apostila pneumatica, Notas de estudo de Engenharia de Manutenção

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Escola Técnica SENAI Plínio Gilberto Kroeff - CETEMP

Curso Técnico Mecânica de Precisão

Pneumática Básica

Viviane Dorneles

Tobias Mugge

São Leopoldo, 6 de Outubro de 2008

Introdução à Pneumática

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 consciente para o trabalho, são comprovados há milhares de anos. O primeiro homem que, com certeza, sabemos se interessou pela pneumática, isto é, o emprego do ar comprimido como meio auxiliar de trabalho, foi o grego ktesibios. Há 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 1^0 século D.C e descreve equipamentos que foram acionados com ar aquecido. Dos antigos gregos provem à expressão “PNEUMA” que significa fôlego, vento e, filosoficamente, alma. Derivando da palavra “PNEUMA”, surgiu, entre outros, o conceito de “PNEUMÁTICA”: a MATÉRIA dos movimentos 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 indústria. 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, e nos mais diferentes ramos industriais instalam-se aparelhos pneumáticos.

Propriedades do ar

1. Compressibilidade: O ar tem a propriedade de ocupar todo o volume de qualquer recipiente, adquirindo ser formato, já que não forma própria. Assim podemos fechá-lo em um recipiente com volume determinado e posteriormente provocar-lhe uma redução de volume usando uma força exterior. 2. Elasticidade: Possibilita ao ar voltar ao seu volume inicial assim que instinto a força responsável pela redução. 3. Difusibilidade: Permite misturar-se homogeneamente com qualquer meio gasoso que não esteja saturado.

4. Expansibilidade: Ocupa totalmente o volume de qualquer recipiente, adquirindo seu formato. 5. Peso do ar: Como toda matéria o ar tem peso. Um litro de ar, a 0ºC e ao nível do mar, pesa 1, x 10-3^ Kgf.

O ar quente e mais leve do que o ar frio

Exercícios:

1. Converta: 150 bar = psi 300 psi = kgf/cm² 15 atm = psi 195 lb/pol^2 = bar 3,5 kgf/cm^2 = lb/pol^2 35 lb/pol^2 = Kgf/cm^2

Força, pressão e área

Força: É toda causa capaz de modificar o estado de movimento ou causar deformações. É uma grandeza vetorial, e para ser caracterizada devemos conhecer sua intensidade, sentido e direção.

Pressão: quando o ar ocupa um recipiente exerce sobre suas paredes uma força igual em todos os sentidos e direções. Ao se chocarem as moléculas produzem um tipo de bombardeio sobre essas paredes, gerando assim um pressão.

Vazão: quantidade de fluido que passa através de uma tubulação durante um determinado intervalo de tempo. (Q = V/ t).

P= Pressão F= Força A= Área

Força = Pressão x Área Pressão = Força / Área Área = Força / Pressão

Fixação: Qual dos elementos exerce maior pressão sobre a terra? Sabendo que: Peso elefante: 4000 Kgf (^) Área sobre o solo: Pata ∅ 600mm = 2830 cm^2 x 4 Peso da bailarina: 50 Kgf Área sobre o solo: 30x 80mm = 2,4 cm^2

Em um solo arenoso como deve estar à calibragem dos pneus. Mais cheios ou mais murchos? Pq?

Utilizando a mesma força de lançamento, qual das fechas irá perfurar a fruta? Pq?

Exercícios:

1. Calcular a força utilizando uma pressão de 6 bar em uma área 5 cm^2.

2. Calcule a área de um cilindro para uma pressão de 200 psi e uma força de 500 Kgf.

Produção e distribuição de ar comprimido

1. Compressor
2. Resfriador posterior ar/ar
3. Separador de condensados
4. Reservatório
5. Purgador automático
6. Pré-filtro coalescente
7. Secador
8. Purgador automático eletrônico
9. Pré-filtro coalescente grau x
10. Pré-filtro coalescente grau y
11. Pré-filtro coalescente grau z
12. Separador de água e óleo

Umidade O ar atmosférico é uma mistura de gases, principalmente de oxigênio e nitrogênio, e contém contaminantes de três tipos básicos: água, óleo e poeira. O compressor, ao admitir ar, aspira também os seus compostos e, ao comprimir, adiciona a esta mistura o calor sob a forma de pressão e temperatura, além de adicionar óleo lubrificante. Componentes com água sofrerão condensação e ocasionarão problemas. Sabemos que a quantidade de água absorvida pelo ar está relacionada com a sua temperatura e volume. Quando o ar é resfriado à pressão constante, a temperatura diminui, então a parcial do vapor será igual à pressão de saturação no ponto de orvalho. Qualquer resfriamento adicional provocará condensação da umidade. Denomina-se Ponto de Orvalho o estado termodinâmico correspondente ao início da condensação do vapor d'água, quando o ar úmido é resfriado e a pressão parcial do vapor é constante. A presença desta água condensada nas linhas de ar, causada pela diminuição de temperatura, terá como conseqüências:

• Oxidação da tubulação e componentes pneumáticos.
• Dissolução da película lubrificante existente entre as duas superfícies que estão em contato, acarretando desgaste prematuro e reduzindo a vida útil das peças,válvulas, cilindros, etc.
• Baixo rendimento da produção de peças.
• Arraste de partículas sólidas que prejudicarão o funcionamento dos componentes pneumáticos.
• Aumento do índice de manutenção
• Impossibilidade da aplicação em equipamentos de pulverização. Portanto, é da maior importância que grande parte da água, bem como dos resíduos de óleo, seja removida do ar para evitar redução de todos os dispositivos e máquinas pneumáticas.

Principais componentes de produção e distribuição de ar comprimido:

**1. Compressor

2. Resfriador
3. Reservatório
4. Secador
5. Tubulação
6. Unidade de conservação**

êmbolo, além do que, a força de empuxo não é mais transmitida ao cilindro de compressão e sim às

paredes guias da cruzeta. O êmbolo efetua o movimento descendente e o ar é admitido na câmara

superior, enquanto que o ar contido na câmara inferior é comprimido e expelido. Procedendo-se o

movimento oposto, a câmara que havia efetuado a admissão do ar realiza a sua compressão e a que

havia comprimido efetua a admissão. Os movimentos prosseguem desta maneira, durante a marcha

do trabalho.

Cilindros (Cabeçotes) São executados, geralmente, em ferro fundido perlítico de boa resistência mecânica, com dureza suficiente e boas características de lubrificação devido à presença de carbono sob a forma de grafite. Pode ser fundido com aletas para resfriamento com ar, ou com paredes duplas para resfriamento com água (usam-se geralmente o bloco de ferro fundido e camisas de aço). A quantidade de cilindros com camisas determina o número de estágios que podem ser: Êmbolo (pistão) O seu formato varia de acordo com a articulação existente entre ele e a biela. Nos compressores de S.E., o pé da biela se articula diretamente sobre o pistão e este, ao subir, provoca empuxo na parede do cilindro. Em conseqüência, o êmbolo deve apresentar uma superfície de contato suficiente. No caso de D.E., o empuxo lateral é suportado pela cruzeta e o êmbolo é rigidamente preso à haste. Os êmbolos são feitos de ferro fundido ou ligas de alumínio.

Compressor de pistão com membrana

Compressor de palheta

Compressor Roots ou lóbulo

Resfriador

Para resolver de maneira eficaz o problema inicial da água nas instalações de ar comprimido, o equipamento mais completo é o resfriador posterior, localizado entre a saída do compressor e o reservatório, pelo fato de que o ar comprimido na saída atinge sua maior temperatura. O resfriador posterior é simplesmente um trocador de calor utilizado para resfriar o ar comprimido. Como conseqüência deste resfriamento, permite-se retirar cerca de 75% a 90% do vapor de água contido no ar, bem como vapores de óleo; além de evitar que a linha de distribuição sofra uma dilatação, causada pela alta da temperatura de descarga do ar. Um resfriador posterior é constituído basicamente de duas partes: um corpo geralmente cilíndrico onde se alojam feixes de tubos confeccionados com materiais de boa condução de calor, formando no interior do corpo uma espécie de colméia. A segunda parte é um separador de condensado dotado de dreno. Devido à sinuosidade do caminho que o ar deve percorrer, provoca a eliminação da água condensada, que fica retida numa câmara. A parte inferior do separador é dotada de um dreno manual ou automático na maioria dos casos, através do qual a água condensada é expulsa para a atmosfera. Certamente, a capacidade do compressor influi diretamente no porte do resfriador. Função:
Resfriar o ar;
Reter impurezas em suas aletas
Retirar a água do sistema (65% a 80%)

Reservatório

Em geral, o reservatório possui as seguintes funções

• Armazenar o ar comprimido.
• Resfriar o ar auxiliando a eliminação do condensado. SIMBOLOGIA
• Compensar as flutuações de pressão em todo o sistema de distribuição.
• Estabilizar o fluxo de ar.
• Controlar as marchas dos compressores, etc. Os reservatórios são construídos no Brasil conforme a norma PNB 109 da A.B.N.T, que recomenda: Nenhum reservatório deve operar com uma pressão acima da Pressão Máxima de Trabalho permitida, exceto quando a válvula de segurança estiver dando vazão; nesta condição, a pressão não deve ser excedida em mais de 6% do seu valor. Manutenção e inspeção obedece a norma NR13. Os reservatórios devem ser instalados de modo que todos os drenos, conexões e aberturas de inspeção sejam facilmente acessíveis, o mesma deve permanecer na sombra, para facilitar a condensação da umidade e do óleo contidos no ar comprimido; deve possuir um dreno no ponto mais baixo para fazer a remoção deste condensado acumulado. Os reservatórios são dotados ainda de manômetro, válvulas de segurança, e são submetidos a uma prova de pressão hidrostática, antes da utilização.

Secagem Por Absorção É o método que utiliza em um circuito uma substância sólida ou líquida, com capacidade de absorver outra substância líquida ou gasosa. Este processo é também chamado de Processo Químico de Secagem, pois o ar é conduzido no interior de um volume através de uma massa higroscópica que absorve a umidade do ar, processando-se uma reação química As principais substâncias utilizadas são: Cloreto de Cálcio, Cloreto de Lítio, Dry-o-Lite. Com a conseqüente diluição das substâncias, é necessária uma reposição regular, caso contrário o processo torna-se deficiente. A umidade retirada e a substância diluída são depositadas na parte inferior do invólucro, junto a um dreno, de onde são eliminadas para a atmosfera.

Secagem Por Adsorção É a fixação das moléculas de um adsorvato na superfície de um adsorvente geralmente poroso e granulado, ou seja, é o processo de depositar moléculas de uma substância (ex. água) na superfície de outra substância, geralmente sólida (ex.SiO2). Este método também é conhecido por Processo Físico de Secagem, o processo de adsorção é regenerativo; a substância adsorvente, após estar saturada de umidade, permite a liberação de água quando submetida a um aquecimento regenerativo.

Rede de Distribuição

A rede possui duas funções básicas:

1. Comunicar a fonte produtora com os equipamentos consumidores.
2. Funcionar como um reservatório para atender às exigências locais. Um sistema de distribuição perfeitamente executado deve apresentar os seguintes requisitos: Pequena queda de pressão entre o compressor e as partes de consumo; Não apresentar escape de ar; Apresentar grande capacidade de realizar separação de condensado. Visando melhor performance na distribuição do ar, o layout deve ser construído em desenho isométrico ou escala, permitindo a obtenção do comprimento das tubulações nos diversos trechos. O layout apresenta a rede principal de distribuição, suas ramificações, todos os pontos de consumo, incluindo futuras aplicações; qual a pressão destes pontos, e a posição de válvulas de fechamento, conexões, curvaturas, separadores de condensado, etc. Através do layout, pode-se então definir o menor percurso da tubulação, acarretando menores perdas de carga e proporcionando economia. Em relação ao tipo de linha a ser executado, anel fechado (circuito fechado) ou circuito aberto , devem-se analisar as condições favoráveis e desfavoráveis de cada uma. Geralmente a rede de distribuição é em circuito fechado deste anel partem as ramificações para os diferentes pontos de consumo. O Anel fechado auxilia na manutenção de uma pressão constante, além de proporcionar uma distribuição mais uniforme do ar comprimido para os consumos intermitentes, dificulta porém a separação da umidade, porque o fluxo não possui uma direção. Válvulas de fechamento na linha : São de grande importância na rede de distribuição para permitir a divisão desta em seções, especialmente em casos de grandes redes, fazendo com que as seções tornem-se isoladas para inspeção, modificações e manutenção. Assim, evitamos que outras seções sejam simultaneamente atingidas, não havendo paralisação do trabalho e da produção. Material dos tubos: Cobre, latão, aço preto ou galvanizado, plástico. Ligações entre os tubos: Processam-se de diversas maneiras, rosca, solda, flange, acoplamento rápido, devendo apresentar a mais perfeita vedação. Curvatura: As curvas devem ser feitas no maior raio possível, para evitar perdas excessivas por turbulência. Inclinação: As tubulações devem possuir uma determinada inclinação no sentido do fluxo interior. O valor desta inclinação é de 0,5 a 2% em função do comprimento reto da tubulação onde for executada. Drenagem de umidade: devem ser instalados drenos (purgadores), que podem ser manuais ou automáticos, colocados nos pontos mais baixos, distanciados aproximadamente 20 a 30m um do outro. Tomadas de Ar: Devem ser sempre feitas pela parte superior da tubulação principal (bengalas)