Unidade 1 preparacao-e_distribuicao

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Unidade 1 preparacao-e_distribuicao

  1. 1. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 UNIDADE 1 - A PREPARAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO 1.1 PROPRIEDADES DO AR E PRINCÍPIOS BÁSICOS Utilização do ar comprimido (vantagens e limitações): Vantagens: - Aumento da produção com investimento relativamente pequeno. - Redução dos custos operacionais. - Robustez dos componentes pneumáticos. - Facilidade de implantação. - Resistência a ambientes hostis. - Simplicidade de manipulação. - Segurança. - Redução do número de acidentes. Limitações: - O ar comprimido necessita de tratamento adequado para realizar o trabalho proposto: remoção de impurezas, eliminação de umidade. - Os componentes pneumáticos são normalmente projetados e utilizados para trabalhar com forças de intensidade pequena se comparados a outros sistemas. - Velocidades muito baixas são difíceis de ser obtidas com o ar comprimido devido às suas propriedades físicas. Neste caso, recorre-se a sistemas mistos (hidráulicos e pneumáticos). - O ar é um fluido altamente compressível, portanto, é impossível se obterem paradas intermediárias e velocidades uniformes. - O ar comprimido é um poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões para a atmosfera. Esta poluição pode ser evitada com o uso de silenciadores nos orifícios de escape. Propriedades Físicas do Ar O ar é composto pelo oxigênio, nitrogênio, gás carbônico e mais seis gases – argônio, criptônio, hélio, neônio, radônio e xenônio. Estes últimos são denominados gases raros, porque existem em pequenas quantidades no ar. Esta mistura de gases têm como características principais, não ter gosto (insípido), não ter cheiro (inodoro) e não ter cor (incolor). As principais propriedades do ar são: Compressibilidade - Podemos concluir que o ar permite reduzir o seu volume quando sujeito à ação de uma força exterior. 1
  2. 2. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 Elasticidade - Propriedade que possibilita ao ar voltar ao seu volume inicial uma vez extinto o efeito (força) responsável pela redução do volume. Difusibilidade - Propriedade do ar que lhe permite misturar-se homogeneamente com qualquer meio gasoso que não esteja saturado. Expansibilidade - Propriedade do ar que lhe possibilita ocupar totalmente o volume de qualquer recipiente, adquirindo o seu formato. LEI GERAL DOS GASES PERFEITOS As leis de Boyle-Mariotte, Charles e Gay Lussac referem-se a transformações de estado, nas quais uma das variáveis físicas permanece constante. Geralmente, a transformação de um estado para outro envolve um relacionamento entre todas, sendo assim, a relação generalizada é expressa pela fórmula, apresentada na figura abaixo: Fonte - PARKER PRINCÍPIO DE PASCAL "A pressão exercida em um líquido confinado em forma estática atua em todos os sentidos e direções, com a mesma intensidade, exercendo forças iguais em áreas iguais". TEOREMA DE BERNOULLI O teorema de Bernoulli expressa a lei da conservação da energia para o escoamento de fluidos. As parcelas de energia que compõe um fluido em movimento podem ser teoricamente agrupadas em três tipos: 1º - Parcela referente à energia cinética (Ec) 2º - Parcela referente à energia de pressão (Ep) 3º - Parcela referente à energia potencial de altura (Eh) 2
  3. 3. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 Um fluido em movimento, em regime permanente e sem alteração de altura, se sofrer a mudança da velocidade (Ec) provoca alteração na pressão (Ep). 1.2 PRODUÇÃO DO AR COMPRIMIDO O equipamento fundamental e indispensável para a automação industrial pneumática é denominado compressor, sendo que será feita uma revisão breve sobre o funcionamento dos principais tipos de compressores utilizados. Compressores - São máquinas destinadas a elevar a pressão de um certo volume de ar, admitido nas condições atmosféricas, até uma determinada pressão, exigida na execução dos trabalhos realizados pelo ar comprimido. Podem ser classificados e definidos segundo os princípios de trabalho que os mesmos utilizam, conforme a figura abaixo: Fonte - PARKER Compressor tipo 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 o nível de pressão é atingido, 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. 3
  4. 4. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 Compressor tipo 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 consequentemente os impulsores transmitem energia cinética ao ar. Posteriormente, seu escoamento é retardado por meio de difusores, obrigando a uma elevação na pressão. Tipos de compressores a) Compressor de fluxo radial (desloc. dinâmico) O ar é acelerado a partir do centro de rotação, em direção à periferia, ou seja, é admitido pela primeira hélice (rotor dotado de lâminas dispostas radialmente), axialmente, é acelerado e expulso radialmente. FONTE: PARKER Os compressores de fluxo radial requerem altas velocidades de trabalho, como por exemplo, 334, 550, 834 até 1667 r.p.s. Isto implica também em um deslocamento mínimo de ar (0,1667 m3/s). b) Compressor de Parafuso (desloc. positivo) Este compressor é dotado de uma carcaça onde giram dois rotores helicoidais em sentidos opostos. Um dos rotores possui lóbulos convexos, o outro uma depressão côncava e são denominados, respectivamente, rotor macho e rotor fêmea. Os rotores são sincronizados por meio de engrenagens; entretanto existem fabricantes que fazem com que um rotor acione o outro por contato direto. 4
  5. 5. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 O processo mais comum é acionar o rotor macho, obtendo-se uma velocidade menor do rotor fêmea. Estes rotores revolvem-se numa carcaça cuja superfície interna consiste de dois cilindros ligados como um "oito". O ar entra pela abertura de admissão preenchendo o espaço entre os parafusos Rotor macho Rotor fêmea À medida que os rotores giram, o ar é isolado, e começa a compressão O movimento de rotação produz uma compressão suave, que continua até o começo da abertura da descarga. O ar comprimido é suavemente descarregado do compressor,com a abertura de descarga selada até a passagem do volume comprimido do ciclo seguinte FONTE: PARKER c) Compressor de simples efeito (desloc. positivo) FONTE: PARKER 5
  6. 6. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 d) Compressor de duplo efeito – cruzeta (desloc. positivo) FONTE: PARKER Este compressor é assim chamado por ter duas câmaras, ou seja, as duas faces do êmbolo aspiram e comprimem. O virabrequim está ligado a uma cruzeta por uma biela; a cruzeta, por sua vez, está ligada ao êmbolo por uma haste. Desta maneira consegue transmitir movimento alternativo ao êmbolo, além do que, a força de empuxo não é mais transmitida ao cilindro de compressão e sim às paredes guias da cruzeta. O êmbolo efetua o movimento descendente e o ar é admitido na câmara superior, enquanto que o ar contido na câmara inferior é comprimido e expelido. Procedendo-se o movimento oposto, a câmara que havia efetuado a admissão do ar realiza a sua compressão e a que havia comprimido efetua a admissão. Os movimentos prosseguem desta maneira, durante a marcha do trabalho. Sistema de Refrigeração dos Compressores (Resfriamento Intermediário) Remove o calor gerado entre os estágios de compressão, visando: - Manter baixa a temperatura das válvulas, do óleo lubrificante e do ar que está sendo comprimido (com a queda de temperatura do ar a umidade é removida). - Aproximar a compressão da isotérmica, embora esta dificilmente possa ser atingida, devido à pequena superfície para troca de calor. - Evitar deformação do bloco e cabeçote, devido às temperaturas. - Aumentar a eficiência do compressor. O resfriamento do compressor pode ser realizado através da circulação forçada de água nas paredes duplas do cilindro, ou através de circulação de ar (para compressores de menor capacidade de produção de ar). 6
  7. 7. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 1.3 PREPARAÇÃO FINAL DO AR COMPRIMIDO Após receber a energia e ter a sua pressão aumentada, outras operações são necessárias para adequar a sua utilização nos equipamentos e processos de automação industrial pneumática. Estas operações são necessários devido ao fato de que o ar atmosférico é uma mistura de gases, principalmente de oxigênio e nitrogênio, e contém contaminantes de três tipos básicos: água, óleo e poeira. Portanto, é necessário: - Retirar a umidade; - Regular a pressão no ponto de aplicação; - Lubrificar. As partículas de poeira, em geral abrasivas, e o óleo queimado no ambiente de lubrificação do compressor, são responsáveis por manchas nos produtos. 1.3.1 RETIRADA DA UMIDADE A quantidade de umidade que o ar possui depende de fatores climáticos e atmosféricos da região onde o equipamento pneumático se encontra operando, sendo, portanto, mais crítico em regiões de elevada média de umidade do ar. Existem duas importantes características que estabelecem a quantidade de umidade que o ar tem capacidade de reter, e que são inerentes ao processo de compressão e utilização do ar comprimido. Estes fenômenos têm explicações físicas que não serão abordadas aqui, porém podem ser entendidas de modo simplificado, conforme colocado a seguir: 1ª – a capacidade de retenção de vapor de água em mistura com o ar depende da temperatura em que o ar se encontra. “quanto maior a temperatura, maior a quantidade de vapor de água” 2ª – a redução de volume, altera a capacidade de retenção de água no ar. “quanto maior a pressão , menor a quantidade de retenção de água” 7
  8. 8. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 Obs 1.: A água se precipita somente se houver retirada de calor. Obs 2.: Num processo normal ocorre um aumento de temperatura que atua de modo contrário a redução de volume e compensa o efeito. Onde ocorre a condensação da umidade? 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 d'água em suspensão, que se não for retirado, se precipita ao longo das tubulações na proporção em que se resfria. A presença desta água condensada nas linhas de ar, causada pela diminuição de temperatura, proporciona: - Oxidação da tubulação e componentes pneumáticos; - Destruição da película lubrificante existente entre as duas superfícies que estão em contato, acarretando desgaste prematuro e reduzindo a vida útil das peças, válvulas, cilindros, etc; - Prejuízo na produção de peças; - Arraste partículas sólidas que prejudicarão o funcionamento dos componentes pneumáticos; - Aumento do índice de manutenção; - Impossibilita a aplicação em equipamentos de pulverização. - Provoca golpes de ariete nas superfícies adjacentes, etc. Portanto, é de extrema importância que grande parte da água, bem como dos resíduos de óleo, sejam removidos do ar para minimizar os efeitos citados. 1.3.2 MÉTODOS PARA A RETIRADA DE UMIDADE - Secagem por refrigeração - Secagem por absorção - Secagem por adsorção a) Secagem por Refrigeração O ar presente no ar comprimido é prejudicial aos componentes pneumáticos, a quantidade de retenção de umidade do ar é, por exemplo: Temperatura do ar (ºC) 130 Capacidade de retenção de umidade (kg/m³) 1,496 8
  9. 9. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 Para resolver de maneira eficaz o problema inicial da água nas instalações de ar comprimido, o equipamento mais completo é o resfriador posterior. O resfriador posterior é simplesmente um trocador de calor utilizado para resfriar o ar comprimido. Como conseqüência deste resfriamento, permite-se retirar de 75% a 90% do vapor de água contido no ar, bem como vapores de óleo. A figura abaixo esquematiza uma instalação típica. FONTE: PARKER b) Secagem por Absorção Processo químico de secagem, que utiliza uma substância, é um método que utiliza em um circuito uma substância sólida ou líquida, com capacidade de absorver outra substância líquida ou gasosa. O ar é conduzido no interior de um volume através de uma massa higroscópica, insolúvel ou deliqüescente que absorve a umidade do ar, processando-se uma reação química. As substâncias higroscópicas são classificadas como insolúveis quando reagem quimicamente com o vapor d'água, sem se liquefazerem. São deliqüescentes quando, ao absorver o vapor d'água, reagem e tornam-se líquidas. As principais substâncias utilizadas são: Cloreto de Cálcio, Cloreto de Lítio, Dry-o-Lite. 9
  10. 10. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 FONTE: PARKER c) Secagem por Adsorção Acontece a adsorção quando as moléculas de uma substância (água) se depositam na superfície de outra substância, geralmente sólida (SiO2). Este método também é conhecido por Processo Físico de Secagem. O processo é regenerativo; a substância adsorvente, após estar saturada de umidade, permite a liberação de água quando submetida a um aquecimento regenerativo. As torres são preenchidas com Óxido de Silício SiO2 (Silicagel), Alumina Ativa Al2O3, Rede Molecular (Na Al O2 Si O2) ou ainda Sorbead. Na outra torre ocorrerá a regeneração da substância adsorvente, que poderá ser feita por injeção de ar quente; na maioria dos casos por resistores e circulação de ar seco. Havendo o aquecimento da substância, provocaremos a evaporação da umidade. Por meio de um fluxo de ar seco a água em forma de vapor é arrastada para a atmosfera. Deve ser montado um filtro de Carvão Ativo antes da entrada do secador, para eliminar os resíduos de óleo, que, em contato com as substâncias de secagem, causam sua impregnação, reduzindo consideravelmente o seu poder de retenção de umidade. 10
  11. 11. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 Fonte: PARKER Fonte: FESTO DIDATIC Esquema do funcionamento do sistema regenerativo 11
  12. 12. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 1.3.3 UNIDADES DE PREPARAÇÃO E CONDICIONAMENTO FINAL - LUBREFIL – Fonte: PARKER Após ser realizada a compressão e retirada a maior parte da umidade presente no ar comprimido, o ar está em condições de ser utilizado para as suas aplicações em equipamentos e instalações pneumáticas. A preparação final do ar se dá no ponto de utilização através das seguintes operações: a) b) c) d) Filtragem Retirada de condensado Regulagem de pressão Lubrificação a) Filtragem A retirada de impurezas geradas no processo de compressão do ar, da oxidação interna de tubulações e reservatórios, bem como as que eventualmente foram introduzidas do ambiente exterior, podem vir a prejudicar a operação das válvulas e atuadores pneumáticos. A filtragem do ar consiste na passagem do ar através de um elemento filtrante de bronze sinterizado ou malha de nylon. 12
  13. 13. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 Fonte: FESTO DIDATIC b) Retirada de condensado A movimentação do ar em contato com o defletor e as paredes do copo do filtro faz com que a umidade contida se aglutine, e por gravidade se acumule na parte inferior do mesmo. Periodicamente o mesmo deve ser drenado através do dispositivo de purga. c) Regulagem de pressão Os atuadores pneumáticos necessitam uma pressão de trabalho uniforme para realizarem seu papel. O nível de pressão que os equipamentos pneumáticos funcionam depende das suas especificações, portanto é fundamental a regulagem da pressão na utilização. A válvula reguladora de pressão cumpre este papel, estabelecendo o valor desejado para cada tipo de equipamento, e evitando que a pressão na utilização aumente com o aumento da carga ou mesmo quando o atuador chegar ao fim de curso. O funcionamento esta representado pela figura a seguir: 13
  14. 14. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 Orifício responsável pela exaustão em caso de sobre pressão na utilização Mola responsável por regular a pressão de utilização Fonte: FESTO DIDATIC d) Lubrificação Os atuadores e válvulas possuem movimentos relativos de seus elementos móveis, e os elementos de vedação devem ser lubrificados para reduzir o atrito e conseqüentemente aumentar a durabilidade e vida útil dos mesmos. O tipo de óleo utilizado deve ser compatível com o material do elemento vedante, seguindo a risca as recomendações dos fabricantes, sob pena de ataque e danificação do mesmo. A aplicação do lubrificante segue o princípio do venturi e está esquematizado na figura ao lado: Fonte: FESTO DIDATIC 1.3.4 FILTRO COALESCENTE Retiram 99,9% das impurezas e umidade, sendo utilizado em situações onde não pode haver presença de umidade e outras impurezas. Utilizados em situações de produção presentes em indústrias químicas, farmacêuticas, eletrônicas... 14
  15. 15. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 O mecanismo de operação de um filtro coalescente baseia-se em dois processos distintos: a retenção mecânica e a coalescência. A retenção mecânica é a simples obstrução da passagem do contaminante através do elemento, permitindo apenas que o ar comprimido siga adiante. A Colescência é a aglutinação de partículas minúsculas de líquidos em suspensão em partículas de maior tamanho, ou a ação pela qual, partículas líquidas em suspensão unem-se para formar partículas maiores. O princípio de funcionamento de um elemento filtrante tipo coalescente está baseado nos seguintes mecanismos: Interceptação direta, impacto inercial, difusão. fonte: zenoar Fonte: ZENOAR A coalescência não impede que a contaminação líquida atravesse todo o meio filtrante, ao contrário, ela permite que isso ocorra para que os contaminantes coalescidos (aglutinados) possam dirigir-se ao fundo da carcaça do filtro pela ação da gravidade e sejam drenados para o exterior a partir desse ponto. 15
  16. 16. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 1.4 EQUIPAMENTOS PARA AS INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO Resumidamente a figura abaixo mostra os principais elementos necessários para uma instalação industrial de produção e distribuição de ar comprimido. Os principais equipamentos que serão abordados são: • Reservatórios • Tubulações • Separadores de condensado • Purgadores Fonte: PARKER 1.4.1 RESERVATÓRIO DE AR COMPRIMIDO As funções principais dos reservatórios são: - Armazenar o ar comprimido. - Resfriar o ar auxiliando a eliminação do condensado. - Compensar as flutuações de pressão em todo o sistema de distribuição. - Estabilizar o fluxo de ar. - Controlar as marchas dos compressores, etc. 16 Fonte: PARKER
  17. 17. INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010 1.4.2 TUBULAÇÕES, SEPARADORES DE CONDENSADO E PURGADORES O aspecto a ser enfatizado está relacionado com a inclinação da instalação, e dispositivos auxiliares que proporcionam o direcionamento e retenção do condensado a ser retirado pelos purgadores instalados ao longo da linha de distribuição de ar comprimido. As figuras abaixo enfatizam alguns aspectos a serem observados: Fonte: FESTO DIDATIC FONTES: FESTO DIDATIC – INTRODUÇÃO A SISTEMAS ELETRO PNEUMÁTICOS –1994. FESTO DIDATIC - INTRODUÇÃO À PNEUMÁTICA; 2 ed. – 1994. PARKER Training –Tecnologia Pneumática Industrial –Apostila M1001BR – 2000. PARKER Training – Tecnologia Eletro pneumática Industrial – Apostila M1002-2BR – 2001. ZENOAR – Manual de ar comprimido – 1ª ed – 2006. 17

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