Ar comprimido
Instalações, equipamentos e
Instalações
instrumentação
ç – Aula 10
2
o O ar comprimido é uma forma de transmissão de energia
o Resulta da transformação de energia eléctrica em pressão,
geralmente por compressão do ar ambiente
Ar comprimido
o 75
75,5%
5% nitrogénio; 23,2%
23 2% oxigénio; alguns gases raros e vapor de
água
o geralmente contém impurezas, como poeiras e microrganismos
o É a segunda forma de energia utilizada na indústria
transformadora
o É cerca de 7 a 10 vezes mais cara do que a energia
eléctrica para a realização da mesma tarefa
o O seu uso é,
é geralmente,
geralmente menos racionalizado
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Ar comprimido
3
o O que pode fazer com o ar comprimido na
indústria?
o Pneumática
P
ái
o usa o ar comprimido com transformação de potência
através
t é de
d actuadores
t d
lineares
li
((cilindros
ili d
pneumáticos)
áti
)
e/ou actuadores rotativos (motores pneumáticos)
o Fluidica
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Ar comprimido
4
o Porque se utiliza ar comprimido?
o é seguro e fácil de usar
o as ferramentas pneumáticas são mais leves e mais
manejáveis do que as eléctricas da mesma potência
o quando as ferramentas de ar comprimido são sujeitas a
sobrecargas,
g ,p
param como as eléctricas,, mas não sofrem
danos
p
onde as redes de distribuição
ç
o em obras temporárias,
são constantemente alteradas, o ar comprimido
apresenta grande facilidade na sua utilização
o refere-se sempre ao meio gasoso. Não possui peças
móveis no interior dos seus componentes
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Produção de ar comprimido
5
Rede de distribuição
6
o O ar comprimido é obtido pela utilização de
p
geralmente
g
accionados por
p motores
compressores,
eléctricos
o Para além do compressor, uma rede de ar comprimido é
constituída por
o equipamentos de extracção da humidade
o reservatórios
o instrumentos
i
d
de controlo
l ((pressão
ã e temperatura))
o tubagens de distribuição
o dispositivos de filtragem
o válvulas de regulação e fecho
o dispositivos
p
de lubrificação
ç
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Produção de ar comprimido
7
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Produção de ar comprimido
8
1: filtro de admissão
2: motor eléctrico
3: separador de condensado
p
4: compressor
5: reservatório
6: arrefecimento intermédio
7: secador
8: arrefecedor posterior
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Produção de ar comprimido
9
o O compressor aspira ar atmosférico através do filtro
o O compressor tem dois andares de compressão (baixa e
alta pressão)
o pode atingir uma temperatura da ordem dos 100
100ºC
Ce
num estado não saturado (humidade relativa inferior a
100%))
o quando é arrefecido a sua humidade relativa aumenta,
libertando água
o no reservatório, não deve ocorrer acumulação de água,
pelo que o ar deve ser arrefecido antes de ser
armazenado
d
o pode ter mais andares, dependendo da pressão final pretendida
o Quando o ar é comprimido no andar de baixa pressão, a
p
aumenta significativamente
g
(até cerca de
sua temperatura
200ºC)
o para que a temperatura final não seja muito elevada é necessário
que seja arrefecido
arrefecido, o que é feito no arrefecedor intermédio
(intercooler)
o para que o arrefecimento seja eficiente, a temperatura de saída do
ar deve ser 15 a 30ºC acima da temperatura do agente arrefecedor
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Classificação dos compressores
10
o O ar é novamente comprimido no andar de alta
pressão onde a sua temperatura aumenta
pressão,
novamente
o evita que entrem poeiras que degradariam o compressor
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Produção de ar comprimido
11
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Compressores fluxo contínuo
12
o Também designados compressores dinâmicos
o A energia é utilizada para movimentar fortemente o ar
cap u ado
capturado
o O ar é depois desacelerado,
desacelerado aumentando assim a sua
pressão
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Compressores fluxo contínuo
13
Compressão volumétrica
14
o Também designada como deslocamento positivo ou fluxo
intermitente
o A energia cinética de que o gás vem animado é
continuamente convertida em energia de pressão
por desaceleração do fluxo
o Resulta da diminuição do volume do gás, aumentando assim a
pressão
1: o ar é aspirado por sucção
(válvula de admissão aberta);
2: com a válvula de admissão
fechada, o volume de gás
aspirado é forçado a diminuir
pelo êmbolo, aumentando a sua
p
pressão;
;
3: o volume foi reduzido ao
mínimo, com a consequente
g
abertura da válvula de descarga
(ou entrega).
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Compressão volumétrica
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Compressão volumétrica
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16
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Compressão volumétrica
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17
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Eficiência volumétrica
19
o As principais causas da diminuição da eficiência
de um compressor são
o fugas internas e externas
o expansão do espaço morto
o perdas de carga na sucção
o aquecimento do ar devido a atrito nos canais da válvula
de admissão
o perdas mecânicas
o factor de compressibilidade na admissão
o factor de compressibilidade na descarga
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Compressão volumétrica
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18
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Ciclos de compressão
20
o O aumento de temperatura é o pior inimigo do ar
comprimido quer durante a produção quer
comprimido,
durante o tratamento
o Compressão isotérmica: durante o aumento de
pressão,
ã a ttemperatura
t
do
d gás
á mantém-se
té
constante
o para que tal fosse possível, seria necessário remover
continuamente todo a energia térmica gerada na fase
de compressão
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Ciclos de compressão
21
Compressão politrópica
22
o Unidades de compressão capazes de transferir
uma grande quantidade de calor,
calor o que,
que em
termos reais, significa a aproximação da
compressão politrópica à compressão isotérmica,
isotérmica
ainda que esta seja impossível de atingir
o Uma boa aproximação é possível quando se
recorre a vários
á i andares
d
d
de compressão
ã
Q l a vantagem
Qual
t
da
d compressão
ã iisotérmica
té i d
demonstrada
t d nesta
t fi
figura??
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Andares de compressão
23
o Forma prática de transferir calor durante a fase de
compressão
A: cilindro de baixa pressão
B: arrefecimento intermédio
C: cilindro de alta pressão
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Andares de compressão
24
o Para cada pressão final, existe um número “óptimo” de
estágios
g
o Co
Compressor
p esso a
alternativo
e a o de pistão:
p s ão
o 1 andar de compressão: unidades pequenas, potência máxima de
7,5 kW (10cv) e intervalo de 1-14 bar
o 2 andares de compressão: compressores industriais, potências
superiores a 7
7,5
5 kW e intervalo de 6
6-30
30 bar
compressor alternativo para uma pressão final
g
de compressão
p
de 7 bar,, com dois estágios
o 3 andares de compressão:
p
30 a 180 bar
o 4 andares de compressão: 180 a 350 bar
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Selecção do compressor
25
Selecção do compressor
26
o A eficiência de um sistema de ar comprimido
começa pela selecção adequada de um
compressor
Compressor de pistão:
pequenos caudais (até 100m3/h)
o Esta selecção depende
Compressores
Comp
esso es centrífugos:
cent íf gos
grandes caudais (> 1500m3/h)
o do caudal
o da pressão pretendida à saída
o da pureza do ar comprimido
Compressores de parafuso:
pequenos, médios e grandes caudais (50 a 2000m3/h)
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Selecção de compressores
27
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Selecção de compressores
28
o Nível de pureza do ar
o em algumas aplicações é um parâmetro crítico
o Aplicações críticas
o hospitais, laboratórios, indústrias farmacêutica e alimentar
o os compressores devem ser do tipo não lubrificado
lubrificado, para
eliminar o risco de contaminação do ar com óleo
Compressed Air and Gas Institute
http://www.cagi.org/resources/BlowerSelectorWeb/index.html
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o Norma ISO 8573
o Code of Practice for Food Grade Compressed Air
o British Compressed Air Society (BCAS) e British Retail
Consortium (BRC)
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Contaminação
29
Compressores dinâmicos
30
o Os compressores dinâmicos podem ser
centrífugos ou axiais e operam a velocidades
superiores à dos compressores volumétricos
o Na indústria, de forma geral, operam a
velocidades
l id d em ttorno d
das 20000 rpm, embora
b
velocidades superiores seja comuns
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Compressores centrífugos
31
o A compressão processa-se perpendicularmente ao veio do
motor e a descarga
g do ar efectua-se segundo
g
a tangente
g
ao raio das pás impulsoras
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Compressores axiais
32
o A compressão é feita paralelamente ao veio do motor
o O caudal mínimo é de tal forma elevado (900m3/min), que
raramente é utilizado para a produção industrial de ar
comprimido
o Indicados para a produção de ar isento de óleo
Compressor centrífugo
. 4 andares de compressão
. gama de pressões entre 17 e 24 bar
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Compressores volumétricos
33
o Os compressores volumétricos podem ser
alternativos (p
(pistão,, êmbolo)) ou rotativos
Compressores alternativos
Efeito simples
34
Efeito duplo
o diferem no tipo de movimento do órgão propulsor do
fluido a comprimir
o Condições
ç
de trabalho (exemplos)
p
o 6 m3/min a 35 bar
o 50 m3/min a 200 bar
o 90 l/s a 1000 bar
o Em muitas situações, são a única solução
tecnológica disponível
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Lubrificação
35
o Nos compressores alternativos, o óleo
lubrificante reduz o atrito,
atrito logo diminui o
desgaste
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Sistemas de lubrificação
Chapinhagem
Capilaridade
36
Forçada
o Uma boa vedação interna implica uma melhoria
d eficiência
da
fi iê i energética
éti
Desvantagens destes dois sistemas:
. película de óleo muito fina e inexistente no
arranque
. distribuição não equitativa
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Compressores rotativos
37
o Outros
O
compressores rotativos
i
roots (lóbulos)
dentes
espiral
anel líquido
alhetas
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38
o Consiste num corpo de secção elíptica (oval)
contendo dois rotores simétricos (impulsores) em
forma de oito, rodando em sentidos opostos e cujos
lóbulos engrenam, isto é, a parte convexa de um
penetra na concava do outro,
outro sincronizados por
engrenagens exteriores
o Os compressores de parafuso são os mais
utilizados na indústria transformadora
o
o
o
o
o
Roots
o O espaço por onde o ar passa não é lubrificado,
dando origem a ar comprimido isento de óleo
o Não há compressão do fluido (redução de volume) no
interior do espaço atrás referido durante a rotação de
ambos os rotores
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Roots
39
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Roots
40
o A compressão existe na tubagem de descarga,
uma vez que o ar no orifício de saída é forçado
(bombeado) a penetrar nessa mesma tubagem,
tendo a oposição de uma contra corrente de
fluido já comprimido
o Este tipo de unidade compressora não possui
válvulas
ál l e o arrefecimento
f i
t é sempre por ar
Baixa eficiência em comparação
com compressores alternativos
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Roots
41
Alhetas
42
o Contrariamente ao compressor de lóbulos, o de
alhetas só possui um rotor
o Aplicações onde uma baixa pressão (2 a 3 bar) de ar
comprimido é necessária, como por exemplo, no
transporte pneumático de cereais
o O eixo
i d
da peça móvel
ó l é paralelo
l l ao d
do estator e
por essa razão acaba por rodar de forma
excêntrica
ê t i relativamente
l ti
t ao corpo onde
d se insere
i
o Devido às baixas pressões de utilização, muitos dos
aplicadores denominam o compressor Roots como
que um soprador (blower) semelhante a um forte
ventilador
o Estas unidades são também utilizadas como bombas
de vácuo, contadores de gás e, especificamente, na
medição de caudais em compressores de parafuso
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Alhetas
43
o A redução de volume existe porque à medida que o ar
admitido à atmosfera é transportado
p
por
p bolsas formadas
entre alhetas, esses espaços (bolsas móveis) são
gradualmente reduzidos quando o rotor se move no
sentido
tid d
dos ponteiros
t i
d relógio
do
ló i
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Alhetas
44
o Pressão máxima de ar comprimido: 10 bar
o Compressores não possuem válvulas e tanto
podem ser arrefecidos por ar como por água
o Fornecimento uniforme de ar livre de qualquer
pulsação
o Para evitar o atrito entre o estator e as alhetas, a
unidade é lubrificada e
e, portanto
portanto, a película de
óleo existente entre as peças móveis e o corpo
fixo garante que não haja contacto metálico
rotor com 8 alhetas
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Espiral
45
Espiral
46
o Principio de funcionamento inovador e de extrema
p
compreende
p
uma espiral
p
fixa e outra
simplicidade:
orbitante e a compressão do ar processa-se pela
interacção destas duas espiras.
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Espiral
47
o O processo de compressão repete-se
continuamente gerando um caudal de ar isento
continuamente,
de pulsações
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Parafuso
48
o Dois rotores giram no interior de um bloco fixo,
entre uma abertura de entrada (admissão) e de
saída (descarga)
o Concepção inovadora, ainda que usado para
caudais
d i pequenos (2,7
(2 7 a 6
6,7
7 l/
l/s e pressões
õ até
té 10
bar) e, naturalmente, para pequenas potências
(1 5 – 2,2
(1,5
2 2 e 3,7
3 7 kW)
kW).
o Produção de ar comprimido isento de óleo
destinado a aplicações
p
ç
altamente exigentes.
g
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Parafuso
49
Parafuso
50
o O ar ocupa os espaços vazios entre os lóbulos adjacentes.
parafusos giram,
g
o gás
g é conduzido para
p
Quando os p
espaços cada vez menores, ou seja, é comprimido por
redução de volume.
Compressão
C
ã volumétrica
l é i idêntica
idê i ao
compressor de pistão. Em ambos o
aumento de pressão é devido à redução
d volume.
do
l
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Parafuso
51
Filtro entrada ar
Controlador
Motor
Parafuso
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Parafuso
52
o A forma como é feito o arrefecimento distingue a
tecnologia rotativa da alternativa
o Compressão
C
ã alternativa:
l
i
o arrefecimento
f i
é ffeito
i
através de um permutador situado entre os
andares
d
de
d compressão
ã (baixa
(b i e alta)
lt )
o Compressão rotativa: o óleo funciona como
arrefecedor intermédio ((as q
quantidades utilizadas
são muito superiores ao de um pistão com igual
p
potência)
)
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Parafuso
53
o Podemos distinguir quatro fases de compressão
o A aproximação
i
ã à compressão
ã iisotérmica
é i pode
d ser
feita
o
o
o
o
o
o A transferência de calor é efectuada em
permutadores independentes (oil cooler e
aftercooler)
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Compressores isentos de óleo
55
o Os compressores isentos de óleo tanto podem ser
dinâmicos como volumétricos.
o Os que transformam
a s o a ae
energia
e g a ccinética
é ca e
em energia
e e g a de
pressão (dinâmicos), axiais ou centrífugos, são por
construção técnica unidades que não possuem película
lubrificante nas zonas onde o fluido gasoso é comprimido,
pelo que produzem sempre gás sob pressão isento de
óleo
o O
Os que recorrem à redução
d ã de
d volume
l
para aumentarem
t
a
pressão do gás em causa (volumétricos) modificam a sua
tecnologia tradicional.
tradicional
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54
o Como já vimos, a compressão isotérmica é a que
exige menos energia por ciclo de compressão
o mistura ar/óleo durante a compressão
o separação do ar e do óleo
o arrefecimento do óleo
o arrefecimento do ar comprimido
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Parafuso
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arrefecendo com ar
arrefecendo com água
injecção de óleo durante a compressão
compressão com elementos em paralelo
compressão em vários andares
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Compressores isentos de óleo
56
o Os compressores isentos de óleo podem produzir ar
comprimido
p
da classe zero da norma ISO 8573 (ISO 85731 CLASS 0)
o Este ar, para além de não conter qualquer quantidade de
j
de requisitos
q
óleo,, tem ainda de satisfazer um conjunto
relativamente a
o partículas sólidas
o água
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Compressores isentos de óleo
57
Rotary tooth
58
o Tal como os parafusos, possuem um rotor macho
e um rotor fêmea que rodam em sentidos
opostos.
o Não há qualquer contacto entre eles, o que é
possível
í l devido
d id à existência
i tê i de
d engrenagens que
os afastam, com tolerâncias muito rigorosas, e os
sincronizam
i
i
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Rotary tooth
59
Instalações, Equipamentos e Instrumentação (2010/2011)
Rotary tooth
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60
1: o espaço A admite ar através dos
orifícios de entrada e até à posição 2
2: os elementos ao rodarem fecham a
comunicação com o exterior,
exterior dando
inicio à compressão (redução de
volumes)
3: a compressão aproxima-se do seu
fim na medida em que o rotor fêmea
p
em contacto
coloca o ar comprimido
com os orifícios de saída
g do ar sob p
pressão através
4: entrega
dos orifícios de saída
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Parafuso oil-free
61
o Processo semelhante ao parafuso normal
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Alternativos vs. Rotativos
62
o A câmara de compressão não recorre a nenhum
lubrificante pelo que este tipo de unidade
lubrificante,
produz ar comprimido, ou qualquer outro gás,
isento de óleo
o o contacto entre os rotores macho e fêmea é evitado
utilizando sistemas de engrenagem que sincronizam os
movimentos de ambos
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Parafuso oil-free
63
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Alternativos vs. Rotativos
o A descontinuidade na descarga de ar comprimido
gerado por uma unidade alternativa origina
pulsação, que se pode transformar em
ressonância
o O compressor alternativo (ao contrário do
rotativo) não foi projectado para trabalhar a
100% de carga durante 24 horas por dia e 365
dias por ano
o Esta
E t ressonância
â i podem
d
não
ã só
ó causar oscilações
il õ
na tubagem, podendo danificá-la, mas também
rotura
t
nas válvulas
ál l do
d compressor
o Temperatura
T
t
elevada
l
d d
do ar no fi
finall da
d
compressão do compressor alternativo
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64
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Alternativos vs. Rotativos
65
o Unidades de compressores rotativos de parafuso
(lubrificado) até potências de 250 kW (340 hp)
são arrefecidos por ar enquanto para esta ordem
de grandeza energética se revela impossível para
a tecnologia de pistão
o Custos
C t de
d manutenção
t
ã e o número
ú
d
de h
horas de
d
imobilização anual muito superiores para o
compressor alternativo
lt
ti
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Alternativos vs. Rotativos
67
o Tecnologia alternativa possui maior número de
peças ou órgãos em movimento que exigem
inspecções regulares
o Um compressor alternativo ao fim de 8000 horas
d serviço
de
i necessita
it d
de se abrir
b i e inspeccionar
i
i
as
suas peças que demora cerca de uma semana
enquanto
t que um compressor rotativo
t ti d
de
parafuso a manutenção pode ser feita só ao fim
d 30000 a 40000 h
de
horas e a reparação
ã demora
d
cerca de 3 dias.
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66
o Compressores alternativos com custos superiores
com o pavimento onde os compressores são
montados devido à transmissão de pulsações
pelo movimento dos seus êmbolos
o Unidades alternativas de 75 kW (100 hp) e 7 bar
ainda
i d podem
d
ser arrefecidas
f id por ar, mas a partir
ti
desta potência é necessário usar água
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Alternativos vs. Rotativos
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Tratamento do ar comprimido
68
o A contaminação do ar comprimido é a soma da
contaminação do ar ambiente com outras
substâncias que são introduzidas durante o
processo de compressão
o Em
E ttermos genéricos,
éi
os elementos
l
t poluentes
l
t do
d
ar comprimido industrial são
o partículas sólidas (poeiras, microrganismos, etc.)
o água condensada
o óleo
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Tratamento do ar comprimido
69
Unidades de tratamento
70
o O tratamento é necessário para
o aumentar a produtividade
o diminuir os custos de manutenção
o aumentar a vida útil das máquinas e dispositivos
pneumáticos
o protecção das ferramentas pneumáticas
o garantir a precisão nos equipamentos de medida e
instrumentação
o Filtro: purga para retirar uma (pequena) parte dos
condensados ou partículas como ferrugem. Não
elimina água que posteriormente irá condensar nos
elementos
l
pneumáticos
ái
oR
Regulador
l d de
d pressão:
ã não
ã realiza
li qualquer
l
tratamento (provoca perdas de carga)
o O principal objectivo é conseguir ar comprimido
isento de água, óleo e outras partículas
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o Lubrificador: o óleo pulveriza-se em contacto com a
corrente de ar comprimido, e a mistura é conduzida
para o interior
i
i das
d unidades
id d pneumáticas
ái
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Unidades de tratamento
71
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Quantidade de água
72
o Calcular a quantidade de água aspirada numa
central compressora com capacidade de 80m3 por
minuto, à pressão de 7 bar. A temperatura
ambiente é 36ºC
36 C e a humidade relativa é 30%.
30%
o Resultado: 60 litros de água por hora
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Tabela higrométrica
73
Quantidade de água
74
o Teoricamente, os arrefecedores finais permitem
retirar 65 a 70% dos condensados
condensados, mas
mas, na
prática, removem cerca de 60% daquele valor
o ainda restam 36 litros de água por hora
o Esta
E
água
á
segue para a rede
d de
d distribuição
di ib i ã de
d ar
comprimido, e vai condensar sempre nos locais
menos indicados
i di d
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Secagem do ar comprimido
75
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Secagem do ar comprimido
76
o Mesmo depois de desumidificado no arrefecedor
final o ar comprimido continua a transportar
final,
cerda de 40% de água na forma gasosa
o Este problema pode ser resolvido pela utilização
d secadores
de
d
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Secagem de ar comprimido
77
o Os processos de secagem mais vulgarmente
utilizados no tratamento do ar comprimido
industrial são
Secadores por refrigeração
78
o Unidades que recorrem ao frio, através da
compressão e evaporação de um fluido
frigorigénio num circuito fechado
o refrigeração
o sorção
o não há contacto com o ar comprimido
o O arrefecimento
f i
d
do ar comprimido
i id até
é
temperaturas próximas de 0ºC permite a máxima
condensação
d
ã de
d vapores de
d água
á
e óleo
ól ((sem
risco de congelamento)
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Secadores por refrigeração
79
o Selecção em função dos seguintes parâmetros:
o débito (efectivo) de ar comprimido a ser tratado em l/s,
l/s
m3/min ou m3/h;
o pressão normal de serviço, em bar;
o ponto de orvalho (dew point) pretendido em ºC;
o temperatura ambiente;
o temperatura do ar comprimido à entrada do secador;
o perda de carga introduzida pela unidade.
unidade
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Secadores por refrigeração
80
o Todos os fabricantes de secadores fornecem os
dados técnicos em função dos seguintes
parâmetros:
o débito de ar comprimido (ar aspirado a 1 bar e a 20 ºC)
C)
o pressão normal de serviço: 7 bar
o temperatura ambiente: 25 ºC
o temperatura do ar comprimido à entrada do secador: 35
ºC
C
o normas DIN/ISO - 7183
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Secadores de sorção
81
Secadores de absorção
o Sempre que se pretende obter ar comprimido
com pontos de orvalho negativos (classes 1 ou 2),
2)
o processo de refrigeração não pode ser utilizado,
sob pena de bloqueamento de toda a instalação,
instalação
atendendo a que a água solidifica abaixo dos 0ºC.
o Processo consiste em fazer passar o ar
comprimido através de um reservatório repleto
de um dessecante (cloreto de cálcio ou cloreto de
lítio) capaz de fixar por absorção a humidade
contido no fluido sob pressão.
o Dessecantes:
o Processo pouco utilizado no tratamento de ar
comprimido
i id
o via química (absorção)
o via física (adsorção)
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Secadores de adsorção
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o Processo consiste em fazer passar o ar
comprimido através de um reservatório repleto
de um dessecante como
o silica-gel: ponto de orvalho -20 ºC
C
o alumina activada: ponto de orvalho -40 ºC
o seiva molecular: ponto de orvalho -70
70 C
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Filtração
84
o Atmosfera industrial contém cerca de 140
milhões de partículas por m3 de ar e 80 % desta
quantidade têm dimensão inferior a 2 µm.
o O filtro de aspiração do compressor, só impede a
entrada
t d de
d partículas
tí l cujas
j dimensões
di
õ sejam
j
superiores a 5 µm.
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Filtração
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o Processos mecânico (centrifugação e gravidade)
o Superfície
o Profundidade ((microflitros,, filtros de carvão
activado, esterilização)
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