Ar Comprimido: Conceitos Básicos e Componentes de Sistemas Pneumáticos, Manuais, Projetos, Pesquisas de Pneumática

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Universidade do Estado do Rio de Janeiro

FAT - Laboratório de mecânica e motores

APOSTILA DE PNEUMÁTICA

Sumário

• 1. Introdução ................................................................................................................................
• 2. Preparação do ar comprimido ..................................................................................................
  • Pressão .......................................................................................................................................
    •  Pressão em um atuador pneumático
  • Propriedades Físicas do Ar ..........................................................................................................
    •  Expansibilidade
    •  Compressibilidade
    •  Elasticidade
  • Leis dos Gases Ideais..................................................................................................................
    •  Lei de Boyle
    •  Lei de Charles
    •  Lei de Amonton
    •  Lei de Dalton
    •  Hipótese de Avogadro
    •  Lei de Poisson
    •  Lei de Gay-Lussac
  • Leis da termodinâmica .................................................................................................................
    •  1ª lei
    •  2ª lei
    •  3ª lei
  • Compressão do ar .......................................................................................................................
    •  Compressão Isotérmica
    •  Compressão Isentrópica
    •  Compressão Politrópica
  • Ar e ar comprimido ....................................................................................................................
• 3. Características dos Sistemas Pneumáticos ............................................................................
• 4. Produção, Distribuição e Tratamento do Ar Comprimido. .......................................................
  • Qualidade do Ar .........................................................................................................................
  • Sistema de Produção e Preparação do Ar Comprimido .............................................................
  • Compressores ...........................................................................................................................
    •  Difusor
    •  Critérios para a Escolha de Compressores
    •  Pressão
    •  Função do Reservatório...............................................................................................
    •  Impureza
    •  Secador
  • Secagem do Ar ..........................................................................................................................
    •  Resfriamento:
    •  Adsorção:
    •  Absorção
    •  Sobrepressão:
  • Distribuição de Ar Comprimido ..................................................................................................
    •  Rede de distribuição
    •  Layout..........................................................................................................................
    •  Redes
    •  Inclinação, tomadas de ar e drenagem da umidade.
    •  Curvatura
    •  Materiais da tubulação principal...................................................................................
    •  Conexões para tubulações secundárias
    •  Vazamento
    •  Dimensionamento da perda de carga
  • Tratamento do Ar Comprimido ...................................................................................................
    •  Filtro
    •  Filtro Coalescente
    •  Válvula Reguladora de Pressão...................................................................................
    •  Filtro/regulador conjugado
    •  O Lubrificador
• 5. Válvulas Pneumáticas ............................................................................................................
  • Coeficiente de vazão .................................................................................................................
  • Válvula de Controle Direcional ...................................................................................................
    •  Válvula 3/2 Vias
    •  Válvula 5/2 vias
    •  Operadores..................................................................................................................
    •  Exemplos de Válvulas Direcionais com Operadores
    •  Símbolos de Válvulas
    •  Nomenclatura dos orifícios
  • Válvulas de Bloqueio (Anti-Retorno) ..........................................................................................
  • Válvulas de Controle de Fluxo ...................................................................................................
  • Válvulas de Controle de Pressão ...............................................................................................
• 6. Atuadores Pneumáticos .........................................................................................................
  • Controle da velocidade de deslocamento do êmbolo .................................................................
  • Seleção de um cilindro (ou atuador) pneumático: ......................................................................
    •  Fatores de correção da força
  • Atuadores Lineares ....................................................................................................................
    •  Cilindro de Simples Ação
    •  Cilindro de Dupla Ação
    •  Outros exemplos de atuadores lineares
  • AtuadoresRotativos ...................................................................................................................
  • Cilindros de Fixação ..................................................................................................................
  • Elementos Construtivos .............................................................................................................
  • Amortecimento de Fim de Curso ...............................................................................................
  • Dimensionamento do cilindro .....................................................................................................
  • Flambagem da haste .................................................................................................................
  • Controle de velocidade ..............................................................................................................
  • Cadeia de comando...................................................................................................................
• 7. Outros Dispositivos Pneumáticos ...........................................................................................
  • Mesa Pneumática ......................................................................................................................
  • Pinça Pneumática ......................................................................................................................
• 8. Motores Pneumáticos.............................................................................................................
  • Motores Rotativos ......................................................................................................................
  • Motores de Pistões ....................................................................................................................
  • Motores de Turbina ....................................................................................................................
• 9. Comandos Pneumáticos Sequenciais ....................................................................................
  • Representação dos movimentos ................................................................................................
  • Formas de representação ..........................................................................................................
    •  Sequência cronológica
    •  Anotação em forma de tabela
  • Diagrama de movimentos ..........................................................................................................
    •  Diagrama Trajeto-Passo
    •  Diagrama Trajeto-Tempo
    •  Diagrama de Comando
  • Método de construção de comandos pneumáticos ....................................................................
    •  Método Intuitivo
    •  Construção do circuito
• 10. Anexos ...............................................................................................................................
  • Simbologia .................................................................................................................................
    •  Atuadores
    •  Válvulas Direcionais
    •  Acionamentos
    •  Acessórios
    •  Componentes Elétricos
  • Tipos de Compressores .............................................................................................................
  • Sistemas Pneumáticos ..............................................................................................................
  • Visão Geral ................................................................................................................................
  • Anotações:.................................................................................................................................
  • Exercícios Práticos ....................................................................................................................
    •  Pneumáticos
    •  Eletropneumáticos
• 11. Bibliografia ..........................................................................................................................

2. Preparação do ar comprimido

Para entender as características dos sistemas pneumáticos é necessário estudar comportamento do ar. Para isso são apresentados os seguintes conceitos:

Pressão

Em termos de pneumática, define-se pressão como sendo a força exercida em função da compressão do ar em um recipiente, por unidade de área interna dele. Sua unidade S.I. é dada em N/m² ou Pa (pascal), embora seja comum ainda a utilização de unidades como (atm, bar, kgf/mm², Psi, etc).

Recipiente com ar comprimido

A pressão atmosférica ao nível do mar vale 1,013 bar (=1,013. N/m2 = 103 Pa).

 Pressão em um atuador pneumático É a relação entre a força que se opõe ao movimento de extensão de um atuador e a seção transversal interna dele. (Ap = Aréa do pistão)

Sendo: Área do Pistão =

Área do Cilindro =

Propriedades Físicas do Ar

Para uma melhor compreensão das vantagens da utilização da pneumática como meio de automação, serão estudadas a seguir algumas propriedades físicas do ar que dão a pneumática o status de meio de automatização de custo baixo, limpo e altamente rentável.

 Expansibilidade O ar, bem como todos os gases, não tem forma definida, o que lhe permite adquirir a forma do recipiente que o contém, mudando sua forma ao menos esforço.

Pressão em um atuador pneumático

Expansibilidade do ar nas diversas formas pelas quais circula

 Compressibilidade Como visto acima, o ar expande-se ocupando totalmente o ambiente pelo qual circule. Assim, pode-se concluir que por meios mecânicos é possível levá-lo à condição oposta, ou seja, comprimi-lo. Desta forma, se tivermos um recipiente que possa ser hermeticamente fechado, e o dotarmos de um mecanismo que impeça a saída desse ar (válvula de retenção), podemos insuflá- lo nesse recipiente, em quantidade, tanto quanto o limite de segurança (resistência do compartimento) suportar. Quanto mais o fluido for insuflado no recipiente, mais a pressão interna do mesmo aumentará.

Ar sendo insuflado para um recipiente

 Elasticidade É a propriedade que possibilita ao ar retornar a seu volume inicial, uma vez cessado o esforço que o havia comprimido.

Retorno do êmbolo à condição inicial cessada a força F (propriedade de elasticidade)

Leis dos Gases Ideais

As leis dos gases estão embasadas no comportamento termodinâmico dos gases perfeitos ou misturas de gases perfeitos. Tais leis são estas a seguir:

 Lei de Boyle Afirma que o volume (V) de um gás, a uma temperatura constante varia inversamente com a pressão (P).

 Lei de Charles Afirma que o volume de um gás, a pressão constante, varia diretamente com a temperatura absoluta (T).

Leis da termodinâmica

 1ª lei Para todo o sistema de massa constante, a quantidade de trabalho aplicado no ou pelo sistema é igual à quantidade de energia para ou do sistema.

 2ª lei A energia existe em vários níveis de temperatura, mas está disponível para uso somente se puder passar de um nível superior para um nível inferior de temperatura.

 3ª lei A entropia de uma substância se aproxima de zero quando a sua temperatura se aproxima de zero.

Compressão do ar

Existem quatro formas teóricas de compressão do ar. Destas, apenas a isotérmica e a isentrópica precisam ser consideradas como ciclos práticos para a compressão do ar. Além disso, existe um quinto ciclo, o politrópico, comumente utilizado como uma base para a estimativa de desempenho; que é o intermédio entre as curvas isotérmica e isentrópica. Isso é caracterizado pelo valor do expoente politrópico, n, um valor empírico que não é capaz de ter uma determinação teórica, mas que geralmente é aceito para vários tipos de compressores.

Nota: Isentrópica - Diz-se de uma transformação termodinâmica em que a entropia do sistema se mantém constante.

 Compressão Isotérmica

Trata-se de uma hipérbole do diagrama P-V. O trabalho realizado para comprimir e para distribuir o gás é igual à área sombreada no gráfico Isotérmico acima.

Nas unidades práticas adequadas a um compressor trabalhando continuamente:

onde p é em bar, q é a taxa de fluxo em l / s e W é a potência em kW.

Neste caso, o trabalho total inclui também a quantidade de calor extraída para manter a temperatura constante.

 Compressão Isentrópica Nenhum calor é extraído neste caso ea equação governante é:

O trabalho realizado na compressão é:

Como referido anteriormente, o trabalho realizado em unidades práticas citadas acima é dado por:

Note que p e qfazem referência às condições de admissão do compressor, que é a forma normal de citar o desempenho.

 Compressão Politrópica As equações necessárias para este tipo de compressão são obtidos por substituição dos Y por n, no expoentepolitrópico. Isto é mais do que para fins práticos um conceito que tem justificação teórica, n é normalmente obtida empiricamente ou por referência ao desempenho de compressores semelhantes.

Em contínuas condições de estado estacionário, é impossível atingir um ciclo isotérmico aproximado. A maioria das operações é adiabática. Isotérmico representa um objetivo teórico e, portanto a eficiência de uma unidade é geralmente calculada com base nisso.

3. Características dos Sistemas Pneumáticos

Analisando as características do ar comprimido comentadas anteriormente podemos explicitar algumas vantagens e desvantagens dos sistemas pneumáticos.

Entre as vantagens da utilização do ar comprimido temos:

• Facilidade de obtenção (volume ilimitado);
• Não apresenta riscos de faísca em atmosfera explosiva;
• Fácil armazenamento;
• Não contamina o ambiente (limpo e atóxico);
• Não necessita de linhas de retorno (escape para a atmosfera), ao contrário de sistemas elétricos e hidráulicos;
• Acionamentos podem ser sobrecarregados até a parada.

O ar apresenta vapor d'água (umidade) como comentado. Esse vapor d'água pode se condensar ao longo da linha pneumática dependendo das condições de pressão e temperatura. Se não houver um sistema para retirar a água, ela pode se acumular causando corrosão das tubulações. Para isso devem ser instalados drenos (purgadores), que podem ser manuais ou automáticos, colocados nos pontos mais baixos, distanciados aproximadamente 20 a 30m um do outro.

O ar também possui uma baixa viscosidade. A viscosidade mede a facilidade com que um fluido (gás ou líquido) escoa. Se um fluido tem baixa viscosidade implica que ele pode escoar por pequenos orifícios e, portanto a chance de ocorrer vazamentos é muito grande. Assim, vazamentos de ar em linhas pneumáticas são muito comuns.

Um ponto importante é a compressibilidade do ar. Se considerarmos um atuador pneumático que é essencialmente um pistão acionado pelo ar não conseguimos fazer esse pistão parar em posições intermediárias com precisão, pois o esforço na haste do pistão comprime o ar retirando o pistão da sua posição inicial de parada. Por isso, os atuadores pneumáticos possuem apenas duas posições limitadas por batentes mecânicos, uma vez que não é possível atingir posições intermediárias com precisão. Esse problema já não ocorre com os atuadores hidráulicos, pois o óleo é incompressível. Outra dificuldade imposta pela compressibilidade do ar é o controle e estabilidade da velocidade dos atuadores. Os atuadores pneumáticos não apresentam velocidades uniformes ao longo de seu curso.

Outro fator de extrema importância são os custos envolvidos, que quando levados em consideração para implantação dentro de uma indústria (produção, preparação, distribuição e manutenção), por exemplo, eles podem se considerados significativos. Entretanto o custo da energia é em parte compensado pelos elementos de preço vantajosos e pela rentabilidade do equipamento.

4. Produção, Distribuição e Tratamento do Ar Comprimido.

Qualidade do Ar

Os equipamentos pneumáticos (principalmente as válvulas) são constituídos de mecanismos muito delicados e sensíveis e para que possam funcionar de modo confiável, com bom rendimento, é necessário assegurar determinadas exigências de qualidade do ar comprimido:

• Pressão
• Vazão
• Teor de água
• Teor de partículas sólidas
• Teor de óleo

As grandezas de pressão e vazão estão relacionadas diretamente com a força e velocidade, respectivamente, do atuador pneumático. Cada componente pneumático tem sua especificação própria de pressão e vazão de operação. Para atender a essas especificações é necessária suficiente vazão no compressor, correta pressão na rede e tubulação de distribuição corretamente dimensionada em função da vazão. Já água, óleo e impurezas têm grande influência sobre a durabilidade e confiabilidade de componentes pneumáticos. O óleo em particular é usado para lubrificar os mecanismos dos sistemas pneumáticos. Assim o ar deve passar por um tratamento rigoroso, que envolve filtros, secadores e lubrificadores, antes de ser distribuído na fábrica.

Sistema de Produção e Preparação do Ar Comprimido

A figura mostra as etapas que o ar comprimido passa desde a sua geração e tratamento até ser distribuído nas máquinas. Em geral, o ar comprimido é produzido de forma centralizada e distribuído na fábrica. Para atender às exigências de qualidade, o ar após ser comprimido sofre um tratamento que envolve:

• Filtração
• Resfriamento
• Secagem
• Separação de impurezas sólida e líquidas inclusive vapor d'água

Geração, tratamento e distribuição do ar comprimido.

parte na forma de entalpia. Posteriormente, o escoamento estabelecido no impelidor é recebido por um órgão fixo denominado difusor, cuja função é promover a transformação da energia cinética do gás em entalpia, com consequente ganho de pressão.

Os compressores dinâmicos efetuam o processo de compressão de maneira contínua, portanto corresponde exatamente ao que se denomina, em termodinâmica, um volume de controle.

Os compressores de maior uso na indústria são os alternativos, de palhetas, de parafuso, de lóbulo, centrífugos e axiais. Na figura abaixo essas espécies podem ser assim classificadas:

Tipos de Compressores

Numa comparação grosseira, pode-se dizer que os compressores de deslocamento positivo são adequados para maiores pressões e menores vazões e os dinâmicos, para menores pressões e maiores vazões.

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

 Critérios para a Escolha de Compressores Ao escolher o compressor correto para uma determinada instalação, os seguintes fatores devem ser levados em consideração:

• Máxima, mínima e média demanda. Se existe uma necessidade intermitente de ar, um conjunto de compressores de grande porte é necessário para satisfazer os requisitos de pico, a instalação pode ser muito pouco econômica, a não ser que o sistema de controle seja bem projetado. Dependendo das características do pico de procura (ou seja, se é a longo ou curto prazo), pode ser conveniente considerar um grande reservatório de ar como uma alternativa econômica para um grande compressor.
• Condições ambientes - altitude, temperatura e umidade. Em elevadas altitudes, devido a baixa densidade do ar, a eficiência do compressor e a sua capacidade são reduzidas. Muita umidade pode resultar em grandes quantidades de água que precisam ser eliminadas.

• Métodos de refrigeração disponível - disponibilidade de água de refrigeração ou temperatura ambiente para o arrefecimento do ar. A possibilidade de utilizar o calor residual para o aquecimento de espaços ou para aquecimento do processo deve ser considerada.
• Fatores Ambientais - ruído e vibração. Alicerces especiais podem ser necessários, particularmente para compressores alternativos.
• Requisitos para o pessoal de manutenção qualificado.

O próprio meio escolhido para a compressão do ar é provavelmente menos importante para o comprador de uma unidade completa do que é o preço de compra e custos de funcionamento. Para pequenos compressores utilizados na construção civil ou para uma utilização intermitente, o custo inicial é um parâmetro importante. Para grandes instalações permanentes, a fábrica, os custos de funcionamento (em particular os custos off-carga) são mais importantes. O desenvolvimento de métodos mais sofisticados de controle permite que praticamente qualquer tipo de compressor possa ser utilizado de forma eficiente. O gráfico abaixo mostra o mapa de ampla aplicação de alguns tipos de compressores.

Legenda:

Axial = Fluxo Axial Reciprocating = Alternativos Rotary = Rotativos Blower = Palhetas Centrifugal = Centrífugo

Pressão (bar)

Capacidade do compressor (l/s)

Desempenho generalizado para diferentes tipos de compressores.

 Impureza Na prática, sempre se encontram exemplos em que se dá muito valor à boa qualidade do ar comprimido. A impureza em forma de partículas de sujeira ou ferrugem, de restos de óleo e umidade provoca em muitos casos interrupção nas instalações pneumáticas, podendo ainda destruir os elementos pneumáticos. A separação grossa da água condensada se faz através do separador, logo após o refrigerador. A separação fina, filtragem e um possível outro tratamento do ar comprimido são feitos no lugar de trabalho. É de grande importância dar a maior atenção à umidade eventualmente presente no ar comprimido. A água (umidade) já entra na rede juntamente com o ar aspirado pelo compressor. O grau de umidade depende em primeiro lugar da umidade relativa do ar que está na dependência da temperatura do ar e da situação atmosférica.

A umidade absoluta é a quantidade de água encontrada em 1Nm³de ar. A quantidade de saturação é a quantidade de água admitida por 1Nm³ a uma certa temperatura.

 Secador É o elemento intermediário entre a linha de distribuição e o reservatório. É composto por um filtro para a retirada das impurezas e um condensador que tem como função separar e retirar ao máximo a água do ar.

Secagem do Ar

O ar possui água na forma de vapor. Este vapor d'água é aspirado pelo compressor junto com o ar. Esse vapor pode se condensar ao longo da linha dependendo da pressão e temperatura. A água acumulada pode ser eliminada através de filtros separadores de água e drenos dispostos ao longo da linha. No entanto um filtro não pode eliminar vapor d'água e para isso são necessários secadores.

Para entendermos os princípios da secagem do ar vamos usar o fato que o ar é equivalente a uma esponja. Se a esponja estiver saturada de água, não poderá absorver mais água. Da mesma forma se a umidade do ar atingir o seu valor máximo, o mesmo não poderá absorver mais vapor d'água. Comprimindo uma esponja não saturada, diminuímos sua quantidade de água, o que é equivalente a aumentar a pressão do ar e ocorrer condensação do vapor d'água. Ao resfriar a esponja, seus poros diminuem de volume, eliminando água.

Essa analogia nos sugere métodos para retirar o vapor d'água do ar. Existem quatro métodos de secagem.

Vejamos cada um deles:

 Resfriamento: Consiste em se resfriar o ar o que reduz o seu ponto de orvalho. O ar é resfriado circulando-o por um trocador de calor (serpentina com fluido refrigerante) como mostrado na figura:

Processo de resfriamento para a secagem do ar.

O ponto de orvalho (umidade) alcançado com esse método situa-se entre 2ºC e5ºC. Note que a região após o resfriador é uma região onde há grande ocorrência de condensação na linha pneumática.

 Adsorção: Opera através de substâncias secadoras que por vias físicas (efeito capilar) adsorvem (adsorver - admitir uma substância à superfície da outra) o vapor d'água do ar, as quais podem ser regeneradas através de ar quente. Assim os sistemas de adsorção possuem um sistema de circulação de ar quente em paralelo para realizar a limpeza do elemento secador como mostrado na figura. Devem ser usados dois secadores em paralelo, pois enquanto um está sendo limpo o outro pode ser usado.

Secagem por adsorção.