes apenas de detectar a presença de materiais metálicos, condutores de eletricidade.
quando entra neste campo produz correntes que absorvem energia do oscilador, o que provoca o acionando um circuito disparador, emitindo assim um sinal para o elemento de comando do sistema (BELAN, 2005).
A Figura 3.6 apresenta um sensor indutivo.
Figura 3.6 – Foto de um sensor indutivo. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
3.1.4 Sensores barométricos
De forma resumida, nos sensores barométricos, o sinal é produzido pela pressão exercida sobre uma membrana, a qual atua sobre um módulo de comutação pneumático, elétrico ou eletrônico. A Figura 3.7 mostra o esquema de um sensor barométrico, onde P1 e P2 são as pressões na câmara do cilindro.
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3.1.5 Botoeiras
Botoeiras são chaves elétricas acionadas por um esforço manual que apresentam, geralmente, um contato aberto e outro fechado.
As botoeiras podem ser do tipo pulsadoras, ou então com trava, dependendo do tipo de sinal a ser enviado aos elementos de comando do sistema.
As botoeiras pulsadoras invertem seus contatos mediante ao acionamento de um botão e, devido a ação de uma mola, retornam à posição de origem quando esse acionamento se cessa.
As botoeiras com trava também invertem seus contatos mediante o acionamento de um botão, mas ao contrário das botoeiras pulsadoras, permanecem travadas mesmo depois de cessado o acionamento. Para retornar à posição inicial, este tipo de botoeira necessita de um novo acionamento.
Estes dois tipos de botoeiras podem ser vistos na Figura 3.8.
3.1.6 Chaves fim de curso
As chaves de fim de curso também são comutadores elétricos de entrada de sinais acionados mecanicamente.
São posicionadas no decorrer do percurso de cabeçotes móveis de máquinas e equipamentos industriais, bem como nas hastes de cilindros pneumáticos.
O acionamento pode ser efetuado por meio de um rolete mecânico ou de um gatilho.
A Figura 3.9 mostra, a título de exemplo, uma chave fim de curso acionada por rolete mecânico.
Figura 3.9 – Chave fim de curso acionada por rolete mecânico. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
3.2 Elementos de trabalho
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Em um circuito eletropneumático, o conversor é ligado mecanicamente à carga, possibilitando assim que, quando influenciado pela energia contida no ar comprimido, convertê-la em força ou torque, transferido-a à carga (PARKER, 2000). Existem basicamente dois tipos de atuadores pneumáticos, os atuadores lineares, que devido à sua forma construtiva, são conhecidos como cilindros pneumáticos, sendo capazes de transformar a energia contida no ar comprimido em um movimento linear, e os atuadores rotativos ou motores pneumáticos, que transformam a energia pneumática em movimento rotativo.
Existe ainda um terceiro tipo de atuador, o oscilador pneumático, que converte a energia pneumática em energia mecânica por meio de momento torsor limitado de um determinado número de graus.
Estes três tipos de dispositivos serão mais bem focados e detalhados no capítulo 4, que trata da classificação dos atuadores pneumáticos.
3.3 Elementos de comando
Os elementos de comando em um circuito eletropneumático têm por finalidade alimentar ou descarregar convenientimente, no instante programado, os atuadores pneumáticos.
Para isso, esses dispositivos têm a capacidade de orientar o escoamento de ar, impor bloqueios, controlar intensidades de vazão e pressão, etc.
Os principais elementos de comando em um circuito são as válvulas pneumáticas, podendo estas serem classificadas de acordo com o tipo de trabalho que são capazes de executar, são elas:
• Válvulas de controle direcional; • Válvulas de bloqueio;
3.3.1 Válvulas de controle direcional
Este tipo de válvula tem por função orientar a direção que o fluxo de ar deve seguir, sendo este o motivo de tal denominação (BELAN, 2005).
Nestes componentes, uma peça cilíndrica com diversos rebaixos, conhecida como carretel, se desloca a partir de um tipo de acionamento qualquer dentro de um corpo no qual são usinados diversos furos, por onde entra e sai o fluido.. No carretel existem rebaixos que são utilizados para intercomunicar as diversas tomadas de fluido deste corpo, determinando a direção do fluxo.
As válvulas de carretel pertencem ao grupo das válvulas de corrediças, onde temos também o tipo de válvula denominada plana longitudinal, e também a válvula giratória.
Na válvula de corrediça longitudinal, um pistão seleciona as ligações mediante a um movimento longitudinal, como o próprio nome já diz. A força do acionamento é pequena, pois não é necessário vencer a pressão do ar ou da mola, ambas inexistentes.
Existe ainda um outro grupo de válvulas de controle direcional, conhecido por válvula de assento ou de sede.
As válvulas de sede possuem poucas peças de desgaste, tendo assim uma longa vida útil. Elas são robustas e insensíveis à sujeira e a força de acionamento, ao contrário das válvulas de corrediça, é relativamente alta.
Para que se tenha uma perfeita definição de uma válvula direcional devemos conhecer alguns aspectos construtivos inerentes a elas, tais como:
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O número de posições é a quantidade de posições distintas que a válvula direcional pode permanecer. Por exemplo, uma válvula que possui apenas duas possibilidades, ou estar aberta, ou estar fechada, tem duas posições.
Normas internacionais, como por exemplo a ISO 1219 e a DIN 24300, padronizam a representação gráfica de válvulas direcionais, e estabelecem que essa se dá por meio de retângulos, sendo estes formados pelo número de quadrados respectivo ao número de posições da válvula, ou seja, cada quadrado representa uma posição (REIS, 2004).
O número de vias de uma válvula representa o número de conexões de trabalho, tais como entrada de pressão, utilização ou escape. As direções de fluxo são indicadas por setas, as passagens bloqueadas por sinal de bloqueio e as conexões de escape e alimentação, indicadas por triângulos. A Tabela 3.2 mostra essas representações gráficas.
Tabela 3.2 – Símbolos utilizados para indicar a utilização da via.
Fonte: BELAN, 2005.
Tabela 3.3 – Regras para identificação dos orifícios ou conexões de válvulas.
Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
É usual representar uma válvula direcional pela simbologia 3/2, 4/2, 5/2 ou 5/3, por exemplo. Nestes casos, o algarismo antes da barra representa o número de vias e o após o número de posições.
Para que uma válvula mude de posição é necessário que um agente externo forneça energia para movimentar o carretel.
A força pode ser aplicada diretamente (acionamento direto) ou em um dispositivo intermediário, o qual será responsável por liberar o comando principal ( acionamento indireto).
Estes acionamentos das válvulas podem ser:
• Musculares; • Mecânicos; • Pneumáticos; • Elétricos; • Combinados.
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Figura 3.10 – Acionamentos musculares. Fonte: BELAN, 2005.
O acionamento mecânico é conseguido por meio de um contato mecânico sobre o acionamento, colocado estrategicamente ao longo de um movimento qualquer. Os contatos mecânicos podem são observados na Figura 3.11. Por apresentarem estas características, as válvulas equipadas com este tipo de acionamento recebem também o nome de válvulas fim de curso.
As válvulas que usam o acionamento pneumático são comutadas pela ação do ar comprimido emitido por outra válvula anterior, podendo ser, como mostrado na Figura 3.12, do tipo piloto negativo ou do tipo piloto positivo (BELAN, 2005).
Figura 3.12 – Tipos de acionamentos pneumáticos. Fonte: BELAN, 2005.
Já no caso dos acionamentos elétricos, estes podem der feitos por meio de solenóides de um enrolamento, dois enrolamentos ou motor elétrico.
Hoje em dia, esse tipo de acionamento é muito usado devido à sua facilidade de comunicação com PLC’s e utilização de sinais elétricos de sensores de fim de curso. É possível ainda a utilização de acionamentos combinados, sendo estes úteis nos casos em que ser quer aproveitar a energia pneumática e economizar outros tipos, tais como elétrica e mecânica.
Outras peculiaridades, tais como vazão nominal, pressões de trabalho, temperaturas admissíveis, tempos de comutação, tipos de energia de acionamento, correntes, tensões e potências elétricas consumidas, formas de fixação, materiais, pesos e medidas devem também receber uma atenção especial quando se for efetuar uma compra.
3.3.2 Válvulas de bloqueio
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3.3.2.1 Válvula de retenção
Estas válvulas impedem completamente a passagem de ar em uma direção. Na direção contrária, o ar flui com a mínima queda de pressão. O fechamento em um sentido pode ser feito por cone, esfera, placa ou membrana. Existem dois tipos básicos de válvulas de retenção, com mola e sem mola.
Na válvula de retenção com mola, o elemento que ocasiona o fechamento é mantido inicialmente contra os seu assento pela força de uma mola.
Por outro lado, quando existe fluxo no sentido favorável da passagem do ar, o elemento é deslocado do assento, comprimindo a mola e possibilitando a passagem do ar (PARKER AUTOMATION, 2000).
A válvula de retenção com mola pode ser vista na Figura 3.13.
Figura 3.13 – Válvula de retenção com mola. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
3.3.2.2 Válvula de escape rápido
A válvula de escape rápido é usada quando se deseja obter velocidades maiores do que as que normalmente são conseguidas por um pistão de atuador linear (PARKER, 2001).
Para tal, o fator determinante é a velocidade de escape do ar contido no interior da câmara do cilindro.
Com a utilização desta válvula, a pressão no interior de um lado da câmara cai bruscamente, assim como também a resistência oferecida pelo ar residual, sendo assim, o ar flui diretamente para a atmosfera; fazendo com que, do outro lado da câmara, o pistão adquira uma elevada velocidade.
Figura 3.14 – Construção de uma válvula de escape rápido. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
3.3.2.3 Válvula de isolamento ou elemento “OU”
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Uma vez cortado o fornecimento, o elemento seletor interno permanece na posição, em função do último sinal emitido.
Quando ocorre coincidência de sinais com valores iguais de pressões nas duas entradas, prevalece o sinal que atingiu primeiro a válvula.
No caso de pressões diferentes, passará ao ponto de utilização a pressão de maior valor, impondo bloqueio no lado da pressão de menor intensidade.
Na Figura 3.15 pode ser visto este tipo de válvula.
Figura 3.15 – Válvula de isolamento ou elemento OU. Fonte: REIS, 2004.
A utilização desta válvula se torna necessária quando se deseja acionar um cilindro com alimentação de ar comprimido proveniente de mais de um lugar. (REIS, 2004).
3.3.2.4 Válvula de simultaneidade ou elemento “E”
Como no caso da válvula de isolamento, esta válvula possui três orifícios. A diferença se dá pelo fato de que o ar chegará ao ponto de utilização apenas quando as duas entradas de pressão estiverem sendo alimentadas.
