Aula 8: Conceitos Básicos de Hidráulica e Medição de Pressão

Aula 8 Hidráulica Objetivos Compreender os conceitos básicos da hidráulica Relacionar o atrito e a resistência com a circulação de fluidos Conhecer as bases dos sistemas hidráulicos Energia uma força que pode causar o movimento de um corpo Inércia é a relutância de um corpo a uma alteração no seu movimento Um corpo em movimento exibe uma relutância para ser parado A expressão que descreve a potência é 7457 N ms ou HP N m Temposegundos x 745 82 Transmissão hidráulica de força e energia Líquido é uma substância constituída de moléculas Ao contrário dos gases nos líquidos as moléculas são atraídas umas às outras de forma compacta Contudo as moléculas não se atraem a ponto de adquirir posições rígidas como nos sólidos Os líquidos são relativamente incompressíveis Com as moléculas em contato umas às outras os líquidos exibem características de sólidos Transmissão de força os quatro métodos de transmissão de energia são mecânica elétrica hidráulica e pneumática São capazes de transmitir tanto Manômetro é um aparelho que mede um diferencial de pressão Dois tipos de manômetros são utilizados nos sistemas hidráulicos o de Bourdon e o de núcleo móvel Além desses existem diversos tipos de manômetros desde os mais simples que utilizam uma mangueira no formato de U até equipamentos piezelétricos ligados a dispositivos eletrônicos Na figura a seguir detalhamos o manômetro de Bourdon Manômetro de Bourdon consiste de uma escala calibrada em unidades de pressão e de um ponteiro ligado através de um mecanismo a um tubo oval em forma de C Esse tubo é ligado à pressão a ser medida Instrumentos para medição de pressão 1 Os manômetros podem ter vários elementos sensíveis podendo ser utilizados também por transmissores e controladores para medir a pressão Abaixo há diferentes tipos de manômetros Manômetro de membrana ou diafragma Manômetro tipo piezoelétrico Manômetro tipo capacitivo Manômetro tipo strain gauge piezoresistivo 83 Características dos fluidos hidráulicos Viscosidade é a propriedade que indica a maior ou menor dificuldade de o fluido escorregar BRUNETTI 2008 ou seja é a resistência que o fluido apresentam O SSU Segundo Saybolt Universal é uma das medidas de viscosidade dos fluidos O professor Saybolt aqueceu um liquido com volume predeterminado a uma dada temperatura e fez o líquido passar por uma abertura de tamanho também especificado Ele cronometrou o fluxo em segundos até que o líquido enchesse um recipiente com capacidade de 60 mililitros O resultado foi a medição da viscosidade em SSU ou 60 SSU Efeito da temperatura sobre a viscosidade uma garrafa de melado tirada da geladeira apresenta uma alta resistência ao escoamento Tentar passar esse liquido por um funil constituise numa operação demorada O aquecimento das moléculas do melado faz com que elas deslizem umas sobre as outras com maior facilidade Conforme aumenta a temperatura de um líquido diminui a sua viscosidade 831 Aumento de velocidade gera calor Para encher um recipiente de 20 litros em um minuto o volume de fluido em um cano de grande diâmetro deve passar a uma velocidade de 300 cms No tubo de pequeno diâmetro o volume deve passar a uma velocidade de 600 cm³ para encher o recipiente no tempo de um minuto Em ambos os casos a vazão é de 20 litrosminuto mas as velocidades do fluido são diferentes 832 Mudança na direção do fluido gera calor Em uma linha de fluxo de fluido há geração de calor sempre que o fluido encontra uma curva na tubulação O fator gerador de calor é o atrito provocado pelo choque das moléculas que se deparam com o obstáculo da curva Dependendo do diâmetro do cano um cotovelo de 90 pode gerar tanto calor quanto vários metros de cano Fluido a base de petróleo esse fluido é mais do que um óleo comum Os aditivos são ingredientes importantes na sua composição Os aditivos dão ao óleo características que o tornam apropriado para uso em sistemas hidráulicos Fluidos resistentes ao fogo uma característica inconveniente do fluido proveniente do petróleo é que ele é inflamável Não é seguro usálo perto de superfícies quentes ou de chama Por esta razão foram desenvolvidos vários tipos de fluidos resistentes ao fogo Emulsão de óleo em água consiste de uma mistura de óleo numa quantidade de água A mistura pode variar em torno de 1 a 40 de óleo Emulsão de água em óleo a mistura é geralmente de 40 de água e 60 de óleo Fluido de águaglicol é uma solução de glicol anticongelante 60 e água 842 Reservatórios hidráulicos A função de um reservatório hidráulico é conter ou armazenar o fluido hidráulico de um sistema Figura 814 Esquema de uma unidade hidráulica fonte CTSM Quando o fluido retorna ao reservatório uma placa defletora impede que este fluido vá diretamente à linha de sucção Isto cria uma zona de repouso na qual as impurezas maiores sedimentam o ar sobe à superfície do fluido e dá condições para que o calor do fluido seja dissipado para as paredes do reservatório Todas as linhas de retorno devem estar localizadas abaixo do nível do fluido e no lado do defletor oposto à linha de sucção 8421 Tipos de reservatórios Os reservatórios industriais têm uma variedade de estilos dentre os quais estão os reservatórios em forma de L os reservatórios suspensos e os reservatórios convencionais Os reservatórios convencionais são os mais comuns usados dentro os reservatórios hidráulicos industriais Os reservatórios em forma de L e os suspensos permitem à bomba uma altura manométrica positiva do fluido 843 Resfriadores de óleo hidráulicos Todos os sistemas hidráulicos aquecem Se o reservatório não for suficiente para manter o fluido à temperatura normal há um superaquecimento Para evitar isso são utilizados resfriadores ou trocadores de calor os modelos mais comuns são águaóleo e aróleo Resfriadores a ar em máquinas que operam em regime severo o resfriador a ar pode ser equipado com ventilador independente Nos resfriadores a ar o fluido é bombeado através de tubos aletados Para dissipar o calor o ar é soprado sobre os tubos e aletas por um ventilador Os resfriadores a ar são geralmente usados em locais onde a água não está disponível facilmente Figura 816 Funcionamento de um resfriador a ar fonte CTSM Figura 817 Resfriador a ar fonte CTSM Resfriadores a água o resfriador a água consiste basicamente de um feixe de tubos encaixados num invólucro metálico Neste resfriador o fluido do sistema hidráulico é geralmente bombedao através do invólucro e sobre os tubos que são refrigerados com água fria Figura 818 Resfriador a água tipo tubular fonte CTSM Figura 819 Resfriador de óleo no retorno do óleo para o reservatório fonte CTSM Resfriadores no circuito os resfriadores geralmente operam à baixa pressão 105 kgfcm² Isso requer que eles sejam posicionados em linha de retorno ou dreno do sistema Se isso não for possível o resfriador pode ser instalado em sistema de circulação Para garantir que um aumento momentâneo de pressão na linha não os danifique os resfriadores são geralmente ligados ao sistema em paralelo com uma válvula de retenção de 45 kgfcm² de pressão de abertura 844 Filtros hidráulicos A contaminação causa problemas nos sistemas hidráulicos porque interfere no fluido que tem quatro funções 1 Transmitir energia 2 Lubrificar peças internas que estão em movimento 3 Transferir calor 4 Vedar folgas entre peças em movimento A escala micrométrica um micron é igual a um milionésimo de um metro Um único micron é invisível a olho nu Um simples grão de sal refinado mede 100 microns O diâmetro médio de um fio de cabelo humano mede 70 micra Limite de visibilidade o limite de visibilidade para o olho é de 40 microns Isto significa que embora uma amostra de fluido hidráulico pareça estar limpa ela não está necessariamente limpa Muito da contaminação prejudicial em um sistema hidráulico está abaixo de 40 microns Elementos filtrantes a função de um filtro é remover impurezas do fluido hidráulico Isso é feito forçando o fluxo do fluido a passar por um elemento filtrante que retém a contaminação Os elementos filtrantes são divididos em tipos de acordo com a profundidade e a superfície 8441 Tipo de filtragem pela posição no sistema O filtro é a proteção para o componente hidráulico Seria ideal que cada componente do sistema fosse equipado com o seu próprio filtro mas isso não é economicamente viável na maioria dos casos Podem ser de sucção interno e externo de pressão de retorno e offline Filtro de sucção externo pelo fato de possuírem carcaça estes filtros são instalados diretamente na linha de sucção fora do reservatório Existem modelos que são instalados no topo ou na lateral dos reservatórios Estes filtros possuem malha de filtragem de 3 a 238 microns Filtragem offline também conhecido como recirculagem ou filtragem auxiliar este sistema é totalmente independente de um sistema hidráulico principal de uma máquina A filtragem offline consiste de uma bomba filtro motor elétrico e os sistemas de conexões instalados como um subsistema separado dos линhas de trabalho e incluído em um resfriamento O fluido é bombado para fora do reservatório de óleo hidráulico através do filtro e retorna para o reservatório em um ciclo contínuo As válvulas de bypass operam com a diferença de pressão Na Figura 827 o fluido contaminado que vem para dentro do filtro pode ser observado na parte inferior do pistão A pressão do fluido depois que ele passou através do elemento filtrante é sentida no outro lado do pistão no qual a mola está agindo A válvula bypass é um mecanismo à prova de falhas Num filtro de sucção a bypass limita o diferencial de pressão máxima sobre o filtro se ele não estiver limpo Isso protege a bomba Se um filtro de linha de retorno ou de pressão não estiver limpo a bypass limitará o diferencial de pressão máxima de modo que a sujeira não seja empurrada através do elemento Dessa maneira a bypass protege o filtro 845 Mangueiras dos sistemas hidráulicos As linhas flexíveis para condução de fluidos são necessárias na maior parte das instalações em que a compensação de movimento e absorção de vibrações se fazem presentes Um exemplo típico de linhas flexíveis são as mangueiras cuja aplicação visa atender a três propostas básicas 1 Conduzir fluidos líquidos ou gases 2 Absorver vibrações 3 Partes das mangueiras As mangueiras são compostas por três partes construtivas tubo interno ou alma reforço ou carcaça e cobertura ou capa Tubo interno ou alma de mangueira deve ser construído com material flexível e de baixa porosidade ser compatível e termicamente estável com o fluido a ser conduzido Reforço ou carcaça considerado como elemento de força de uma mangueira o reforço é quem determina a capacidade de suportar pressões Sua disposição sobre o tubo interno pode ser na forma trançada ou espiralada Cobertura ou capa disposta sobre o reforço da mangueira a cobertura tem por finalidade proteger o reforço contra eventuais agentes externos que provoquem abrasão ou danificação do reforço 8451 Classificação das mangueiras A Sociedade dos Engenheiros Automotivos Americanos SAE tem a diate ra na elaboração de normas construtivas para mangueiras que permitem ao usuário enquadrar o produto escolhido dentro dos seguintes parâmetros de aplicação Capacidade de pressão dinâmica e estática de trabalho Temperatura mínima e máxima de trabalho Aula 8 Hidráulica 169 eTec Brasil Compatibilidade química com o fluido a ser conduzido resistência ao meio ambiente de trabalho contra a ação do ozônio O3 raios ultravioleta calor irradiantes chama viva etc Vida útil das mangueiras em condições dinâmicas de trabalho impulsetest Raio mínimo de curvatura 8452 Determinação do diâmetro interno da mangueira em função da vazão do circuito O gráfico da Figura 829 foi desenhado para auxiliar na escolha correta do diâmetro interno da mangueira Exercício Determine o diâmetro interno apropriado para uma mangueira aplicada em uma linha de pressão com vazão de 16 GPM Solução Localize na coluna da esquerda a vazão de 16 GPM e na coluna da direita a velocidade de 20 pés por segundo Em seguida trace uma linha unindo os dois pontos localizados e encontre na coluna central o diâmetro de 0625 pol 58 Para linhas de sucção e retorno proceda da mesma forma utilizando a velocidade recomendada para as mesmas O gráfico da Figura 829 foi construído baseado na seguinte equação D Q x 04081 V Onde Q Vazão em galões por minuto GPM D Velocidade do fluido em pés por segundo V Diâmetro da mangueira em polegadas eTec Brasil 170 Comandos Pneumáticos e Hidráulicos Figura 829 Gráfico para dimensionamento de mangueiras hidráulicas Fonte CTSM 846 Bombas hidráulicas São bombas de deslocamento positivo que fornecem determinada quantidade de fluido a cada rotação ou ciclo Como nas bombas de deslocamento positivo a vazão de saída do fluido independe da pressão exceto pela influência de perdas e vazamentos internos Por isso são utilizadas para em equipamento industrial em maquinaria de construção e aviação As bombas hidrostáticas produzem fluxos de forma pulsatil porém sem variação de pressão no sistema Aula 8 Hidráulica 171 eTec Brasil 8461 Especificação de bombas As bombas são geralmente especificadas pela capacidade de pressão máxima de operação e pelo seu deslocamento em litros por minuto em uma determinada rotação rpm Faixa de pressão de uma bomba é determinada pelo fabricante baseada na vida útil da bomba Observação se uma bomba for operada com pressões superiores às estipuladas pelo fabricante sua vida útil será reduzida Deslocamento é o volume de líquido transferido durante uma rotação Pode ser expresso em centímetros cúbicos por rotação Cavitação é a evaporação de óleo a baixa pressão na linha de sucção das bombas Tem como consequência interferir na lubrificação e destruir a superfície dos metais No lado de sucção da bomba as bolhas formamse por todo o líquido Quando essas bolhas são expostas à alta pressão na saída da bomba as paredes das bolhas rompemse e geram toneladas de força por centímetro quadrado O desprendimento de energia gerado pelo colapso das bolhas desgasta as superfícies do metal Se a cavitação continuar a vida da bomba será bastante reduzida e os cavacos desta migrarão para outras áreas do sistema prejudicando os outros componentes Indicação de cavitação a melhor indicação de que a cavitação está ocorrendo é o ruído O colapso simultâneo das bolhas causa vibrações de alta amplitude que são transmitidas por todo o sistema e provocam ruídos estridentes gerados na bomba Durante a cavitação ocorre também uma diminuição na vazão da bomba porque as câmaras da bomba não ficam completamente cheias de líquido e a pressão do sistema se desequilibra Causa da formação de cavitação as cavidades formamse no interior do líquido porque este evapora evaporação esta provocada pela alta temperatura do óleo hidráulico e porque alcança uma pressão atmosférica absoluta muito baixa no bocal de sucção da bomba devido a obstrução parcial ou nível do óleo muito baixo Ar em suspensão o fluido hidráulico ao nível do mar é constituído de 10 de ar O ar está em suspensão no líquido Ele não pode ser visto e aparentemente não acresenta volume ao líquido A capacidade de qualquer fluido hidráulico ou líquido de conter ar dissolvido diminui quando a pressão que age sobre o mesmo cresce Por exemplo se um recipiente com fluido hidráulico que tenha sido exposto à atmosfera fosse colocado numa câmara de vácuo o ar dissolvido borbulharia para fora da solução As bombas hidráulicas mais comuns são engrenagens palhetas e pistões 847 Bombas de engrenagem Consistem basicamente de uma carcaça com orifícios de entrada e de saída e de um mecanismo de bombeamento composto de duas engrenagens Uma das engrenagens a engrenagem motora é ligada a um eixo que é conectado a um elemento acionador principal A outra engrenagem é a engrenagem movida Figura 831 Bomba de engrenagem Fonte Emerald seed and supply Figura 832 Funcionamento de uma bomba de engrenagem Fonte CTSM Aula 8 Hidráulica 173 eTec Brasil Figura 833 Bomba de engrenagem figura explodida Fonte Desenhada Como funciona a bomba de engrenagem no lado da entrada os dentes das engrenagens desenham o fluido entra na bomba sendo conduzido pelo espaço existente entre os dentes e a carcaça para o lado da saída onde os dentes das engrenagens engrenam e forçam o fluido para fora do sistema 848 Bombas de palheta Produzem uma ação de bombeamento fazendo com que as palhetas acompanhem o contorno de um anel ou carcaça O mecanismo de bombeamento de uma bomba de palheta consiste de rotor palhetas e uma placa de orifício com aberturas de entrada e saída Figura 834 Bomba de palheta fonte httpwwwsearchcomreferenceRotaryvanepump Figura 835 Funcionamento interno da bomba de palheta Fonte Tetralon Resumo Nesta aula estudamos os circuitos hidráulicos vimos as principais diferenças entre sistemas pneumáticos e hidráulicos O sistema hidráulico apresenta equipamentos muito semelhantes ao sistema pneumático mas como o hidráulico utiliza líquido óleo ao invés do ar precisa de bomba para a sua circulação Como o óleo é diferente do AC necessita de filtros mais especializados bem como mangueiras mais resistentes Atividades de aprendizagem 1 O termo HIDRÁULICA derivouse da raiz grega HIDRO que tem o significativo de água ou seja HIDRÁULICA é a O estudo das características e uso dos fluidos derivados de petróleo b O estudo do uso da água para todos os fins c O estudo do uso da água para fins industriais d O estudo das características e uso dos fluidos e O uso do óleo hidráulico 2 São exemplos de energia potencial a Uma pilha ou uma bateria não conectada a um circuito uma garrafa cheia de oxigênio gasoso um fósforo acesso b Uma pilha ou uma bateria conectada a um circuito uma garrafa cheia de oxigênio gasoso um fósforo acesso c Uma pilha ou uma bateria conectada a um circuito uma garrafa cheia de oxigênio gasoso um reservatório cheio dágua d Uma pilha ou uma bateria não conectada a um circuito uma garrafa cheia de oxigênio gasoso um reservatório cheio dágua 3 Relacionar a primeira coluna com a segunda A Unidade para trabalho Newtonmetro por segundo B Unidade de potência Newtonmetro C Pressão Bar é a medida da intensidade de uma força 4 Quando é aplicada uma força de 100 kgf sobre um pistão de uma prensa hidráulica de 2 cm² que está comunicado com um outro pistão com 5 cm² teremos uma força resultante de a 50 kgf d 200 kgf b 100 kgf e 250 kgf c 150 kgf 5 Manômetro é o instrumento que a Mede a distância percorrida pelo cilindro hidráulico b Mede a pressão absoluta c Mede um diferencial de pressão d Mede a pressão relativa e Possui escala exclusivamente em Bar e PSI 6 Marcar a resposta correta O óleo de uma central hidráulica foi alterado de 50 para 500 SSU A influência da troca sobre a bomba será a Nenhuma b Talvez seja necessário aumentar a potência c Talvez seja necessário diminuir a potência d Somente as bombas de pistão são afetadas pela alteração da viscosidade 7 O fluido hidráulico mais comum é a Água mineralizada artificialmente b Sintético c À base de emulsão óleoágua d À base de emulsão águaóleo e À base de petróleo 8 Marcar a resposta que está ERRADA As funções mais comuns do reservatório hidráulico são a Contener ou armazenar o óleo b Resfriar o óleo c Suportar a pressão do retorno do óleo hidráulico d Separar impurezas e Desejar óleo 9 A finalidade do resfriamento do óleo é manter o fluido em condições ideais de uso Dos métodos abaixo de resfriamento o que seria mais eficiente quando a central está montada em um ambiente fechado é a Resfriamento dimensionado para dissipação de calor somente pelas paredes do reservatório b Resfriamento dimensionado para dissipação de calor pelas paredes do reservatório e através de um trocador de calor arar instalado no ambiente c Resfriamento dimensionado para dissipação de calor através de um trocador de calor arágua instalado no ambiente d Resfriamento dimensionado para dissipação de calor através de um trocador de calor arar instalado no ambiente 10 As bombas hidráulicas são genericamente classificadas como a De engrenagens b Centrífugas c De pistão d Deslocamento positivo