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AUTOMAÇÃO PNEUMÁTICA RAFAELA PAPOULIAS FRANÇA VALDIR PAIXÃO JÚNIOR
Tipologia: Exercícios
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO – CAMPUS CUBATÃO TECNOLOGIA DE AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS AUTOMAÇÃO PNEUMÁTICA PROF. MAURO BRAGA
Trabalho apresentado à disciplina de Automação Pneumática, do curso de Automação Industrial, para obtenção da nota referente a segunda avaliação.
O conteúdo deste documento consistirá na realização de um estudo sobre comandos pneumáticos, eletropneumáticos e todo o processo para tornar o ar, comprimido e útil para consumo. A fim de compreender teoricamente todas as características, princípios e aplicações do ar comprimido, o documento irá esclarecer e demonstrar os fundamentos teóricos e práticos da pneumática. Os tópicos apresentados nesse documento referem-se a disciplina de Automação Pneumática, onde será demonstrado todo o processo de preparação do ar comprimido, equipamentos pneumáticos e alguns projetos feitos devido ao conteúdo apresentado em sala de aula.
Para produção do ar comprimido são necessários compressores. Esses comprimem o ar até a pressão de trabalho desejada. A maioria dos acionamentos e comandos pneumáticos funciona através de uma estação central de distribuição de ar comprimido. Não é necessário calcular nem planejar a transformação e transmissão da energia doar comprimido para cada equipamento (consumidor) individual. Uma estação compressora fornece o ar comprimido já calculado, para os equipamentos, através de uma tubulação. Ao projetar a produção ou consumo de ar, devem ser consideradas ampliações e futuras aquisições de novos equipamentos pneumáticos. Uma ampliação posterior da instalação torna-se, geralmente, muito cara. Nas indústrias de mineração ou para máquinas que mudam freqüentemente de lugar são usadas instalações móveis de ar comprimido. Muito importante é o grau de pureza do ar. Ar limpo garante uma longa vida útil à instalação. O emprego correto dos diversos tipos de compressores também deve ser considerado. Os parâmetros de dimensionamento de um compressor são:
2.1- COMPRESSORES DINÂMICOS
Esses compressores trabalham segundo um princípio de aceleração de massa e são adequados para o fornecimento de grandes vazões. Os turbo compressores, como também são chamados, são construídos em duas versões:
2.1.1- COMPRESSOR RADIAL
Este compressor é composto por um rotor com pás inclinadas, como uma turbina. O ar é empurrado pelo rotor devido sua alta rotação e lançado através de um difusor radial. A velocidade é transformada em pressão no rotor, no difusor radial e no de saída.
Figura 01: Funcionamento do Compressor Radial.
Este tipo de compressor é apropriado não só para baixas e médias pressões, mas também para altas. A faixa de pressão é de cerca de 100 kPa (1 bar) até milhares de kPa. Para obter ar a pressões elevadas, são necessários compressores de vários estágios de compressão. O ar aspirado será comprimido pelo primeiro êmbolo (pistão), refrigerado intermediariamente, para logo ser comprimido pelo segundo êmbolo (pistão). O volume da segunda câmara de compressão é menor em relação ao da primeira. Durante o trabalho de compressão é gerado calor, que tem que ser eliminado pelo sistema de refrigeração.
Os compressores de êmbolo com movimento linear podem também ser de duplo efeito, realizando trabalho no avanço e no retorno. Para isso possuem duas câmaras de compressão, uma em cada lado do êmbolo.
Em alguns casos existe a necessidade de ar comprimido de melhor qualidade, isento de resíduos de óleo. Neste caso é necessário que haja uma separação entre a câmara de sucção/compressão e o êmbolo, o que é conseguido através da utilização de um compressor de membrana.
Figura 05: Compressor de deslocamento positivo - altas pressões.
Figura 06: Compressor de êmbolo linear.
Figura 07: Separação entre sucção/compressão e o êmbolo.
O compressor de palhetas consiste de um rotor dotado de ranhuras girando em uma carcaça excêntrica. As palhetas ou lâminas inseridas nas ranhuras podem deslizar livremente. A força centrífuga mantém as palhetas comprimidas contra a superfície interna da carcaça excêntrica, resultando num selo entre os compartimentos formados pelas palhetas. Também as extremidades do rotor são seladas. A locação excêntrica do rotor em relação à carcaça forma um espaço de folga de seção transversal crescente. À medida que o rotor gira, o ar entra através das aberturas nos compartimentos, formados pelas palhetas, sendo então aprisionado e seu volume gradativamente reduzido até ser descarregado do lado oposto.
Este compressor é composto de dois parafusos entrelaçados que giram em eixos paralelos dentro de uma carcaça com folgas bastante reduzidas. Os parafusos geralmente têm uma configuração complementar, tipo macho-fêmea. O rotor macho possui lóbulos convexos que correspondem aos pistões. Tendo uma seção transversal em forma de arco circular, estes lóbulos formam hélices ao longo do comprimento do rotor como as cristas de uma rosca. O rotor fêmea correspondente possui sulcos côncavos equivalentes aos cilindros que possuem a mesma seção transversal em forma de arco circular para aceitar o lóbulo do rotor-macho complementar. Ao girar, os rotores produzem um ciclo de três fases. Na primeira fase, sucção, os espaços do “cilindro” passam pela abertura de entrada numa das extremidades da carcaça e são enchidos com ar atmosférico. Quando o espaço entre lóbulos está completamente cheio, a rotação dos “cilindros” faz com que o espaço passe além da abertura de entrada, aprisionando o ar entre o rotor e a carcaça. Ao continuar a rotação, os “cilindros” realizam a fase de compressão. Aqui os lóbulos helicoidais machos ou pistões giram para dentro dos sulcos do rotor fêmea ou cilindros. O ponto de entrelaçamento move-se ao longo do comprimento do rotor, reduzindo progressivamente o volume do ar e conseqüentemente aumentando a pressão. A fase final de descarga ocorre quando o espaço entre lóbulo cheio de ar comprimido chega ao pórtico de saída.
Figura 08: Relação entre Ar e rotor do compressor.
LUBRIFICAÇÃO
EXECUÇÃO
REFRIGERAÇÃO
REGULAGEM DE MARCHA EM VAZIO (DESCARGA, FECHAMENTO)
LOCAL DE MONTAGEM A estação de compressores deve ser montada dentro de um ambiente fechado, com proteção acústica. O ambiente deve ter boa ventilação e o ar sugado deve ser fresco, seco e livre de poeira ou resíduos.
PRESSÃO E VAZÃO A pressão e a vazão estão diretamente relacionadas e atuam sobre a capacidade do equipamento e dos componentes. Isto significa que, para cada equipamento, deve estar disponível o ar comprimido necessário como também a pressão de trabalho necessária. Para obter este resultado, são necessários:
RESERVATÓRIO DE AR COMPRIMIDO Este reservatório serve para estabilizar a distribuição de ar comprimido. Elimina as oscilações de pressão na rede distribuidora e, quando ocorre uma elevação momentânea do consumo de ar, é uma garantia de reserva. A grande superfície do reservatório refrigera o ar suplementar. Assim, parte da umidade é condensada e separa-se do ar no reservatório, saindo pelo dreno. O tamanho do reservatório de ar comprimido depende :
Na preparação do ar comprimido, uma série de providências deve ser tomada quanto a sua pureza, a presença de partículas estranhas, a água, o óleo, etc. Serão apresentados assuntos diretamente ligados à qualidade do ar, tais como as diversas formas de filtragem e secagem, bem como todos os componentes dos instrumentos que se prestam a isso.
3.1- IMPUREZAS
Uma preparação adequada do ar comprimido prolonga a vida útil dos elementos pneumáticos. Portanto, a qualidade do ar comprimido é um fator muito importante a ser observado. Quando a rede de condutores de ar comprimido não é drenada (pelo escoamento da água condensada no interior da tubulação) a água pode causar a corrosão na rede metálica, nos elementos pneumáticos e nas máquinas. O óleo residual proveniente dos compressores pode produzir, junto com o ar comprimido, uma mistura de ar e óleo (mistura gasosa), a qual apresenta perigo de explosão, principalmente quando há temperaturas elevadas (mais de 333k). Com a instalação de resfriadores, eliminam-se, de uma maneira geral, as partículas estranhas, água e óleo.
3.2- RESFRIADOR
Figura 11: Estrutura de um Compressor.
Figura 12: Estrutura de um Resfriador.
O processo de absorção caracteriza-se por:
A secagem por adsorção está baseada num processo físico: Adsorção fixação de uma substância na superfície de outra substância O elemento secador é um material granulado com aresta ou em formas de esferas. Este elemento secador é formado de quase 100% de dióxido de silício. Em geral é conhecido pelo nome de gel (sílica gel). O ar comprimido úmido é conduzido através da camada de gel e o elemento secador adsorve a água e o vapor de água. É evidente que a capacidade de acumulação de uma camada de gel é limitada. Quando o elemento secador estiver saturado, poderá ser regenerado facilmente: basta soprar ar quente através da camada saturada e o ar quente absorverá a umidade do elemento secador. A energia calorífica para a regeneração pode ser gerada também por eletricidade ou por ar comprimido quente. Mediante a montagem em paralelo de duas instalações de adsorção uma delas pode estar ligada para secar enquanto a outra estiver sendo soprada com ar quente (regeneração).
Figura 14: Processo de Secagem-ABSORÇÃO.
Figura 15: Processo de Secagem - ADSORÇÃO.
O secador de ar comprimido por resfriamento funciona pelo princípio da diminuição da temperatura do ponto de orvalho. O ponto de orvalho é a temperatura à qual deve ser resfriado um gás para se obter a condensação do vapor de água contido nele. O ar comprimido a ser secado entra no secador, passando primeiro pelo trocador de calor a ar. Mediante o ar frio e seco proveniente do trocador de calor (vaporizador), o ar quente que está entrando é resfriado. Forma-se um condensado de óleo e água que é eliminado pelo trocador de calor. Esse ar comprimido pré - resfriado circula através do trocador de calor (vaporizador) e assim sua temperatura desce até 1,70C, 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.
O regulador de pressão tem por finalidade manter constante a pressão de trabalho (secundária) independentemente da pressão da rede (primária) e consumo de ar. A pressão primária tem de ser sempre maior que a secundária.
Figura 16: Processo de Secagem - RESFRIAMENTO.
Figura 17: Estrutura do Regulador de Pressão com exaustão.
elementos móveis, manter tão mínimas quanto possível as forças de atrito e proteger os aparelhos contra corrosão. Mediante o lubrificador, espalha-se no ar comprimido uma névoa adequada de óleo. Lubrificadores de óleo trabalham, geralmente, segundo o princípio Venturi. A diferença de pressão p (queda da pressão) entre a pressão existente antes do bocal nebulizador e a pressão no ponto estrangulado do bocal será aproveitada para sugar óleo de um reservatório e misturá-lo com o ar em forma de neblina. O lubrificador de ar somente começa a funcionar quando existe um fluxo suficientemente grande. Quando houver pequena demanda de ar, a velocidade no bocal é insuficiente para gerar uma depressão (baixa pressão) que possa sugar o óleo do reservatório. Deve- se, portanto,prestar atenção aos valores de vazão (fluxo) indicados pelo fabricante.
O funcionamento do lubrificador inicia-se quando a corrente de ar no lubrificador vai de A para B. A válvula de regulagem H obriga o ar a entrar no depósito E, pelo canal C. Pelo efeito de sucção no canal C, o óleo é transportado pelo tubo ascendente L até a câmara D. Nesta câmara, o óleo é gotejado na corrente de ar e é arrastado.
Figura 19: Princípio da Venturi.
Figura 20: Estrutura do lubrificador.
Mediante o parafuso k, ajusta-se a quantidade de óleo adequada. O desvio do ar comprimido até o depósito realiza-se através da câmara F, onde se efetua o fenômeno da aspiração. As gotas grandes demais caem no ambiente E. Somente a neblina ar - óleo chega à saída B, através do canal G.
A unidade de conservação tem a finalidade de purificar o ar comprimido, ajustar uma pressão constante do ar e acrescentar uma fina neblina de óleo ao ar comprimido, para fins de lubrificação. Devido a isso, a unidade de conservação aumenta consideravelmente a segurança de funcionamento dos equipamentos pneumáticos. A unidade de conservação é uma combinação de:
No emprego da unidade de conservação, devem-se observar os seguintes pontos:
Quando o filtro não é dotado de dreno automático, o nível de água condensada deve ser controlado regularmente, pois a água não deve ultrapassar a altura determinada no copo. A água condensada acumulada pode ser arrastada para a tubulação de ar comprimido e equipamentos.
REGULADOR DE PRESSÃO DE AR COMPRIMIDO Quando existe um filtro de ar comprimido instalado antes do regulador, dispensa-se praticamente a manutenção desse regulador.
LUBRIFICADOR DE AR COMPRIMIDO. Controlar o nível de óleo no copo reservatório. Sempre que necessário, completar o óleo até no nível indicado. Filtros de material plástico e copo lubrificador devem ser limpos somente com
Figura 21: Unidade de Conservação.
linhas principais para o ponto.
As válvulas são importantes na rede de distribuição para permitir sua divisão em seções, especialmente em casos de grandes redes, fazendo com que as seções tornem-se isoladas para inspeções, modificações e manutenção. Assim, evitamos que outras seções sejam simultaneamente atingidas, não havendo paralisação no trabalho e da produção. As válvulas mais utilizadas são do tipo esfera e diafragma. Acima de 2” são usadas as válvulas tipo gaveta.
4.3- MONTAGEM
A tendência é colocar a linha principal, aérea e interna, com as correspondentes tomadas de ar próximas a cada utilizador, para que a tubulação não obstrua a passagem, além de requerer menos curvas. As tubulações aéreas aconselháveis são aquelas suspensas por tirantes, fixas nas paredes ou no forro por cantoneiras de fixação. Em alguns casos, como na fundição, forjaria ou posicionadas externamente, é aconselhável colocar as tubulações em valetas apropriadas sob o pavimento, levando-se em consideração os espaços necessários para a montagem e a manutenção com os respectivos movimentos das ferramentas, rotações de curvas, derivações em “T”. O posicionamento também deve permitir a drenagem de água condensada de maneira satisfatória. Os tubos não devem ser posicionados em profundidades excessivas e nunca enterrados.
Ao serem escolhidos, os materiais da tubulação principal devem apresentar alguns requisitos, como fácil manuseio e instalação, resistência à oxidação e corrosão e preço acessível. É recomendável construir a rede de ar comprimido com tubos de aço preto, mas geralmente é construída com tubos de aço galvanizado, devido ao menor preço e a maior facilidade de compra.
Figura 23: Rede de Distribuição Aberta.
Figura 24: Rede de Distribuição em Circuito Fechado.
Figura 22: Rede Combinada.
Apesar dessas facilidades, uma instalação com tubos de aço zincado apresenta inconvenientes quando comparada com uma instalação efetuada com tubos pretos. O tubo de aço preto possui parede interna bastante lisa, isenta de aspereza e rugosidade, o que é vantajoso, pois tende a eliminar consideráveis perdas de pressão, o que evita a formação de turbulência no seu interior. O tubo galvanizado não é liso, apresentando maior perda de pressão. A resistência do tubo de aço preto em relação à oxidação e corrosão também é superior aos tubos zincados, visto que esses oxidam com facilidade nas extremidades roscadas.
4.3.2-LIGAÇÃO ENTRE OS TUBOS
As ligações entre os tubos são de diversas maneiras: rosca, solda, flange, acoplamento rápido, devendo todas apresentar a mais perfeita vedação. As ligações rosca das são comuns, devido ao seu baixo custo e facilidade de montagem e desmontagem. Para evitar vazamentos nas roscas deve-se utilizar vedantes à base de teflon (por exemplo: fita teflon), devido às imperfeições existentes na confecção das roscas. A união realizada por solda oferece menor possibilidade de vazamento se comparada à união rosca da, apesar de um custo maior. As uniões soldadas devem estar cercadas de certos cuidados: os escamas de óxido têm que ser retiradas do interior do tubo e o cordão de solda deve ser o mais uniforme possível. De maneira geral, a utilização de conexões rosca das se faz até diâmetros de 3”. Para valores maiores, recomendam-se conexões soldadas, que podem ser por topo para tubos, soquete para curvas, flanges e válvulas”. Para instalações que apresentam maior grau de confiabilidade, recomenda-se o uso de conexões flangeadas e soldadas.
4.3.3-INCLINAÇÃO
As tubulações devem possuir uma determinada inclinação no sentido do fluxo interior. A inclinação serve para favorecer o recolhimento de uma eventual condensação da água e de impurezas, devido à formação de óxido, levando-as para o ponto mais baixo, onde são eliminadas para atmosfera através do dreno. O valor desta inclinação é de 1 a 2% em função do comprimento reto da tubulação onde for executada.
Tomados os cuidados para a eliminação do condensado, resta uma umidade remanescente a qual deve ser removida ou eliminada, no caso de condensação desta umidade. Para que a drenagem eventual seja feita, devem ser instalados drenos (purgadores) manuais ou automáticos, com preferência para os automáticos. Os pontos de drenagem devem-se situar em todos os locais baixos da tubulação principal. Nestes pontos, para auxiliar a eficiência da drenagem, podem ser construídos bolsões, que retêm o condensado e o encaminham para o purgador. Estes bolsões não devem possuir diâmetros menores que os da tubulação. O ideal é que sejam do mesmo diâmetro.
4.4.4-TOMADAS DE AR Devem ser feitas pela parte superior da tubulação principal, evitando os problemas de condensado. Recomenda-se ainda que não se realize a utilização direta do ar no ponto terminal do
