Dimensionamento de Ar Comprimido em uma Sala

10m 5m 5m 10m 5 pontos de UTILIZAÇÃO RELATÓRIO PROVA A1 Visando sempre a melhoria continua dos processos de fabricação você andou observando a área de montagem da empresa onde trabalha e chegou à conclusão de que uma canalização de ar comprimido iria melhorar a produtividade de seus subordinados Levou essa questão ao seu gerente que demonstrou muito interesse na idéia No entanto solicitou o repasse das informações referentes à implantação do sistema pneumático Após análise e levantamento de dados você concluiu que a linhatronco possui as seguintes características Comprimento da tubulação linear 3032 m Perda de carga admitida 03 kgfcm² Pressão de regime 9 8 PS I a Volume de ar corrente 300 m³h Aumento da capacidade prevista nos próximos 10 anos 60 Além disso você determinou que as seguintes singularidades devem ser utilizadas 7 Rês rosqueados com fluo em ramal 8 Ruvlas do tipo gaveta rosqueadas 5 curvas de 90 de raio longo CENTRO UNIVERSITÁRIO AUGUSTO MOTTA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA XXXXXXXXXXXXX DIMENSIONAMENTO DE LINHAS DE AR COMPRIMIDO ALUNOS PROFESSOR letra 12 times new roman direita maiúscula RIO DE JANEIRO RJ ANO letra 12 times new roman centralizado maiúscula 1 INTRODUCAO O emprego de ar comprimido nas indústrias é amplamente justificado devido à sua capacidade de transmitir energia em diversas aplicações industriais Especificamente ele transporta energia pneumática que é convertida em energia mecânica durante a maioria dos processos De acordo com Bosch 2008 o ar comprimido tem sido utilizado para otimizar as operações de trabalho na indústria ganhando cada vez mais destaque em variadas aplicações No entanto foi somente na segunda metade do século XIX que o ar comprimido começou a ser utilizado em escala industrial Fialho 2011 observa que o uso generalizado do ar comprimido no Brasil ocorreu na década de 1960 durante o crescimento da indústria automobilística A adoção desse recurso foi impulsionada pela necessidade de produção em massa que exigia um alto volume de operações repetitivas e por consequência a redução de custos e tempo de produção Nas indústrias o ar comprimido é frequentemente utilizado como um eficaz meio de transmissão de energia destacandose por sua alta eficiência e sendo essencial em várias áreas Ele permite realizar operações com flexibilidade contribuindo para a otimização das tarefas economia e segurança no ambiente de trabalho Este estudo propõe o dimensionamento de um sistema de ar comprimido para uma empresa situada em HorizontinaRS A empresa em questão ainda não possui uma rede de distribuição adequada para alguns de seus novos equipamentos o que restringe certas atividades de produção como a movimentação de chapas acabamento e montagem de conjuntos 1 11 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 111 AR COMPRIMIDO A compressão do ar atmosférico produz uma fonte energética denominada ar comprimido que é caracterizado por ser puro incolor e inodoro composto por oxigênio 21 nitrogênio 78 e uma pequena fração de gases raros 1 METALPLAN 2010 Esta forma de energia armazenada sob alta pressão é fundamental para o funcionamento de equipamentos pneumáticos e é utilizada em diversos processos de fabricação industrial onde desempenha papéis essenciais no acionamento mecânico no transporte de materiais e na propulsão de ferramentas pneumáticas KARMOUCHE 2009 112 UTILIZAÇÃO DO AR COMPRIMIDO De acordo com Rollins 2004 o ar comprimido oferece múltiplas aplicações devido à sua simplicidade flexibilidade e segurança beneficiando unidades fabris de todos os tamanhos Suas principais utilizações incluem Operação de ferramentas e motores pneumáticos Sistemas de pintura Jatos de areia Componentes pneumáticos tanto lubrificados quanto não lubrificados Ar para instrumentação Ar para respiração Teares a jato de ar Aeração em tratamento de efluentes Processamento de alimentos Transporte pneumático O custo associado ao uso de ar comprimido é significativo considerando a energia necessária para sua produção Anualmente aproximadamente cinco bilhões de toneladas de ar são comprimidas consumindo cerca de 400000 GWh de energia Para comparação a usina hidrelétrica de Itaipu gerou 86000 GWh em 2010 enquanto o consumo energético do Brasil foi de 420000 GWh no mesmo ano O custo total associado ao ar comprimido alcançou cerca de 33 bilhões de reais METALPLAN 2010 113 PRODUÇÃO E PREPARAÇÃO DO AR COMPRIMIDO Segundo Jesus 2012 antes de ser utilizado o ar comprimido passa por várias etapas essenciais para assegurar o funcionamento adequado dos equipamentos pneumáticos e para prolongar a vida útil de seus componentes Essas etapas incluem a geração o tratamento e a distribuição do ar nas máquinas O ar é inicialmente aspirado pelo compressor passa por um filtro que retém impurezas protegendo o compressor Posteriormente o ar é comprimido elevando sua temperatura o que exige um processo de resfriamento com auxílio de um resfriador A etapa seguinte envolve a secagem do ar para remover a umidade presente Após essa fase o ar é armazenado em um reservatório para garantir um suprimento constante e evitar acionamentos contínuos do compressor A última etapa é a distribuição do ar através da rede ajustada para atender às necessidades específicas de cada equipamento com a ajuda de unidades de preparação de ar JESUS 2012 114 FILTRO DE AR Os filtros são dispositivos essenciais na purificação do ar responsáveis por manter a presença de partículas abrasivas e sujeira dentro de limites aceitáveis assegurando assim o funcionamento eficaz e a longevidade do sistema de ar comprimido Estes filtros eficientemente capturam umidade e partículas do ar CORADI 2011 Em um sistema de ar comprimido os filtros são estrategicamente posicionados em três locais antes do secador de ar após o secador e no ponto de utilização METALPLAN 2010 De acordo com Metalplan 2010 o filtro instalado antes do secador préfiltro tem a função de capturar condensado e impurezas residuais que não foram removidas durante o processo de resfriamento melhorando assim a eficiência do secador Por outro lado o filtro posicionado após o secador pósfiltro tem o papel de eliminar a umidade remanescente e partículas sólidas Coradi 2011 menciona que o ar que flui através da rede de distribuição pode conter umidade impurezas e contaminantes Embora a maior parte dessas impurezas seja eliminada durante o tratamento do ar partículas menores que não são capturadas podem acumularse nas tubulações e são transportadas pelo fluxo de ar comprimido até os equipamentos pneumáticos agindo como abrasivos e prejudicando seu funcionamento O filtro no ponto de uso é crucial para minimizar esses problemas garantindo a qualidade do ar fornecido É também vital considerar o filtro de admissão de ar junto ao compressor Durante a operação os compressores movimentam grandes volumes de ar que embora invisíveis a olho nu contêm impurezas que podem se acumular se a entrada de ar não estiver situada em um local adequado BUCK 2004 115 SECADOR DE AR O vapor de água presente no ar pode condensar devido às variações de pressão e temperatura ao longo da rede de distribuição do ar comprimido Drenos e filtros separadores de água desempenham o papel de remover esse condensado da linha pneumática No entanto esses componentes não são capazes de remover vapor de água tornando o uso de secadores de ar uma solução conveniente SILVA 2002 Gresh citado por Coradi 2011 destaca que adquirir um secador de ar comprimido representa um alto investimento inicial para a empresa podendo corresponder a 25 do custo total da instalação do sistema de ar comprimido No entanto os benefícios proporcionados pelo secador como a minimização dos danos causados pelo ar úmido compensam o investimento inicial Existem várias tecnologias para a secagem do ar comprimido sendo as três principais Secagem por refrigeração Este método é o mais comum nas indústrias O ar comprimido quente entra e passa por um trocador de calor arar sendo préresfriado pelo ar frio que sai do secador Em seguida passa por outro trocador de calor reduzindo sua temperatura a aproximadamente 3ºC o que condensa e elimina o vapor dágua do sistema Para que o ar seja filtrado ele é reaquecido passando novamente pelo trocador de calor arar ELETROBRÁS 2005 Secagem por absorção Utiliza um dessecante para absorver a umidade O dessecante tem muitos poros pequenos que retêm água permitindo que uma pequena quantidade de dessecante capture uma grande quantidade de água As vantagens incluem um baixo ponto de orvalho e custos de operação moderados BUCK 2004 Secagem por adsorção Funciona através de substâncias secadoras que adsorvem o vapor dágua Este sistema inclui um arranjo para circulação de ar quente permitindo a regeneração do elemento secador O dessecante típico usado é o dióxido de silício ou sílica gel Apesar de ser mais caro é o método mais eficaz para reter umidade SILVA 2002 116 REDES DE DISTRIBUIÇÃO O sistema de distribuição de ar comprimido consiste em uma série de tubulações que conectam o reservatório aos diversos pontos de uso É crucial estabelecer um layout eficaz para a rede principal de distribuição incluindo suas ramificações e pontos de consumo Essa organização estratégica visa minimizar distâncias e pontos de restrição no fluxo reduzindo assim as perdas de pressão e os custos operacionais CORADI 2011 Jesus 2012 enfatiza que a instalação das tubulações deve ser realizada em locais que favoreçam manutenções regulares e facilitem a identificação de vazamentos que embora pequenos podem causar perdas significativas de pressão e diminuir a eficiência do sistema Existem dois sistemas principais de distribuição o circuito aberto e o circuito fechado ilustrados na Figura 5 De acordo com Fialho 2011 a rede em circuito aberto é adequada para alimentar pontos isolados ou distantes da fonte de geração mas o fluxo unidirecional do ar pode resultar em uma distribuição desigual Em contraste o sistema de circuito fechado mais comum na indústria abrange toda a extensão da fábrica permitindo uma distribuição mais uniforme do ar comprimido pois o ar flui em ambos os sentidos Esta configuração também facilita a inclusão de novos pontos de consumo não previstos inicialmente FIALHO 2011 À medida que o ar se desloca pela rede ele pode sofrer condensação devido a variações na temperatura ambiente ao longo do dia Para evitar que essa condensação afete o funcionamento dos equipamentos purgadores são instalados nas extremidades das linhas para remover o condensado do sistema FIALHO 2011 É recomendado que a tubulação principal tenha uma inclinação de 05 a 2 em direção ao fluxo facilitando a coleta e eliminação de condensados e impurezas acumuladas ao longo do percurso através de drenos FARIA 2007 Coradi 2011 salienta a importância de incorporar válvulas de fechamento ao longo da rede de distribuição de ar comprimido permitindo que a rede seja segmentada em seções isoladas o que é crucial para manutenção e inspeção regulares ajudando a evitar paralisações na produção 12 OBJETIVOS O objetivo deste projeto é dimensionar uma linhatronco de tubulação de ar comprimido de 30 metros de comprimento projetada para operar com uma pressão de regime de 9 bar e uma perda de carga máxima admissível de 03 kgfcm² Esta linha deve fornecer um volume de ar de 300 m³h com uma previsão de aumento de capacidade de 60 nos próximos 10 anos a fim de acomodar o crescimento e as demandas futuras do sistema Além disso a tubulação incorporará 7 tês roscados com fluxo em ramal 8 válvulas tipo gaveta roscadas e 5 curvas de 90º de raio longo garantindo uma distribuição eficiente e versátil do ar comprimido para várias partes da instalação Esses componentes são essenciais para manter a eficácia e a eficiência do sistema minimizando as perdas de carga e assegurando a adequação às necessidades operacionais atuais e futuras 2 METODOLOGIA Pensando em um local como sendo uma oficina Figura 1 contendo dois equipamentos de cada menos a pistola de pintura que possui uma única lixadeira angular 12000 rpm e retificadeira reta longa guincho pneumático de 500 kg pistola de pintura de alta produção HVLP pistola de pintura de média produção e lixadeira roto orbital com os comprimentos da linha tronco sendo de 30 metros da linha secundária de 45 metros e de alimentação de cada equipamentos de 2 metros Figura 1 Dimensões gerais da linhatronco Autoria Própria 2024 De acordo com a literatura e com o escopo foram considerados as seguintes premissas de projeto Tabela 1 Consumo de cada equipamento utilizado no ambiente industrial Autoria própria 2024 Equipamento Consumo m³h Consumo Total 60 de superdimensionamento m³h Comprimento da linha de alimentação m Lixadeira angular 12000 rpm 35680 57088 2 Retificadeira reta longa 20390 32624 2 Guincho pneumático 500 kg 5097 81552 2 Pistola de pintura alta produção HVLP 11890 19024 2 Pistola de pintura média produção 6796 108736 2 Lixadeira roto orbital 16990 27184 2 Utilizando o ábaco Figura 2 abaixo é possível determinar os comprimentos equivalentes dos acessórios Figura 2 Ábaco de comprimento equivalente Dessa forma estimando a linha tronco em 50 mm por termos 7 tês acrescentamos 35 metros 5 m de cada 56 metros pelas válvulas gaveta 07 m cada e 25 metros pelas curvas 90 05 m cada Logo a tubulação é considerada nos cálculos como tendo 731 metros lineares totais Podese utilizar também o equacionamento para fazer o dimensionamento d10 5 166378510 3Q 185 Lt Δ P P 1 onde d é o diâmetro interno da tubulação em mm Q é o volume de ar consumido em m³h Lt é o comprimento total da linha Δ P é a queda de pressão admitida utilizando 03 kgfcm² e P é a pressão do regime utilizado 9 kgfcm² 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados encontrados através do uso do Nomograma Figura 3 indicam que para a linhatronco o mais adequado é um diâmetro interno de 45 mm Figura 3 Dimensionamento pelo Nomograma Autoria própria 2024 Entretanto para o dimensionamento realizado através do equacionamento os resultados obtidos se encontram para todas as linhas tronco secundária e de cada equipamento na Tabela 2 Dimensionamento das tubulações para todas as linhas Autoria própria 2024 Linha Q m³h Qtot m³h Lt m d mm Lixadeira angular 12000 rpm 57088 114176 2000 15117 Retificadeira reta longa 32624 65248 2000 12290 Guincho pneumático 500 kg 8155 16310 2000 7358 Pistola de pintura alta produção HVLP 19024 19024 2000 7789 Pistola de pintura média produção 10874 21747 2000 8184 Lixadeira roto orbital 27184 54368 2000 11488 Linha secundária ambiente 2 154949 290874 45000 39825 Linha tronco 480000 480000 73100 52819 4 CONCLUSÕES Em conclusão o trabalho de dimensionamento de tubulações de ar para este projeto específico demonstrou a importância de escolher métodos de dimensionamento precisos e adequados às condições reais de operação A análise detalhada dos resultados obtidos através da aplicação de uma equação específica para o cálculo do diâmetro das tubulações revelou que para a linha tronco o diâmetro necessário seria de aproximadamente 52819 mm mas comercialmente 2 ¼ atenderiam tanquilamente Este valor difere significativamente do resultado de 45 mm obtido pelo uso do ábaco um método mais rápido mas menos preciso O uso da equação para o cálculo do diâmetro proporciona uma abordagem mais conservadora e alinhada com as boas práticas de engenharia especialmente considerando as variáveis complexas e as exigências específicas do sistema de ar comprimido A escolha de um diâmetro maior conforme sugerido pelo equacionamento não apenas garante a adequação às demandas atuais mas também oferece uma margem de segurança que pode ser crucial para acomodar futuras expansões ou variações inesperadas na demanda Portanto recomendase fortemente que para a implantação efetiva deste sistema se adote o diâmetro de 2 ¼ para a linha tronco Essa escolha reflete um compromisso com a eficiência a longo prazo a segurança operacional e a adaptabilidade do sistema de distribuição de ar comprimido assegurando que o sistema não apenas atenda às necessidades atuais mas também seja capaz de ajustarse a condições futuras sem comprometimento significativo do desempenho 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BOSCH Tecnologia de ar comprimido Campinas Bosch 2008 BUCK B Manual de ar comprimido e gases São Paulo Prentice Hall 2004 CORADI F E Análise energética e econômica na rede de distribuição de ar de uma indústria de autopeças Dissertação Mestrado em Engenharia da Energia Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Universidade Federal de São João Del Rei São João Del Rei 2011 ELETROBRÁS Eficiência energética em sistemas de ar comprimido Rio de Janeiro 2005 FARIA R R D Elementos de pneumática e automação classificação e dimensionamento de atuadores Aplicação ao caso de plataformas de embarque de deficientes físicos em veículos do transporte urbano coletivo Monografia Graduação em Engenharia de Controle e Automação Universidade Federal de Ouro Preto Ouro Preto 2007 FIALHO A B Automação pneumática Projetos dimensionamento e análise de circuitos 7 ed São Paulo Érica 2011 GIL A C Introdução à Metodologia do Trabalho Cientifico elaboração de trabalhos na graduação São Paulo Altas 2008 HENN E L Máquinas de fluido 2 ed Santa Maria Ed da UFSM 2006 JESUS C S A D Otimização energética em uma unidade industrial O caso da Cerutil Dissertação Mestrado em Engenharia Eletrotécnica Energia e Automação Industrial Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Viseu Instituto Politécnico de Viseu 2012 KARMOUCHE A R Análise da eficiência energética em compressores a pistão em sistemas de ar comprimido Dissertação Mestrado em Engenharia Elétrica Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Campo Grande 2009 METALPLAN Manual de ar comprimido 4 ed 2010 PARKER TRAINING Dimensionamento de redes de ar comprimido Jacareí 2006 Apostila M1004 BR ROLLINS J P Manual de Ar Comprimido e Gases São Paulo Prentice Hall 2004