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CAPÍTULO 1
GERAÇÃO DO AR COMPRIMIDO
Neste capítulo é apresentado uma introdução a pneumática, um resumo dos
fundamentos físicos do ar e as características da geração e distribuição do ar com-
primido.
No final deste capítulo o estudante deverá ser capaz de
- entender o funcionamento de uma unidade de geração de ar comprimido
- identificar os componentes de uma unidade de geração de ar comprimido
- especificar e dimensionar um compressor
- especificar e dimensionar um reservatório de ar comprimido
- especificar um secador de ar comprimido
- especificar e dimensionar filtros
- dimensionar uma rede de distribuição de ar comprimido
1.1 Introdução a Pneumática A pneumática é a ciência que trata do uso do ar comprimido como meio de trans- missão de potência. A palavra pneumática deriva do grego “pneumatikos” que significa fôlego. Ela se divide em dois domínios: a primeira compreendendo a preparação do ar comprimido (sucção, filtragem, compressão, secagem, armazenamento, classificação e distribui- ção) e a segunda é a utilização deste ar preparado como elemento de transmissão de energia mecânica para realizar trabalho. A utilização do ar como meio de transmissão de potência tem como vantagens:
- (^) existe em quantidade ilimitada.
- (^) é uma energia limpa. Não gera resíduos. Vazamentos não prejudicam e nem sujam o ambiente.
- (^) sua distribuição é feita por tubulação padronizada comerciais e pode chegar a distâncias consideráveis com baixa perda de carga. Não necessita retorno uma vez que o ar utilizado é descarregado na atmosfera, diferente de sistemas que utilizam fluidos como óleo como nos sistemas hidráulicos, que retornam para o tanque.
- (^) fácil armazenamento até mesmo em grandes quantidades. Os reservatórios são relativamente de simples construção uma vez que o ar estando em baixa pressão os vasos de pressão são menos exigidos.
- (^) O ar comprimido tem suas propriedades muito pouco alteradas com a variação de temperaturas, podendo trabalhar próximo a ambientes quentes.
- (^) é uma energia segura, não apresenta risco a saúde.
- (^) permite altas velocidades de atuação, sendo a principal característica da pneumática.
- (^) devido a baixa pressão de trabalho, quando comparado a outras tecnologias, os elementos pneumáticos podem ser de construção mais simples e menos robustos.
- (^) sua disponibilidade e simplicidade de compressão são fatores que barateiam a geração do ar comprimido. Os sistemas pneumáticos de um modo geral, trabalham com baixa pressão. Na saída dos compressores comerciais essa pressão varia de 8 a 15 Kg/cm^2 (113 a 215 psi), dependendo do tipo e modelo de compressor. A pressão de utilização do ar com- primido na industrial é de 6 kg/cm^2.
Figura 1.1 – Classificação da pressão 1.2.2 Volume Volume é a quantidade de espaço ocupado por um corpo. A unidade de volume é cúbico, m^3 , cm3,^ in^3 , etc. O volume sob condições normais é medido a 0º C e 1,01325 bar conforme norma DIN 1343. O volume de trabalho depende das condições de momento. A temperatura, pres- são atmosférica e umidade do ar são levadas em conta. A indicação do volume de tra- balho deve ser precedido do valor da pressão. Por exemplo: 10 m^3 a 6 bar. Para uma temperatura constante o volume será uma função da pressão. P 0. V 0 = P 1. V 1. Vazão: vazão de ar é o volume que passa por uma seção por unidade de tempo. É medido em l/min, m^3 /min, m^3 /h, etc. Vazão Normal: Vazão normal é medido exatamente como se mede a vazão, po- rém as condições de medição não são a de entrada do ar e sim a uma condição teórica que são: Temperatura = 273,13 ºK (0ºC) Pressão: 1, 01325 bar (760 mmHg) Densidade do ar: 1, 294 kg/m^3 (ar seco)
1.3 Geração do ar comprimido 1.3.1 Unidade de Geração de Ar Comprimido A unidade de geração de ar comprimido é compostas pelos equipamentos que serão responsáveis pela sucção, compressão e preparação do ar para serem utilizados pelas máquinas e equipamentos. Esta unidade deve ser instalada em local apropriado, e deve obedecer alguns re- quisitos para que o ar comprimido gerado seja de boa qualidade e de menor custo. Primeiramente deve-se escolher um local, de preferência externo a planta indus- trial, para evitar que o barulho do compressor e equipamentos contamine o ambiente de trabalho. Estudos demonstram que o nível de ruído no ambiente industrial aumenta em 10 dB se a unidade de geração de ar comprimido estiver próxima. Este local deve ser longe de ambientes geradores de partículas em suspensão como ruas, passagens ou caminhos em chão batido ou pó de pedra, ambientes de esmerilhamento ou jatea- mento de areia que levantam poeiras e que serão aspirados pelo compressor, entupin- do os filtros e diminuindo a vida útil dos equipamentos e acessórios. Também deve ficar longe de ambiente de vapor e elementos voláteis nocivos ao ser humano. Deve ser protegido de sol e chuva e deve ser totalmente arejado e protegido contra acidentes. Uma proteção com tela ao mesmo tempo que protege a unidade de acesso de pessoas não autorizadas, deixa a unidade totalmente arejada e protegida. O dimensionamento de uma unidade de geração de ar comprimido deve levar em conta a necessidade de demanda de ar para fazer operar as máquinas, equipamentos e ferramentas. Normalmente, este levantamento é feito listando todos os elementos que precisarão de ar comprimido na unidade fabril e sua quantidade, acrescentando um fator de segurança. Perdas de carga na tubulação e perdas por vazamento, também precisam ser consideradas. Estima-se que elas representam 5% da demanda total e precisa ser acrescida ao cálculo de consumo. Recomenda-se considerar uma sobra, na ordem de 40% da demanda final, pois a constante necessidade de ampliação implicará em maior consumo e rever o dimensio- namento de uma unidade de geração de ar comprimido, sempre será economicamente dispendioso. Definido o valor total da demanda, será possível dimensionar o compressor e o reservatório.
A melhor forma de se iniciar o dimensionamento de um compressor é listando as ferramentas, equipamentos e máquinas que utilizarão ar comprimido, somar as de- mandas necessárias e estabelecer um percentual a mais para uma futura expansão. Com este valor determinar quantos compressores deverão ser especificados para atender esta demanda. Outra análise importante é comparar o uso de vários compres- sores ou somente um compressor. Normalmente, adotar somente um compressor, re- sultará em um custo menor, mas deixará todo o processo dependente de um único equipamento. Ter mais de um compressor, diminuirá a dependência do processo em um único equipamento, permitirá ligar e desligar gradativamente os compressores con- forme a demanda, mas representará um custo maior na aquisição e exigirá uma área maior para sua instalação. Existem vários tipos de compressores para diversas atividades.
- Compressores ordinários
- Compressores para sistemas industriais
- Compressores de gás ou de processo
- Compressores de refrigeração
- Compressores para serviços de vácuo. Estamos interessados nos compressores para sistemas industriais. Os demais tipos de compressores podem ser estudados em bibliografias específicas. 1.4.1 Compressores para Sistemas Industriais Existem vários tipos de compressores que são utilizados pela indústria, cada um tem sua aplicação específica. A figura 1.3 mostra um fluxograma, com os tipos de com- pressores industriais e suas subdivisões.
Figura 1.3 – Tipos de compressores Os compressores mais utilizados nas industrias para geração de ar comprimido são os compressores de êmbolo e os compressores rotativos de parafusos helicoidais. O primeiro pelo custo baixo do equipamento, comparado com o rotativo, apesar de exi- gir mais manutenção e o segundo pelo volume gerado, atendendo uma demanda exi- gida por médias e grandes empresas. 1.4.2 Compressores Alternativos Esses compressores também são conhecidos por compressores a pistão ou êm- bolo. Funcionam alternando um movimento linear no pistão, dentro de um cabeçote, transmitido por um excêntrico que recebe rotação de um motor, tendo uma biela como elemento de ligação entre o pistão e o excêntrico. Este movimento alternado suga o ar da atmosfera quando o pistão desce e o comprimi quando sobe. As figuras 1.4a e 1.4b ilustram o movimento do pistão.
1.4.4 Compressor alternativo de duplo pistão
Compressores com mais de um pistão tem como característica produzir um
maior volume de ar (com dois ou mais cilindros de diâmetros iguais) e poderem ter
variadas pressões (com dois ou mais cilindro com diâmetros diferentes). A figura
1.6 mostra esquematicamente esse tipo de compressor com aumento de pressão.
Figura 1.6 – Compressor duplo cilindro com aumento de pressão. 1.4.5 Compressores rotativos Dentre os compressores rotativos o que mais se destaca para utilização na indus- tria é o de duplo parafuso. Este tipo de compressor além de silencioso, produz ar com- primido de forma contínua e isento de óleo. Produz alta vazão e sua manutenção é baixa. Seu custo é maior quando comparado aos alternativos, mais o custo/benefício compensa. Tem muita utilização nas indústrias. A figura 1.7 mostra esquematicamente o formato dos parafusos utilizados neste tipo de compressor e a figura 1.8 a simbologia de compressores. Figura 1.7 – Forma esquemática de parafusos de compressores rotativos
Figura 1.8 - Simbologia de compressores 1.5 Reservatórios Em uma unidade de geração de ar comprimido o reservatório cumpre várias tare- fas importantes. Além de servir para armazenar o ar comprimido gerado pelo compres- sor, tornando-se um pulmão de reserva, estabiliza a rede de distribuição contra eventu- ais oscilações, permite troca de calor do ar armazenado com o ambiente. Os reservatórios são vasos de pressão, que devem ser projetados e construído conforme normas técnicas. Seu volume de armazenamento deve ser determinado em função da demanda necessária na planta fabril. Normalmente os reservatório tem como acessórios: manômetros, termômetro vál- vula de escape, flange de entrada, flange de saída, janela de visita e saída de expurgo. A posição do reservatório na vertical ou horizontal dependerá do tamanho do re- servatório e da área disponível para instalação. A figura 1.9 mostra esquematicamente um reservatório e a figura 1.10 a simbolo- gia. Figura 1.9 – Reservatórios
1.6.2 Secador por absorção Este tipo de secador trabalha com elemento químico. Utiliza o cloreto de cálcio como elemento de secagem, por ser muito hidrófilo. O cloreto de cálcio em contato com o ar, absorve a umidade. Não necessita de energia externa e tem manutenção simples, fazendo apenas a troca do cloreto quando este estiver saturado. A figura 1.12 mostra esquematicamente um secador por absorção. Figura 1.12 – Sistema de secagem do ar comprimido por absorção 1.6.3 Secador por adsorção Secador que utiliza um elemento chamado silicagel, que atrai as moléculas de água para sua superfície quando o ar passa por ele. Quando saturado, basta um aque- cimento do silicagel para evaporar a água retida. Necessita de energia externa para regenerar (evaporar) o condensado, sem ne- cessidade de parada do sistema para isso, uma vez que se utiliza dois reservatórios, enquanto um está em serviço o outro está em regeneração. A figura 1.13 mostra esquematicamente um secador por adsorção.
Figura 1.13 – Sistema de secagem do ar comprimido por adsorção Figura 1.14 – Simbologia de secadores 1.7 Filtros Os filtros são elementos utilizados para limitar partículas no ar comprimido, sepa- rar e expurgar a água, reter o óleo que é arrastado pelo ar vindo do compressor, elimi- nar odores ou eliminar vírus e bactérias. A quantidade e os tipos de filtros a serem utili- zados em uma unidade de geração e tratamento do ar, dependem da qualidade que se deseja na saída desde ar na unidade. A norma DIN ISO 8573 estabelece classes do ar comprimido, conforme a presença de partícula, condensado e óleo. A tabela 1.1 mostra os valores a serem adotados para cada classe de ar conforme DIN ISO 8573.
indicado estrangulará o fluxo diminuindo a vazão. A queda de pressão com a introdução do filtro fica na ordem de 0,02 a 0,2 bar. A medida que o filtro vai ficando sujo a queda de pressão vai aumentando e o limite eco- nomicamente permissível fica em torno de 0,6 bar. Acima disso uma limpeza ou a troca do filtro torna-se necessário. 1.8 Redes de distribuição As redes de distribuição de ar são construídas com tubulações comerciais, devi- damente dimensionadas e disposta ao longo da planta industrial, levando o ar compri- mido para utilização em máquinas e equipamentos pneumáticos, que através de rede secundária capta da rede principal o ar que necessita. A forma de distribuição e o perfeito dimensionamento é importante em uma rede de distribuição. Por precisar de uma manutenção regular, as tubulações não devem ser embuti- das. Isso dificulta a detecção de vazamentos, mudanças de posições das redes secun- dárias ou inserção de nova linha. A instalação das redes de distribuição devem ser realizadas com cuidado e sua manutenção bem planejada, pequenos vazamento ocasionam grandes perdas de pres- são e custos elevados para reposição. Por causa do condensado que se forma nas tubulações a captação do ar pelas tubulações secundárias deve ser feito pela parte superior do tubulação principal, como mostrado na figura 1.15. Também um declive de 1 a 3% nas tubulações horizontais deve ser considerado para que o condensado possa escorrer até algum purgador loca- lizado na tubulação ou no final da linha, na parte inferior do tubo. Assim diminui-se ou evita-se a captação de água que chega até os elementos que utilizam o ar. Figura 1.15 – Rede secundária
1.8.1 Rede aberta Rede aberta é a rede que leva ar comprimido através de uma tubulação principal distribuindo pelas redes secundárias ao longo da linha. A figura 1.16 mostra esquema- ticamente uma rede de distribuição aberta. Figura 1.16 – Rede de distribuição aberta A distribuição do ar por uma rede aberta precisa ser bem definida e dimensiona- da, diminuindo a seção do tubo logo após cada captação de uma linha secundária, para que as próximas linhas secundárias não fiquem com pouca vazão ou tenha queda de pressão quando estão funcionando concomitantemente. 1.8.2 Rede fechada Normalmente a rede de distribuição de ar são fechadas, permitindo que o ar ve- nha de ambas as direções. Quando o consumo de ar é grande, consegue-se com isso uma vazão e pressão mais uniforme.
tão, em casos especiais. Devem ser resistentes a corrosão, de fácil instalação e baixo custo. A tubulação em tubo galvanizado é mais resistente a corrosão do que os tubos preto, porém são usados com roscas que se oxidam e uma unidade de conservação deve ser utilizada. A tubulação principal, normalmente é executada em tubo preto e soldado, o que simplifica a instalação e melhora a estanqueidade.
1.9 Questões para revisão
- O que é pneumática?
- Quais as vantagens da utilização do ar comprimido como energia?
- Qual é o valor da pressão de trabalho do ar comprimido?
- Defina pressão atmosférica.
- Qual o valor em Pascal da pressão atmosférica ao nível do mar?
- Defina pressão relativa.
- Defina pressão absoluta.
- Qual a relação entre pressão e volume em um regime isotérmico?
- O que é vazão normal?
- O que é uma unidade de geração de ar comprimido?
- Quais os componentes de uma unidade de geração de ar comprimido?
- Defina compressor.
- Quais os tipos de compressores são adequados para a indústria?
- Quais os principais parâmetro necessários para definir um compressor?
- Para uma industria de médio porte que necessita de alta demanda de ar compri- mido, qual compressor é o mais adequado para sua unidade de geração de ar?
- Quais os tipos de secadores que podem ser utilizados em uma unidade de gera- ção de ar comprimido?
- Qual a finalidade dos filtros em uma unidade de geração de ar comprimido?
- O que é unidade de conservação?
- O que é classe de ar comprimido?
- O que precisa ser especificado na compra de um filtro de partículas sólidas?
- Quais os tipos de rede de distribuição de ar?
- Quais materiais são utilizados para uma tubulação de ar comprimido?
- O que é uma linha secundária?
