Sistemas Pneumáticos

Sistemas Pneumáticos

(Parte 1 de 4)

Nestor Agostini cca@cca.ind.br

Rio do Sul 2009

1.Introdução: Desenvolvimento da Técnica do ar comprimido e propriedades dos gases 1

O ar comprimido é, provavelmente, uma das mais antigas formas de transmissão de energia que o homem conhece, empregada e aproveitada para ampliar sua capacidade física.O reconhecimento da existência física do ar, bem como a sua utilização mais ou menos consciente para o trabalho, são comprovados há milhares de anos.

O primeiro homem que, com certeza, sabemos ter-se interessado pela pneumática, isto é, o emprego do ar comprimido como meio auxiliar de trabalho, foi o grego Ktésibios que á mais de 2000 anos, ele construiu uma catapulta a ar comprimido. Um dos primeiros livros sobre o emprego do ar comprimido como transmissão de energia, data do 1º século d.C. e descreve equipamentos que foram acionados com ar aquecido.

Dos antigos gregos provem a expressão "PNEUMA" que significa fôlego, vento e, filosoficamente, a alma. Derivando da palavra "PNEUMA", surgiu, entre outros, o conceito de "PNEUMÁTICA" ciência que estuda o movimento dos gases e fenômenos dos gases.

Embora, a base da pneumática seja um dos mais velhos conhecimentos da humanidade, foi preciso aguardar o século XIX para que o estudo de seu comportamento e de suas características se tornasse sistemático. Porém, pode-se dizer que somente após o ano 1950 é que ela foi realmente introduzida na produção industrial.

Antes, porém, já existiam alguns campos de aplicação e aproveitamento da pneumática, como, por exemplo, a indústria mineira, a construção civil e a indústria ferroviária (freios a ar comprimido).

A introdução, de forma mais generalizada, da pneumática na indústria, começou com a necessidade, cada vez maior, de automatização e racionalização dos processos de trabalho. Apesar de sua rejeição inicial, quase sempre proveniente da falta de conhecimento e instrução, ela foi aceita e o número de campos de aplicação tornou-se cada vez maior.

Hoje, o ar comprimido tornou-se indispensável para a automação industrial que tem como objetivo retirar do homem as funções de comando e regulação conservando apenas as funções de controle. Um processo é considerado automatizado quando este é executado sem a intervenção do homem, sempre do mesmo modo com o mesmo resultado.

Pressão Manométrica É a pressão feita através de manômetros onde indica a pressão relativa ( Pe. ) não registra a pressão atmosférica;

Portanto em termos de pressão absoluta é necessário somar mais uma atmosfera ( 1 atm. ) ao valor indicado no manômetro. ( verifique no gráfico ).

( Pabs.)(pe.) sobre pressão
Pressão absoluta ou manométrica

Atm. Pressão atmosférica.

Variação da Pressão atm. Atm.

( - Pe. ) Depressão

Ponto “zero” Vácuo

Figura 1.1: Pressão atmosférica absoluta e relativa

As unidades de pressão mais utilizadas são: atm., bar, Kgf/ cm², Kp/cm² e PS/ (Lb/pol² )
Para cálculos aproximados consideramos: 1 atm. = 1,013 bar = 1 Kgf/cm² = 14,7 PSI.
Consideramos para o estudo dos gases :
- Utiliza-se com freqüência, a pressão absoluta; Pois as pressões indicadas em ( Pabs ).
- Utiliza-se a temperatura em Kelvins, na escala também conhecida como escala de temperatura absoluta;
As escalas de temperatura mais usadas são:

Leis físicas dos gases -Celsius (ºC ) com 100 Divisões. Kelvin ( K ) com 100 Divisões :Fahrenheit (ºF ) com 180 Divisões.

Comparativo das escalas:
ºC100 K 373 ºF 212
100 Div100 div. 100 div.
0 273 32
“Zero absoluto”

Figura 1.2: Escalas de temperaturas

Lei de Boyle – Mariottes (transformação isométrica)

“Os volumes ocupados pelos gases a uma mesma temperatura são inversamente proporcionais as pressões que suportam” ( transformação Isométrica ).

P. V1 = P2 . V2 = P3 . V3 = Constante.

Exemplo:

Qual é a pressão P2 resultante ?

Temos 1 cilindro onde um volume V1 = 1m³ sob pressão P 1 = 1 bar é reduzido pela força ao volume V 2 = 0,5m³ mantendo-se a temperatura. F

F
V1
P1V2

P2 Figura 1.3: Transformação isométrica

Lei de Gay – Lussac (transformação isobárica)

V1 = T1 ( transformação isobárica )
V2 T2

Os volumes específicos ocupados pelo gás a uma mesma pressão são diretamente alterados quando há oscilações de temperatura.

Considerando do que o gás , mantido sob pressão constante aumenta de 1/273 K ( 0ºC ) de seu volume, aplicado em qualquer gás, sempre que a temperatura aumenta de 1K obtemos:

Vt2 = V t1 +Vt1 . (T2 – T1) Vt1 = Volume na temperatura T1
273Vt2 = Volume na temperatura T2
Expansão do ar ( m³ )
Qual será o volume final?
Para:
V1 = 0,9m³
T1 = 100 K (≅ 50ºC) este gás será aquecido para T2 = 344 K ( ≅ 71ºC).
VT2 = VT1 + VT1( T2 – T1 )
273
VT2 = 0,9+ 0,9 . ( 344 – 100 ) K
273Resolver Primeiro

Exemplo

VT2 = 1,7m³( O ar se expandiu em 0,8m³ resultando um volume final de 1,7m³ )

VT2 = 0,9 + 0,8m³

Lei de Charles (transformação isométrica)

As pressões suportadas pelos gases que ocupam um mesmo volume, são diretamente proporcionais as suas temperaturas absolutas. ( Transformação Isométrica )

P 2 = 1 bar. 1m³= 2 bar
T1 T2
Um certo volume de ar em um recipiente possui uma temperatura T1=293K á uma pressãoP1

P1 = P2 = Constante Exemplo: = 1 bar e será submetido para uma temperatura de 586 K; Qual será a pressão final ( P 2 ).

P1= P2 P1 . T2 = T1 . P2 P 2 = P1 . T2.
T1 T2 T1
P2= 1 bar . 586 k
P2=586
293
P2= 2 bar
T1T2
P1
P1 P2

293 k Figura 1.4: Transformação isobárica

Aquecendo uma massa de ar comprimido de uma temperatura T1 para T2 (T1<T2) Temas.

Aumento do volume. Aumento da pressão.

Aumento do volume e da pressão.

Principio de Pascal.

Em 1652 um cientista francês Blaise Pascal (1623-1662) através do estudo no comportamento dos fluidos, enunciou um princípio muito importante na Física, o Princípio de Pascal: "A pressão exercida em um ponto qualquer de um fluido estático é a mesma em todas as direções e exerce forças iguais em áreas iguais".

Figura 1.5: Princípio de Pascal 1.2 Características da Pneumática.

•Trabalha com baixa pressão e alta velocidade (4m/s). •Velocidade e força facilmente controladas.

•Circuito aberto, não possui retorno do ar.

•Energia facilmente armazenável e transportável.

•Fácil instalação e manutenção de equipamentos.

•Fluido e componentes insensíveis a variação de temperatura.

•Aplicação altamente flexível.

•Necessita de tratamento do ar a ser utilizado.

•Perdas por vazamento reduzem sua eficiência.

•Fluido compressível provoca movimentos irregulares nos atuadores.

•Limitação da força máxima de trabalho em função da pressão (3.0 kgf).

•Escape de ar ruidoso.

1.3 Aplicações da pneumática

A pneumática pode ser usada em todos os segmentos industriais e de transporte para a realização de movimentos lineares, rotativos e outros.

Movimentos lineares: Fixar, levantar, alimentar, transportar, abrir, fechar. Movimentos rotativos: Lixar, furar, cortar, aparafusar, rosquear. Outros: Pulverizar, pintar, soprar, transportar.

1.4 Composição de um sistema pneumático.

Geração Transmissão Controle Transmissão Atuadores

1.5 Características do ar Comprimido.

Quantidade: O ar a ser comprimido, é encontrado em quantidade ilimitado na atmosfera.

Transporte: O ar comprimido é facilmente transportável por tubulações, mesmo para distâncias consideravelmente grandes. Não há necessidade de se preocupar com o retorno do ar.

Armazenamento: O ar pode ser sempre armazenado em um reservatório e, posteriormente ser utilizado ou transportado.

Temperatura: O trabalho realizado com o ar comprimido é insensível às oscilações de temperatura. Isto garante um funcionamento seguro em situações extremas.

Segurança: Não existe o perigo de explosão ou de incêndio. Portanto não são necessárias custosas proteções contra explosões.

Velocidade: O ar comprimido devido a sua baixa viscosidade é um meio de transmissão de energia muito veloz.

Preparação: O ar comprimido requer boa preparação. Impurezas e umidade devem ser evitadas, pois provocam desgaste nos elementos pneumáticos

Limpeza: O ar comprimido é limpo, mas o ar de exaustão dos componentes libera óleo pulverizado na atmosfera.

Custo: Estabelecendo o valor 1 para a energia elétrica a relação com a pneumática e hidráulica:

De 3 a 5 o custo da energia hidráulica

De 7 a 10 o custo da energia pneumática.

Esta avaliação é apenas orientativa, considerando apenas o custo energético, sem considerar os custos de componentes. Considerando os valores de válvulas e atuadores o custo fica relacionado como:

2.PROPRIEDADES FÍSICAS DO AR

externa resultando no aumento de sua pressão
ViVf < Vi Vf

Compressibilidade: Propriedade do ar que permite a redução do seu volume sob a ação de uma força

Fig. 2.1: Compressibilidade do ar.

Elasticidade: Propriedade do ar que possibilita voltar ao seu volume inicial uma vez extinta a força externa responsável pela redução de volume.

Vi Vf > Vi Vf Fig. 2.2: Elasticidade do ar.

Difusibilidade: Propriedade do ar que permite misturar-se homogeneamente com qualquer meio gasoso que não esteja saturado.

Volumes contendo ar e gases: Válvula fechada.

Quando a válvula é aberta temos uma mistura homogênea.

Fig. 2.3: Difusibilidade do ar.

Expansibilidade: Propriedade do ar que possibilita ocupar totalmente o volume de qualquer recipiente, adquirindo o seu formato.

Possuímos um recipiente contendo ar, a válvula na situação 1 está fechada.

Quando a válvula é aberta o ar expande assumindo o formato dos recipientes.

Fig. 2.4: Expansibilidade do ar.

Peso: como toda matéria concreta o ar tem peso e este peso é de 1,293 x 10-3 Kgf a 0° C e ao nível do mar.

Fig. 2.5: Peso do ar.

3. GRANDEZAS PNEUMÁTICAS

3.1 Pressão: força exercida por unidade de área. 8

P= F/A p = pressão

F = força A = Área

Pressão manométrica: É a pressão registrada nos manômetros.

Pressão atmosférica: É o peso da coluna de ar da atmosfera em 1 cm2 de área. A pressão atmosférica varia com a altitude, pois em grandes alturas, a massa de ar é menor do que ao nível do mar. No nível do mar a pressão atmosférica é considerada 1 Atm (1,033 Kgf/cm2).

Pressão absoluta: É a soma da pressão manométrica com a pressão atmosférica. Quando representamos a pressão absoluta, acrescentamos o símbolo (a) após a unidade ex PSIa, Kgf/cm2a

3.1.1 Unidades de pressão:

Sistema internacional = Pa = N/m2. Unidade métrica = Kgf/cm2, atm, bar. Unidade inglesa = psi (pounds per Square Inches), lb/pol2.

Relação entre as unidades de pressão:

psi atm 0,06804 psi bar 0,0671 psi kgf/cm² 0,07031 psi MPa 0,00689 atm psi 14,7 atm bar 1,013 atm kgf/cm² 1,033 atm MPa 0,10132 bar psi 14,50 bar atm 0,9869 bar kgf/cm² 1,02 bar MPa 0,1 kgf/cm² bar 0,9807 kgf/cm² psi 14,2 kgf/cm² atm 0,9678 kgf/cm² MPa 0,098 MPa bar 10 MPa psi 145,04 MPa atm 9,87 MPa kgf/cm² 10,2

3.1.2 Variação da pressão atmosférica em relação à altitude.

Figura 3.1: Variação da pressão atmosférica.

Altitude em M

Pressão em kg/cm²

Altitude em M

Pressão em kg/cm²

Variação da pressão atmosférica.

3.1.3. Vazão: volume deslocado por unidade de tempo.

Q = V/tQ = Vazão

V = Volume deslocado t = tempo

- L/s:Litros por segundo.
- L/min:Litros por minuto.

Unidades de vazão 10

- m³/h:Metros cúbicos por hora.
- cfm:(Cubic feet for minute), pcm.

- m³/min: Metros cúbicos por minuto. Relação entre as unidades de vazão:

POR

Conversão entre unidades de vazão.

Estas unidades se referem a quantidade de ar - ou gás - comprimido efetivamente nas condições de temperatura e pressão no local onde está instalado o compressor. Como estas condições variam em função da altitude, umidade relativa e temperatura, são definidas condições padrão de medidas, sendo que as mais usadas são:

Nm³/h: Normal metro cúbico por hora - definido à pressão de 1,033 kg/cm2, temperatura de 0°C e umidade relativa de 0%.

SCFM: Standard cubic feet per minute - definida à pressão de 14,7 lb/pol2, temperatura de 60°F e umidade relativa de 0%.

4. SIMBOLOGIA/ RESUMO

Na área de pneumática a simbologia utilizada é, praticamente, um padrão mundial. Em seguida tabelas com os principais símbolos utilizados nesta área.

Linhas de fluxo:

Linha de trabalho e retorno. Linha de pilotagem.

Indicação de conjunto de funções ou componentes.

Mangueira flexível.

União de linhas.

Linhas cruzadas e não conectadas.

Possibilidade de regulagem ( Inclinação à 45º ).

Direção do fluxo.

Fluxo pneumático. Sentido de rotação

Fontes de energia: Mmotor elétrico.

Acoplamentos

Mmotor térmico. Acoplamento

Acoplamento com proteção.

Compressores: 13

Compressor de deslocamento fixo unidirecional

Condicionadores de energia:

1.2 1.3Separador com dreno manual.

1.4Separador com dreno automático. Filtro com separador e dreno manual.

Desumidificador de ar. Lubrificador.

Reservatório de ar:

Válvulas direcionais: 14

3/2 vias 4/3 vias

Métodos de acionamento:

Detente ou trava Manual

Mecânico (rolete)

Pedal Alavanca

Botão Mola

Solenóide

Piloto Duplo acionamento

Conversores rotativos de energia: 16

Motor de deslocamento fixo bidirecional.

Osciladores.

Conversores lineares de energia: simples ação ou simples efeito.

De dupla ação ou duplo efeito.

De haste dupla Com amortecimento regulável.

Válvulas controladoras de vazão: 17

Orifício fixo Orifício variável

Orifício variável com retorno livre (By pass)

Válvula de retenção:

Simples Válvula alternadora (Elemento OU).

Válvula seletora (Elemento E).

Válvula reguladora de pressão: Alivio ou segurança.

Redutora de pressão

Instrumentos e acessórios:

Manômetro.

Vacuômetro.

Termômetro. Medidor de vazão (Rotâmetro).

Filtro.

Registro fechado.

Registro aberto. Figura 4.1: Simbologia pneumática

5.O CIRCUITO PNEUMÁTICO

Os circuitos pneumáticos são geralmente abertos, ou seja, não há retorno do fluido, visto que o fluido é o próprio ar e seu custo não justificaria uma estrutura de retorno. A figura seguinte mostra um sistema pneumático clássico:

Figura 5.1: Sistema pneumático genérico 20

3. COMPRESSORES

A norma americana ANSI estabeleceu algumas cores como padrão para melhor visualizar os processos a ar comprimido. Apresentamos abaixo as cores utilizadas pelo ANSI (American National Standard Institute), que substitui a organização ASA: sua padronização de cores é bem completa e abrange a maioria das necessidades de um circuito. Vermelho: Indica pressão de alimentação, pressão normal do sistema, é a pressão do processo de transformação de energia; ex.: compressor. Violeta: Indica que a pressão do sistema de transformação de energia foi intensificada; ex.: multiplicador de pressão. Laranja: Indica linha de comando, pilotagem ou que a pressão básica foi reduzida; ex.: pilotagem de uma válvula. Amarelo: Indica uma restrição no controle de passagem do fluxo; ex.: utilização de válvula de controle de fluxo.

Azul: Indica fluxo em descarga, escape ou retorno; ex.: exaustão para atmosfera. Verde: Indica sucção ou linha de drenagem; ex.: sucção do compressor. Branco: Indica fluido inativo; ex.: armazenagem.

5.1. Definição de compressor: Compressores são máquinas destinadas a elevar a pressão de certo volume de ar até uma determinada pressão, exigida na execução dos trabalhos realizados pelo sistema de ar comprimido. A bomba de encher pneu de bicicleta é um exemplo simples de compressor. Como ilustrado pelo diagrama, esta máquina simples incluí cilindro, pistão, copo de vedação de couro, haste de pistão, cabo, e válvula de retenção. Se o pistão estiver na parte superior de seu curso, o ar atmosférico no cilindro será comprimido quando o cabo for empurrado para baixo. Quando o ar no cilindro atingir uma pressão levemente maior que a pressão na linha ligada à bomba, a válvula de retenção se abrirá e o ar será descarregado do cilindro. Quando o pistão atingir a base do cilindro, a válvula de retenção se fechará. Quando o pistão for puxado para cima novamente, para a parte superior do curso empurrado para baixo o copo de vedação de couro flexível que deixará o ar atmosférico penetrar no cilindro. Quando o pistão empurrado para baixo, o corpo de vedação atuará como uma válvula de retenção, vedando o espaço entre o cilindro e o pistão.

Figura 6.1: Compressor elementar

Uma bomba a vácuo é um compressor que opera com uma pressão de entrada menor que a pressão atmosférica, e com uma pressão de descarga próxima da pressão atmosférica ou maior.

5.2. Eficiência de compressores de ar A eficiência de um compressor é de suma importância no projeto de um sistema de ar comprimido. Notar que uma baixa eficiência significa um maior consumo de energia durante toda a vida útil do compressor. Podemos dizer que um compressor eficiente é aquele que desloca maior quantidade de ar, aquecendo o mínimo possível e com menor esforço. Resumindo, é aquele que possui melhor eficiência volumétrica e adiabática (ou térmica). Eficiência Volumétrica: Indica o quanto de ar que o compressor consegue comprimir e quanto é perdido através de vazamentos. Por exemplo, se um compressor tem capacidade de 10 litros de ar de deslocamento, mas apenas 7,2 litros são deslocados, sua eficiência é de 72%. Um compressor com 45% de eficiência deverá ter o dobro do tamanho, para deslocar o dobro de ar e se comparar ao mesmo volume deslocado por um outro compressor de 90% de eficiência.

(Parte 1 de 4)

Comentários