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Universidade Federal De São João del rei
Comandos Hidráulicos e
Pneumáticos
Ar comprimido
(fluido pneumático)
Profº: Jorge dos Santos
Introdução
Nos diversos processos industriais, os sistemas de ar comprimido desempenham papel fundamental na produção e representam parcela expressiva do consumo energético da instalação. Entretanto, nem sempre estas instalações recebem os cuidados devidos, passando a ser uma fonte constante de desperdícios. O ar pode ser comprimido através de bombas,compressores e outros aparelhos, para várias finalidades. O uso mais comum é encontrado nos pneus. No posto de gasolina ou no borracheiro, uma bomba elétrica chamada compressor enche um bujão de ar solta o ar comprimido para dentro do pneu. Depois de um tempo, o compressor volta a carregar o bujão de ar. O ar comprimido serve para manter um carro em movimento. Faz com que o pneu absorva os buracos e segure o carro nas curvas, mantendo a maciez do veículo e o conforto dos passageiros. O ar comprimido também pode ser usado para pistolas de pintura, enchimento de balões, pulverização de agrotóxicos.
O ar comprimido é uma importante forma de energia, insubstituível em diversas aplicações e resultado da compressão do ar ambiente, cuja composição é uma mistura de oxigênio (~20,5%), nitrogênio (~79%) e alguns gases raros. Em diversas atividades produtivas o Ar Comprimido complementa ou substitui com vantagens a energia elétrica. Suas aplicações mais usuais são: indústrias, hospitais, consultórios odontológicos, captação de água, tratamento de esgoto, sistemas auto matizados em geral, construção civil, agricultura, aviação, navegação, siderurgia, limpeza, tratamento de superfícies, extração de petróleo, etc. Atualmente, cerca de 5 bilhões de toneladas de ar são comprimidas por ano em todo o planeta, gerando um consumo de 400 bilhões de kWh a um custo de 20 bilhões de dólares. São números que provocam um grande impacto no meio ambiente, mas que poderiam ser substancialmente reduzidos com medidas racionais. Na indústria, um metro cúbico de ar à pressão de 7 bar custa cerca de meio centavo de dólar (1,0 m³ ar ~ R$ 0,025) apenas em energia. Em função das perdas decorrentes da transformação de energia, o ar comprimido (energia pneumática) pode custar de sete a dez vezes mais do que a energia elétrica para realizar uma aplicação similar, embora isso seja normalmente compensado pelas vantagens de flexibilidade, conveniência e segurança proporcionadas pela energia pneumática. Mesmo assim, é importante sempre verificar se o ar comprimido é realmente necessário para aquela tarefa particular ou se pode ser substituído pela eletricidade. O importante é ter em mente que o consumo racional do ar comprimido deve ser uma preocupação constante entre os usuários.
1 – Instalações e Equipamentos
A quantidade e o tipo de cada equipamento utilizado é função da aplicação do ar comprimido. Aplicações mais críticas exigem sistemas redundantes, com fontes de energia alternativas, para garantir o suprimento de ar comprimido em situações de emergência. Outras aplicações irão requerer um sistema de purificação do ar mais sofisticado, com monitoração constante do nível de contaminação, afim de evitar danos irreversíveis aos usuários. Um sistema de ar comprimido corretamente projetado irá proporcionar maior confiabilidade e eficiência nas ferramentas pneumáticas, bem como diminuirá os custos com energia. Esse sistema compreende três componentes principais: o compressor, a rede de distribuição e os pontos de consumo.
1.1 - Geração de Ar comprimido
Os compressores e demais equipamentos de geração, tratamento e armazenamento de ar comprimido situam-se na categoria de utilidades, tais como caldeiras, geradores, tratamento, bomba etc.
custo da tubulação e menor perda de pressão. Outro aspecto importante para assegurar a aspiração de um ar limpo é a instalação no compressor de um filtro de admissão de ar (no mínimo a 2 metros acima do solo e 2,5 metros de distância de qualquer parede). Devem ser instalados diretamente na entrada do compressor. Em linhas de aspiração muito longas, poderá haver condensação de água e nesse caso, aconselha-se o uso de separadores de umidade antes do cilindro. No caso de várias máquinas deve-se usar de preferência, um duto para cada uma. Em relação a tubulação de descarga do ar, esta deve ser de diâmetro igual ou superior ao da saída do compressor e ser a mais curta possível até o resfriador posterior ou ao reservatório pulmão. Um compressor de ar deve ter necessariamente um sistema de regulagem de capacidade de tal ordem que adapte sua produção as condições de consumo. Os tipos básicos para compressores de deslocamento positivo são: a) Parada e partida O motor elétrico que aciona o compressor é desligado quando a pressão do reservatório atinge um determinado valor. Geralmente utilizado em compressores pequenos e serviço intermitente. b) Velocidade constante O motor elétrico que aciona o compressor permanece sempre ligado. Quando a pressão do reservatório atinge determinado valor pré-fixado, a válvula de aspiração será deslocada e permanecerá aberta. A partir desse momento, todo ar aspirado será descarregado pela válvula. c) Duplo controle Permite operar o compressor dos dois modos (Parada/Partida e Velocidade Constante) por intermédio de uma chave seletora. Recomendada para casos de consumo irregular com picos de demanda por um certo período e longos períodos de pouca ou nenhuma utilização de ar comprimido. Atualmente os sistemas de controle dos compressores utilizam a tecnologia dos inversores de freqüência. Desse modo, a velocidade do motor elétrico é continuamente ajustada dependendo da demanda de ar, resultando em considerável economia de energia. Isso elimina a necessidade de alterar o controle para "partida" e "parada" ou então promover uma atuação na válvula de sucção. Quanto ao nível de pureza do ar comprimido, é conveniente fazer uma distinção entre aplicação crítica e não-crítica. Mesmo com a utilização obrigatória dos mais sofisticados equipamentos de tratamento de ar comprimido, as aplicações críticas (hospitais, laboratórios, ar para respiração humana, etc.) deverão ser equipados com compressores do tipo não-lubrificados (isentos de óleo), eliminando-se o risco de um lançamento excessivo de óleo no sistema, no caso de um acidente com os separadores de óleo dos compressores lubrificados.
Quantidade de Compressores: Assim que a vazão total do sistema for definida, estabeleça um fator entre 20% e 50% para futuras ampliações e selecione dois compressores que, somados, atendam essa vazão. Um terceiro compressor, da mesma capacidade, pode ser adicionado ao sistema como stand by. Em conjunto, os três compressores podem ser programados para operar num sistema de rodízio, proporcionando o mesmo nível de utilização para todos. Essa configuração é, sob qualquer aspecto, a mais vantajosa para o usuário, pois garante o suprimento de ar comprimido, presente e futuro, com o menor risco de falha. Verifique a potência e a vazão efetivamente produzida pelo compressor. Cuidado com informações do tipo “volume deslocado”, pois costumam omitir as perdas ocorridas no processo de compressão.
De qualquer maneira, a definição da quantidade correta de compressores e seu regime de trabalho será fortemente influenciada pelo perfil de consumo de ar comprimido, que deverá ser traçado com a melhor precisão possível no momento do projeto.
Tratamento do Ar Comprimido
A contaminação do ar comprimido é a soma da contaminação do ar ambiente com outras substâncias que são introduzidas durante o processo de compressão. O ar ambiente é contaminado por partículas sólidas (poeira, microorganismos, etc.), vapor d’água (umidade relativa), vapores de hidrocarbonetos (fumaça de óleo diesel, etc.), dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxido nitroso, dióxido de enxofre, etc. Durante o processo de compressão, o ar comprimido também é contaminado pelo óleo lubrificante do compressor e por partículas sólidas provenientes do desgaste das peças móveis do mesmo. Na tubulação de distribuição, o ar comprimido
ainda pode arrastar ferrugem e outras partículas. A norma ISO-85731 classifica os
contaminantes do ar comprimido e suas unidades de medida da seguinte maneira:
Contaminante Dimensão Concentração Ponto de orvalho Sólidos μm mg/m³ -x Água -x- -x- °C Óleo -x- mg/m³ -x-
A pressão e a temperatura do ar comprimido potencializam os efeitos prejudiciais de todos esses contaminantes. A redução gradual da temperatura do ar comprimido ao longo da tubulação causa a condensação de alguns contaminantes gasosos. Ao atingirem a fase líqüida (condensado), esses contaminantes estarão presentes no fluxo de ar comprimido sob diferentes aspectos, desde um conjunto amorfo (filete de condensado) depositado nas partes inferiores da tubulação e dos equipamentos, passando por pequenas gotas e chegando até a aerossóis microscópicos dispersos entre as moléculas do ar comprimido.
Norma IS0-8573-
A norma internacional ISO-8573-1 é a referência central sobre a qualidade do ar comprimido para uso geral, não valendo para usos muito particulares, como ar medicinal, respiração humana e alguns outros. As classes de qualidade do ar comprimido são definidas em função dos seus três contaminantes típicos: água, óleo e partículas sólidas. Há também uma norma própria - ISO-7183 - que trata do projeto e testes de desempenho de secadores de ar. Secadores instalados em climas temperados devem obedecer a norma ISO-7183-A, que especifica a temperatura ambiente em 25°C e a temperatura de entrada do ar no secador em 35°C. Secadores instalados em climas tropicais devem obedecer a norma ISO- 183-B, que especifica a temperatura ambiente em 38°C e a temperatura de entrada do ar no secador em 38°C.
utilizados conforme a aplicação do ar comprimido e a posição do filtro no sistema. Aplicações menos severas, bem como os pré-filtros, exigem elementos com menor capacidade de retenção.
O secador de ar comprimido
Sua função é eliminar a umidade (líquido e vapor) do fluxo de ar. Um secador deve estar apto a fornecer o ar comprimido com o Ponto de Orvalho especificado pelo usuário. Ponto de Orvalho é a temperatura na qual o vapor começa a condensar. Há dois conceitos principais de secadores de ar comprimido: por refrigeração (cujo Ponto de Orvalho padrão é +3 ºC) e por adsorção (com Ponto de Orvalho mais comum de –40ºC). Os secadores de ar comprimido possuem uma norma internacional (ISO- 7183) de especificações e testes. Esta norma faz uma importante diferenciação dos secadores em função da localização geográfica dos mesmos. Faixas de temperatura de operação mais altas são definidas para equipamentos instalados em regiões mais quentes do planeta, exigindo uma adaptação dos mesmos a condições mais adversas.
A seguir, uma ilustração de uma instalação típica de ar comprimido, onde podemos ver um esquema onde são mostrados os principais componentes:
Figura01: retirado de http://www.metalplan.com.br/pdf/br2/manual_de_ar_comprimido.pdf
Armazenamento de Ar Comprimido
Para o cálculo rápido do volume de um reservatório de ar, adota-se a seguinte regra: Para compressores de pistão: Volume do reservatório = 20% da vazão total do sistema medida em m³/min. Exemplo:
- Vazão total = 5 m³/min
- Volume do reserv. = 20% x 5 m³/min = 1,0 m³
Para compressores rotativos: Volume do reservatório = 10% da vazão total do sistema medida em m³/min. Exemplo:
- Vazão total = 5 m³/min
- Volume do reserv. = 10% x 5 m³/min = 0,5 m³ Para um cálculo mais sofisticado, deve-se adotar uma fórmula que considera a vazão de ar requerida pelo sistema num determinado intervalo em função do decaimento máximo de pressão aceitável nesse intervalo. Encontrado o volume total de armazenamento de ar necessário para o sistema, recomenda-se dividi-lo em dois reservatórios menores, de igual capacidade, sendo o primeiro instalado logo após o compressor de ar e antes do pré-filtro e o segundo logo após o pós-filtro. Esse arranjo - um reservatório de ar úmido e um reservatório de ar puro e seco - traz inúmeros benefícios, como o ajuste perfeito do ciclo carga/alívio dos compressores, a proteção de todo o sistema contra vazamentos de óleo acidentais pelos compressores, o amortecimento de pulsações, a proteção dos rolamentos dos compressores, o fornecimento adequado de ar tratado para o consumo e a proteção dos equipamentos de tratamento de ar contra picos de vazão que viriam do primeiro reservatório, caso não houvesse o segundo. Finalmente, um aspecto fundamental na seleção de reservatórios de ar comprimido é a segurança. A ocorrência de acidentes fatais envolvendo reservatórios fora de normas técnicas e sem as inspeções periódicas obrigatórias pela legislação brasileira é mais freqüente do que se imagina. Um reservatório deve sempre atender a PMTA (Pressão Máxima de Trabalho Admissível) do sistema, ser projetado, fabricado e testado conforme um conjunto de normas nacionais e internacionais (NR-13, ASME, etc.), possuir instalados seus acessórios mínimos obrigatórios (manômetro e válvula de segurança) e receber uma proteção anti-corrosiva interna e externa de acordo com sua exposição à oxidação.
Distribuição de Ar Comprimido
Uma rede de ar comprimido corretamente dimensionada garante uma baixa perda de carga (queda de pressão) entre a geração e o consumo, resultando num suprimento de ar adequado aos usuários, além de uma significativa economia de energia. Sempre que possível, interligue entre si as extremidades da rede de ar, a fim de facilitar a equalização das pressões. O circuito em anel fechado é um lay-out de rede correto e bastante comum. Mesmo que o ar comprimido seja tratado, convém construir a rede com uma pequena inclinação no sentido do fluxo de ar e instalar algumas válvulas nos pontos inferiores da mesma, visando captar o condensado formado durante eventuais paradas dos equipamentos de tratamento. Com relação aos materiais da tubulação, dê preferência aos resistentes à oxidação, como aço galvanizado, aço inoxidável, alumínio, cobre e plásticos de engenharia. Utilize também conexões de raio longo para minimizar a perda de carga. Para um bom desempenho de todo o sistema, não permita que os vazamentos ultrapassem 5% da vazão total do mesmo.
