Transmissão hidráulica de força e energia

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1 Líquidos Transmissão de força Intensificador de pressão Pressão em uma coluna de fluido Velocidade e vazão Tipos de fluxo Geração de calor Diferencial de pressão

2 Transmissão Hidráulica de Força e Energia Antes de trabalhar diretamente com a transmissão de energia através de líquidos, torna-se necessário rever o conceito de hidráulica estudando as características de um líquido para depois saber como uma força se transmite através dele. Líquidos Líquido é uma substância constituída de moléculas. Ao contrário dos gases, nos líquidos as moléculas são atraídas umas às outras de forma compacta. Por outro lado, ao contrário dos sólidos, as moléculas não se atraem a ponto de adquirirem posições rígidas. Transmissão de força Os quatro métodos de transmissão de energia: mecânica, elétrica, hidráulica e pneumática são capazes de transmitir forças estáticas (energia potencial) tanto quanto a energia cinética. Quando uma força estática é transmitida em um líquido, essa transmissão ocorre de modo especial. Para ilustrar, vamos comparar como a transmissão ocorre através de um sólido e através de um líquido em um recipiente fechado. Força transmitida através de um sólido A força através de um sólido é transmitida em uma única direção, ou seja, se empurrarmos o sólido em uma direção, a força é transmitida ao lado oposto, diretamente. Energia molecular pistão móvel As moléculas nos líquidos estão continuamente em movimento. Elas deslizam umas sob as outras, mesmo quando o líquido está em repouso. Este movimento das moléculas chama-se energia molecular. sólido Os líquidos assumem qualquer forma O deslizamento das moléculas umas sob as outras ocorre continuamente, por isso o líquido é capaz de tomar a forma do recipiente onde ele está. Os líquidos são relativamente incompressíveis Com as moléculas em contato umas às outras, os líquidos exibem características de sólidos. Os líquidos são relativamente impossíveis de serem comprimidos. Uma vez que os líquidos são relativamente incompressíveis e podem tomar a forma do recipiente, eles possuem certas vantagens na transmissão de força. Força transmitida através de um líquido Se empurrarmos o tampão de um recipiente cheio de um líquido, o líquido do recipiente transmitirá pressão sempre da mesma maneira, independentemente de como ela é gerada e da forma do agente gerador (um martelo, a mão, um peso, uma mola, ar comprimido ou uma combinação destes), ou seja, em todos os sentidos e direções. líquido pistão móvel 16 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda.

3 Intensificador (multiplicador de pressão) A pressão marcada por ambos os manômetros é de 1 kgf/cm 2, pois não importa os diâmetros dos reservatórios e sim a altura da coluna de água. O intensificador de pressão consiste em uma carcaça contendo orifício de entrada e saída e um êmbolo com uma área grande, cuja haste está ligada a outro êmbolo, com uma área menor. Ø 10 cm Ø 1 cm A câmara entre os dois êmbolos tem um orifício de descompressão. Funcionamento Água 1000 cm Água O intensificador multiplica ou intensifica uma pressão hidráulica existente, recebendo a pressão hidráulica sobre um êmbolo de grande área e aplicando a força resultante a um êmbolo de área menor. A pressão é portanto intensificada no atuador. Exemplo: se tivermos um intensificador com uma área (A1) de 140 cm 2 e aplicarmos uma pressão de 35 bar, teremos uma força (F1) de 4900 kgf, portanto: 1 kg/cm 2 1 kg/cm 2 Variação da pressão com a variação da coluna do líquido. Teremos uma pressão (P2) intensificada no segundo estágio de 98 bar considerando a área (A2) 50 cm 2. P1 F1 P2 A2 A1 P1 = 35 bar A1 = 140 cm 2 portanto F1 = 4900 kgf F1 = 4900 kgf A2 = 50 cm 2 portanto P2 = 98 bar F1 = P1 x A1 P2 = F1 A2 Nota-se que no furo mais próximo à base do reservatório sai o jato mais forte, pois quanto mais próximo da base estiver o furo, maior será a pressão hidrostática e o jato de líquido irá mais longe. Pressão em uma coluna de fluido O peso do fluido gera pressão no fundo de uma coluna. Em uma coluna de água de 10 m de altura, temos na base dessa coluna, a pressão de 1 bar (1 kgf/cm 2 ). Na próxima figura, temos dois reservatórios de diâmetros diferentes (um com 10 cm de diâmetro e outro com 1 cm), com água a uma altura de 10 metros (densidade da água = 1kg/dm 3 ). 17 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda.

4 Velocidade x Vazão Em sistemas dinâmicos, o fluido que passa pela tubulação se desloca a certa velocidade. Esta é a velocidade do fluido, que de modo geral é medida em centímetros por segundo (cm/seg). O volume do fluido passando pela tubulação em um determinado período de tempo é a vazão (Q vazão = V velocidade x A área), em litros por segundo (l/s). A relação entre velocidade e vazão pode ser vista na ilustração. 300 cm/s Se o tubo menor tiver a metade do diâmetro do primeiro, a área será 4 vezes menor, portanto a mesma vazão deverá passar com uma velocidade 4 vezes maior. Princípio de Bernoulli O princípio de Bernoulli diz que a soma da energia potencial e energia cinética, nos vários pontos de um sistema, são constantes para uma vazão constante. Quando o diâmetro de um tubo diminui a velocidade do fluido aumenta. A energia cinética aumenta. Logo a energia cinética precisa ser compensada pela redução da pressão. Pressão menor 20 litros 600 cm/s Para encher um recipiente de 20 litros em um minuto, o volume de fluido em um cano de grande diâmetro deve passar a uma velocidade de 300 cm/s. No tubo de pequeno diâmetro, o volume deve passar a uma velocidade de 600 cm/s para encher o recipiente no tempo de um minuto. Em ambos os casos a vazão é de 20 litros/minuto, mas as velocidades do fluido são diferentes. Vazão (Q) 20 litros Vazão é o volume deslocado por unidade de tempo, dado em galões por minuto (gpm) ou litros por minuto (lpm). Tipos de fluxo Fluxo laminar e fluxo turbulento O fluido tem um fluxo laminar (condição ideal) quando as moléculas (polímeros) se movimentam paralelamente ao longo de um tubo, isso acontece até uma certa velocidade. Quando há o aumento da velocidade do fluido, as perdas de pressão são maiores devido ao aumento de atrito e geração de calor, tendo assim um fluxo turbulento. Com a presença do fluxo turbulento ocorre um aumento do atrito em 4 vezes. Fluxo laminar Deslocamento é o volume deslocado por revolução da bomba hidráulica, dado em cm 3 /rev. Velocidade do fluxo através de um tubo Fluxo turbulento A velocidade do fluxo através de um tubo é inversamente proporcional ao quadrado de seu diâmetro interno. Área 4 vezes menor Q1 Ø 2 cm Ø 1 cm Q1 Velocidade 4 vezes maior O tipo de fluxo depende de alguns fatores, como: a velocidade do fluido, o diâmetro do tubo, a viscosidade do fluido, rugosidade interna da parede do tubo, etc. 18 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda.

5 Número de Reynold Para sabermos quando o fluxo é laminar ou turbulento, calculamos o número de Reynold Re. Re = V. d v Re = Reynold, número puro d = diâmetro interno do tubo em cm V = velocidade do fluido em cm/s v = viscosidade cinemática do fluido em stokes (de 0,45 a 0,50 para óleo hidráulico) Número Reynold indica o tipo de fluxo: De 0 a 2000 indica que o fluxo é laminar; De 2000 a 3000 o fluxo pode ser laminar ou turbulento, dependerá de outros fatores, como restrições, curvas, etc; Acima de 3000 indica que o fluxo é turbulento. Geração de calor A geração de calor em um sistema hidráulico é causada pelo movimento de um líquido, relativamente a mudanças de direção, viscosidade e atrito. Quanto maior for a velocidade do fluido, mais calor será gerado. A mudança na direção do fluido em uma linha hidráulica, gera mais calor provocado pelo choque das moléculas que deparam com o obstáculo da curva. Dependendo do diâmetro do tubo, um cotovelo de 90 pode gerar tanto calor quanto vários metros de tubo. As curvas devem ser feitas com maior raio possível, para evitar perdas excessivas por turbulência. Evitar sempre a colocação de cotovelos 90 sendo que a curva mínima deve ter um raio igual a 2 1/2 vezes o diâmetro externo do tubo, para evitar que no dobramento enruguemos o tubo, aumentando assim a resistência a passagem do fluxo. Ø Raio mínimo de 2 1/2 Ø Deve-se evitar restrições e curvas bruscas. A velocidade máxima recomendada para o óleo na tubulação hidráulica é de 5 m/s. Diferencial de pressão Um diferencial de pressão é simplesmente a diferença de pressão entre dois pontos do sistema e pode ser caracterizado: 1. Por indicar que a energia de trabalho, na forma de movimento de líquido pressurizado, está presente no sistema. 2. Por medir a quantidade de energia de trabalho que se transforma em calor entre os dois pontos. Na ilustração, o diferencial de pressão entre os dois pontos marcados pelos manômetros é de 2 kgf/cm 2. Manômetro 1 Manômetro 2 14 Kg/cm 2 12 Kg/cm 2 1. A energia de trabalho está se deslocando do ponto 1 para o ponto Enquanto está se deslocando entre os dois pontos, 2 kgf/cm 2 da energia são transformados em energia calorífica por causa da resistência do líquido. 19 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda.

6 Notas 20 Parker Hannifin Ind. Com. Ltda.