COMANDOS
HIDRÁULICOS
PNEUMÁTICOS
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PREFÁCIO
Aos meus (minhas) queridos (as) alunos (as).
O material a seguir é o resultado da compilação do conteúdo de vários livros, apostilas, artigos, etc. e da experiência acumulada ao longo dos anos dentro da área de COMANDOS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS. De maneira alguma, este material busca esgotar todo o conteúdo relacionado no programa da disciplina, nem tampouco é fonte única para o desenvolvimento de atividades futuras, mesmo dentro da disciplina, mas antes, é uma forma de orientar o estudo de tal disciplina fornecendo um ponto de partida para consultas e direcionamentos. Este material dá suporte às aulas teóricas da disciplina COMANDOS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS do curso de Engenharia Mecânica, sendo desenvolvidas e complementadas em sala de aula.
O conteúdo apresentado nas aulas expositivas deve ser enriquecido nas práticas de laboratório, visitas técnicas e através da bibliografia e referências recomendadas.
O programa da disciplina acompanha o dinamismo das tecnologias, impondo revisões periódicas para atualização deste material.
Espero que esta compilação oferecida a vocês possa abrir os horizontes dentro da área de COMANDOS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS em geral e ajude-os (as) no dia-a-dia profissional de cada um (a).
Atenciosamente,
ÍNDICE
1ª PARTE – PNEUMÁTICA 14 15 1 – Considerações Gerais 15 2 – Características do Ar Comprimido 15 2.1 – Vantagens 16 2.2 – Desvantagens 16 3 – Produção do Ar Comprimido 16 3.1 – Compressores 17 3.2 – Simbologia 17 3.3 – Tipos de Compresssores 17 3.3.1 – Compressor de Embolo 183.3.1.1 – Compressor de Embolo com Movimento Linear 18
3.3.1.2 – Compressores de Membrana 20
3.3.2 – Compressor Rotativo 20
3.3.2.1 – Compressor Rotativo Multicelular 20
3.3.2.2 – Compressor Rotativo de Duplo Parafuso (2 Eixos) 21
3.3.2.3 – Compressor Roots 22
3.3.3 – Turbo Compressores 22
3.4 – Diagrama de Volume e Pressão Fornecida 22
3.5 – Refrigeração 23
3.6 – Lugar de Montagem 24
3.7 – Regulagem da Capacidade 24
3.7.1 – Readmissão do Ar By-Pass 25
3.7.2 – Partida e Parada Automática do Motor Elétrico 25
3.7.3 – Alívio nas Válvulas de Adminissão 26
3.8 – Manutenção 27
4 – Resfriamento 27
4.1 Resfriamento do Ar 27
4.1.1 – Intercooler 28
4.1.2 – Aftercooler 28
5 – Armazenamento e Distribuição do Ar Comprimido 29
5.1 – Reservatório de Ar Comprimido 29
5.1.1 – Localização 30
5.2 – Rede de Distribuição de Ar Comprimido 31
5.2.1 – Vazamentos 33
5.2.2 – Material da Tubulação 34
5.2.2.1 – Tubulações Principais 34
5.2.2.2 – Tubulações Secundárias 35
5.2.3 – Conexões para Tubulações 35
5.2.3.1 – Conexões para Tubos Metálicos 35
6 – Preparação do Ar Comprimido 36
6.1 – Impurezas 36
6.1.1 – Secagem por Absorção 37
6.1.2 – Secagem por Adsorção 38
6.1.3 – Secagem por Resfriamento 39
6.1.4.1 – Funcionamento do Dreno Automático 42 6.1.5 – Regulador de Pressão com Orifício de Escape 43 6.1.6 – Regulador de Pressão sem Orifício de Escape 44
6.1.7 – Lubrificador 45
6.1.7.1 – Funcionamento do Lubrificador 45
6.1.8 – Unidades de Conservação 46
6.2 – Manutenção 47
7 – Elementos Pneumáticos de Trabalho 48
7.1 – Elementos Pneumáticos de Movimento Retilíneo 48
7.1.1 – Cilindros de Simples Ação 48
7.1.2 – Cilindro de Dupla Ação 50
7.1.2.1 – Cilindro de Dupla Ação com Haste Passante 50
7.1.2.2 – Cilindro Tandem 51
7.1.2.3 – Cilindro de Dupla Ação com Amortecimento 51
7.1.2.4 – Cilindro Rotativo com Amortecimento 52
7.1.2.5 – Cilindro de Múltiplas Posições 53
7.1.2.6 – Cilindro de Membrana 54
7.1.3 – Tipos de Fixação 54
7.1.4 – Vedações 56
7.2 – Elementos Pneumáticos com Movimento Giratório 57
7.2.1 – Motores de Pistão 57
7.2.2 – Motor de Palhetas 58
7.2.3 – Motores de Engrenagem 59
7.2.4 – Turbo Motores 59
7.2.5 – Características dos Motores Pneumáticos 60
8 – Válvulas 60
8.1 – Válvulas Direcionais 61
8.1.1 – Simbologia das Válvulas 61
8.1.2 – Tipos de Acionamentos de Válvulas 64
8.1.3 – Funcionamento 67
8.1.4 – Características de Construção das Válvulas Direcionais 68
8.1.4.1 – Válvulas de Sede ou de Assento 68
8.1.4.1.1 – Válvula de Sede Esférica 68
8.1.4.1.2 – Válvula de Sede de Prato 69
8.1.4.2 – Válvulas Corrediças 76
8.1.4.2.1 – Válvula Corrediça Longitudinal 77
8.1.4.2.2 – Válvula Corrediça Giratória 80
8.2 – Válvulas de Bloqueio 82
8.2.1 – Válvula de Retenção 82
8.2.2 – Válvula Alternadora ou de Isolamento (Elemento “ou”) 83
8.2.3 – Válvula de Escape Rápido 84
8.2.4 – Expulsor Pneumático 84
8.2.5 – Válvula de Simultaneidade 85
8.3 – Válvula de Fluxo 86
8.3.1 – Válvula Reguladora de Fluxo Unidirecional 86
8.4 – Válvulas de Pressão 88
8.4.1 – Válvula de Sequência 88
8.5 – Combinações Especiais 89 8.5.1 – Acionamento Pneumático com Comutação Retardada 89
8.5.1.2 – Temporizador (Normalmente Aberto) 90
9 – Simbologia 91
10 – Comandos Pneumáticos 104
10.1 – Introdução 104
10.2 – Classificação dos Grupos 104
10.3 – Cadeia de Comandos 105
11 – Circuitos Complexos 112
11.1 – Circuito para Desligamento de Sinais 122
11.2 – Métodos Sistemáticos de Esquemas 126
11.3 – Condições Marginais 142
EXERCÍCIOS 151
2ª PARTE – HIDRÁULICA 177
12.1 – Introdução à Hidráulica 178
12.2 – Sistema Óleo Hidráulico 179
12.3 – Exemplos de Aplicações 179
12.3.1 – Hidráulica Industrial 180
12.3.2 – Hidráulica em Construções Fluviais, Lacustres e Marítimos 180 12.3.3 – Hidráulica em Aplicações Técnicas Especiais I 180 12.3.4 – Hidráulica em Aplicações Técnicas Especiais II 180
12.3.5 – Hidráulica na Indústria Naval 180
12.4 – Classificação 180
12.4.1 – Quanto à Pressão 180
12.4.2 – Quanto à Aplicação 180
12.4.3 – Quanto ao Tipo de Bomba 180
12.4.4 – Quanto ao Controle de Direção 181
12.5 – Esquema Geral de um Sistema Hidráulico 181
12.6 – Transmissão de Energia Hidráulica 181
12.7 – Vantagens e Desvantagens do Sistema Hidráulico 182
12.7.1 – Vantagens do Sistema Hidráulico 182
12.7.2 – Desvantagens do Sistema Hidráulico 183
12.8 – Um Pouco de História 183
12.8.1 – A Lei de Pascal 184
12.9 – Definição de Pressão 186
12.10 – Pressão em uma Coluna de Fluido 186
12.11 – Princípio da Multiplicação de Pressão 187
12.12 – Conservação de Energia 187
12.13 – Como é Gerada a Pressão 189
12.14 – Fluxo em Paralelo 189 12.15 – Fluxo em Série 190 12.16 – Princípio de Fluxo 191 12.16.1 – Vazão de Velocidade 191 12.16.1.1 – Velocidade 191 12.16.1.2 – Vazão 192 12.16.2 – Atrito e Escoamento 194
12.16.3 – Queda de Pressão através de uma Restrição (Orifício) 195
12.16.4 – Tipos de Escoamento 197
12.16.4.1 – Fluxo Laminar 197
12.17 – Princípio de Bernoulli 198 12.18 – Perda de Carga na Linha de Pressão de um Sist. Hidráulico 199
12.18.1 – Determinação do Fator “f” 200 12.18.2 – Determinação de Ls,L1 e L 201 12.18.3 – Determinação de “D” 201 12.18.4 – Determinação de v 202 12.18.5 – Determinação de γ 202 12.18.6 – Procedimento de Cálculo 202 12.18.7 – Perda Térmica 203
12.18.8 – Tabela de Perda de Carga 204
12.19 – Trabalho e Energia 205
12.19.1 – Potência Hidráulica 205
12.20 – Fluidos Hidráulicos 206
12.20.1 – Funções dos Fluidos Hidráulicos 206
12.20.2 – Propriedade dos Fluidos Hidráulicos 208
12.20.2.1 – Índice de Viscosidade 209
12.20.2.1.1 – Conversão de Viscosidades 209
12.20.2.2 – Ponto de Fluidez 209
12.20.2.3 – Capacidade de Lubrificação 209
12.20.2.4 – Resistência à Oxidação 211
12.20.2.4.1 – Prevenção da Ferrugem e Corrosão 211
12.20.2.5 – Demulsibilidade 212
12.20.2.6 – Uso de Aditivos 212
12.20.3 – Fluidos Resistentes ao Fogo 213
12.20.3.1 – Características 213
12.20.3.2 – Água Glicóis 214
12.20.3.3 – Emulsões de Água em Óleo 215
12.20.3.4 – Óleo em Água 216
12.20.3.5 – Outras Características 216
12.20.4 – Fluidos Sintéticos Resistentes ao Fogo 217
12.20.4.1 – Características 217
12.20.5 – Manutenção do Fluido 218
12.20.6 – Armazenagem e Manipulação 219
12.20.7 – Cuidados durante a Operação 219
12.21 – Tubulação e Vedação Hidráulica 219
12.21.1 – Tubulação 219
12.21.2 – Tubos Rígidos 220
12.21.2.1 – Vedações para Tubos Rígidos 220
12.21.2.2 – Conexões 221
12.21.3 – Tubulação semi-Rígida 222
12.21.3.1 – Especificação de Tubulação 222
12.21.3.2 – Conexões para Tubos Semi-Rígidos 223
12.21.4 – Mangueira Flexível 224
12.21.4.1 – Conexões para Mangueiras 225
12.21.5 – Consideração de Pressão e Fluxo 225
12.21.6 – Considerações sobre o Material 227
12.21.7 – Recomendações de Instalação 227
12.21.8 – Retentores de Vazamento 230
12.21.9 – Materiais de Vedação 238
12.22 – Reservatórios 242 12.22.1 – Armazenamento de Óleo 243 12.22.2 – Construção do Reservatório 243 12.22.3 – Acessórios 244 12.22.3.1 – Respiro 244 12.22.3.2 – Chicana 244 12.22.3.3 – Local de Enximento 245 12.22.3.4 – Indicadores de Nível 245 12.22.3.5 – Magnetos 246
12.22.4 – Conexões e Montagens de Linha 246
12.22.5 – Dimensionamento de um Reservatório 246
12.22.6 – Regra da Altura do Filtro de Sucção 247
12.22.7 – Resfriamento do Fluido 247
12.22.8 – Circulação Interna de Ar 248
12.23 – Filtros 249
12.23.1 – Filtros para Linhas de Sucção 250
12.23.2 – Filtros para Linhas de Pressão 252
12.23.3 – Filtros para Linhas de Retorno 253
12.23.4 – Materiais Filtrantes 255
12.23.5 – Os Tipos de Elementos Filtrantes 255
12.23.6 – Filtros de Fluxo Total 256
12.23.7 – Filtros Tipo Indicador 256
12.24 – A Pressão Atmosférica Alimenta a Bomba 257
12.25 – Bombas Hidráulicas 258 12.25.1 – Especificações de Bombas 259 12.25.1.1 – Pressão Nominal 259 12.25.1.2 – Deslocamento 260 12.25.1.3 – A Vazão (lpm) 260 12.25.1.4 – Rendimento Volumétrico 261
12.25.2 – Classificação e Descrição das Bombas 261
12.25.3 – Tipos de bombas 265
12.25.3.1 – Bombas Manuais 266
12.25.3.2 – Bombas de Engrenagens 267
12.25.3.3 – Bombas de Rotores Lobulares 268
12.25.3.4 – Bombas de Palhetas 269
12.25.3.4.1 – Bombas Tipo Não Balanceado 270
12.25.3.4.2 – Bombas Tipo Balanceado 270
12.25.3.4.3 – Bombas Duplas Redondas 271
12.25.3.4.4 – Bombas de Palhetas Tipo “Quadrado” 271 12.25.3.4.5 – Bombas de Palhetas de Alto Rendimento 273
12.25.3.4.5.1 – Intrapalhetas 274
12.25.3.4.5.2 – Conj. Rotativo Pré-Montado “cartucho” 275
12.25.3.4.5.3 – Posições dos Pórticos 276
12.25.3.4.5.4 – Carac. de Op. de Bombas de Palhetas 276 12.25.3.5 – Bombas de Pistão Axial com Placa Inclinada 277
12.26 – Válvulas de Pressão 280
12.26.1 – Válvula de Segurança (Alívio de Pressão) 282 12.26.1.1 – Válvula de Alívio e Seg. de Op. Direta (Simples) 283 12.26.1.2 – Válvula de Alívio e Segurança Diferencial 285 12.26.1.3 – Válvula de Alívio e Seg. de Operação Indireta 286
12.26.1.4 – Válvula de Segurança Pré-Operada 287 12.26.1.5 – Válvula Limtadora de Pressão Pré-Operada com
Descarga Por Solenóide 291
12.26.2 – Válvula de Descarga 292
12.26.3 – Válvula de Sequência 292
12.26.3.1 – Válvula e Sequência de Pressão Pré-Operada 293
12.26.4 – Válvula de Contrabalanço 294
12.26.5 – Válvula Redutoras de Pressão 294
12.26.5.1 – Válvula Redutoras de Pressão de Ação Direta 295 12.26.5.2 – Válvula Redutoras de Pressão Pré-Operadas 296
12.27 – Válvulas Direcionais 297
12.27.1 – Válvulas Centradas por Molas, com Molas Fora de Centro e
Sem Mola 297
12.27.1.1 – Tipos de Centros Dos Carretéis 298
12.27.2 – Válvulas de Desaceleração 300
12.28 – Válvulas de Bloqueio 301
12.28.1 – Válvulas de Retenção 301
12.28.1.1 – Válvulas de Retenção em Linha 302
12.28.1.2 – Válvulas de Retenção em Ângulo Reto 303 12.28.1.3 – Válvulas de Retenção com Desbloqueio Hidráulico 304
12.28.2 – Válvula de Sucção ou de Pré-Enximento 310
12.29 – Controle de Vazão 312
12.29.1 – Os Métodos de Controlar o Fluxo 312
12.29.2 – Válvulas de Controle de Vazão 314
12.29.3 – Válvula Contr. de Vazão com Compensação de Temp. 316
12.30 – Pressão Induzida em um Cilindro 317
12.31 – Vazão Induzida em um Cilindro 318
12.32 – Sistema Regenerativo 319 12.33 – Cálculos 320 SIMBOLOGIA 323 EXERCÍCIOS 336 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 368
Figuras e Tabelas
Pneumática
FigurasFigura 1 - Equipamentos e acessórios ideais na geração de ar comprimido 17
Figura 2 - Tipos de compressores 18
Figura 3 – Compressor de êmbolo de 1 estágio 19
Figura 4 – Compressor de dois estágios com refrigeração intermediária 19
Figura 6 – Compressor rotativo multicelular 21
Figura 7 – Compressor duplo parafuso 21
Figura 8 – Compressor Roots 21
Figura 9 – Compressor axial 22
Figura 10 – Compressor radial 22
Figura 11 – Diagrama de Volume e Pressão fornecido 23
Figura 12 – Aletas de refrigeração 24
Figura 13 – Readmissão do ar ou by-pass 25
Figura 14 – Partida e parada automática do motor elétrico 26
Figura 15 – Alívio nas válvulas de admissão 26
Figura 16 - Intercooler 28
Figura 17 - Aftercooler 29
Figura 18 – Reservatório de ar comprimido 30
Figura 19 – Rede de distribuição de circuito aberto 31
Figura 20 – Tubulação com circuito fechado 32
Figura 21 – Rede combinada 32
Figura 22 – Tomada de ar 33
Figura 23 - Conexão com anel de corte permite várias montagens e
desmontagens 35
Figura 24 - Conexão com anel de pressão para tubos de aço e cobre com
anel interno especial serve também para tubos plásticos 36
Figura 25 - Conexão com reborbo prensado 36
Figura 26 - Conexão com reborbo flangeado 36
Figura 27 – Secagem por absorção 38
Figura 28 – Secagem por adsorção 39
Figura 29 – Secagem por resfriamento 40
Figura 30 – Filtro 41
Figura 31 – Dreno automático 42
Figura 32 – Regulador de pressão com orifício de escape 43 Figura 33 – Regulador de pressão sem orifício de escape 44
Figura 34 – Princípio de Venturi 45
Figura 35 – Lubrificador 46
Figura 36 – Conjunto lubrefil 47
Figura 37 – Conjunto lubrefil (detalhado/simplificado) 47
Figura 38 – Cilindro de simples ação 49
Figura 39 – Cilindro de simples ação 49
Figura 40 – Cilindro de dupla ação 50
Figura 41 – Cilindro de dupla ação com haste passante 51
Figura 42 – Cilindro Tandem 51
Figura 43 - Cilindro de dupla ação com amortecimento nos fins de curso 52 Figura 44 - Cilindro rotativo com amortecimento nos fins de curso 53
Figura 45 – Cilindro de múltiplas posições 53
Figura 46 – Cilindro de membrana 54
Figura 47 – Tipos de fixação 55
Figura 48 – Tipos de vedações para êmbolos 57
Figura 49 – Motor radial e motor axial 58
Figura 50 – Motor de palhetas - sentido de rotação 59
Figura 51– “Esqueleto” de uma válvula direcional 67
Figura 52 – Válvulas direcionais – de sede esférica 69
Figura 54 - Válvulas direcionais (NF) – de sede de prato 70 Figura 55 – Válvula direcional de 3 vias por 2 posições (normal aberta) 70 Figura 56 - Válvula direcional de 3 vias (3/2) (sede de prato) acionada
pneumaticamente 71
Figura 57 – Válvula direcional de 3 vias por 2 posições (acionamento
pneumático) 71
Figura 58 - Válvula direcional de 3 vias por 2 posições com princípio de
assento de prato 72
Figura 59 - Válvula direcional de 5 vias por 2 posições (Princípio de
assento). 73
Figura 60 - Válvula direcional de 3 vias com 2 posições (acionamento
eletromagnético) 73
Figura 61 – Válvula direcional de 4 vias por 2 posições (solenóide e
servocomando) 74
Figura 62 – Válvula direcional de 3 vias por duas posições, com
acionamento por rolete, servocomandada (normal fechada) 75 Figura 63 – Válvulas direcionais de 3 vias por duas posições, com
acionamento por rolete, servocomandada (normal aberta) 76 Figura 64 – Válvula direcional de 4 vias por 2 posições (servopilotada) 76 Figura 65 – Válvula direcional de 5 vias por 2 posições (princípio de
corrediça longitudinal) 77
Figura 66 – Tipos de vedação entre êmbolo e corpo da válvula 78 Figura 67 – Válvula corrediça longitudinal manual. Válvula direcional de 3
vias por duas posições 79
Figura 68 – Válvula direcional corrediça plana longitudinal de 4/2 vias
comando por alívio bi-lateral de pressão 80
Figura 69 - Esquema de comando por impulso negativo 80
Figura 70 – Válvulas corrediça giratória 81
Figura 71 – Válvula de retenção 83
Figura 72 – Válvula alternadora 83
Figura 73 – Válvula de escape rápido 84
Figura 74 – Expulsor pneumático 85
Figura 75 – Válvula de simultaneidade 86
Figura 76 – Válvula reguladora de fluxo unidirecional 87 Figura 77 – Válvula reguladora de fluxo unidirecional com acionamento
mecânico regulável (com rolete) 87
Figura 78 – Válvula de seqüência 88
Figura 79 - Temporizador (normalmente fechado) 89
Figura 80 - Temporizador (normalmente aberto) 90
Figura 81 – Disposição segundo o esquema da cadeia de comando 106
Figura 82 – Esquema pneumático 108
Figura 83 – Representação de um elemento de sinal 110
Figura 84 – Rolete escamoteável 122
Figura 85 –Circuito temporizado 125
Figura 86 – Circuito para desligamento de sinais 125
Figura 87 - Válvulas de inversão (memória) 126
Tabelas
Tabela1 27
Tabela 2 – Vazamentos e perda de potência em furos 34
2. Forma de tabela 113
Hidráulica
Figuras
Figura 1 - A pressão (força por unidade área) é transmitida em todos os
sentidos de um líquido confinado 184
Figura 2 - A alavanca hidráulica 185
Figura 3 - Pressão hidrostática 186
Figura 4 - Multiplicador de pressão 197
Figura 2.1 – A energia não pode ser criada nem destruída 188 Figura 5 - Pressão causada por uma restrição e limitada por uma válvula
controladora de pressão 189
Figura 6 - Fluxo em paralelo 190
Figura 7 - Fluxo em série 191
Figura 8 - Leis da vazão 193
Figura 10 - Atrito e queda de pressão 194 Figura 11 - Queda de pressão e fluxo de óleo através de uma restrição 196
Figura 12 - Fluxo laminar 197
Figura 13 - Fluxo turbulento 198
Figura 14 - A altura das colunas de fluido representa as pressões em cada
posição 199
Figura 15 – Propriedades de lubrificação dos óleos 210
Figura 16 - Vedações para canos 221
Figura 17 - Tipos de conexões 221
Figura 18 - Conexões flangeadas para tubos rígidos de grande diâmetro 222 Figura 19 - Conexões e adaptadores rosqueados usados com tubos
semi-rígidos 223
Figura 20 - Construção das mangueiras (tubos flexíveis) 225
Figura 21 – Retentores 232
Figura 22 – Anel de secção redonda 233
Figura 23 - Anel de encosto 234
Figura 24 - Retentores de secção retangular (cortados em torno) 234
Figura 25 - Anel tipo "T" 235
Figura 26 - Retentor labial 235
Figura 27 - Retentor tipo copo 236
Figura 28 - Anéis de pistão 236
Figura 29 - Gaxetas de compressão 237
Figura 30 - Retentor de face 238
Figura 31 - Partes de reservatório 244
Figura 32 - Chicana vertical 245
Figura 33 - Bujões magnéticos 250
Figura 34 - Filtro de sucção 251
Figura 35 – O filtro de sucção (entrada) protege a bomba 252
Figura 36 - Filtro de pressão 253
Figura 37 - O filtro para linha de pressão é instalado na saída das bombas 253
Figura 38 - Filtro de retorno 254
Figura 39 - O filtro de retorno é instalado no retorno para o reservatório 254
Figura 40 - Elemento filtrante (tipo de superfície) 255
Figura 41 - Filtro de fluxo total 256
Figura 42 - Filtro tipo indicador 257
Figura 43 - Bombas centrífugas 258
Figura 44 - Bomba de êmbolo de simples efeito 263
Figura 45 - Bomba de êmbolo de simples efeito 263
Figura 46 - Bomba alternativa de pistão de simples efeito 264 Figura 47 - Bomba alternativa de pistão de duplo efeito 264
Figura 48 - Bombas rotativas 265
Figura 49 - Bomba manual de dupla ação 266
Figura 50 - Bomba de engrenagens externas 267
Figura 51 - Bombas de engrenagens internas 267
Figura 52 - Bomba de rotores lobulares 268
Figura 53 - Funcionamento de uma bomba de palhetas não balanceadas 269
Figura 54 - Deslocamento de uma bomba de palhetas 269
Figura 55 - Bomba de palhetas de deslocamento variável compensado por
pressão 270
Figura 57 - Bomba dupla redonda 271 Figura 58 - Bomba de palheta tipo "quadrado" 272
Figura 59 - Princípio de funcionamento 272
Figura 60 - Bomba dupla "quadrada" 273
Figura 61 - Bomba de palhetas de alta eficiência 274
Figura 62 - Construção de bomba dupla de alto rendimento 274
Figura 63 - Princípio de funcionamento 275
Figura 64 - Conjunto rotativo pré-montado 276
Figura 65 e 66 - Bomba de pistões em linha 277
Figura 67 - Princípio de funcionamento 278
Figura 68 - Variação do deslocamento da bomba de pistões em linha 279
Figura 69 - Funcionamento do compensador 280
Figura 70 – Símbolo e válvula de segurança 283
Figura 71 - Válvula de segurança composta 285
Figura 72 – Operação de válvula de segurança de pistão balanceado 287 Figura 73 - "Ventagem" de uma válvula de segurança 289 Figura 74 - Válvula de segurança simples acoplada ao pórtico de
ventagem 289
Figura 75 - Válvula limitadora de pressão tipo DB, pré-operada 290 Figura 76 - Válvula limitadora de pressão pré-operada com descarga por
solenóide 291
Figura 77 - Válvula de seqüência de pressão pré-operada 293
Figura 78 - Válvula redutora de pressão 295
Figura 79 – Válvula redutora de pressão operada por piloto 296 Figura 80 -Válvula redutora de pressão com válvula de retenção integral 297
Figura 81 - Válvula com mola fora de centro 298
Figura 82 - Tipos de centros dos carretéis 299
Figura 83 - Posição dos êmbolos 300
Figura 84 - Princípio de funcionamento e simbologia de uma válvula de
retenção 301
Figura 85 - Válvula de retenção em linha 302
Figura 86 - Princípio de funcionamento de uma válvula de retenção em
linha 302
Figura 87 - Válvula de retenção em ângulo reto 303
Figura 88 - Funcionamento de uma válvula de retenção em ângulo reto 303 Figura 89 - Placa retificadora com 4 válvulas de retenções e válvula
reguladora 304
Figura 90 - Corte de uma placa retificadora tipo Z4S com indicação do
sentido do fluxo 304
Figura 91 a) a esquerda: Válvula de retenção pilotada, com conexão por
roscas 305
Figura 92 - Construção sem conexão para dreno 305
Figura 93 - Construção com conexão para drenos externos 308 Figura 94 - Válvula de retenção com desbloqueio hidráulico geminada 309
Figura 95 - Válvula de sucção 310
Figura 96 - Válvula de sucção em corte 311
Figura 97 - Controle de vazão na entrada (Meter-in) 312
Figura 98 - Controle de vazão na saída do atuador (Meter-Out) 313 Figura 99 - Controle de vazão em desvio (Bleed-off) 314 Figura 100 - Válvula controladora de vazão não compensada 315
Figura 101 - Válvula controladora de vazão compensada por pressão 315 Figura 102 - Válvula controladora de vazão com válvula de retenção
incorporada 316
Figura 103 - Funcionamento de uma válvula controladora de vazão
compensada por pressão e temperatura 317
Tabelas
Tabela de perda de carga 204
Tabela 1- Compatibilidade entre os tipos de materiais e os fluidos
hidráulicos 218
Tabela 2 - Tabela para selecionar diâmetro interno dos tubos 226
Tabela 3 - Dimensionamento de tubos 227
Tabela 4 – Tabela Típica de Especificações 260
Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
IPUC - Departamento de Engenharia Mecânica
Hidráulica
(2ª PARTE)
Professora: Mara Nilza Estanislau Reis
12.1- Introdução à Hidráulica
A palavra hidráulica é definida da raiz grega “hidro” que significa água, “aulos” que significa cano. Compreendia-se, antigamente, por isso, todas as leis e
comportamentos relativos à água. Hoje, entende-se, por hidráulica, a transmissão, controle de forças e movimentos, por meio de um fluido. No nosso estudo tratamos apenas do óleo hidráulico que é um ramo da hidráulica que utiliza o óleo como fluido.
A Hidráulica consiste no estudo das características e usos dos fluidos. Desde o início, o homem serviu-se dos fluidos para facilitar o seu trabalho. A história antiga registra que dispositivos engenhosos, como bombas e rodas d'água já eram conhecidos desde épocas remotas. Entretanto, só no século XVII, o ramo da hidráulica que nos interessa, foi utilizado.
Experiências têm mostrado que a hidráulica é agora indispensável como um método moderno de transmissão de energia.
Acionamentos e comandos hidráulicos ganharam importância através dos tempos, com a automatização e mecanização.
Grande parte das modernas e mais produtivas máquinas e instalações são hoje parcial ou totalmente comandadas por sistemas hidráulicos. Um fluido é usado como meio de transmissão de energia. Na maior parte dos casos, são usados óleo mineral, podendo, entretanto, ser um fluido sintético, ou uma emulsão óleo-água.
Óleo Hidráulico ou hidráulico industrial: meio de transmitir energia através de líquido
confinado sob pressão.
Atualmente há milhares de máquinas operadas por pressão, que dividem a hidráulica em duas ciências:
Hidrostática: mecânica dos fluidos estáticos, teoria das condições de equilíbrio dos fluidos
sob pressão. A energia é transmitida empurrando um líquido confinado. O líquido precisa se mover ou fluir para causar o movimento, porém, esta é uma decorrência da força aplicada (energia potencial) ⇒ sistemas de óleo hidráulicos estáticos.
Hidrodinâmica: é a ciência dos líquidos em movimento. Uma roda d’água ou turbina
representa um dispositivo hidrodinâmico. A energia é transmitida pelo impacto do fluido em movimento contra lâminas ou palhetas (energia cinética, ou energia do movimento que o
líquido contém) ⇒ sistemas óleo hidráulicos cinéticos. Mecânica dos fluidos em movimento (teoria da vazão).
Um exemplo de hidrodinâmica pura é a transformação de energia dinâmica da água, nas usinas hidrelétricas.
12.2- Sistema Óleo Hidráulico
São sistemas transmissores de potência ou movimento, utilizando óleo com o movimento transmissor que é praticamente incompressível (transmite força instantaneamente). Podem ser classificados de duas formas:
Estáticos: onde a energia utilizada é a potencial, com o fluido sob alta pressão e baixa
velocidade (+ ou – 1000bar). Nosso estudo se voltará mais aos sistemas estáticos aplicados, por exemplo, em prensas, guindastes, máquinas, ferramentas, injetoras de plásticos, etc.
Cinéticos: onde a energia utilizada é cinética, para a transmissão de potência, altas
velocidades em torno de 50m/s (180km/h).
12.3- Exemplos de aplicações
Para que se possa, inicialmente, fazer uma idéia geral sobre os vários campos de aplicação da hidráulica, os mesmos foram divididos em 5 setores como segue:
12.3.1 - Hidráulica Industrial
Injetoras de plástico e outros materiais; Prensas; Indústria pesada (metalúrgica laminação; máquinas-ferramentas).
12.3.2 - Hidráulica em construções fluviais, lacustres e marítimas.
Comportas e eclusas; Acionamento de pontes; Máquinas de mineração; Turbinas; Usinas nucleares.
12.3.3 - Hidráulica em aplicações técnicas especiais.
Escavadeiras, dragas e gruas; Máquinas rodoviárias e agrícolas; Mecânica automobilística.
12.3.4 - Hidráulica em aplicações técnicas especiais.
Acionadores de telescópios; antenas; bóias de investigação marítima; trens de aterrissagem e controle de aeronaves; máquinas especiais.
12.3.5 - Hidráulica na Indústria Naval.
Acionamento de lemes; Guindastes de bordo; Gruas; Plataformas; Escotilhas de cargas.
12.4- Classificação
12.4.1- Quanto a pressão:
00 - 14 bar = baixa pressão 14 - 35 bar = média pressão 35 - 85 bar = média-alta pressão 85 - 210 bar = extra-alta pressão
12.4.2- Quanto a aplicação:
Classificados em sistema de pressão contínua ou sistema de pressão intermitente.
12.4.3- Quanto ao tipo de bomba:
Vazão constante ou vazão variável.
12.4.4- Quanto ao controle de direção:
Controlado por válvulas.
Controlado por bombas reversíveis.
12.5- Esquema geral de um sistema hidráulico
De acordo com o tipo de aplicação, existe uma grande infinidade de tipos de circuitos hidráulicos, porém, todos eles seguem sempre um mesmo esquema, que poderíamos dividir em três partes principais.
Sistema de Geração ⇒ Sistema de distribuição e controle ⇒ Sistema de aplicação de energia ⇓ ⇓ ⇓
Reservatório Válvulas Atuadores:
Filtros controladoras Cilindro-linear
Bomba de vazão, pressão Motor hidráulico-rotativo
Motor de acionamento e direcionais Acumulador Intensificador de pressão e
outros acessórios
12.6- Transmissão de energia hidráulica
O componente de entrada de um sistema hidráulico chama-se bomba e o de saída
atuador.
O sistema hidráulico não é uma fonte de energia. A fonte de energia é o acionador, tal como, o motor que gira a bomba. Então porque não esquecer a hidráulica e ligar a parte mecânica diretamente ao acionador principal? Devido a versatilidade de um sistema hidráulico, o qual oferece algumas vantagens sobre outros meios de transmissão de energia.
12.7- Vantagens e Desvantagens do sistema hidráulico
12.7.1- Vantagens do sistema hidráulico
Faremos uma rápida comparação dos sistemas hidráulicos com os sistemas mecânicos ou elétricos equivalentes.
- Velocidade:
Consegue-se, num sistema bem dimensionado, uma variação contínua e precisa de velocidade, seja cilindro ou motor hidráulico, bastando para isto mudar a vazão da bomba ou controlá-la através da válvula adequada.
Sem desligar a máquina, bastando apenas alterar a posição do êmbolo da válvula direcional, ocorre a inversão do movimento do atuador, enquanto que para se obter, por exemplo, a inversão do sentido de rotação de um motor elétrico, é necessário desligá-lo, inverter os fios (pólos) e dar nova partida. Existem chaves especiais para este fim, mas apesar da rapidez da operação, a inversão não é suave e o pico de consumo de partida do motor não é evitado.
- Proteção contra sobrecarga:
Quando a carga excede os limites de trabalho ocorre o aumento da pressão do fluido a um valor limitado pela válvula de segurança, que nessa situação se abre impedindo qualquer dano ao sistema.
- Limitação de força (ou torque):
Há possibilidade de se limitar a força máxima de um cilindro, ou torque máximo de um motor, pela válvula de segurança, e se existir a necessidade de um limite mais baixo para um movimento do que para outro, pode-se utilizar uma válvula redutora de pressão.
- Dimensões reduzidas:
Como a força e a velocidade dos atuadores dependem apenas de pressão e vazão respectivamente, o peso e o tamanho dos componentes hidráulicos são reduzidos em relação aos equivalentes equipamentos mecânicos e elétricos da mesma potência.
- O óleo hidráulico é um excelente condutor de calor, o que inclusive é um fator importante
no dimensionamento do reservatório que poderá servir como trocador de calor, etc.
- Fácil instalação dos diversos elementos, oferecendo grande flexibilidade, inclusive em
espaços reduzidos. O equivalente em sistemas mecânicos já não apresenta esta flexibilidade.
- São sistemas auto-lubrificados, não ocorrendo o mesmo com os mecânicos ou elétricos. - Tem pequeno peso e tamanho com relação a potência consumida em comparação aos
sistemas elétrico e mecânicos.
- Parada instantânea. Se pararmos instantaneamente um motor elétrico, podemos
danificá-lo ou queimar o fusível. Da mesma forma as máquinas não podem ser paradas bruscamente e ter seu sentido de rotação invertido, sem a necessidade de se dar a partida novamente. Entretanto, um atuador hidráulico pode ser parado sem danos quando sobrecarregado, e começar imediatamente assim que a carga for reduzida. Durante a parada, a válvula de segurança simplesmente desvia, a vazão da bomba ao tanque.
12.7.2- Desvantagens do sistema hidráulico
- Seu custo inicial é mais alto em comparação aos sistemas mecânicos e elétricos.
- Perigos de incêndios, pois o óleo, normalmente é inflamável. Atualmente tem-se empregado em certos casos fluidos resistentes ao fogo que, na realidade, apenas evitam a propagação do fogo.
- O rendimento global de um sistema hidráulico, sem levar em consideração o rendimento do motor que aciona a bomba, varia, em função dos componentes especificados, de 80% a 90%.
São três os fatores responsáveis pela variação do rendimento:
- Vazamentos internos em todos os componentes, esses vazamentos são necessários para promover a lubrificação das partes móveis dos diversos componentes.
- Perda de energia provocada pelas perdas de carga nos tubos e válvulas, com o conseqüente aquecimento do óleo.
- Várias transformações do estado da potência, a bomba recebe em seu eixo potência mecânica, a transforma em potência hidráulica e o atuador recebe a potência hidráulica e a transforma novamente em mecânica.
12.8- Um pouco de História
A hidráulica data de milhares de anos atrás, em sistemas de abastecimento de água e irrigação. Compreendia-se, antigamente, por isso, todas as leis e comportamentos relativos a água.
Antes do século XV, época que Leonardo da Vinci era o gênio da Europa, o conceito de pressão era virtualmente desconhecido. Embora ele tivesse apresentado várias sugestões de projetos de máquinas hidráulicas, não conseguiu desenvolver um conceito claro de pressão. Mais de cem anos depois o italiano Torricelli observou o princípio de barômetro de mercúrio e relacionou ao peso da atmosfera. Baseando-se na descoberta de Torricelli, o cientista francês Blaise Pascal descobriu o princípio da alavanca hidráulica conhecido como Lei de Pascal (sec. XVII).
"A Pressão exercida em um ponto qualquer de um fluido em repouso transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido e atua perpendicularmente contra as paredes do recipiente que o contém".
Este preceito explica o fato de uma garrafa de vidro quebrar-se caso sua rolha seja forçada a entrar, com o recipiente completamente cheio: o fluido, praticamente incompressível, transmite a pressão aplicada pela rolha ao fundo da garrafa, como a área do fundo é muito maior que a rolha, produz-se uma força no fundo, excessivamente alta a ponto de quebrá-la.
Figura 1 - A pressão (força por unidade área) é transmitida em todos os sentidos de um líquido confinado.
Talvez, pela simplicidade da Lei de Pascal, é que o homem não percebeu o seu enorme potencial por dois séculos. Somente, no princípio da Revolução Industrial, é que um mecânico britânico, Joseph Bramah, veio a utilizar a descoberta de Pascal para desenvolver uma prensa hidráulica.
Bramah, conclui que, se uma força moderada aplicada a uma pequena área, produz-se proporcionalmente, uma força maior numa área maior, o único limite à força de uma máquina seria a área em que se aplicasse a pressão. A figura demonstra como Bramah aplicou o princípio de Pascal à prensa hidráulica.
Figura 2 - A alavanca hidráulica.
A força aplicada é a mesma utilizada na rolha e o pistão menor tem a mesma área, ou seja, 1cm². O pistão maior tem 10cm².
O pistão maior é empurrado com 10kgf numa área de 1cm², para que possa suportar um peso de 100kgf. Observa-se que as forças que equilibram este sistema são proporcionais às áreas dos cilindros. Assim sendo, se a área de saída for de 200 cm², a força de saída será de 200 kgf (no caso, a cada cm² correspondem 10 kgf). Este é o princípio de operação de um macaco hidráulico ou de uma prensa hidráulica. É interessante notar a semelhança entre a prensa simples e uma alavanca mecânica (vista B).
12.9- Definição de pressão
Somente para sistemas estáticos:
A F
P=
Unidades: bar; 2
12.10- Pressão numa coluna de fluido
Em uma coluna de fluido ocorre uma pressão como conseqüência do peso da massa de fluido sobre uma determinada área. A pressão é dependente da altura (h) da coluna, da densidade (ρ) e da aceleração da gravidade(g).
Pressão de coluna = ρ. g. h = h . γ
Figura 3 - Pressão hidrostática.
Tomando recipientes de formas diferentes, cheios com o mesmo fluido, a pressão, em um determinado ponto, dentro do fluido, depende apenas da altura da coluna acima do ponto. A pressão hidrostática exerce uma força sobre o fundo do reservatório.
Caso a pressão, conforme mostra a figura, atua sobre superfícies iguais ( A1 = A2 = A3 ), as forças resultantes serão também iguais. (F1 = F2 = F3).
12.11- Princípio da multiplicação de pressão
Dois êmbolos de diâmetros diferentes são unidos entre si por uma haste. Atuando-se com a pressão P1 sobre a área A1, temos no êmbolo maior a força F1. A força F1 é transmitida pela haste ao êmbolo menor. Essa força age sobre a superfície A2 e provoca a pressão P2. Eliminando o atrito, teremos:
F1 = F2 = F P1 . A1 = P2 . A2
Com isso teremos: P1 . A1 = F1 P2 . A2 = F2 Ou então: 2 1 P P = 1 2 A A
Em um multiplicador de pressão, as pressões são inversamente proporcionais às áreas.
12.12- Conservação de energia
Uma lei fundamental da física afirma que a energia não pode ser nem criada nem destruída.
A energia provém da natureza. Podemos fazer a transformação da energia.
Um princípio anunciado por Lavoisier: “Na natureza nada se cria e nada se perde tudo se transforma”.
É comum vermos em sistemas hidráulicos a energia elétrica transformada em mecânica e esta última transformada em hidráulica.
A multiplicação de forças não é o caso de se obter alguma coisa por nada. O pistão maior, movido pelo fluido deslocado do pistão menor, faz com que a distância de cada pistão se movimente inversamente proporcional às suas áreas. O que se ganha com relação a força tem que ser sacrificado em distância ou velocidade.
Figura 2.1 – A energia não pode ser criada nem destruída.
12.13- Como é gerada a pressão?
A pressão resulta da restrição ou resistência oferecida ao fluxo do fluido ou da resistência à força que tenta fazer o líquido fluir. A resistência é função de:
- da carga de um atuador;
- de uma restrição (ou orifício) na tubulação;
- estreitamento da passagem ou de obstáculos nos elementos de trabalho e nas
Figura 5 - Pressão causada por uma restrição e limitada por uma válvula controladora de pressão.
12.14- Fluxo em paralelo
Quando houver duas vias de fluxo paralelas, cada qual com resistências ao escoamento diferentes, a pressão aumentará até vencer a resistência menor, quando ocorrerá fluxo pela via correspondente. Costuma-se dizer que os fluidos "escolhem os caminhos mais fáceis".
Figura 6 - Fluxo em paralelo.
12.15- Fluxo em série
Quando resistências ao fluxo, estão ligadas em série, somam-se pressões.
A figura mostra as mesmas válvulas da figura anterior, porém ligadas em série. Os manômetros, localizados nas linhas, indicam a pressão suficiente para superar cada resistência da válvula, mais a contrapressão que cada válvula sucessiva oferece. A pressão no manômetro da bomba indica a soma das pressões necessárias para abrir cada válvula individualmente.
Figura 7 - Fluxo em série.
12.16- Princípio de fluxo
Num sistema hidráulico a força é transmitida só pela pressão, o fluxo provoca o movimento dos atuadores. A bomba é responsável pelo fornecimento de óleo, produzindo-se assim um fluxo.
Há duas maneiras para medir fluxo de um fluido:
12.16.1- Vazão e velocidade
12.16.1.1- Velocidade: É a distância que as partículas percorrem em uma unidade de tempo.
Sua unidade no Sistema Internacional é (m/s). - Velocidade de um atuador:
A velocidade com que um cilindro se desloca ou um motor gira depende de seu tamanho e da vazão de óleo que está recebendo.
Velocidade (V) depende da vazão (Q) e independe da pressão (P) Força (F) depende da pressão (P) e independe da vazão (Q). - Velocidade na tubulação:
A velocidade com que o fluido hidráulico passa pela tubulação é um fator importante de projeto, pelo efeito que a velocidade causa sobre o atrito.
Geralmente, a faixa de velocidade recomendada pelo fabricante é:
VICKERS
- Linha de sucção = 6 a 12 dm/s
- Linha de pressão e retorno = 20 a 60 dm/s
RACINE
- Sucção e preenchimento: 60,96 a 121,92 cm/s - Retorno: 304,8 a 457,20 cm/s
- Para pressão abaixo de 210 bar: 762,2 a 914,14 cm/s - Para pressão acima de 210 bar: 457,2 a 509,6 cm/s
12.16.1.2- Vazão: É o volume que atravessa uma seção de tubo em uma unidade de tempo.
Sua unidade no Sistema Internacional é (m3/s). Conforme varia a seção transversal de uma tubulação a velocidade média das partículas do fluido varia inversamente, apesar de a vazão ser constante.
Se um fluido flui por um tubo com vários diâmetros, o volume que passa em uma unidade de tempo é o mesmo, independente da seção. A velocidade do fluxo varia, a vazão não.
t V Q= Onde: Q = vazão (L3/t) V = volume (L3) t = tempo (t)
A = área da seção transversal (L2) s = curso (L)
v = velocidade (L/t) V = (A. s)
Substituindo na fórmula da vazão:
t s A
Q= ×
O curso s na unidade de tempo t é:
t s
v=
De onde podemos ter, com:
v A Q= × Equação da continuidade. 2 2 1 1 v A v A × = × 2 1 Q Q =
Figura 9 - Vazão e velocidade.
12.16.2- Atrito e Escoamento:
- Atrito: A energia hidráulica ao ser transmitida pela tubulação acarreta sempre uma perda de carga. Visto que nas paredes do tubo e no próprio líquido se produz atrito, que por sua vez, gera calor. Uma perda de energia hidráulica significa uma perda de pressão do líquido hidráulico.
Figura 10 - Atrito e queda de pressão.
A determinação da perda de carga é importante para saber se a pressão fornecida ao sistema é ou não suficiente para aquilo que o sistema se propõe.
As restrições (curvas, estrangulamentos, etc.) contribuem grandemente para a perda de carga no sistema e conseqüentemente aquecimento do óleo.
Influem na perda de carga: - Velocidade do fluxo.
- Tipo de fluxo (laminar ou turbulento). - Diâmetro do tubo.
- Viscosidade do líquido. - Rugosidade do tubo. - Volume de passagem.
- Restrições (válvulas, acessórios, etc.).
O atrito cria turbulência no fluido oferecendo resistência ao fluxo, o que resulta numa queda de pressão ao longo da linha.
O ideal para circuitos óleo hidráulicos é que o regime de escoamento seja laminar, (R ≤ 2000, menor perda de carga), pois, em escoamento de regime turbulento, as perdas de carga são maiores, sempre que possível, deve-se evitar o emprego de restrições ou curvas abruptas nos circuitos.
12.16.3 - Queda de pressão através de uma restrição (orifício):
Esta perda de pressão nas restrições ou estreitamentos, devido a conversão de energia de pressão em energia térmica, são provocadas em alguns casos, deliberadamente (p.ex.: na válvula redutora de pressão), mas não se deseja que nos estreitamentos, haja perda de pressão por aquecimento. Todo líquido hidráulico se aquece, pois durante o trabalho, o líquido passa por muitos estreitamentos que existem nos elementos hidráulicos.
Na interrupção do fluxo, o líquido para: estando em repouso, não se produz atrito. Conseqüentemente, a pressão é a mesma antes e depois do ponto de estrangulamento. Quanto maior for o fluxo maior será a queda de pressão (P).
Figura 11 - Queda de pressão e fluxo de óleo através de uma restrição.
Nos líquidos em movimento, podemos notar que os processos são mais complexos, pois podemos verificar que o dobro da diferença de pressão (P), não significa que a vazão se duplique como ocorre na eletrotécnica, onde o dobro da tensão significa o dobro da corrente.
Uma expressão que demonstra a relação da vazão e a queda da pressão é:
Onde:
α = Fator hidráulico (0,6 a 0,9), valor dependente da viscosidade e da forma do estreitamento.
A = Superfície do estreitamento em (m²). p = Queda de pressão em (Pa).
ρ = Massa específica ou densidade absoluta em (kg/m³). Podemos também usar a seguinte expressão reduzida:
Ou seja, a vazão em um estreitamento não tem um comportamento linear em relação a queda de pressão. Notamos que a curva característica é uma parábola.
Conclusão: O valor exato da vazão a ser ajustada é obtido de forma experimental.
12.16.4- Tipos de escoamentos:
São dois tipos de fluxos de fluidos:
12.16.4.1- Fluxo laminar:
Em um fluxo laminar, as moléculas do fluido se movem até determinadas velocidades, de uma forma mais ou menos ordenada, em camadas estáveis. Não há interferência entre as moléculas, nem tampouco influem em seu movimento.
Figura 12 - Fluxo laminar. 12.16.4.2- Fluxo turbulento:
Caso a velocidade aumenta a seção de passagem não varia, a partir de certa velocidade (velocidade crítica) o fluxo se transforma em um movimento desordenado, turbulento. As moléculas já não se movem mais ordenadamente em uma direção geral, mas sim de forma irregular, influenciando o movimento das outras.
Figura 13 - Fluxo turbulento.
As resistências ao fluxo aumentam e as perdas hidráulicas crescem. Por esses motivos, o fluxo turbulento é indesejável em instalações hidráulicas.
12.17- Principio de Bernoulli
A lei da conservação da Energia nos diz que em um fluxo, a energia permanece constante, enquanto não houver troca de energia com o exterior.
Deixando de lado as formas de energia que não se modificam no fluxo de um fluido, podemos dividir a energia total desta forma.
Energia potencial: energia de posição em função da altura da coluna de fluido. Energia de
pressão (pressão estática).
Energia cinética: energia de movimento em função da velocidade do fluxo (pressão
dinâmica). Equação de Bernoulli. te cons H v gz P tan 2 2 = = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + ρ
Com relação à energia de pressão estática teremos:
2 2 v P h g P Pt = st +ρ⋅ ⋅ + ⋅ Onde:
Pt = pressão total.
Pst = pressão estática.
ρ.g.h = pressão da coluna de fluido. 2
2 v
P ⋅ = pressão dinâmica.
Observando-se a equação da continuidade e a equação de energia, podemos deduzir que quando se diminui a seção transversal de passagem, a velocidade aumenta, com isso aumenta também a energia cinética.
Já que a quantidade de energia total permanece constante, é necessário que se reduzam a energia de posição ou de pressão, ou ambas.
A energia de posição, no entanto, varia de forma desprezível nestes casos.
Com isso a pressão estática tem que variar em função da pressão dinâmica e esta em função da velocidade.
Figura 14 - A altura das colunas de fluido representa as pressões em cada posição.
12.18- Perda de carga na linha de pressão de um sistema hidráulico
Durante o escoamento do fluido através do sistema hidráulico, pode ocorrer uma perda de pressão (mais comumente denominada perda de carga), que é devida a vários fatores. Todos esses fatores entram no cálculo de perda de carga no sistema hidráulico que é feito da seguinte maneira:
215915 1 . 9266 . . . 2 ρ v D L f = ∆Ρ Onde:
f = fator de fricção (número puro)
L = L1 + Ls = comprimento total da tubulação em (cm)
L1 = comprimento da tubulação retilínea em (cm)
Ls = comprimento equivalente das singularidades em (cm)
D = diâmetro interno da tubulação em (cm) v = velocidade de escoamento do fluido em (cm/s)
ρ = massa específica ou densidade absoluta do fluído em (kg/m3). 215915x9266 = fator de conversão para a uniformização das unidades.
12.18.1- Determinação do fator “f”:
Esse fator “f” é devido a temperatura do fluido e rugosidade interna do duto, isto é quanto mais rugoso for internamente o duto, maior dificuldade terá o óleo para escoar.
R X
f =
X = 64 para tubos rígidos e temperatura constante.
X = 75 para tubos rígidos e temperatura variável ou para tubos flexíveis e temperatura constante.
X = 90 para tubos flexíveis e temperatura variável. Re = número de Reynolds Re = υ D v. , onde: v = velocidade do fluido em (cm/s).
D = diâmetro interno da tubulação em (cm).
ν = viscosidade cinemática do fluido em Stokes (cm²/s). 0 ≤ Re ≤2300 escoamento laminar.
2300 ≤ Re ≤ 4000 zona de transição. Re ≥4000 escoamento turbulento.
Como salientamos anteriormente, restrições, curvas, bifurcações, etc., causam perda de carga e aquecimento do fluido. A esse tipo de perda de carga, damos o nome de perda de carga localizada.
Podemos observar, então, que as curvas de 90,45° ou 30°, bifurcações, cotovelos, etc., também fornecem certa resistência ao fluxo de óleo, ocasionando, portanto, outra perda de carga localizada. Como é muito difícil se estabelecer uma queda de pressão para cada tipo de cotovelo ou curva, etc., o que se costuma fazer é transformar, em cálculos, esse cotovelo ou curva em um “comprimento equivalente” de canalização retilínea, e para tal, existem tabelas que nos auxiliam nestas transformações.
Saliente-se que estes cotovelos, curvas, registros, etc., são denominados de singularidades.
12.18.3- Determinação de “D”:
O diâmetro da tubulação é determinado a partir do cálculo da área da seção do duto “A” obtido através da vazão e velocidade do fluxo do fluido. Assim, temos que:
Q = v. A ∴ A = v
Q
Como a perda de carga que está nos interessando ocorre em linhas de pressão, adotamos a velocidade “v” recomendada de 15 ft/s ou 457,20 cm/s.
Portanto, A = 20 , 457 ) / ( 15 ) / ( 3 Qcm3 s A ou s ft Q =
Uma vez determinado “A”, sabemos que:
A = π π π .D . . D A D A 2 2 4 4 4 ∴ = ∴ = Ou ainda, D = 1,128 A
12.18.4- Determinação de v:
A velocidade do fluido deverá ser aquela recomendada (15ft/s ou 457,20cm/s em linhas de pressão).
Existe um motivo para essa recomendação. Como vimos anteriormente, para que não ocorra uma grande perda de carga no sistema, o escoamento deverá ser laminar e o número de Reynolds deverá estar abaixo de 2300. Experimentalmente verificou-se que para que essa condição seja observada, as velocidades deveriam ser aquelas recomendadas pelos fabricantes.
12.18.5- Determinação de γ :
Gama (γ ) é o peso específico do fluido em (Kgf/m3).
12.18.6- Procedimento de cálculo:
1. Determine “f”.
2. Determine “Ls” e as perdas localizadas em válvulas especiais, através dos catálogos
do fabricante. Adicione “Ls” a “L1” para obter “L”.
3. Determine P e efetue a soma deste cálculo com as perdas de carga localizadas nas válvulas especiais para obter a perda de carga total no sistema.
4. Uma vez determinada a perda de carga total, verifique se a mesma não influirá no sistema. Por exemplo, se nosso sistema precisa de 190 bar para executar um
determinado trabalho enquanto que fornecemos 210 bar e temos uma perda de carga
de 30 bar a pressão útil disponível será: P = 210 - 30 = 180 bar, insuficiente para o
trabalho que o sistema hidráulico se propõe a fazer, pois é menor do que a pressão necessária de 190 bar.
12.18.7- Perda térmica:
A perda térmica gerada em um sistema hidráulico caracteriza-se pela perda de potência que pode ser vista em termos de taxa de calor gerada devido às perdas de carga.
É importante salientar que essa taxa de calor propaga-se pelas tubulações por meio do sistema, elevando a temperatura do fluido em movimento. Daí a necessidade das chicanas (aletas) no interior do reservatório. Porém, se a magnitude dessa taxa de calor atinge valores relativamente grandes e não consegue ser dissipada na recirculação pelo tanque, tornar-se-á necessário o uso de um trocador de calor, que pode ser dimensionado a partir dessa taxa de calor conhecida. Assim:
q = 1,434 *
∆
PT* QBEm que:
•
∆
PT = Perda de carga total [bar]•
QB = Vazão fornecida pela bomba hidráulica [l/min]•
q = Perda térmica [Kcal/h]•
1,434 = Fator de Conversão•
Observação: Apesar de parecer trabalhoso efetuar o dimensionamento dos atuadores,
tubulações e perda de carga, de acordo com esses procedimentos, é certo que eles conduzem a uma completa otimização do sistema. Em outras palavras, o sistema resultará mais compacto e certamente de custo menor.
12.18.8- Tabela de perda de Carga:
Comprimentos Equivalentes a perdas localizadas (em polegadas de canalização retilínea)
DIÂMETRO Cotovelo 90º Raio Longo Cotovelo 90º Raio Médio Cotovelo 90º Raio Curto Cotovelo 45º Curva 90º Raio Longo Curva 90º Raio Curto Curva 45º Entrada normal Entrada de borda mm Pol. 3,175 1/8 3,94 3,94 3,94 3,94 3,94 3,94 3,94 3,94 3,94 6,350 1/4 7,87 7,87 11,81 3,94 3,94 7,87 3,94 3,94 7,87
9,525 3/8 7,87 11,81 15,75 7,87 7,87 7,87 7,87 7,87 11,81 12,700 1/2 11,81 15,75 19,69 7,87 7,87 11,81 7,87 7,87 15,75 15,875 5/8 11,81 19,69 23,62 7,87 7,87 11,81 7,87 7,87 15,75 19,050 3/4 15,75 23,62 27,56 11,81 11,81 15,75 7,87 7,87 19,76 22,225 7/8 15,75 23,62 27,56 11,81 11,81 15,75 7,87 7,87 23,62 25,400 1 19,69 27,56 31,50 15,75 11,81 19,69 7,87 11,81 27,56 28,575 1,1/8 23,63 31,50 39,37 19,69 15,75 23,62 11,81 15,75 31,50 31,750 1,1/4 27,56 35,43 43,31 19,69 15,75 23,62 11,81 15,75 35,43 34,925 1,3/8 31,50 39,37 47,24 23,62 19,69 27,50 11,81 15,75 39,37 38,100 1,1/2 35,43 43,31 51,18 23,62 19,69 27,50 11,81 19,96 39,37 41,275 1,5/8 39,37 47,24 55,12 27,56 19,69 31,50 11,81 23,62 43,31 44,450 1,3/4 43,31 51,18 59,06 27,56 23,62 31,50 15,75 23,62 51,18 47,625 1,7/8 43,31 51,18 62,99 31,50 23,62 35,43 15,75 27,56 55,12 50,800 2 43,31 55,12 66,93 31,50 23,62 35,43 15,75 27,56 59,06 57,150 2,1/4 47,24 62,99 74,80 35,43 27,56 39,37 19,69 31,50 66,93 63,500 2,1/2 51,18 66,93 78,74 35,43 31,50 39,37 19,69 35,43 74,80 69,850 2,3/4 59,06 74,80 90,55 43,31 35,43 47,24 23,62 39,37 82,68 76,200 3 62,99 82,68 98,43 47,24 39,37 51,18 23,62 43,31 86,61 82,550 3,1/4 66,93 86,61 106,30 51,18 43,31 55,12 23,62 47,24 98,43 88,900 3,1/2 74,80 94,49 118,11 55,12 47,24 59,06 27,56 55,12 106,30 95,250 3,3/4 78,74 98,43 125,98 55,12 47,24 59,06 27,56 59,06 118,11 101,600 4 82,68 102,36 133,86 59,06 51,18 62,99 27,56 62,99 125,98 107,950 4,1/4 90,55 110,24 141,73 62,99 55,12 66,93 31,50 66,93 133,86 114,300 4,1/2 94,49 125,98 149,61 66,93 59,06 74,80 31,50 70,87 141,73 120,650 4,3/4 102,36 133,86 157,48 70,87 59,06 78,74 35,43 74,80 149,61 127,000 5 107,75 145,67 165,35 74,80 62,99 82,68 35,43 78,74 157,48 DIÂMETRO Registro
de gaveta Registro de globo de ânguloRegistro
Tê de passagem direta Tê de saída lado Tê de saída bi-lateral Válvula de pé e crivo Saída de Canali- zação. Válvula de Retenção tipo leve Válvula de Reten- ção tipo pesada mm Pol. 3,175 1/8 3,94 31,50 27,56 3,94 11,81 11,81 35,43 3,94 11,81 15,75 6,350 1/4 3,94 94,49 51,18 3,94 19,69 19,69 70,87 7,87 19,69 31,50 9,525 3/8 3,94 145,67 78,74 7,87 31,50 31,50 106,30 11,81 31,50 47,24 12,700 1/2 3,94 192,91 102,36 11,81 39,37 39,37 141,73 15,75 43,31 62,99 15,875 5/8 3,94 228,35 122,05 11,81 47,24 47,24 181,10 15,75 55,12 78,74 19,050 3/4 3,94 263,78 141,73 15,75 55,12 55,12 220,47 19,69 70,87 94,48 22,225 7/8 3,94 291,34 161,42 15,75 59,06 59,06 251,97 19,69 74,80 110,24 25,400 1 7,87 322,63 181,10 19,69 66,93 66,93 287,40 19,69 82,62 125,98 28,575 1,1/8 7,87 385,83 220,47 23,62 78,74 78,74 342,52 27,56 94,45 141,73 31,750 1,1/4 7,87 444,88 220,47 27,56 90,55 90,55 393,70 35,43 106,30 157,48 34,925 1,3/8 11,81 488,19 263,78 31,50 106,36 106,36 425,20 39,37 118,11 173,23
38,100 1,1/2 11,81 527,56 263,78 35,43 110,24 110,24 456,69 39,37 125,98 188,98 41,275 1,5/8 11,81 566,93 283,46 39,37 118,11 118,11 480,31 43,31 137,80 204,72 44,450 1,3/4 15,75 606,30 299,21 39,37 125,98 125,98 492,18 51,18 145,67 220,47 47,625 1,7/8 15,75 645,67 318,90 43,31 129,92 129,92 511,81 55,12 157,48 236,22 50,800 2 15,75 685,04 334,65 43,31 137,80 137,80 551,18 59,06 465,35 251,97 57,150 2,1/4 15,75 755,90 366,14 47,24 153,54 153,54 610,24 66,93 185,04 287,40 63,500 2,1/2 15,75 826,77 393,70 51,18 169,29 169,29 669,29 74,80 204,72 318,90 69,850 2,3/4 19,69 944,88 452,75 59,06 188,98 188,98 728,35 82,68 228,35 350,39 76,200 3 19,69 1.023,62 511,81 62,99 204,72 204,72 787,40 86,61 248,03 381,89 82,550 3,1/4 23,62 1.102,36 551,18 66,93 220,47 220,47 818,90 98,43 267,72 413,39 88,900 3,1/2 23,62 1.181,10 590,55 74,80 236,22 236,22 846,46 106,30 291,34 444,88 95,250 3,3/4 27,56 1.259,84 629,92 78,74 248,06 248,06 885,83 118,11 311,02 476,38 101,600 4 27,56 1.338,58 669,29 82,68 263,78 263,78 905,51 125,98 330,71 507,87 107,950 4,1/4 31,50 1.429,13 708,66 90,55 279,53 279,53 976,38 133,86 350,39 539,37 114,300 4,1/2 31,50 1.515,75 748,03 94,49 299,21 299,21 1.043,31 141,73 370,08 570,87 120,650 4,3/4 35,43 1.606,30 787,40 102,36 314,96 314,96 1.114,17 146,61 389,76 602,36 127,000 5 35,43 1.692,91 826,77 106,30 330,71 330,71 1.181,10 157,48 409,45 633,86 12.19- Trabalho e energia
W = F.d (movimenta uma força a uma certa distância)
t W
P= (velocidade em que o W é realizado)
t d F P= P=F⋅V 12.19.1- Potência Hidráulica: No motor elétrico: P(W) = V (volts). I (Ampéres) Na bomba: t s m Q Pa P W P η ) / ( ) ( ) ( 3 ⋅ = ηt = ηv x ηhm ηt = rendimento total.
ηv = rendimento volumétrico (devido a fuga de líquido nas bombas e motores).
