Aula 1: Fundamentos e Vantagens da Pneumática

Aula 1 Pneumática básica Objetivos Identificar os fundamentos da disciplina de hidráulica e pneumática com foco na pneumática Exemplar as vantagens e limitações da aplicação da pneumática Quadro 12 Propriedades negativas do ar comprimido AC Propriedade Descrição Preparação O ar comprimido requer uma boa preparação Impureza e umidade devem ser evitadas pois provocam desgastes nos elementos pneumáticos oxidação nas tubulações e projecções de óxidos Compressibilidade Não é possível manter o constante as velocidades dos pistões mediante ar comprimido Quando é elevado recorrese a dispositivos especiais Forças O ar comprimido é considerado como de determinada força limitado pela pressão normal de trabalho de 200 lbfp 7 bar pelo contrário o limite fixado entre 2000 e 3000 N 2000 a 3000 kPa Escape de ar O escape de ar é ruidoso Mas com o desenvolvimento de silenciadores este problema está solucionado Custos O ar comprimido é uma fonte de energia muito cara Porém o alto custo de energia é compensado pelo custo baixo da instalação e pela rentabilidade do ciclo de trabalho 14 Automação pneumática O foco do estudo da pneumática é automação Com a aplicação de dispositivos pneumáticos e outros reduzse o esforço humano na execução de diversos trabalhos Lembramos que a pneumática é um dos pilares da automação São necessários diversos elementos mecânicos para transformar a energia do ar comprimido em trabalho O elemento mais simples é o cilindro pneumático cuja operação é semelhante à da bomba manual de encher bolas e pneus de bicicletas porém ao entrar o ar o êmbolo é empurrado e realiza o trabalho Demonstrar algumas leis da física que influenciam a pneumática 15 Vantagens da implantação da automação pneumática a Incremento da produção com investimentos relativamente pequenos b Redução de custos operacionais A rapidez nos movimentos pneumáticos e liberação de operadores de operações repetitivas possibilitam o aumento do ritmo de trabalho da produtividade e portanto um menor custo operacional c Robustez dos componentes pneumáticos A robustez inerente aos controles pneumáticos tornaos relativamente insensíveis à vibrações e golpes permitindo que ações mecânicas do próprio processo sirvam de sinal para as diversas sequências de operação São de fácil manutenção d Facilidade de implantação Pequenas modificações nas máquinas convencionais aliadas à disponibilidade de ar comprimido são os requisitos necessários para a implantação dos controles pneumáticos e Resistência a ambientes hostis Poeira atmosfera corrosiva submersão em líquidos raramente prejudicam os componentes pneumáticos quantos projetados para esta finalidade f Simplicidade de manipulação Os controles pneumáticos não necessitam de operadores altamente especializados para a sua manipulação g Segurança Como os equipamentos pneumáticos envolvem sempre pressões moderadas tornamse seguros contra possíveis acidentes com pessoas e com o próprio equipamento além de evitar problemas de explosão h Redução do número de acidentes A fadiga é um dos principais fatores que favorecem acidentes A implantação de controles pneumáticos reduz o seu número liberação de operações repetitivas LER 16 Limitações da pneumática a O ar comprimido necessita de uma boa preparação para realizar o trabalho proposto remoção de impurezas eliminação de umidade para evitar corrosão nos equipamentos engates ou travamentos e maiores desgastes nas partes móveis dos sistemas 11 Conceitos básicos b Os componentes pneumáticos são normalmente projetados e utilizados a uma pressão máxima de 17236 kPa Portanto as forças envolvidas são pequenas se comparadas a outros sistemas Assim não é conveniente o uso de controles pneumáticos em operações de extrusão de metais Provavelmente o seu uso seja vantajoso para recolher ou transportar as barras extrudadas c Velocidades muito baixas são difíceis de serem obtidas com ar comprimido devido às suas propriedades físicas Nesse caso recorrese a sistemas mistos hidráulicos e pneumáticos d O ar é um fluido altamente compressível portanto é difícil obterse paradas intermediárias e velocidades uniformes 17 Propriedades físicas do ar Apesar de insípido inodoro e incolor percebemos o ar através dos ventos aviões e pássaros que nele flutuam e se movimentam sentimos também o seu impacto sobre o nosso corpo Concluímos que o ar tem existência real e concreta ocupando lugar no espaço 171 Compressibilidade O ar assim como todos os gases tem de ocupar todo o volume de qualquer recipiente adquirindo o seu formato já que não tem forma própria Assim podemos encerrálo num recipiente com volume determinado e posteriormente provocarlhe uma redução de volume usando uma de suas propriedades a compressibilidade compressibilidade do ar cilindro cheio de ar atmosférico volume inicial V0 1 V1 V0 cilindro submetido a uma força F ou está comprimido volume final V1 Figura 12 Compressibilidade e elasticidade do ar Fonte CTISM Podemos concluir que o ar atmosférico permite reduzir o seu volume quando sujeito à ação de uma força exterior O ar comprimido é uma das formas de energia mais antigas que o ser humano conhece É utilizado para ampliar os seus recursos físicos O reconhecimento da existência física do ar e sua utilização mais ou menos consciente para o trabalho é comprovado há milhares de anos 172 Elasticidade Propriedade que possibilita ao ar voltar ao seu volume inicial uma vez extinto o efeito força responsável pela redução do volume 173 Difusibilidade Propriedade do ar que lhe permite misturarse homogeneamente com qualquer meio gasoso que não seja saturado 174 Expandibilidade Propriedade do ar que lhe possibilita ocupar totalmente o volume de qualquer recipiente adquirindo o seu formato 18 Atmosfera O primeiro ser humano que empregou o ar comprimido como meio auxiliar de trabalho foi o grego Ctesibius Há mais de 2000 anos ele construiu uma catapulta a ar comprimido como transmissão de energia Quando dizemos que um litro de ar pesa 1293 x 10³ kg ao nível do mar significa que em altitudes diferentes o peso do ar tem valores diferentes 181 Pressão atmosférica Sabemos que o ar tem peso portanto vivemos sob esta carga A atmosfera exerce sobre nós uma força equivalente ao seu peso mas não a sentimos pois ela atua em todos os sentidos e direções com a mesma intensidade Dos antigos gregos provém a expressão Pneuma que significa fôlego vento filosoficamente alma Derivado da palavra Pneuma surgiu entre outros o conceito de PNEUMÁTICA a disciplina que estuda os movimentos dos gases e fenômenos dos gases kgfcm² quilograma força por centímetro quadrado A pneumática é também definida como a ciência aplicada do uso do ar comprimido e gases semelhantes como nitrogênio que faz parte da composição do ar atmosférico na atuação de dispositivos que irão gerar movimentos alternativos movimentos de vaievem rotativos e combinados 1821 Lei geral dos gases perfeitos As leis de BoyleMariotte Charles e Gay Lussac referemse às transformações de estado nas quais uma das variáveis físicas permanece constante Geralmente a transformação de um estado para outro envolve um relacionamento entre todas Assim a relação generalizada é expressa pela equação P1 x V1 T1 P2 x V2 T2 De acordo com essa relação são conhecidas as três variáveis do gás Por isso se qualquer uma das variáveis sofrer alteração o efeito nas outras variáveis poderá ser previsto Ver o Quadro 13 que relaciona o que acontece com a alteração de uma variável Quando você enche uma bola ou pneu com uma bomba manual temos Volume permanece constante Pressão aumenta pois a bola ou pneu fica mais dura Temperatura aumenta Isto pode ser notado na base da bomba que esquenta Quadro 13 As variáveis dos gases perfeitos Mesma temperatura Volume diminui Pressão aumenta Mesmo volume Pressão diminui Temperatura aumenta Mesmo pressão Volume diminui Temperatura diminui 183 Princípio de Pascal Constatase que o ar é muito compressível sob a ação de pequenas forças Quando contido em um recipiente fechado o ar exerce uma pressão igual sobre as paredes em todos os sentidos O movimento mais comum da aplicação do ar comprimido com acionamento muscular o qual depende exclusivamente da vontade do operador pode ser observado no mecanismo de abertura da porta de um ônibus O motorista aciona um botão e a porta do ônibus abre ou fecha O movimento será Podemos verificar isso facilmente fazendo o uso de uma bola de futebol Apalpandoa observamos uma pressão uniformemente distribuída sobre a superfície Por Blaise Pascal temos A pressão exercida em um líquido confinado em forma estática atua em todos os sentidos e direções com a mesma intensidade exercendo forças iguais em áreas iguais P FA ou F P x A No SI F Newton força P Newtonm² pressão A m² área Temos 1 kgf 98 N No MKS F kgf força P kgfcm² pressão A cm² área Nota Pascal não faz menção ao fator atrito existente quando o líquido está em movimento pois se baseia na forma estática e não nos líquidos em movimento invertido ao ser acionado o mesmo botão acompanhado do ruído de escape de ar uma das características dos sistemas pneumáticos Essa técnica pode ser observada em parques de diversões até em sofisticadas máquinas robotizadas Resumo Nessa aula aprendemos as leis básicas aplicadas à pneumática suas aplicações limitações e vantagens As leis aplicadas à pneumática serão importantes nas próximas aulas para compreender as aplicações e fenômenos que iremos estudar Atividades de aprendizagem 1 Selecionar a única alternativa correta A introdução de forma mais generalizada da pneumática na indústria começou com a necessidade cada vez maior da e dos processos de trabalho a automatização racionalização b coordenação simplificação c simplificação ordenação d organização racionalização 2 Selecione a única alternativa correta Algumas das propriedades positivas do ar comprimido são a Quantidade disponível ilimitada facilidade de transporte do ar comprimido forças elevadas b Fácil armazenamento do ar comprimido custo baixo de obtenção do ar comprimido quantidade disponível ilimitada c O ar comprimido pode ser utilizado como obtido o escape do ar comprimido é ruidoso o ar comprimido pode ser utilizado em temperaturas que os sistemas eletrônicos não operam d O ar comprimido pode ser utilizado em temperaturas que os sistemas eletrônicos não operam o ar comprimido é seguro sistemas pneumáticos podem ser facilmente construídos O ar comprimido é utilizado desde os tempos primitivos através da força dos pulmões Com o uso de ossos ocos ou de bambus o ar era soprados para atirar as fogueiras para cozinhar ou fundir alguns metais A limitação dos pulmões foi compensada com o uso dos primeiros foils feitos de bexigas de animais até serem construídos os primeiros foils verdadeiros 3 A difusibilidade é a propriedade do ar que lhe permite misturarse homogeneamente com qualquer meio gasoso que não seja saturado Isto pode ser facilmente observado quando a Ligamos um compressor de ar b Lançamos uma pedra para o ar c Conseguimos observar um escapamento de ar como um pneu de carro furado d Abrimos um frasco de perfume 4 A pressão atmosférica é decorrente da camada de gases que existe em volta do nosso planeta Esta pressão resulta em uma força que é exercida a Em uma única direção e com a mesma intensidade b Em todos os sentidos e direções com a mesma intensidade c Somente no sentido vertical de cima para baixo e com intensidade fixa d Em todos os sentidos e direções com a intensidade variável dependendo do sentido de atuação 5 A pressão correta em um pneu de automóvel é de 30 psi O dispositivo de encher pneus do posto de gasolina apresenta somente a escala em kgfcm² Qual o valor mais provável a ser regulado no calibrador A novas técnicas que permitiram a fabricação de canhões torneados a partir do século XVIII propiciou a fabricação de compressores de ferro fundido e outros metais que resultaram nas técnicas atuais Aula 2 Compressores Objetivos Conhecer os métodos de compressão do ar Reconhecer os diferentes tipos de compressores e suas características principais 21 A importância das cores Um circuito pneumático ou hidráulico pode ser facilmente interpretado quando trabalhamos com cores identificando linhas e equipamentos o que está ocorrendo com o mesmo ou qual a função que este desenvolve As cores utilizadas pela American National Standard Institute ANSI são Vermelho Pressão de alimentação pressão normal do sistema Ex compressor Violetas Pressão do sistema de transformação de energia intensificada Ex intensificador de pressão Laranja Linha de comando pilotagem ou a pressão básica reduzida Ex pilotagem de uma válvula Amarelo Restrição no controle de passagem do fluxo Ex utilização de válvula de controle do fluxo Azul Fluxo em descarga escape ou retorno Ex exaustão para a atmosfera Branco Fluido inativo Ex armazenagem Verde Sucção ou linha da drenagem Ex sucção do compressor 12 Desenvolvimento da técnica de ar comprimido 22 Classificação e definição dos compressores Compressores são máquinas destinadas a elevar a pressão de um certo volume de ar admitido nas condições atmosféricas até uma determinada pressão exigida para a execução de trabalhos com ar comprimido Classificações fundamentais para os princípios de trabalho Deslocamento positivo Deslocamento dinâmico 221 Deslocamento positivo Baseiase fundamentalmente na redução de volume O ar é admitido em uma câmara isolada do meio exterior na qual o seu volume é gradualmente diminuído processandose a compressão Quando uma certa pressão é atingida ocorre a abertura de válvulas de descarga ou simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga Além disso o ar também pode ser empurrado para o tubo de descarga durante a contínua diminuição do volume da câmara de compressão São representados pelos compressores alternativos de pistões e os compressores de parafusos assimétricos 2211 Tipos de compressores alternativos a Compressor de um estágio Este compressor pode ser de simples efeito SE ou de duplo efeito DE Comprome o ar até a pressão final de utilização em um único cilindro O ar é resfriado somente por circulação ou seja pelas aletas laterais É projetado geralmente para pressões de até 700 kPa mas também pode ser empregado para pressões acima destas No caso de ser aplicado um compressor de mais estágios a economia de energia será maior devido à eficiência e ao rendimento O século XIX marca o início do estudo do comportamento e propriedades que envolvem a pneumática Porém somente após 1950 é que ela foi realmente introduzida no meio industrial Antes disso era utilizada na indústria de mineração construção civil e indústria ferroviária freios a ar comprimido Compresssor de dois estágios ou biestágio Para limitar a elevação de temperatura e melhorar a eficiência da compressão esta é processada em estágios com ar resfriado Este tipo de compressor possui uma câmara de baixa pressão e outra de alta pressão Entre essas duas câmaras existe um resfriamento interresfriador ou intercooler feito por ar ou água sendo a água mais eficiente O ar é admitido através de um filtro na entrada do cilindro de baixa pressão e é comprimido entre 350 e 500 kPa Em seguida passa por um interresfriador no qual o calor é parcialmente absorvido pela água ou ar e parte da umidade existente no ar é condensada e eliminada O ar é comprimido no primeiro estágio e é admitido no cilindro de alta pressão sofrendo nova compressão e atingindo entre 750 e 880 kPa Depois o ar comprimido é conduzido para as outras fases de preparação O ar comprimido utilizado como forma de energia é obtido através de compressores e será conduzido até os atuadores cilindros e motores pneumáticos Compressor de múltiplos estágios ou policilíndricos Este tipo de compressor tem vários cilindros e entre eles resfriadores intermediários A compressão em múltiplos estágios aumenta a eficiência volumétrica conforme a relação do compressor do primeiro estágio e a pressão aproximada das condições isotérmicas Este tipo de compressor é utilizado quando são necessárias altas pressões porém para baixa faixa de pressão existe um número adequado de estágios dependendo da aplicação pretendida O uso do ar comprimido de forma generalizada na indústria começou com a necessidade cada vez maior da automatização e da racionalização dos processos de trabalho Compressor de parafuso Este compressor é dotado de uma carcaça na qual giram dois rotores helicoidais em sentidos opostos Um dos rotores possui lóbulos convexos o outro pressões côncavas São denominados respectivamente rotor macho e fêmea Os rotores são sincronizados por meio de engrenagens A partir da década de 1980 este tipo de compressor tem apresentado desenvolvimento e aplicação cada vez maior devido à facilidade de sua instalação e custo de aquisição relativamente baixo para potências acima de 25 cv 222 Deslocamento dinâmico A elevação da pressão é obtida por meio da conversão de energia cinética em energia de pressão durante a passagem do ar através do compressor O ar admitido é colocado em contato com impulsores rotor laminado dotados de alta velocidade Este ar é acelerado atingindo velocidades elevadas e consequentemente os impulsores transmitem energia cinética ao ar Posteriormente seu escoamento é retirado por meio de difusores obrigando a uma elevação de pressão Difusor é uma espécie de duto que provoca diminuição na velocidade de escoamento de um fluido causando aumento de pressão As figuras abaixo são exemplos de compressores de deslocamento dinâmico Atualmente o ar comprimido como meio de trabalho tornouse indispensável e podemos encontrálo em diversos segmentos entre os quais Figura 25 Compressor dinâmico a Automotivo freios acionamentos de portas de ônibus 23 Sistema de refrigeração dos compressores Os sistemas de refrigeração de máquinas são utilizados para remover o calor gerado no processo de compressão e o calor gerado por atritos diversos O resfriamento pode ser através de água ou por ar O sistema de refrigeração dos compressores de deslocamento positivo compreende duas etapas principais 1 Resfriamento dos cilindros de compressão 2 Resfriamento intermediário O resfriamento pode ser complementado por uma refrigeração posterior ou seja após o processo de compressão O resfriamento intermediário remove o calor gerado entre os estágios de compressão visando Manter baixa a temperatura das válvulas do óleo lubrificante e do ar que está sendo comprimido Com a queda da temperatura do ar a umidade é parcialmente condensada e pode ser removida Aproximar as condições de compressão do processo isotérmico embora esta dificilmente possa ser atingida devido a pequenas superfícies de troca de calor eTec Brasil 34 Comandos Pneumáticos e Hidráulicos b Indústria em geral movimento prensamento elevação transformação e controle 231 Refrigeração 2311 Resfriamento à água Normalmente a refrigeração por água é empregada em máquinas de grande porte Os blocos dos cilindros são dotados de paredes duplas entre as quais circula água A superfície que exige melhor resfriamento é a dos cabeçotes pois permanece em contato com o ar aquecido ao fim da compressão A água utilizada para refrigeração de máquinas deve ter baixa temperatura e pressão suficiente para evitar a formação de vapor Quando em contato com partes superaquecidas deve estar livre de impurezas e ser mole isto é conter baixo teor de sais de cálcio e magnésio Em compressores resfriados à água deve ser previsto um sistema de proteção contra falta de água baixa pressão alta temperatura e possibilidades de entupimentos c Transporte naval comando de válvulas sinais sonoros 24 Critérios para a escolha de compressores Na especificação ou aquisição de compressores devem ser considerados diversos fatores entre eles volume de ar e pressão que são os dois fatores principais na seleção de máquinas acionamento e controle 241 Volume de ar fornecido É a quantidade de ar fornecida pelo compressor O volume fornecido é indicado em m³h m³min PCM 242 Pressão 2421 Pressão de regime É a pressão fornecida pelo compressor bem como a pressão do reservatório e a pressão na rede de distribuição até o ponto de consumo 2422 Pressão de trabalho É a pressão necessária nos pontos de trabalho Em sistemas pneumáticos comuns varia de 6 a 8 Bar Os elementos de trabalho estão construídos para esta faixa de pressão que é praticamente considerada como pressão normalizada ou pressão econômica Para garantir um funcionamento confiável e preciso dos sistemas pneumáticos é necessário que a pressão tenha um valor constante Desta depende 1 A velocidade dos cilindros e a rotação dos motores pneumáticos 2 As forças desenvolvidas pelos elementos pneumáticos 3 Os movimentos temporizados dos elementos de trabalho e comando 243 Acionamento Conforme as necessidades fabris o acionamento dos compressores é feito por motor elétrico ou motores a explosão Em instalações industriais comerciais e domésticas são acionados na maioria dos casos com motor elétrico Tratandose de um compressor móvel empregase para o acionamento geralmente o motor a explosão gasolina ou óleo diesel Em unidades industriais que necessitam de ar comprimido em grandes volumes podemos encontrar compressores acionados por turbinas a vapor com potências de 400 cv ou maiores d Indústria química e petroquímica controle de fluidos acionamentos em áreas classificadas 244 Regulagem Para combinar o volume fornecido com o consumo de ar é necessária uma regulagem da pressão dos compressores sendo normalmente estabelecida uma pressão máxima e mínima Existem diferentes tipos de regulagem Regulagem de marcha em vazio Regulagem de carga parcial Regulagem intermitente Dentre as regulagens descritas acima a mais empregada é a regulagem intermitente 2441 Regulagem intermitente Com esta regulagem o compressor funciona em dois campos carga máxima e parada total Ao alcançar a pressão máxima Pmax o motor acionador do compressor é desligado e quando a pressão chega ao mínimo Pmin o motor é ligado e o compressor trabalha normalmente A frequência de comutação pode ser regulada num pressostato e para que os períodos de comando possam ser limitados a uma média aceitável é necessário um grande reservatório de ar comprimido 25 Manutenção do compressor Esta é uma tarefa importante dentro do setor industrial É imprescindível seguir as instruções recomendadas pelo fabricante que melhor do que ninguém conhece os pontos vitais de manutenção Devem ser consultados os manuais de fabricantes e montado um plano de manutenção periódica verificandose qual o melhor sistema de manutenção e controle da máquina e Área médicadentária máquinas para cirurgia furadeiras dentárias técnicas de vácuo Resumo Nesta aula estudamos os compressores que possuem muitos tamanhos e modelos aplicados conforme a necessidade do processo Vimos também os sistemas de resfriamento dos compressores a água e a ar bem como sua forma de acionamento regulagem e manutenção Atividades de aprendizagem 1 As máquinas resfriadas a ar possuem cabeçotes aleados para a Melhorar o aspecto b Tornar o sistema de sucção mais eficiente c Aumentar a capacidade de sucção d Proporcionar maior troca de calor 2 A grandeza que deve ser constante para que as variáveis abaixo não se alterem é A velocidade dos cilindros e rotação dos motores pneumáticos As forças desenvolvidas pelos elementos pneumáticos Os movimentos temporizados dos elementos de trabalho e comando a Temperatura b Vazao c Volume d Pressão Freio automotivo É utilizado em ônibus e caminhões pesados É reconhecido pelo assobio emitido após a parada destes veículos 13 Propriedades do ar comprimido Por suas propriedades a aplicação do ar comprimido difundese como elemento de energia e de trabalho Algumas propriedades positivas do ar comprimido são expostas no Quadro 11 Quadro 11 Propriedades positivas do ar comprimido AC Propriedade Descrição Quantidade O ar para ser comprimido é encontrado em quantidades ilimitadas praticamente em todos os lugares Transporte O ar é facilmente transportável por tubulações mesmo para distâncias grandes Não há necessidade de preocupação com o retorno de ar Armazenamento O ar pode ser armazenado em reservatórios para utilização posterior ou em emergências quando os compressores se encontram desligados Temperatura O trabalho realizado com AC é inversamente às oscilações de temperatura Isso garante também em situações extremas externas um funcionamento seguro Segurança Não existe o perigo de explosão ou incêndio Portanto é seguro contra explosão e eletrocussão sendo indicado para aplicações especiais Limpeza O ar é limpo o e que eventualmente escape das tubulações e outros elementos inadequadamente vedados não polui o ambiente Esta é uma exigência nas indústrias alimentícias têxteis químicas eletrônicas Construção de elementos Os elementos de trabalho são de construção simples e podem ser criados a custos vantajosos Velocidade O ar é um meio de trabalho rápido que permite alcançar altas velocidades de trabalho Regulagem As velocidades e forças de trabalho dos elementos AC são regulares em escala Para isso são exigidos elementos especiais denominados reguladores de pressão eflussão Seguro contra sobrecargas Elementos e ferramentas a AC são carregáveis até a parada total e portanto seguros contra sobrecargas Para limitar os campos de emprego da pneumática precisamos conhecer as propriedades negativas pois o ar comprimido é uma forma de energia cara