Nestor Agostini
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SISTEMAS PNEUMÁTICOS INDUSTRIAIS
Rio do Sul
2008
1
1. Introdução: Desenvolvimento da Técnica do ar comprimido e propriedades dos gases
O ar comprimido é, provavelmente, uma das mais antigas formas de transmissão de energia que o
homem conhece, empregada e aproveitada para ampliar sua capacidade física. O
reconhecimento
da
existência física do ar, bem como a sua utilização mais ou menos consciente para o trabalho, são comprovados
há milhares de anos.
O primeiro homem que, com certeza, sabemos ter-se interessado pela pneumática, isto é, o emprego do ar
comprimido como meio auxiliar de trabalho, foi o grego Ktésibios que á mais de 2000 anos, ele construiu uma catapulta a
ar comprimido. Um dos primeiros livros sobre o emprego do ar comprimido como transmissão de energia, data do 1º
século d.C. e descreve equipamentos que foram acionados com ar aquecido.
Dos antigos gregos provem a expressão "PNEUMA" que significa fôlego, vento e, filosoficamente, a
alma. Derivando da palavra "PNEUMA", surgiu, entre outros, o conceito de "PNEUMÁTICA" ciência que
estuda o movimento dos gases e fenômenos dos gases.
Embora, a base da pneumática seja um dos mais velhos conhecimentos da humanidade, foi preciso aguardar o
século XIX para que o estudo de seu comportamento e de suas características se tornasse sistemático. Porém, pode-se
dizer que somente após o ano 1950 é que ela foi realmente introduzida na produção industrial.
Antes, porém, já existiam alguns campos de aplicação e aproveitamento da pneumática, como, por
exemplo, a indústria mineira, a construção civil e a indústria ferroviária (freios a ar comprimido).
A introdução, de forma mais generalizada, da pneumática na indústria, começou com a necessidade,
cada vez maior, de automatização e racionalização dos processos de trabalho. Apesar de sua rejeição inicial,
quase sempre proveniente da falta de conhecimento e instrução, ela foi aceita e o número de campos de
aplicação tornou-se cada vez maior.
Hoje, o ar comprimido tornou-se indispensável para a automação industrial que tem como objetivo
retirar do homem as funções de comando e regulação conservando apenas as funções de controle. Um processo
é considerado automatizado quando este é executado sem a intervenção do homem, sempre do mesmo modo
com o mesmo resultado.
Pressão Manométrica
É a pressão feita através de manômetros onde indica a pressão relativa ( Pe. ) não registra a pressão atmosférica;
Portanto em termos de pressão absoluta é necessário somar mais uma atmosfera
( 1 atm. ) ao valor indicado no manômetro. ( verifique no gráfico ).
( Pabs.)
Pressão absoluta
(pe.) sobre pressão
ou manométrica
Atm.
Pressão atmosférica.
Variação da
Pressão atm.
Atm.
( - Pe. )
Depressão
Ponto “zero”
Vácuo
Figura 1.1: Pressão atmosférica absoluta e relativa
As unidades de pressão mais utilizadas são: atm., bar, Kgf/ cm², Kp/cm² e PS/ (Lb/pol² )
2
Para cálculos aproximados consideramos: 1 atm. = 1,013 bar = 1 Kgf/cm² = 14,7 PSI.
Leis físicas dos gases
Consideramos para o estudo dos gases :
- Utiliza-se com freqüência, a pressão absoluta; Pois as pressões indicadas em ( Pabs ).
- Utiliza-se a temperatura em Kelvins, na escala também conhecida como escala de temperatura absoluta;
As escalas de temperatura mais usadas são:
-Celsius (ºC ) com 100 Divisões. Kelvin ( K ) com 100 Divisões :Fahrenheit (ºF ) com 180 Divisões.
Comparativo das escalas:
ºC
100
100 Div.
K
100 div.
0
373
ºF
212
100 div.
273
32
“Zero absoluto”
Figura 1.2: Escalas de temperaturas
Lei de Boyle – Mariottes (transformação isométrica)
“Os volumes ocupados pelos gases a uma mesma temperatura são inversamente proporcionais as pressões
que suportam” ( transformação Isométrica ).
P. V1 = P2 . V2 = P3 . V3 = Constante.
3
Exemplo:
Temos 1 cilindro onde um volume V1 = 1m³ sob pressão P 1 = 1 bar é reduzido pela força ao volume V 2
= 0,5m³ mantendo-se a temperatura.
Qual é a pressão P2 resultante ?
P1.V1=P2.V2
F
1 bar . 1m³ = P2 . 0,5m³
P 2 = 1 bar. 1m³
= 2 bar
O,5m³
F
V1
P1
V2
P2
Figura 1.3: Transformação isométrica
Lei de Gay – Lussac (transformação isobárica)
Os volumes específicos ocupados pelo gás a uma mesma pressão são diretamente alterados quando há
oscilações de temperatura.
V1 = T1 ( transformação isobárica )
V2
T2
Considerando do que o gás , mantido sob pressão constante aumenta de 1/273 K ( 0ºC ) de seu volume,
aplicado em qualquer gás, sempre que a temperatura aumenta de 1K obtemos:
Vt2 = V t1 +
Vt1 . (T2 – T1)
273
Vt1 = Volume na temperatura T1
Vt2 = Volume na temperatura T2
Expansão do ar ( m³ )
Exemplo
Qual será o volume final?
Para:
V1 = 0,9m³
T1 = 100 K (≅ 50ºC) este gás será aquecido para T2 = 344 K ( ≅ 71ºC).
VT2 = VT1 + VT1 . ( T2 – T1 )
273
VT2 = 0,9+ 0,9 . ( 344 – 100 ) K
273
Resolver Primeiro
VT2 = 0,9 + 0,8m³
VT2 = 1,7m³
( O ar se expandiu em 0,8m³ resultando um volume final de 1,7m³ )
Lei de Charles (transformação isométrica)
As pressões suportadas pelos gases que ocupam um mesmo volume, são diretamente proporcionais as suas
temperaturas absolutas. ( Transformação Isométrica )
4
P1 = P2 = Constante
T2
T1
Exemplo:
Um certo volume de ar em um recipiente possui uma temperatura T1=293K á uma pressão
= 1 bar e será submetido para uma temperatura de 586 K; Qual será a pressão final ( P 2 ).
P1
T1
=
P2
T2
P1 . T2 = T1 . P2
P1
P 2 = P1 . T2.
T1
1 bar . 586 k
P2=
293 k
586
P2=
293
P2= 2 bar
V2
V1
T1
T2
P1
P1
P2
Figura 1.4: Transformação isobárica
Aquecendo uma massa de ar comprimido de uma temperatura T1 para T2 (T1<T2) Temas.
™ Aumento do volume.
™ Aumento da pressão.
™ Aumento do volume e da pressão.
Principio de Pascal.
Em 1652 um cientista francês Blaise Pascal (1623-1662) através do estudo no comportamento dos fluidos,
enunciou um princípio muito importante na Física, o Princípio de Pascal: "A pressão exercida em um ponto
qualquer de um fluido estático é a mesma em todas as direções e exerce forças iguais em áreas iguais".
Figura 1.5: Princípio de Pascal
1.2 Características da Pneumática.
5
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Trabalha com baixa pressão e alta velocidade (4m/s).
Velocidade e força facilmente controladas.
Circuito aberto, não possui retorno do ar.
Energia facilmente armazenável e transportável.
Fácil instalação e manutenção de equipamentos.
Fluido e componentes insensíveis a variação de temperatura.
Aplicação altamente flexível.
Necessita de tratamento do ar a ser utilizado.
Perdas por vazamento reduzem sua eficiência.
Fluido compressível provoca movimentos irregulares nos atuadores.
Limitação da força máxima de trabalho em função da pressão (3.000 kgf).
Escape de ar ruidoso.
1.3 Aplicações da pneumática
A pneumática pode ser usada em todos os segmentos industriais e de transporte para a realização de
movimentos lineares, rotativos e outros.
Movimentos lineares: Fixar, levantar, alimentar, transportar, abrir, fechar.
Movimentos rotativos: Lixar, furar, cortar, aparafusar, rosquear.
Outros: Pulverizar, pintar, soprar, transportar.
1.4 Composição de um sistema pneumático.
Geração
Transmissão
Controle
Transmissão
Atuadores
1.5 Características do ar Comprimido.
Quantidade: O ar a ser comprimido, é encontrado em quantidade ilimitado na atmosfera.
Transporte: O ar comprimido é facilmente transportável por tubulações, mesmo para distâncias
consideravelmente grandes. Não há necessidade de se preocupar com o retorno do ar.
Armazenamento: O ar pode ser sempre armazenado em um reservatório e, posteriormente ser utilizado
ou transportado.
Temperatura: O trabalho realizado com o ar comprimido é insensível às oscilações de temperatura. Isto
garante um funcionamento seguro em situações extremas.
Segurança: Não existe o perigo de explosão ou de incêndio. Portanto não são necessárias custosas
proteções contra explosões.
6
Velocidade: O ar comprimido devido a sua baixa viscosidade é um meio de transmissão de energia
muito veloz.
Preparação: O ar comprimido requer boa preparação. Impurezas e umidade devem ser evitadas, pois
provocam desgaste nos elementos pneumáticos
Limpeza: O ar comprimido é limpo, mas o ar de exaustão dos componentes libera óleo pulverizado na
atmosfera.
Custo: Estabelecendo o valor 1 para a energia elétrica a relação com a pneumática e hidráulica:
De 7 a 10 o custo da energia pneumática.
De 3 a 5 o custo da energia hidráulica
Esta avaliação é apenas orientativa, considerando apenas o custo energético, sem considerar os custos de
componentes. Considerando os valores de válvulas e atuadores o custo fica relacionado como:
2. PROPRIEDADES FÍSICAS DO AR
Compressibilidade: Propriedade do ar que permite a redução do seu volume sob a ação de uma força
externa resultando no aumento de sua pressão.
Vi
Vf < Vi
Vf
Fig. 2.1: Compressibilidade do ar.
Elasticidade: Propriedade do ar que possibilita voltar ao seu volume inicial uma vez extinta a força
externa responsável pela redução de volume.
Vi
Vf > Vi
Vf
Fig. 2.2: Elasticidade do ar.
Difusibilidade: Propriedade do ar que permite misturar-se homogeneamente com qualquer meio gasoso
que não esteja saturado.
7
Volumes contendo ar e gases:
Válvula fechada.
Quando a válvula é aberta temos
uma mistura homogênea.
Fig. 2.3: Difusibilidade do ar.
Expansibilidade: Propriedade do ar que possibilita ocupar totalmente o volume de qualquer recipiente,
adquirindo o seu formato.
Possuímos um recipiente contendo ar,
a válvula na situação 1 está fechada.
Quando a válvula é aberta o ar expande
assumindo o formato dos recipientes.
Fig. 2.4: Expansibilidade do ar.
Peso: como toda matéria concreta o ar tem peso e este peso é de 1,293 x 10-3 Kgf a 0° C
e ao nível do mar.
Fig. 2.5: Peso do ar.
3. GRANDEZAS PNEUMÁTICAS
8
3.1 Pressão: força exercida por unidade de área.
P= F/A
p = pressão
F = força
A = Área
Pressão manométrica: É a pressão registrada nos manômetros.
Pressão atmosférica: É o peso da coluna de ar da atmosfera em 1 cm2 de área. A pressão atmosférica varia
com a altitude, pois em grandes alturas, a massa de ar é menor do que ao nível do mar. No nível do mar a
pressão atmosférica é considerada 1 Atm (1,033 Kgf/cm2).
Pressão absoluta: É a soma da pressão manométrica com a pressão atmosférica. Quando representamos a
pressão absoluta, acrescentamos o símbolo (a) após a unidade ex PSIa, Kgf/cm2a
3.1.1 Unidades de pressão:
Sistema internacional = Pa = N/m2.
Unidade métrica = Kgf/cm2, atm, bar.
Unidade inglesa = psi (pounds per Square Inches), lb/pol2.
Relação entre as unidades de pressão:
PARA
CONVERTER
psi
psi
psi
psi
atm
atm
atm
atm
bar
bar
bar
bar
kgf/cm²
kgf/cm²
kgf/cm²
kgf/cm²
MPa
MPa
MPa
EM
atm
bar
kgf/cm²
MPa
psi
bar
kgf/cm²
MPa
psi
atm
kgf/cm²
MPa
bar
psi
atm
MPa
bar
psi
atm
MULTIPLICAR
POR
0,06804
0,0671
0,07031
0,00689
14,7
1,013
1,033
0,10132
14,50
0,9869
1,02
0,1
0,9807
14,22
0,9678
0,098
10
145,04
9,87
9
MPa
kgf/cm²
10,2
3.1.2 Variação da pressão atmosférica em relação à altitude.
Figura 3.1: Variação da pressão atmosférica.
Altitude
em M
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Pressão
em kg/cm²
1.033
1.021
1.008
0.996
0.985
0.973
0.960
0.948
0.936
0.925
Altitude
em M
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
9.000
10.000
Pressão
em kg/cm²
0.915
0.810
0.715
0.629
0.552
0.481
0.419
0.363
0.313
0.270
Variação da pressão atmosférica.
3.1.3. Vazão: volume deslocado por unidade de tempo.
Q = V/t
Q = Vazão
V = Volume deslocado
t = tempo
Unidades de vazão
- L/s:
Litros por segundo.
10
- L/min:
- m³/min:
- m³/h:
- cfm:
Litros por minuto.
Metros cúbicos por minuto.
Metros cúbicos por hora.
(Cubic feet for minute), pcm.
Relação entre as unidades de vazão:
PARA
CONVERTER
pcm
pcm
pcm
pcm
L/s
L/s
m³/min
EM
cfm
L/s
m³/min
m³/h
m³/min
pcm
pcm
MULTIPLICAR
POR
1
0,4720
0,02832
1,69923
0,06
2,1186
35,31
Conversão entre unidades de vazão.
Estas unidades se referem a quantidade de ar - ou gás - comprimido efetivamente nas condições de temperatura e pressão
no local onde está instalado o compressor. Como estas condições variam em função da altitude, umidade relativa e
temperatura, são definidas condições padrão de medidas, sendo que as mais usadas são:
Nm³/h: Normal metro cúbico por hora - definido à pressão de 1,033 kg/cm2, temperatura de 0°C e
umidade relativa de 0%.
SCFM: Standard cubic feet per minute - definida à pressão de 14,7 lb/pol2, temperatura de 60°F e
umidade relativa de 0%.
11
4. SIMBOLOGIA/ RESUMO
Na área de pneumática a simbologia utilizada é, praticamente, um padrão mundial. Em seguida tabelas com os
principais símbolos utilizados nesta área.
Linhas de fluxo:
Linha de trabalho e retorno.
Linha de pilotagem.
Indicação de
componentes.
conjunto
de
funções
Mangueira flexível.
ou
.
União de linhas.
Linhas cruzadas e não conectadas.
Possibilidade de regulagem
( Inclinação à 45º ).
Direção do fluxo.
Fluxo pneumático.
Sentido de rotação
Fontes de energia:
M
motor elétrico.
motor térmico.
12
M
Acoplamentos
Acoplamento
Acoplamento com proteção.
Compressores:
Compressor
unidirecional
de
deslocamento
fixo
Condicionadores de energia:
1.1
Filtro.
1.2
1.3
Separador com dreno manual.
1.4
Separador com dreno automático.
Filtro com separador e dreno manual.
13
Desumidificador de ar.
Lubrificador.
Reservatório de ar:
Válvulas direcionais:
3/2 vias
4/3 vias
14
Métodos de acionamento:
Detente ou trava
Manual
Mecânico (rolete)
Pedal
Alavanca
Botão
Mola
Solenóide
Piloto
Duplo acionamento
Conversores rotativos de energia:
15
Motor de deslocamento fixo bidirecional.
Osciladores.
Conversores lineares de energia:
simples ação ou simples efeito.
De dupla ação ou duplo efeito.
De haste dupla
Com amortecimento regulável.
Válvulas controladoras de vazão:
Orifício fixo
16
Orifício variável
Orifício variável com retorno livre (By pass)
Válvula de retenção:
Simples
Válvula alternadora (Elemento OU).
Válvula seletora (Elemento E).
Válvula reguladora de pressão:
Alivio ou segurança.
Redutora de pressão
Instrumentos e acessórios:
Manômetro.
17
Vacuômetro.
Termômetro.
Medidor de vazão (Rotâmetro).
Filtro.
Registro fechado.
Registro aberto.
Figura 4.1: Simbologia pneumática
5. O CIRCUITO PNEUMÁTICO
Os circuitos pneumáticos são geralmente abertos, ou seja, não há retorno do fluido, visto que o fluido é o
próprio ar e seu custo não justificaria uma estrutura de retorno. A figura seguinte mostra um sistema
pneumático clássico:
18
Figura 5.1: Sistema pneumático genérico
19
6. COMPRESSORES
A norma americana ANSI estabeleceu algumas cores como padrão para melhor visualizar os processos a ar
comprimido. Apresentamos abaixo as cores utilizadas pelo ANSI (American National Standard Institute), que
substitui a organização ASA: sua padronização de cores é bem completa e abrange a maioria das necessidades
de um circuito.
Vermelho: Indica pressão de alimentação, pressão normal do sistema, é a pressão do processo de transformação
de energia; ex.: compressor.
Violeta: Indica que a pressão do sistema de transformação de energia foi intensificada; ex.: multiplicador de
pressão.
Laranja: Indica linha de comando, pilotagem ou que a pressão básica foi reduzida; ex.: pilotagem de uma
válvula.
Amarelo: Indica uma restrição no controle de passagem do fluxo; ex.: utilização de válvula de controle de
fluxo.
Azul: Indica fluxo em descarga, escape ou retorno; ex.: exaustão para atmosfera.
Verde: Indica sucção ou linha de drenagem; ex.: sucção do compressor.
Branco: Indica fluido inativo; ex.: armazenagem.
5.1. Definição de compressor:
Compressores são máquinas destinadas a elevar a pressão de certo volume de ar até uma determinada pressão,
exigida na execução dos trabalhos realizados pelo sistema de ar comprimido.
A bomba de encher pneu de bicicleta é um exemplo simples de compressor. Como ilustrado pelo diagrama, esta
máquina simples incluí cilindro, pistão, copo de vedação de couro, haste de pistão, cabo, e válvula de retenção.
Se o pistão estiver na parte superior de seu curso, o ar atmosférico no cilindro será comprimido quando o cabo
for empurrado para baixo. Quando o ar no cilindro atingir uma pressão levemente maior que a pressão na linha
ligada à bomba, a válvula de retenção se abrirá e o ar será descarregado do cilindro. Quando o pistão atingir a
base do cilindro, a válvula de retenção se fechará. Quando o pistão for puxado para cima novamente, para a
parte superior do curso empurrado para baixo o copo de vedação de couro flexível que deixará o ar atmosférico
penetrar no cilindro. Quando o pistão empurrado para baixo, o corpo de vedação atuará como uma válvula de
retenção, vedando o espaço entre o cilindro e o pistão.
20
Figura 6.1: Compressor elementar
Uma bomba a vácuo é um compressor que opera com uma pressão de entrada menor que a pressão atmosférica,
e com uma pressão de descarga próxima da pressão atmosférica ou maior.
5.2. Eficiência de compressores de ar
A eficiência de um compressor é de suma importância no projeto de um sistema de ar comprimido. Notar que
uma baixa eficiência significa um maior consumo de energia durante toda a vida útil do compressor. Podemos
dizer que um compressor eficiente é aquele que desloca maior quantidade de ar, aquecendo o mínimo possível e
com menor esforço. Resumindo, é aquele que possui melhor eficiência volumétrica e adiabática (ou térmica).
Eficiência Volumétrica: Indica o quanto de ar que o compressor consegue comprimir e quanto é perdido
através de vazamentos. Por exemplo, se um compressor tem capacidade de 10 litros de ar de deslocamento, mas
apenas 7,2 litros são deslocados, sua eficiência é de 72%. Um compressor com 45% de eficiência deverá ter o
dobro do tamanho, para deslocar o dobro de ar e se comparar ao mesmo volume deslocado por um outro
compressor de 90% de eficiência.
Eficiência Adiabática: Indica a quantidade de energia que o compressor perde em forma de calor para produzir
potência. Um compressor com 100% de eficiência adiabática irá utilizar toda a energia necessária para
comprimir o ar, sem aquecer o conjunto ou o próprio ar. Portanto, um compressor eficiente deve ter alta
eficiência volumétrica para minimizar o seu tamanho e alta eficiência adiabática para maximizar a quantidade
de ar comprimido pela unidade.
Classificação e Definição Segundo os Princípios de Trabalho:
São duas as classificações fundamentais para os princípios de trabalho.
Deslocamento Positivo
Baseia-se fundamentalmente na redução de volume. O ar é admitido em uma câmara isolada do meio exterior,
onde seu volume é gradualmente diminuído, processando-se a compressão. Quando uma certa pressão é
21
tingida, provoca a abertura de válvulas de descarga, ou simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga
durante a
contínua diminuição do volume da câmara de compressão.
Figura 6.2: Compressor de deslocamento positivo
Deslocamento dinâmico
A elevação da pressão é obtida por meio de 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 conseqüentemente os
impulsores transmitem energia cinética ao ar. Posteriormente, seu escoamento é retardado por meio de
difusores, obrigando a uma elevação na pressão.
22
Figura 6.3: Compressor de deslocamento dinâmico
Difusor
É uma espécie de duto que provoca diminuição na velocidade de escoamento de um fluido, causando aumento
de pressão.
Figura 6.4: Tipos de compressores
7. RESERVATÓRIO DE AR COMPRIMIDO
O reservatório serve para a estabilização da distribuição do ar comprimido. Ele elimina as oscilações de pressão na rede
distribuidora e, quando há momentaneamente alto consumo de ar, é uma garantia de reserva. A grande superfície do
reservatório refrigera o ar suplementar. Por isso se separa diretamente no reservatório, uma parte da umidade do ar. Os
reservatórios devem ser instalados de modo que todos os drenos, conexões e a abertura de inspeção sejam de fácil acesso.
Os reservatórios não devem ser enterrados ou instalados em local de difícil acesso, devem ser instalados de preferência
fora da casa dos compressores na sombra, para facilitar a condensação da umidade no ponto mais baixo para a retirada do
condensado.
23
1 Manômetro
3 Entrada
2 Saída
4 Válvula
alivio
5
Abertura
inspeção
de 6 Dreno
de
Figura 7.1: Depósito de ar comprimido
7.1. Preparação do ar comprimido
O ar absorvido diretamente do ambiente e comprimido não é adequado para ser utilizado em sistemas
pneumáticos. Impurezas em forma de partículas de sujeira ou ferrugem, restos de óleo e umidade levam, em
muitos casos à falhas em instalações e avarias nos elementos pneumáticos. Enquanto a separação primária do
condensado é feita no separador após o resfriador, a separação final, filtragem e outros tratamentos secundários
do ar comprimido é executada no local de consumo. Nisso é necessário atentar especialmente para a ocorrência
de umidade. A água (umidade) já penetra na rede pelo próprio ar aspirado pelo compressor
A incidência da umidade depende, em primeira instância, da umidade relativa do ar que por sua vez, depende da
temperatura e condições atmosféricas. A umidade geralmente é expressa em “ umidade relativa”.
Para compreender o significado da umidade relativa é necessário lembrar de alguns conceitos físicos.
O ar atmosférico é uma mistura de gases (nitrogênio, oxigênio, gás carbônico, vapor de água, etc). A massa de
vapor de água por unidade de volume existente no ar atmosférico é chamada de umidade absoluta. Assim, a
equação seguinte define a umidade absoluta (SEARS, ZEMANSKY, 1997):
umidade _ absoluta =
massa _ do _ vapor _ de
volume _ do _ ar
A pressão total exercida pela atmosfera é a soma das pressões parciais exercida por cada um de seus
componentes tomadas em separado. A pressão de cada um dos componentes é chamada de pressão parcial. Do
exposto acima deduzimos a equação:
Pr essão _ atmosférica = ∑ Pr essões _ de _ cada _ com
24
A pressão parcial de cada componente da mistura gasosa é, praticamente, a mesma que exerceria em estado
puro, ocupando o volume total da mistura, ou seja, cada componente tem um comportamento independente dos
outros.
A título de informação, apresentamos a tabela abaixo onde é apresentada a pressão parcial exercida pelo vapor
de água (SEARS, ZEMANSKY, 1977) e a pressão atmosférica total.
Pressão parcial do vapor da água para diferentes temperaturas
Temperatura Pressão do vapor de água Temperatura Pressão do vapor de água
saturado (mmHg)
saturado (mmHg)
(°C)
(°C)
-20
0,8
60
149,5
-10
1,9
70
233,8
0
4,6
10
9,2
20
17,5
30
31,8
80
355,3
40
55,4
90
525,9
50
92,6
100
760,0
Chama-se pressão de vapor de água saturado à pressão exercida quando o vapor de água e o liquido existem em
equilíbrio dinâmico, isto é, o número de moléculas do vapor que se condensam é igual ao número de moléculas
que evaporam. A pressão de vapor de água saturado depende da temperatura, sendo que a temperatura em que o
vapor de água de uma amostra se torna saturado é chamado de ponto de orvalho (SEARS, ZEMANSKY,
YOUNG, 1997).
A partir dos conceitos expostos podemos definir, através de uma relação matemática, a umidade relativa do ar:
UR% =
pressão _ parcial _ do _ vap
pressão _ do _ vapor _ de _ ág
Onde: UR% é a umidade relativa em percentagem e as pressões citadas são como foram expostas acima.
Nota-se que a umidade relativa depende da quantidade de água presente no ar (pressão parcial do vapor de
água) e da temperatura do ar, pois, a pressão de vapor de água saturado depende desta. Assim, se a temperatura
do ar aumentar, a pressão do vapor de água saturada também aumenta, provocando uma redução na umidade
relativa.
Uma outra maneira de expressar a umidade relativa do ar, a uma dada temperatura, é através da relação entre a
quantidade de vapor de água no ar e o montante que este conteria se estivesse saturado na mesma temperatura.
Sabemos que a quantidade de água absorvida pelo ar está relacionada com a sua temperatura e volume. A maior
quantidade de vapor d'água contida num volume de ar sem ocorrer condensação dependerá da temperatura de
saturação ou ponto de orvalho a que está submetido este volume. No ar comprimido temos ar saturado. O ar
estará saturado quando a pressão parcial do vapor d'água for igual à pressão de saturação do vapor d'água, à
temperatura local. O vapor é superaquecido quando a pressão parcial do vapor d'água for menor que a pressão
de saturação. Enquanto tivermos a presença de água em forma de vapor normalmente superaquecido, nenhum
problema ocorrerá.
Analisemos agora: um certo volume de ar está saturado com vapor d'água, isto é, sua umidade relativa é 100%;
comprimimos este volume até o dobro da pressão absoluta, o seu volume se reduzirá à metade. Logicamente,
isto significará que sua capacidade de reter vapor d'água também foi reduzida à metade devido ao aumento da
pressão e redução do seu volume. Então o excesso de vapor será precipitado como água. Isto ocorre se a
temperatura for mantida constante durante a compressão, ou seja, processo isotérmico de compressão.
25
Entretanto, isso não acontece; verifica-se uma elevação considerável na temperatura durante a compressão.
Como foi mencionado anteriormente, a capacidade de retenção da água pelo ar está relacionada com a
temperatura, sendo assim, não haverá precipitação no interior das câmaras de compressão. A precipitação de
água ocorrerá quando o ar sofrer um resfriamento, seja no resfriador ou na linha de distribuição. Isto explica
porque no ar comprimido existe sempre ar saturado com vapor de água em suspensão que se precipita ao longo
da tubulação. Quando o ar é resfriado à pressão constante, a temperatura diminui, então a parcial do vapor será
igual à pressão de saturação no ponto de orvalho. Qualquer resfriamento adicional provocará condensação da
umidade. Denomina-se Ponto de Orvalho o estado termodinâmico correspondente ao início da condensação do
vapor d'água, quando o ar úmido é resfriado e a pressão parcial do vapor é constante. A presença desta água
condensada nas linhas de ar, causada pela diminuição de temperatura, terá como conseqüências:
- Oxida a tubulação e componentes pneumáticos.
- Destrói a película lubrificante existente entre as duas superfícies que estão em contato, acarretando desgaste prematuro e
reduzindo a vida útil das peças, válvulas, cilindros, etc.
- Prejudica a produção de peças.
- Arrasta partículas sólidas que prejudicarão o funcionamento dos componentes pneumáticos.
- Aumenta o índice de manutenção
- Impossibilita a aplicação em equipamentos de pulverização.
- Provoca golpes de aríete nas superfícies adjacentes, etc.
Portanto, é da maior importância que grande parte da água, bem como dos resíduos de óleo, seja removida do ar para
evitar redução de todos os dispositivos e máquinas pneumáticas. Para desumidificar o ar são utilizados os resfriadores e
separadores de condensado e os resfriadores propriamente ditos.
7.1.1. Resfriador de ar e separador de condensados.
Para ajudar a resolver de maneira eficaz o problema inicial da água nas instalações de ar comprimido, temos o
resfriador posterior, localizado entre a saída do compressor e o reservatório, pelo fato de o ar comprimido na
saída atingir sua maior temperatura.
O resfriador posterior é simplesmente um trocador de calor utilizado para resfriar o ar comprimido. Como
conseqüência deste resfriamento, permite-se retirar cerca de 75% a 90% do vapor de água contido no ar, bem
como vapores de óleo; além de evitar que a linha de distribuição sofra uma dilatação, causada pela alta
temperatura de descarga do ar.
Um resfriador posterior é constituído basicamente de duas partes: um corpo geralmente cilíndrico onde se alojam feixes de
tubos confeccionados com materiais de boa condução de calor, formando no interior do corpo uma espécie de colméia. A
segunda parte é um separador de condensado dotado de dreno.
Figura 7.2: Resfriador de ar e separador de condensados (Parker).
26
O ar proveniente do compressor é obrigado a passar através dos tubos, sempre em sentido oposto ao fluxo da
água de refrigeração. Na saída, está o separador. Devido à sinuosidade do caminho que o ar deve percorrer,
provoca-se a eliminação da água condensada, que fica retida numa câmara. A parte inferior do separador é
dotada de um dreno manual ou automático na maioria dos casos, através do qual a água condensada é expulsa
para a atmosfera. A temperatura na saída do resfriador dependerá da temperatura que o ar é descarregado, da
temperatura da água de refrigeração e do volume de água necessário para a refrigeração. Certamente, a
capacidade do compressor influi diretamente no porte do resfriador.
7.1.2 Secador por absorção.
A secagem por absorção é um processo puramente químico.
Neste processo, o ar comprimido passa sobre uma camada solta de um elemento secador. A água ou vapor de
água que entra em contato com esse elemento, combina-se quimicamente com ele e se dilui na forma de uma
combinação elemento secador/água. Esta mistura deve ser removida periodicamente do absorvedor. Essa
operação pode ser manual ou automática. Com o tempo, o elemento secador é consumido e o secador deve ser
reabastecido periodicamente (duas a quatro vezes por ano). O secador por absorção separa ao mesmo tempo
vapor e partículas de óleo, porém, quantidades maiores de óleo influenciam no funcionamento do secador.
Devido a isso é conveniente antepor um filtro fino ao secador.
O processo de absorção caracteriza-se por:
− Montagem simples da instalação.
− Desgaste mecânico mínimo já que o secador não possui peças móveis.
− Não necessita de energia externa.
Figura 7.3 Secagem por absorção (Parker).
27
As principais substâncias utilizadas são: Cloreto de Cálcio, Cloreto de Lítio, Dry-o-Lite.
Com a conseqüente diluição das substâncias, é necessária uma reposição regular, caso contrário o processo
torna-se deficiente. A umidade retirada e a substância diluída são depositadas na parte inferior do invólucro,
junto a um dreno, de onde são eliminadas para a atmosfera.
7.1.3 Secador por adsorção.
A secagem por adsorção está baseada num processo físico.(Adsorver: admitir uma substância à superfície de
outra). O elemento secador é um material granulado com arestas ou em forma de pérolas. Este elemento secador
está formado de quase 100% de dióxido de silício. Em geral é conhecido pelo nome "GEL" (Sílica Gel). A
tarefa do "GEL" consiste em adsorver a água e o vapor de água. O ar comprimido úmido é conduzido através da
camada de "GEL". O elemento secador segura a umidade do ar comprimido. É evidente que a capacidade de
acumulação de uma camada de "GEL" é limitada. Uma vez que o elemento secador estiver saturado, poderá ser
regenerado soprando se ar quente na camada saturada.
Mediante a montagem em paralelo de duas instalações de adsorção, uma delas pode estar ligada para secar
enquanto a outra está sendo soprada com ar quente (regeneração).
Figura 7.4: Esquematização da secagem por adsorção ((Parker).
28
7.1.4 Secador por refrigeração.
O secador de ar comprimido por resfriamento funciona pelo princípio da diminuição de temperatura do ponto
de orvalho. A temperatura do ponto de orvalho é a temperatura à qual deve ser esfriado um gás para obter a
condensação do vapor de água contida nele. O ar comprimido a ser secado entra no secador, passando primeiro
pelo denominado trocador de calor a ar. Mediante o ar frio e seco proveniente do trocador de calor
(vaporizador) é esfriado o ar quente que está entrando. A formação de condensado de óleo e água é eliminado
pelo trocador de calor. Este ar comprimido pré-esfriado circula através do trocador de calor (vaporizador) e
devido a isso, sua temperatura desce até 1,7ºC aproximadamente. Desta maneira o ar é submetido a uma
segunda separação de condensado de água e óleo.
Posteriormente, o ar comprimido pode ainda passar por um filtro fino a fim de eliminar os corpos estranhos.
Figura 7.5: Secagem por refrigeração (Parker).
29
8.
DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO
8.1 Rede de Distribuição
A rede de distribuição de ar comprimido compreende todas as tubulações que saem do reservatório passando pelo secador
e que unidas, orientam o ar comprimido até os pontos individuais de utilização.
A rede possui duas funções básicas:
- Funcionar como um reservatório para atender as exigências locais.
- Comunicar a fonte com os equipamentos consumidores.
Numa rede distribuidora, para que haja eficiência, segurança e economia, são importantes três pontos:
- Baixa queda de pressão entre a instalação do compressor e os pontos de utilizações;
- Apresentar o mínimo de vazamento;
- Boa capacidade de separação do condensado em todo o sistema.
Figura 8.1: Rede de Distribuição (Fargon engenharia e indústria)
1 Compressor de parafuso
2 Resfriador posterior ar/ar
3 Separador de condensado
4 Reservatório
5 Purgador automático
6 Pré Filtro coalescente
7 Secador
8 Filtros coalescentes (grau x, y, z)
9 Purgador automático eletrônico
10 Separador de água e óleo
11 Separador de condensado
30
8.1.1 Rede de Distribuição em Anel Aberto
Assim chamada por não haver uma interligação na rede. Este tipo facilita a separação do condensado pois ela é
montada com uma certa inclinação, na direção do fluxo, permitindo o escoamento para um ponto de drenagem
Consumidores
Reservatório
Secundário
Figura 8.2: Rede de Distribuição em Anel Fechado
Geralmente as tubulações principais são montadas em circuito fechado. Este tipo auxilia na manutenção de uma pressão
constante, proporciona uma distribuição mais uniforme do ar, pois o fluxo circula em duas direções.
Consumidores
Reservatório
Secundário
Figura 8.3: Rede de Distribuição Combinada aberta
A rede combinada também é uma instalação em circuito fechado, a qual, por suas ligações longitudinais e
transversais, oferece a possibilidade de trabalhar com ar em qualquer lugar.
Mediante válvulas de fechamento existe a possibilidade de fechar determinadas linhas de ar comprimido
quando as mesmas não forem usadas ou quando for necessário pô-las fora de serviço por razões de reparação e
manutenção. Também pode ser feito um controle de estanqueidade
31
Figura 8.4: Rede de Distribuição Combinada fechada
8.1.4 Posicionamento
É de importância não somente o correto dimensionamento mas também a montagem das tubulações. As
tubulações de ar comprimido requerem uma manutenção regular, razão pela qual as mesmas não devem, dentro
do possível, serem montadas dentro de paredes ou de cavidades estreitas. O controle da estanqueidade das
tubulações seria dificultado por essa causa. Em alguns casos especiais, é aconselhável colocar as redes em
valetas apropriadas sob o pavimento, levando em consideração os espaços para montagem e manutenção. O
posicionamento também deve permitir a drenagem do condensado.
Figura 8.5: Inclinação, tomadas de ar e drenagem da umidade (Fargon engenharia e indústria)
As tubulações, em especial nas redes em circuito aberto, devem ser montadas com um declive de 0,5% a 2%, na
direção do fluxo. Por causa da formação de água condensada, é fundamental, em tubulações horizontais,
instalar os ramais de tomadas de ar na parte superior do tubo principal. Desta forma, evita-se que a água
condensada eventualmente existente na tubulação principal possa chegar às tomadas de ar através dos ramais.
Para interceptar e drenar a água condensada devem ser instaladas derivações com drenos na parte inferior da
tubulação principal. Os drenos, colocados nos pontos mais baixos, de preferência devem ser automáticos. Em
redes mais extensas aconselha-se instalar drenos distanciados aproximadamente 20 a 30 metros um do outro.
8.1.5 Curvatura das tubulações
32
As curvas devem ser feitas no maior raio possível para evitar perdas excessivas por turbulência. Evitar sempre
a colocação de cotovelos de 90 graus. A curva mínima deve possuir um raio mínimo de duas vezes o diâmetro
externo do tubo.
Figura 8.6: Curvatura da tubulação (Parker)
8.1.6 Vazamentos
As quantidades de ar perdidas através de pequenos furos, acoplamentos com folgas, vedações defeituosas,
quando somadas, alcançam elevados valores.
A importância econômica desta contínua perda de ar torna-se mais evidente quando comparada com o consumo
do equipamento e a potência necessária para realizar a compressão. Desta forma, um vazamento na rede
representa um consumo consideravelmente maior de energia.
Podemos constatar isto através da tabela.
33
8.2 Considerações a respeito da tubulação
8.2.1. Tubulações principais
Na escolha do material da tubulação temos várias possibilidades: cobre, latão, aço liga, material sintético, tubo
de aço preto, tubo de aço zincado (galvanizado).
Toda tubulação deve ser fácil de instalar, resistente à corrosão e de preço vantajoso.
Tubulações instaladas para um tempo indeterminado devem ter uniões soldadas que, neste caso, serão de grande
vantagem, pois, são bem vedadas e não muito custosas.
As desvantagens destas uniões são as escamas que se criam ao soldar. Estas escamas devem ser retiradas da
tubulação. A costura da solda também é sujeita à corrosão, e isto requer a montagem de uma unidade de
conservação.
Em tubulações de tubos de aço zincado (galvanizado), o ponto de conexão nem sempre é totalmente vedado. A
resistência à corrosão, nestes tubos, não é muito melhor do que a do tubo de aço preto. Lugares decapados
(roscas) também podem enferrujar, razão pela qual também aqui é importante o emprego da unidade de
conservação.
Em casos especiais prevêem-se tubos de cobre ou de material sintético (plástico).
8.2.2 Tubulações secundárias
34
Tubulações à base de borracha (mangueiras) somente devem ser usadas onde for requerida uma certa
flexibilidade e onde, devido a um esforço mecânico mais elevado, não possam ser usadas tubulações de material
sintético.
Tubulações à base de polietileno e poliamido, hoje são mais freqüentemente usadas em maquinas e,
aproveitando novos tipos de conexões rápidas, as tubulações de material sintético podem ser instaladas de
maneira rápida e simples, sendo ainda de baixo custo.
8.2.3 Dimensionamento da rede condutora
Redes mal dimensionadas podem provocar consideráveis perdas de carga.
O diâmetro da tubulação, deve ser escolhido de maneira que, mesmo com um consumo de ar crescente, a queda
da pressão, do reservatório até o consumidor, não ultrapasse valores aceitáveis. Uma queda maior da pressão
prejudica a rentabilidade do sistema e diminui consideravelmente sua capacidade.
Já no projeto da instalação de compressores deve ser prevista uma possível ampliação posterior e,
consequentemente, maior demanda de ar, determinando dimensões maiores dos tubos na rede distribuidora. A
montagem posterior de uma rede distribuidora de dimensões maiores (ampliação), acarreta despesas elevadas.
A escolha do diâmetro da tubulação não é realizada por quaisquer fórmulas empíricas ou para aproveitar tubos
por acaso existentes em depósito, mas sim considerando-se:
- Volume corrente (vazão)
- Comprimento de rede
- Queda de pressão admissível
- Pressão de trabalho
- número de pontos de estrangulamento na rede .
Para esta escolha, existem dois critérios de cálculo que estão intimamente ligados:
- Dimensionamento pela perda de carga
- Dimensionamento pela velocidade
Dimensionamento pela perda de carga
A perda de carga é decorrente do atrito do ar contra as paredes das tubulações. Quanto mais longa a linha maior será a
perda. Além de considerar o comprimento físico da tubulação, também deve ser dada especial atenção as perdas
localizadas nas válvulas e conexões instaladas, na linha.
Através da equação abaixo poderemos calcular a perda da carga na rede de distribuição.
Onde:
∆p
Q
Lr
p
d
- Perda de carga (não superior a 0,3; em grandes redes pode chegar a 0,5 bar)
- Vazão de ar (N m³/s)
- Comprimento real da tubulação (M)
- Pressão de trabalho absoluta (Bar)
- Diâmetro interno da tubulação (mm)
Da equação acima deduzimos a fórmula para calcular o diâmetro interno da tubulação:
35
5 1,663785 x 103 x Q1,85 x Lr
d = 10 x
pxp
A tabela a seguir determina o comprimento equivalente em função da perda de carga:
1.5
Conexões
90O
COTOVELO
COMUM
90O CURVA
RAIO
LONGO
13.1
ROS
Q
13.2
FLA
N
13.3
ROS
Q
13.4
FLA
N
13.5
ROS
Q
13.6
FLA
N
13.7
ROS
Q
13.8
FLA
N
13.9
ROS
Q
CURVA 45O
TEE
FLUXO EM
LINHA
TEE FLUXO
PELO
RAMAL
CURVA
180O RAIO
LONGO
VÁLVULA
GLOBO
ABERTA
2
Diâmetro Nominal
3
1 4
/
2
"
3
/ 5
4
"
6
1
"
1. 7
1
/
4
"
1.
1
8
/
2
"
9
2
"
2.
1
10
/
2
"
3 11
"
4
12
"
5"
13
1,1
1,34
1,58
2,0
2,25
2,6
2,8
3,4
4,0
-
-
0,30
0,37
0,50
0,62
0,73
0,95
1,1
1,3
1,8
2,2
2,7
0,67
0,70
0,83
0,98
1,0
1,1
1,1
1,2
1,4
-
-
0,33
0,40
0,49
0,61
0,70
0,83
0,88
1,0
1,3
1,5
1,7
0,21
0,28
0,39
0,52
0,64
0,83
0,97
1,2
1,7
-
-
0,14
0,18
0,25
0,34
0,40
0,52
0,61
0,80
1,1
1,4
1,7
0,52
0,73
0,99
1,4
1,7
2,3
2,8
3,7
5,2
-
-
0,21
0,25
0,30
0,40
0,45
0,55
0,58
0,67
0,85
1,0
1,2
1,3
1,6
2,0
2,7
3,0
3,7
3,9
5,2
6,4
-
-
0,61
0,80
1,0
1,3
1,6
2,0
2,3
2,9
3,7
4,6
5,5
1,1
1,3
1,6
2,0
2,3
2,6
2,8
3,4
4,0
0,34
0,40
,049
0,61
0,70
0,83
0,88
1,00
1,3
1,5
1,7
6,7
7,3
8,8
11,3
12,8
16,5
18,9
24,0
33,5
-
-
6"
13.10 FLA
N
13.11 ROS
Q
13.12 FLA
N
13.13 ROS
Q
36
11,6
12,2
13,7
16,5
18,0
21,4
23,5
28,7
36,6
45,7
47,9
0,17
0,20
0,25
0,34
0,37
0,46
0,52
0,58
0,76
-
-
-
-
-
-
-
0,80
0,83
0,85
0,88
0,95
0,98
4,6
4,6
5,2
5,5
5,5
5,55
5,55
5,55
5,55
-
-
4,6
4,6
5,2
5,5
5,5
6,4
6,7
8,5
11,6
15,2
19,2
2,4
2,7
3,4
4,0
4,6
5,8
6,7
8,2
11,6
-
-
1,2
1,6
2,2
3,0
3,7
5,2
6,4
8,3
11,6
15,2
19,2
0,07
0,07
0,08
0,11
0,12
0,14
0,14
0,16
0,19
-
-
1,5
2,0
2,3
5,5
8,1
8,3
8,8
10,4
12,8
16,2
18,6
13.14 FLA
N
VÁLVULA
GAVETA
13.15 ROS
Q
13.16 FLA
N
VÁLVULA
ANGULAR
13.17 ROS
Q
13.18 FLA
N
VÁLVULA 13.19 ROS
Q
RETENÇÃO
PORTINHO
LA
13.20 FLA
N
UNIÃO
FILTRO Y
13.21 ROS
Q
13.22 FLA
N
Perda de carga
9. UNIDADE DE CONSERVAÇÃO DE AR
Após passar por todo o processo de produção, tratamento e distribuição, o ar comprimido deve sofrer um último
condicionamento, antes de ser utilizado nos equipamentos.
Neste caso, o beneficiamento do ar comprimido consiste no seguinte: filtragem, regulagem da pressão e
lubrificação. Uma duração prolongada e funcionamento regular de qualquer componente em um circuito
depende antes de tudo do grau de filtragem, da isenção de umidade, da estabilidade da pressão e da lubrificação
das partes móveis.
Uma das maneiras de fazer isto acontecer é a instalação da unidade de conservação de ar. Esta unidade é composta
basicamente da combinação dos seguintes elementos:
- Filtro de ar comprimido
- Regulador de ar comprimido com manômetro
- Lubrificador de ar comprimido
37
Unidade de conservação do ar
Simbologia detalhada
Simbologia simplificada
Figura 9.1: Unidade de conservação do ar
38
9.1 Filtro de ar comprimido
A função de um filtro de ar comprimido é reter as partículas de impureza, bem como a água condensada
presentes no ar que passa por ele. O ar comprimido, ao entrar no copo é forçado a um movimento de rotação por
meio de "rasgos direcionais". Com isso, separam-se as impurezas maiores, bem como as gotículas de água, por
meio de força centrífuga e depositam-se então no fundo do copo. O condensado acumulado no fundo do copo
deve ser eliminado, o mais tardar ao atingir a marca do nível máximo, já que se isto ocorrer, o condensado será
arrastado novamente pelo ar que passa.
As partículas sólidas, maiores que a porosidade do filtro, são retidas por este. Com o tempo, o acúmulo destas
partículas impede a passagem do ar. Portanto, o elemento filtrante deve ser limpo ou substituído a intervalos
regulares. Em filtros normais, a porosidade se encontra entre 30 a 70 microns.
Filtros mais finos tem elementos com porosidade até 3 microns. Se houver uma acentuada deposição de condensado,
convém substituir a válvula de descarga manual por uma automática.
Figura 9.2: Filtro de ar comprimido (Parker).
9.1.1 Funcionamento do dreno automático
Por um furo de passagem, o condensado atinge o fundo do copo. Com o aumento do nível do condensado um
flutuador se ergue. A um determinado nível, abre-se uma passagem. O ar comprimido existente no copo passa
por ela e desloca o êmbolo para a direita. Com isso se abre o escape para o condensado.
Pelo escape, o ar só passa lentamente, mantendo-se com isso, aberta por um tempo ligeiramente maior a saída
do condensado.
9.2 Regulador de pressão
O regulador tem por função manter constante a pressão de trabalho (secundária) independente da pressão da rede
(primária) e consumo do ar. A pressão primária tem que ser sempre maior que a secundária. A pressão é regulada por
meio de uma membrana.
39
Uma das faces da membrana é submetida à pressão de trabalho. Do outro lado, atua uma mola cuja pressão é
ajustável por meio de um parafuso de regulagem. Com aumento da pressão de trabalho a membrana se
movimenta contra a força mola. Com isso, a secção nominal de passagem na sede da válvula diminui
progressivamente, ou se fecha totalmente. Isto significa que a pressão é regulada pelo fluxo. Na ocasião do
consumo a pressão diminui e a força da mola reabre a válvula. Com isso, o manter da pressão regulada se torna
um constante abrir a fechar da válvula. Para evitar a ocorrência de uma vibração indesejável, sobre o prato da
válvula é constituído um amortecimento por mola ou ar. A pressão de trabalho é indicada por um manômetro.
Se a pressão crescer demasiado do lado secundário, a membrana é pressionada contra a mola. Com isso, abre-se
a parte central da membrana e o ar em excesso sai pelo furo de escape para a atmosfera.
Figura 9.3: Regulador de pressão
40
9.3 Manômetros
São instrumentos utilizados para medir e indicar a intensidade de pressão do ar comprimido, óleo, etc. Nos circuitos
pneumáticos e hidráulicos, os manômetros são utilizados para indicar o ajuste da intensidade de pressão nas válvulas, que
pode influenciar a força ou o torque de um conversor de energia. Um dos manômetros mais utilizados é o do tipo
Bourdon.
9.3.1 Manômetro tipo tubo de Bourdon.
Consiste em uma escala circular sobre a qual gira um ponteiro indicador ligado a um jogo de engrenagens e
alavancas, este conjunto é ligado a um tubo recurvado, fechado em uma extremidade e aberto em outra que está
ligada com a entrada de pressão.
Aplicando-se pressão na entrada, o tubo tende a endireitar-se, articulando as alavancas com a engrenagem,
transmitindo movimento para o indicador e registrando a pressão sobre a escala.
Figura 9.4: Manômetro tipo tubo de Bourdon (Parker).
41
9.4 Lubrificador
O lubrificador tem a tarefa de abastecer suficientemente, com materiais lubrificantes, os elementos pneumáticos. Os
materiais lubrificantes são necessários para garantir um desgaste mínimo dos elementos móveis, manter tão mínimos
quanto possível as forças de atrito e proteger os aparelhos contra a corrosão.
Lubrificadores de óleo trabalham, geralmente, segundo o princípio Venturi. A diferença de pressão ∆p (queda da pressão),
entre a pressão antes do bocal nebulizador e a pressão no ponto estrangulador do bocal, será aproveitada para sugar óleo
de um reservatório e de misturá-lo com o ar em forma de neblina. Com um parafuso de regulagem é dada a possibilidade
de regular as gotas de óleo por unidade de tempo.
Figura 9.5: Lubrificador (Parker)
9.4.1 Princípio de Venturi
É a diferença de pressão ∆p (queda de pressão) entre a pressão antes do local nebulizador e a pressão no ponto de
estrangulamento do local, será aproveitada para sugar óleo de um reservatório e de misturá-lo com o ar em forma de
neblina.
∆p
42
Figura 9.6: Tubo de Venturi
9.5 Instalação das Unidades de Conservação
A vazão total de ar em m³/hora é determinante para o tamanho da unidade. Uma demanda (consumo) de ar grande demais
provoca uma queda de pressão nos aparelhos. Deve-se observar rigorosamente os dados indicados pelo fabricante. A
pressão de trabalho nunca deve ser superior à indicada no aparelho. A temperatura ambiente não deve ser maior que 50ºC
(máximo para copos de material sintético). Muito importante observar, é o posicionamento da Unidade de Conservação no
circuito. A instalação da mesma deve ser em nível superior ao das válvulas e dos atuadores. Quando isto não for possível,
pelo menos o lubrificador deve estar nesta condição. A razão deste cuidado deve-se ao fato de que o óleo contido no
lubrificador é arrastado pelo ar até as válvulas, atuadores e ferramentas em forma de névoa através de um sistema de
pulverização. Se o lubrificador se situa em um nível inferior aos componentes a serem lubrificados, o óleo pode se
condensar nas paredes dos condutos, prejudicando a lubrificação. Outro ponto à ser observado é a distância máxima do
lubrificador aos equipamentos a serem lubrificados. Esta distância não deve ultrapassar a cinco (5) metros quando se tem
um número muito grande de cotovelos no circuito , ou a dez (10) metros, quando a instalação é mais retilínea. Caso típico
se observa nas grandes indústrias, onde se tem uma linha de ar alimentando vários equipamentos pneumáticos situados a
distâncias consideráveis e um único lubrificador no início do sistema. Quando se tem uma rede muito extensa, deve-se
colocar quantos lubrificantes se fizerem necessários, respeitando a distância máxima permitida.
9.5.1 Manutenção das Unidades de Conservação
a) Filtro de ar comprimido: O nível de água condensada deve ser controlado regularmente, pois a altura
marcada no copo indicador não deve ser ultrapassada. A água condensada acumulada pode ser arrastada para a
tubulação de ar comprimido e para os equipamentos.
Para drenar a água condensada deve-se abrir o parafuso de dreno no fundo do copo indicador. O cartucho filtrante, quando
sujo, também deve ser limpo ou substituído.
b) Regulador de pressão de ar comprimido: na existência de um filtro de ar comprimido antes do regulador, este
não necessita de manutenção.
c) Lubrificador de ar comprimido.
Controlar o nível de óleo no copo indicador. Se necessário, completar óleo até a marcação.
Filtros de material plástico e o copo do lubrificador devem ser limpos somente com querosene. Para o
lubrificador devem ser usados somente óleos minerais de baixa viscosidade (3,5ºE a 20ºC).
43
Tabela de Lubrificantes.
Tipos de óleos adequados
Aral Oel TU 500
Avia Avilub RSL3
BP Energol HLP 40
Esso Spinesso 10
Mobil Vac HLP 9
Shell Tellus C-10
Texaco Rando Oil AAA
Valvoline Ritzol R-60
Vedol Andarin 38
HR - 32 BR
Viscosidade a 20 Cº
23.6 c St
34 c St
27 c St
23 c St
25.2 c St
22 c St
25 c St
26 c St
20.5 c St
31.2 c St
44
10. Válvulas Pneumáticas
Os comandos pneumáticos consistem em elementos de sinal, elementos de comando e elementos de trabalho.
Os elementos emissores de sinal e de comando influenciam o processo de trabalho, razão pela qual são
denominados "válvulas".
As válvulas, segundo as suas funções, são subdivididas em cinco grupos:
- Válvulas direcionais
- Válvulas de bloqueio
- Válvulas de fluxo
- Válvulas de pressão
- Válvulas de fechamento
- Combinação de válvulas
10.1 Válvulas Direcionais.
São elementos que influenciam o percurso do fluxo de ar, principalmente nas partidas, paradas e na direção do fluxo.
10.1.1 Simbologia de Válvulas.
Em esquemas pneumáticos para representarmos as válvulas direcionais, são utilizados símbolos. Estes símbolos não
caracterizam o tipo de construção, mas somente a função das válvulas.
10.1.2 Características principais:
Numero de posições: contadas a partir do numero de quadrados da simbologia.
2 posições
3 posições
Figura 10.1: Simbologia válvulas 1
Numero de vias: contadas a partir do número de tomadas que a válvula possui em apenas uma posição. As
válvulas direcionais podem ser descritas abreviadamente da seguinte forma: Coloca-se V.D., para representar
abreviadamente o termo válvula direcional. Depois, escreve-se o número de vias, ao lado a barra (/). Logo
após, o número de posições e mais a palavra vias.
V.D.3/2 vias
V.D. 5/2 vias
Figura 10.2: Simbologia válvulas 2
10.1.3 Meios de Acionamento
45
Os acionamentos servem para inverter de posição as válvulas direcionais.
Geral
Alavanca
Botão
Pedal
Pino
Rolete
Mola
Gatilho
MANUAIS
MECÂNICOS
ELÉTRICOS
PNEUMÁTICOS
DIRETOS
PNEUMÁTICOS
INDIRETOS
Solenóide
bobina
com
uma
Piloto positivo
(acréscimo de pressão)
Piloto negativo
(decréscimo de pressão)
Servo-piloto positivo
Solenóides
com
duas
bobinas
Diferencial
de áreas
Controle
interno
Servo-piloto negativo
Por piloto positivo
Por trava
CENTRALIZAÇÕES
Por molas
Figura 10.4: Simbologia válvulas 3
46
10.1.4 Identificação de Vias.
Para garantir a identificação e a ligação correta das válvulas, marcam-se as vias com letras maiúsculas ou números.
ORIFÍCIO
Pressão
Utilização
Escape
Pilotagem
NORMA DIN
24300
P
A
B
C
R
S
T
EA EB EC
X
Y
Z
NORMA ISO
1219
1
2
4
6
3
5
7
10
12
14
Figura 10.5: Simbologia válvulas 4
10.1.5 Válvulas NA e NF
Válvulas direcionais com 2 posições e até 3 vias que tenham, na posição de repouso, a via de pressão bloqueada
são chamadas de Normalmente Fechadas (NF). Aquelas que, ao contrário, possuírem esta via aberta,
denominaremos de Normalmente Abertas (NA).
V.D. 3/2 Vias NA
V.D. 2/2 Vias NF
Figura 10.6: Simbologia válvulas 5
10.1.6 Válvulas CF, CAP e CAN
As válvulas direcionais de 3 posições caracterizam-se pela sua posição central. Aquelas que possuírem na sua
posição central, as vias de utilização bloqueadas, denominaremos como
Centro Fechado (CF).
V.D. 5/3 Vias CF
Figura 10.7: Simbologia válvulas 6
47
Já as válvulas que tiverem as vias de utilização sendo pressurizadas, chamaremos de Centro Aberto Positivo
(CAP).
V.D. 5/3 Vias CAP
Figura 10.8: Simbologia válvulas 5
Quando encontrarmos estas vias em exaustão, elas receberão o nome de Centro Aberto Negativo (CAN).
V.D. 5/3 CAN
Figura 10.9: Simbologia válvulas 6
10.1.7 Válvulas de Memórias
São válvulas de duas posições acionadas por duplo piloto.
Figura 10.10: Simbologia válvulas 7
10.1.8 Tipos de escapes.
Os escapes das válvulas são representados por triângulos. Quando encontrarmos o triângulo junto à simbologia
da válvula, ele estará representando um Escape Livre, ou seja, sem conexão.
Figura 10.11: Simbologia válvulas 8
Se ele estiver afastado, o escape representado será o Escape Dirigido; com conexão.
Figura 10.12: Simbologia válvulas 9
48
10.1.9 Válvulas em repouso ou trabalho.
Válvulas direcionais acionadas mecanicamente, eletricamente ou pneumaticamente podem ser encontradas e
representadas em circuitos de duas formas diferentes: em posição de repouso (não acionada) ou de trabalho
(acionada).
2
1
3
Repouso
Acionada
Figura 10.13: Simbologia válvulas 10
10.2 Regulagem de pressão
O regulador tem por função manter constante a pressão de trabalho ( secundário ) independente da
pressão da rede (primaria) e consumo de ar. A pressão primária tem que ser sempre maior que a pressão
secundaria. A pressão é regulada por meio de uma membrana (1). Umas das faces da membrana é submetida
à pressão de trabalho, enquanto a outra é pressionada por uma mola (2) cuja pressão é ajustável por meio de
um parafuso de regulagem (3).
Com o aumento da pressão de trabalho ,a membrana se movimenta contra a força da mola. Com isso a
secção nominal de passagem na sede da válvula (4) diminui até o fechamento completo. Isto significa que a
pressão é regulada pela vazão.
Por ocasião do consumo a pressão diminui e a força da mola reabre a válvula. Com isso, o manter da
pressão regulada se torna um constante abrir e fechar da válvula (6) é constituído um amortecedor por mola
(5) ou ar. A pressão de trabalho é indicada por manômetro.
Se a pressão crescer demasiadamente do lado secundário, a membrana contra a mola. Com isso, abre-se o
orifício da parte central da membrana e o ar em excesso sai pelo furo de escape para a atmosfera .
Regulador de pressão sem orifício de escape
No comércio encontram-se reguladores de pressão sem abertura de escape. Nesses casos, não se pode
permitir a fuga do ar contido no sistema para a atmosfera.
Funcionamento
Por meio do parafuso de ajuste (2) é tencionada a mola (8) juntamente com a membrana (3). Conforme a
regulagem da mola (8) a passagem do primário para o secundário se torna maior ou menor. Com isso o pino
(6) encostado à membrana afasta ou aproxima a vedação (5) do assento.
49
Se do lado secundário não houver passagem de ar, a pressão cresce e força a membrana (3) contra a
mola (8). Desta forma, a mola (7) pressiona o pio para baixo e a passagem é fechada pela vedação (5).
Somente quando houver demanda de ar pelo lado secundário é que o ar comprimido do lado primário voltará
a fluir.
Orifício de
escape
Figura 10.14: Regulagem de pressão em válvulas pneumáticas
11. ATUADORES PNEUMÁTICOS
O cilindro de êmbolo consiste de: um tubo (camisa) cilíndrico, uma tampa (cabeçote dianteira e traseira, um
êmbolo com gaxeta dupla tipo copo), uma haste do êmbolo, bucha de guia, anel limpador e peças para fixação
e vedações.
A camisa (1) na maioria dos casos é feita de um tubo de aço sem costura trefilado a frio. Para aumentar a
vida útil dos elementos de vedação, a superfície deslizante do tubo é brunida. Para casos especiais fabrica-se
cilindros de alumínio, de latão ou de aço com superfície deslizante de cromo duro. Estes tipos especiais serão
usados para trabalhos nem sempre contínuos ou onde existe a possibilidade de corrosão muito acentuado.
Para as tampas (2) e (3) usa- se normalmente material fundido (alumínio fundido ou ferro maleável) A
fixação das tampas pode ser feita com tirantes, roscas ou flanges.
A haste de êmbolo (4) geralmente é feita de aço beneficiado, e como proteção anti- corrosiva possui uma
boa porcentagem de cromo. As roscas são geralmente laminadas, dimanadas, diminuindo assim o perigo de
ruptura. Sob pedido , a haste do êmbolo pode ser temperada. Uma maior densidade superficial será alcançada
por laminação com rolos. A rugosidade da haste, caso, é de 1 um. Na hidráulica é necessário que a haste do
êmbolo seja de material duro ou temperado.
Para a vedação do êmbolo existe um anel circular (5) na tampa dianteira. A Haste do êmbolo esta guiada
pela bucha de guia (6). Esta bucha pode ser de bronze sinterizado ou de material sintético metalizado.
Ante esta bucha encontra-se o anel limpador (7). Ele evita a entrada de partículas de pó e sujeira nos
cilindros. Portando, não é necessário outra proteção.
50
A guarnição duplo lábio (8) veda de ambos os lados.
Material:
Perbunan
Para temperatura entre
- 20ºC e
+ 80ºC0
Viton
Para temperatura entre
- 20ºC e
+ 190ºC
Teflon
Para temperatura entre
- 80ºC e
+ 200ºC
Juntas tóricas ou “O-ring”(9) são utilizadas para vedação estática. Este tipo de vedação não é
recomendada em vedações moveis, pois provocam relativa perda de carga por atrito.
Construção do cilindro pneumático.
Figura 11.1: Atuador pneumático
Elementos pneumáticos de movimento retilíneo ( cilindros pneumáticos )
A geração de uma movimento retilíneo com elementos mecânicos, conjugados com acionamentos
elétricos é relativamente custosa e ligada a certas dificuldades de fabricação e durabilidade. Por esta razão
utilizam-se os cilindros pneumáticos.
Cilindros de ação simples
Os cilindros de ação simples são acionados por ar comprimido de um só lado, e portanto, realizam trabalho
em um só sentido. O retrocesso efetua-se mediante uma mola ou através de força externa.
A força de mola é calculada para que possa retroceder o êmbolo à posição inicial, com uma velocidade
suficientemente alta, sem absorver, porém, energia elevada. Em cilindros de ação simples com mola, o curso do
êmbolo é limitado pelo comprimento desta. Por esta razão fabricam-se cilindros de ação simples com
51
comprimento de curso até aproximadamente 100 mm. Este elementos são utilizados principalmente para fixar,
expulsar, prensar, elevar, alimentar, etc.
Figura 11.2: Cilindro de ação simples
Cilindros de êmbolo
A vedação é fita por uma material flexível alojado em um êmbolo metálico, ou de material
sintético ( Perbunan). Durante o movimento do êmbolo. Os lábios da junta deslizam sobre a superfície
interna do cilindro. Na Segunda execução mostrada, o curso de avanço é feito por uma mola e o retrocesso
por ar comprimido. São utilizados para freios de caminhões e vagões ferroviários . Frenagem instantânea
quando da falta de energia.
Cilindro de membrana
Figura 11.3: Cilindro de membrana (simbologia)
Uma membrana, que pode ser de borracha, de material sintético ou também metálico, assume a tarefa do
êmbolo. A haste do êmbolo é fixada no centro da membrana. Nesse caso a vedação deslizante não existe. Em
ação contrária existe somente a força elástica da membrana. Estes elementos são utilizados na fabricação de
ferramentas e dispositivos, bem como em presas de cunhar, rebitar e fixar peças em lugares estreitos.
52
Cilindro de membrana
Figura 11.4: Cilindro de membrana
Cilindro de membrana de projeção
A construção destes cilindros é similar ao anterior. Também se emprega uma membrana que, quando
submetida a pressão, projeta-se ao longo da parede inferior do cilindro movimentado a haste para fora. Este
sistema permite cursos maiores (aproximadamente 50-80mm). O atrito é bem menor.
Cilindro de membrana de projeção
Figura 11.4: Cilindro de membrana de projeção
Cilindros de ação dupla
A força exercida pelo ar comprimido movimenta o êmbolo do cilindro de ação dupla, realizando movimento
nos dois sentidos. Será produzida uma determinada força no avanço , bem como no retorno do êmbolo. Os
cilindros de ação dupla são utilizados especialmente onde é necessário também realizar trabalho no
retrocesso. O curso, em princípio, é ilimitado, porém é importante levar em consideração a deformação, por
flexão e flambagem. A vedação aqui, efetua-se mediante êmbolo ( êmbolo de dupla vedação).
53
Figura 11.5: Cilindro de ação dupla
Cilindro com amortecimento nos fins de curso
Quando volumes grandes e pesados são movimentados por um cilindro, deve existe neste, um sistema de
amortecimento para evitar impacto secos ou até danificações. Antes de alcançar a posição final, um êmbolo de
amortecimento interrompe o escape direto do ar, deixando somente uma pequena passagem geralmente
regulável.
Com o escape do ar restringido cria-se uma sobrepressão que, para ser vencida absorve parte da energia e
resulta em perda de velocidade nos fins de curso. Invertendo o movimento do êmbolo, o ar entra sem
impedimento pelas válvulas de retenção, e o êmbolo pode, com força e velocidade total, retroceder.
Figura 11.6: Cilindro com amortecimento nos fins de curso
54
Outras possibilidade de amortecimentos
Amortecimento não regulável em ambos os lados
Amortecimento não regulável de um só lado do êmbolo
Amortecimento regulável de um só lado do êmbolo
Figura 11.7: Tipos de amortecimento em cilindros
Cilindros de haste passante
Este tipo de cilindro de haste passante possui, algumas vantagens. A haste é melhor guiada devido aos dois
mancais de guia. Isto possibilita a admissão de uma ligeira carga lateral. Os elementos sinalizadores podem ser
montados na parte livre da haste do êmbolo. Neste cilindro, as forças de avanço e retorno são iguais devido a
mesma área de aplicação de pressão e, ambas as faces do êmbolo.
Figura 11.8: Cilindro com haste passante
Cilindro Tandem
Esta construção nada mais é do que dois cilindros de ação dupla, os quais formam uma só unidade. Desta
forma, com simultânea pressão nos dois êmbolos, a força é uma soma das forças dos dois cilindros. O uso desta
unidade é necessário para se obter grandes forças em locais onde não se dispõe de espaço suficiente para a
utilização de cilindros de maior diâmetro.
55
Figura 11.9: Cilindro tanden
Cilindro de múltiplas posições
Este tipo de cilindro é formado de dois ou mais cilindros de ação dupla. Estes elementos estão, como
ilustrado, unidos um ao outro. Os cilindros movimentam-se conforme os lados do êmbolos que estão sob
pressão, individualmente. Com dois cilindros de cursos diferentes obtém-se quatro (4) posições.
Cilindro de múltiplas posições
Figura 11.10: Cilindro com múltiplas posições
Aplicação:
™ Seleção de ramais para transporte de peças e, esteira.
™ Acionamento de alavancas.
™ Dispositivo selecionador ( peças boas, refugadas e a serem aproveitadas).
Cilindro de impacto
O uso de cilindros normais para trabalho de deformação é limitado. O cilindro de impacto é utilizado para se
obter energia cinética elevada. Segundo a fórmula de energia cinética, pode-se obter uma grande energia de
impacto, elevando a velocidade.
E = m . v²
2
56
E = Energia em kg m² = Nm = Jou¹e
s²
m = Massa em Kg
v = Velocidade em m/s
Os cilindros de impacto desenvolvem uma velocidade de 7,5 a 10 m/s (a velocidade de um cilindro normal é
de 1 a 2 m/s). Esta velocidade só pode ser alcançada por um elemento de construção especial. A energia deste
cilindro será empregada para prensar, rebordar, rebitar, cortar, etc...
A força de impacto é muito grande em relação ao tamanho de construção dos cilindros.
Geralmente são usados em pequenas prensas. Em relação ao diâmetro do cilindro podem ser alcançadas
energias cinéticas de 25 a 500 Nm.
Para deformação profunda, a velocidade diminui rapidamente, assim como a energia cinética, razão pela
qual este cilindro não é bem apropriado para este fim.
Figura 11.11: Cilindro de impacto
A câmara “A” do cilindro está sob pressão. Por acionamento de uma válvula, a pressão aumenta na câmara
“B”. A câmara “A” é exaurida. Quando a força exercida na superfície “C” for maior que a força sobre a
superfície da coroa na câmara “A” o pistão se movimenta em direção a Z. Com isso, libera-se o restante da
superfície do êmbolo e sua força é aumentada. O ar comprimido contido na câmara “B” pode fluir rapidamente
pela grande secção de passagem, acelerando fortemente o êmbolo do cilindro.
Cilindro de cabos
Aqui se trata de um cilindro de ação dupla. De cada lado do êmbolo está fixado um cabo, guiado por rolos.
Este cilindro trabalha tracionando. É utilizado em abertura e fechamento de portas, onde são necessários
grandes cursos com pequenas dimensões de construção.
57
Figura 11.12: Cilindro pro tração a cabos
Cilindro rotativo
Neste tipo, a haste de êmbolo tem um perfil dentado (cremalheira). A haste de êmbolo aciona com esta
cremalheira uma engrenagem, transformando o movimento linear num movimento rotativo à esquerda ou
direita, sempre de acordo com o sentido do curso. Os campos de rotação mais usuais são vários, isto é, de 45º 90º - 180º - 290º até 720º. Um parafuso de regulagem possibilita porém a determinação do campo de rotação
parcial, dentro do total.
O momento de torção depende da pressão de trabalho da área do êmbolo e da relação de transmissão. O
acionamento giratório é utilizado para virar peças, curvas tubos, regular instalações de ar condicionado, e no
acionamento de válvulas de fechamento e válvulas borboletas
Figura 11.13: Cilindro rotativo
58
12 MOTORES PNEUMÁTICOS
Motores de pistão
Este tipo está subdividido em motores de pistão radial e axial. Por pistões em movimento radial, o êmbolo,
através de uma biela, aciona o eixo do motor. Para que seja garantido um movimento sem golpes e vibrações
são necessários vários pistões. A potência dos motores depende da pressão de entrada, número de pistões, área
dos pistões e do curso dos mesmos.
O funcionamento dos motores de pistão axial é similar ao dos motores de pistão radial. Um disco oscilante
transforma a força de 5 cilindros, axialmente posicionados, em movimentos giratório. Dois pistões são
alimentados simultaneamente com ar comprimido. Com isso obter-se-á um momento de inércia equilibrado,
garantindo um movimento do motor, uniforme e sem vibrações.
Existe motores pneumáticos com rotação à direita e à esquerda. A rotação máxima está fixada em 5000 rpm
e a faixa de potência, em pressão normal, varia entre 1,5 a 19 kW (2 a 25 CV).
Motor radial
Motor axial
Figura 12.1: Motores de pistão
Motor de palhetas
Graças à construção simples e pequeno peso, os motores pneumáticos geralmente são fabricados segundo
este tipo construídos. Estes são, em principio, de funcionamento inverso aos compressores multicelular de
palhetas (compressor rotativo).
O rotor está fixado excentricamente em um espaço cilíndrico. O rotor é dotado de ranhuras. As palhetas
colocadas nas ranhuras serão, pela força centrifuga, afastadas contra a parede interna do cilindro. A vedação
individual das câmaras é garantida.
Por meio de pequena quantidade de ar, as palhetas serão afastadas contra a parede interna do cilindro, já
antes de acionar o rotor. Em tipos de construção diferente, o encosto das palhetas é feio por pressão de molas.
Motores desta execução têm geralmente entre 3 a 10 palhetas. Estas formam no motor, câmaras de trabalho, nas
quais pode aturar o ar, sempre de acordo com o tamanho da área de ataque das palhetas. O ar entra na câmara
menor, se expandindo na medida do aumento da câmara.
59
A rotação do rotor varia de 3000 a 8500 rpm e a faixa de potência, em pressão normal, é de 0,1 a 17 kW (0,1
a 24, CV ). Existem motores pneumáticos com padrão à direita e à esquerda.
Figura 12.2: Motor de palhetas
Motores de engrenagem
A geração do momento de torção efetua-se neste tipo, pela pressão do ar contra os francos dos dentes de
duas engrenagens engrenadas, Uma engrenagens é montada fixa no eixo do motor, a outra livre no outro eixo.
Estes motores, são utilizados como máquinas de acionar; estão à disposição com até 44kW (60.CV ) .O
sentido de rotação destes motores, fabricados com engrenagens retas ou helicoidais, é reversível .
Turbomotores
Turbomotores somente são usados para trabalhos leves, pois sua velocidade de giro é muito alta (são
utilizados em equipamentos dentários até 500,000rpm). O princípio de funcionamento é o inverso dos
turbocompressores.
Características dos motores pneumáticos
™ Regulagem sem escala de rotação e do momento de torção
™ Grande escolha de rotação
™ Construção leve e pequena
™ Seguro contra sobre carga
™ Insensível contra poeira, água, calor e frio
™ Seguro contra explosão
™ Conservação e manutenção insignificantes
™ Sentido de rotação fácil de inverter
13. VÁLVULAS
As válvulas são subdivididas, segundo as suas funções, em cinco grupos.
1.
2.
3.
4.
Válvulas direcionais
Válvulas de bloqueio
Válvula de pressão
Válvulas de fluxo
60
5. Válvulas de fechamento
Válvulas direcionais
São elementos que influenciam o percurso de um fluxo de ar, principalmente nas partidas e na direção do
fluxo. Em esquemas pneumáticos, usam-se símbolos gráficos para descrições de válvulas. Estes símbolos não
caracterizam os diferentes tipos de construção, mas somente a função das válvulas.
As válvulas direcionais caracterizam-se por:
™
™
™
™
™
™
Numero de posições
Número de vias
Posição de repouso
Tipo de acionamento (comando)
Tipo de retorno ( para posição de descanso)
Vazão
As válvulas são simbolizada graficamente com quadrados. O número de quadrados unidos indica o numero
de posições ou manobras distintas que uma válvula pode assumir.
Para melhor compreensão, tomemos uma torneira comum como exemplo. Esta torneira poderá estar aberta
ou fechada.
Fechada
Aberta
Figura 13.1: Torneira comum
No primeiro desenho, a torneira está fechada e não permite a passagem da água, no segundo, a torneira
aberta permite a passagem da água.
A torneira é representada, graficamente, por dois quadrados.
61
As vias de passagem de uma válvula são indicadas por linhas nos quadrados representativos de posições e a
direção do fluxo, por setas.
Os fechamentos ou bloqueios de passagem são indicados dentro dos quadrados, com tracinhos transversais.
Tracinhos externos indicam as conexões (entrada e saída ) e o número de traços indica o número de vias.
Em geral, as Conexões são representadas nos quadrados da direita.
Denominamos posição de repouso ou posição normal da válvula, a posição em que se encontram os elementos
internos quando a válvula não está acionada. Assim temos:
™ Válvula normal fechada (NF) que não permite passagem do fluido na posição normal.
™ Válvula normal aberta (NA) que permite passagem do fluido na posição normal.
No exemplo da torneira, representado pela figura da página anterior, podemos caracterizar ima válvula de
duas vias, duas posições. Considerando-se que a torneira na posição normal não permite a passagem da água,
ela é normal fechada (NF).
Se a mesma torneira, na posição normal, permitir a passagem da água, ela é normal aberta (NA).
Na representação gráfica de válvulas com 3 posições de comando a posição do meio é considerada como
posição de repouso.
a
o
b
62
Triângulo no símbolo representa vias de exaustão do ar:
2
A
P
R
3
A denominação de uma válvula depende do número de vias e do número de posições: As condições NF e
NA devem ser observadas nas válvulas
1
Exemplo
Válvulas direcional de 3 vias, 2 posições, NF.
Válvula direcional de 4 vias, 3 posições, centro aberto (válvula 4/3 vias, centro aberto).
Para garantir a identificação e ligação corretas das válvulas, marcam-se as vias com letras maiúsculas ( DIN
) ou com números (ISSO).
Considere-se
Vias para utilização (saída)
Linhas de alimentação (entrada)
Escapes (exaustão )
Linha de comando (pilotagem)
Norma DIN
A, B, C, D
P
R, S, T
Z, Y, X
Norma ISO
.....ou 2,4
ou 1
ou 3, 5
ou 12, 1
Características de construção em válvulas direcionais
O princípio de construção da válvula determina:
™ A força de acionamento.
™ A maneira de acionar.
™ A possibilidade de ligação.
63
™ O tamanho de construção.
Segundo o tipo de construção, as válvulas distinguem-se em dois grupos:
1. Válvula de sede ou de assento. –Esférica –Prato (torneiros).
2. Válvulas corrediças –Longitudinal (carretel) –Plana longitudinal (comutador) –Giratória (disco).
Válvulas de sede ou de assento
As ligações em válvulas de sede são abertas e fechada por esfera, prato ou cone. A vedação das sedes de
válvulas efetua-se de maneira simples, geralmente com elementos elásticos de vedação. As válvulas de sede tem
poucas peças de desgaste, prolongando assim a vida útil. A força de acionamento é relativamente alta, pois é
necessário vencer a força da mola de retorno e do ar comprimido agindo sobre a área do obturador.
Válvulas de sede esférica
A construção das válvulas de sede esférica é muito simples e de preço vantajoso. Estas válvulas
caracterizam-se por seu pequeno tamanho. O acionamento das válvulas efetua-se manual ou mecanicamente.
Uma mola pressiona uma esfera contra a sede evitando que o ar comprimido passe da ligação de pressão P
para o canal .
Por acionamento da haste da válvula, afasta-se a esfera da sede. Para isso, é necessário vencer a força da
mola e a força do ar comprimido.
Válvulas direcional 2/2 vias NT
Válvulas direcional 3/2 vias NF
Figura 13.2: Válvula de sede esférica
Válvula de sede de prato
Estas válvulas tem uma vedação simples e boa. Seu tempo de comutação é curto e assim como as de sede
esférica, tem uma longa vida útil. Ao acionar o apalpador , as três ligações, P, A e R, são interligadas entre si
num campo limitado.
64
Isto provoca, quando em movimento lento, o escape livre de um grande volume de ar, que não é aproveitado
para o trabalho. Quando isto ocorre, diz-se que existe exaustão cruzada.
Válvulas direcional 3/2 vias NA
Válvulas direcional 3/2 vias NF
Figura 13.3: Válvula de sede de prato
As válvulas concebidas segundo o princípio de sede de prato único são livres de exaustão cruzada. Não
existe perda de ar com uma comutação lenta.
Válvula direcional (sem exaustão cruzada). 3/2 vias NF
Figura 13.4: Válvula de sede de prato sem exaustão cruzada
Ao acionar o apalpador, fecha-se primeiro a ligação de A para R (exaustão, pois o apalpador se assenta no
prato. Continuando a empurrar, o prato afasta-se da sede, abrindo passagem de P para A.
65
O retorno efetua-se mediante a pressão da mola
Empregam-se as válvulas direcionais de 3 vias para comandar cilindros de ação simples ou como emissores
de sinais para pilotar válvulas de comando.
Em uma válvula em posição de repouso aberta, fecha ao primeiro a ligação entre P e A com um prato, e
posteriormente, a passagem de A para R através de um segundo prato. O retorno do apalpador é por mola.
O acionamento das válvulas pode ser feito manual, mecânica, elétrica ou pneumaticamente.
Válvulas direcional (sem exaustão cruzada) 3/2 vias NA.
Figura 13.5: Válvula de sede de prato sem exaustão cruzada 1
Uma válvula direcional de 4 vias (4/2), com princípio de sede prato, consiste na combinação de duas válvulas
de 3 vias (3/2). Sendo uma válvula em posição inicial fechada e outra aberta. Na posição de repouso, estão
abertas as vias de P para B e de A para R.
Ao acionar simultaneamente os dois apalpadores, serão fechados as vias de P para B e de A para R..
Empurrando ainda mais os palpadores até os pratos, serão abertas as vias de P para A e de B para B. Este
tipo de válvula é livre exaustão cruzada e o retorno à posição inicial é feita através de molas. Empregam-se
válvulas direcionais de 4 vias em comandos de cilindros de ação dupla.
66
Válvulas direcional 4/2 vias
Figura 13.6: Válvula 4/2
Válvula direcional de 3/2 vias (sede prato) acionada pneumaticamente.
A comutação da válvula (pilotagem) é feita com ar comprimido pela conexão 2, deslocando o eixo da
válvula contra a mola de retorno, Exaurindo o sinal de comando Z, o pistão será recolocado na posição inicial
por intermédio da mola.
Válvula direcional 3/2 vias NH (acionamento pneumático).
Acionada
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Figura 13.7: Válvula 3/2 com acionamento pneumático
Outro tipo de construção de uma válvula direcional 3/2 vias com princípio de sede de prato está representado na
figura abaixo. A pressão de comando na conexão Z aciona uma membrana ligada ao pistão de comutação,
afastando o prato de sua sede.
Devido ao tamanho da membrana a pressão necessária para comutação é baixa (1,2bar para uma pressão de
trabalho de 6bar).
Invertendo as ligações P e R, a válvula pode ser normal aberta ou normal fechada.
Válvula direcional (pilotada 3/2 vias NF.
Figura 13.8: Válvula pilotada 3/2
A figura abaixo mostra uma válvulas direcional de 5 vias (5/2 duplo piloto). Trata-se de uma válvula de
construção pequena (tipo miniatura) que trabalha segundo o princípio de assento flutuante.
Esta válvula é comutada através de impulso em Z e Y, mantendo a posição, mesmo sendo retirada a pressão
de comando. É uma válvula biestável.
Com impulso em Z, o pistão desloca-se no centro do pistão de comando encontra-se um prato com um anel,
vedante o qual seleciona os canais de trabalho A e B com o canal de entrada de pressão P.
A exaustão efetua-se através dos canais R ou S. Com impulso em Y, o pistão retorna à posição inicial.
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Válvula direcional 5/2 vias (princípio de assento flutuante).
Figura 13.9: Válvula 5/2 com acento flutuante
Válvula direcional de 3/2 vias servo comandada (princípio de sede de prato). Válvulas com servo comandos tem
por finalidade diminuir a força de acionamento.
A força de acionamento de uma válvulas é, geralmente, um fator determinante para o emprego da mesma.
Válvula direcional 3/2 vias de rolete (servo comandada )
Figura 13.10: Válvula 3/2 servo comandada
Válvulas de bloqueio
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Válvulas de bloqueios são aparelhos que impedem a passagem do fluxo de ar em uma direção, dando
passagem na direção oposta. Internamente, a própria pressão acionada a peça de vedação positiva e ajusta, com
isto, a vedação da válvula.
Válvula de retenção
Esta válvula pode fechar completamente a passagem do ar em um sentido determinado. Em sentido
contrário, o ar passa com a mínima queda possível de pressão. O bloqueio do fluxo pode ser feio por cone,
esfera, placa ou membrana. Há dois tipos de válvulas de retenção:
™ Retenção com mola.
™ Retenção sem mola
Com contrapressão (mola), dá-se o bloqueio do ar quando a
pressão de saída é maior ou igual à pressão de entrada.
14 Símbolos
Na retenção sem mola, o bloqueio é feito pela própria pressão
do ar na peça de vedação
Figura 13.11: Válvula de retenção
70
ANEXO 1: ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS TÍPICAS DE UM COMPRESSOR
Dados Técnicos
MODELO
WTV 20 G/250
1050
RPM
Pressão de Operação
Unidade Compressora
Volume do Reservatório
D (mm) Volante Ø
Potência do Motor *
Volume de Óleo **
Peso Líquido sem motor
Peso Bruto sem motor
Deslocamento Teórico
Mínima
Máxima
Nº de Estágios
Nº de Pistões
135 lbf/pol² - 9,3 bar
175 lbf/pol² - 12 bar
2
2 em V
261 L
420
5 hp - 3,7 kW
900 ml
208 Kg
238 Kg
20 pés³/min - 566 l/min
Observação: * Motor à combustão instalado pelo usuário
**Volume de óleo lubrificante de unidade compressora
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ANEXO 2: ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS TÍPICAS DE UM ATUADOR
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ANEXO 3: ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS TÍPICAS DE UMA VÁLVULA PNEUMÁTICA
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BIBLIOGRAFIA:
CHRISPIN, MARCELO R., Apostila pneumática, eletropneumática e hidráulica geral, 1 Ed. Organização
Einsten, 2002
DRAPINSK, J., Hidráulica e pneumática industrial e móvel, São Paulo, SP, MacGraw Hill do Brasil, 1977,
287p.
FIALHO, Arivelto Bustamente, Automação pneumática – Projetos, dimensionamento e análise de
circuitos, 5ª Ed., Ed. Erica, 2007
PALMIERI, A.C., Manual de hidráulica básica, Albarus,
PARKER HANNIFIN CO., Tecnologia hidráulica industrial, Centro Didático de Automação Parker Hannifin
– Divisão Schrader Bellows
PARKER HANNIFIN CO., Tecnologia pneumática industrial, Centro Didático de Automação Parker
Hannifin – Divisão Schrader Bellows
PARKER HANNIFIN CO., Tecnologia eletropneumática industrial, Centro Didático de Automação Parker
Hannifin – Divisão Schrader Bellows
REXROTH, Treinamento hidráulico – curso thr, Rexroth Hidráulica Ltda, 1985
SENAI FLORIANÓPOLIS, Hidráulica e técnicas de comando, Florianópolis, 2004
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