EME610 - Sistemas Hidropneumáticos Pneumática 1

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1 Sistemas Pneumáticos UNIFEI EME610 - Sistemas Hidropneumáticos Pneumática 1 Aula 8 Prof. José Hamilton Chaves Gorgulho Júnior Gerador: compressores (êmbolo, palhetas, pistões, parafusos etc.); Distribuidor: válvulas direcionais, válvulas de pressão, válvulas de bloqueio etc. Consumidor: cilindros lineares, motores, cilindros rotativos, válvulas de vácuo, bicos sopradores etc. Fluido de Trabalho: ar atmosférico. Pressão de operação: 1 até 15 bar (normal 6 bar). O fluido de trabalho (ar atmosférico) sem custo; Facilidade de condução do fluido de trabalho; Proteção simples contra sobrecargas; Movimentos rápidos; Características Geração de vácuo utilizando o ar comprimido; Armazenamento fácil do fluido de trabalho; Escape de fluido não causa poluição ambiental (lubrificado com óleo mineral); Construção simples dos elementos de trabalho; Alto custo de preparação do ar comprimido; Compressibilidade do fluido de trabalho; Forças reduzidas, quando comparado a hidráulica; Características Escape do fluido de trabalho causa ruído e perda de energia (furo ou vedação na tubulação); Atualmente existem sistemas com servoposicionamento (exatidão máxima de parada 0,1 mm).

2 Lixadeiras/Parafusadeiras/Furadeiras/Polidoras Abate de animais

3 Introdução Uso do Ar Comprimido No Velho Testamento há referências ao emprego do ar comprimido na fundição de prata, ferro, chumbo e estanho; No século III a.c., em Alexandria, o grego Ktesíbios fundou a Escola de Mecânicos, tornando-se o precursor da técnica de comprimir o ar para realizar trabalhos mecânicos; No século III d.c. o grego Hero escreveu um trabalho em dois volumes sobre as aplicações do ar comprimido; O desenvolvimento da pneumática renasceu nos séculos XVI e XVII com os grandes pensadores (Galileu, Otto Von Guericke, Robert Boyle, Bacon etc.). Conceito de pressões As indicações de pressão podem ter como referência o zero absoluto (vácuo) ou a pressão atmosférica. Pressão absoluta; Pressão relativa: Positiva (manométrica); Negativa (vacuométrica).

4 Pressão atmosférica Pa Zero absoluto Conceito de pressões Pressão P1 P2 0 Pressão absoluta Pressão relativa positiva Pressão relativa negativa Lei dos gases perfeitos Na pneumática pode-se tratar o ar como um gás perfeito com suficiente exatidão, sujeito a: Pressão Volume Temperatura = Constante Para o processo de quase-equilíbrio, é necessário que as propriedades do sistema sejam uniformes em qualquer instante do processo, e que sofram variações muito pequenas. Lei dos gases perfeitos Em um processo isotérmico, como em uma compressão lenta, tem-se: No processo isobárico, como na expansão de um gás, tem-se: V1 = T1 V2 T2 P1 V1= P2 V2 No processo isométrico, como o aquecimento de um reservatório, tem-se : P 1 P2 = T1 T2 Exemplo O reservatório de ar comprimido de um compressor tem um volume de 10 m 3. O reservatório se encontra preenchido com ar comprimido com uma pressão relativa igual à 7 bar e uma temperatura de 20ºC.

5 Exemplo 1. Qual a quantidade de ar no estado normalizado (1 bar, 20ºC) contido no reservatório? Exemplo 2. Qual a máxima quantidade de ar utilizável? V útil = V total - V reservatório P absoluta = P relativa + P atmosférica P absoluta = = 8 bar T inicial = T final = 20ºC Processo isotérmico V util = V util = 70 m 3 P1xV1 = P2xV2 8x10 = 1xV2 V2 = 80 m 3 Exemplo Vapor de Água 3. Desprezando a dilatação do reservatório, que pressão se forma em seu interior estando fechado e com um aumento da temperatura para 65ºC? P1xV1 / T1 = P2xV2 / T2 V1 = V2 = 10 m 3 Processo isométrico P1 / T1 = P2 / T2 8 / (273+20) = P2 / (273+65) P2 = 8x338 / 293 P2 = 9.23 bar A capacidade de absorção de vapor d água pelo ar depende da temperatura; Quando a capacidade máxima for ultrapassada o vapor se condensa (ponto de orvalho); Umidade relativa é o valor real dividido pelo valor máximo. T (ºC) Água (g/m 3 )

6 Qualidade do ar comprimido As seguintes variáveis são importantes na geração e distribuição do ar comprimido: Pressão; Vazão; Teor de água; Teor de partículas sólidas; Teor de óleo. Compressor Preparação do ar comprimido Quando o ar é comprimido sua temperatura se eleva; O vapor de água contido no ar (umidade relativa) é concentrado e transforma-se em vapor com alta temperatura; No resfriamento do ar comprimido o vapor se condensa; Partículas sólidas também podem estar presentes (fragmentos de óleo queimado, partículas metálicas do compressor e partículas aspiradas pelo compressor). Preparação do ar comprimido Consiste em: Compressão; Redução da temperatura; Remoção de água; Remoção de partículas sólidas; Controle da pressão; Adição de lubrificante. Produção e distribuição do ar comprimido Filtros; Compressor; Lubrificador; Reservatório; Controle de umidade; Controle de temperatura; Rede de distribuição.

7 Tipos de compressores Tipos de compressores Deslocamento dinâmico Elevação de pressão por meio da energia cinética. O ar é acelerado e, em seguida, por meio de difusores é desacelerado, obrigando a uma elevação de pressão. Deslocamento positivo Elevação de pressão por meio da Redução de volume. Tipos de compressores Deslocamentos dinâmicos: Ejetor; Tipos de compressores Deslocamentos dinâmicos: Ejetor; Fluxo radial;

8 Tipos de compressores Deslocamentos dinâmicos: Ejetor; Fluxo radial; Fluxo axial; Tipos de compressores Deslocamentos dinâmicos: Ejetor; Fluxo radial; Fluxo axial; Deslocamentos positivos: Rotativos: Roots; Tipos de compressores Deslocamentos dinâmicos: Ejetor; Fluxo radial; Fluxo axial; Deslocamentos positivos: Rotativos: Roots; Palhetas; Tipos de compressores Deslocamentos dinâmicos: Ejetor; Fluxo radial; Fluxo axial; Deslocamentos positivos: Rotativos: Roots; Palhetas; Parafuso.

9 Tipos de compressores Deslocamentos dinâmicos: Ejetor; Fluxo radial; Fluxo axial; Deslocamentos positivos: Rotativos: Roots; Palhetas; Parafuso. Alternativos: Pistão; Tipos de compressores Deslocamentos dinâmicos: Ejetor; Fluxo radial; Fluxo axial; Deslocamentos positivos: Rotativos: Roots; Palhetas; Parafuso. Alternativos: Pistão; Diafragma. Turbocompressor radial Compressor de parafuso Rotor Engrenagens para elevação de rotação Motor elétrico Compressor de parafuso Elevação de rotação Motor elétrico

10 Tamanhos de compressores Pequenos: até 40 litros por minuto e potência de entrada menor que 15 kw. Médios: de 40 até 300 litros por minuto e potência de entrada entre 15 e 100 kw; Escolha de compressores psig: pounds per square inch gauge - libras por polegada quadrada manométrica. pcm: pés cúbicos por minuto Grandes: acima de 300 litros por minuto e potência de entrada acima de 100 kw. Região de atuação de cada compressor no gráfico: Pressão x Vazão Resfriador posterior Permite retirar entre 75% a 90% do vapor de água do ar, bem como vapores de óleo do compressor. Entrada do ar Entrada da água de refrigeração Saída do ar Desumidificação do Ar Saída da água de refrigeração Fluxo do ar Símbolo Separador Dreno

11 Secagem por Refrigeração Secagem por absorção Secagem química. O ar passa por material higroscópico (Cloreto de Cálcio, Cloreto de Lítio, Dry-o-Lite) e reage. O material higroscópico pode ser insolúvel ou deliquescente (reage e se torna líquido). É necessário substituir o material de tempos em tempos. Secagem por adsorção Secagem por adsorção

12 Secagem por adsorção Reservatório 1. Manômetro 2. Válvula registro 3. Saída do ar comprimido 4. Entrada do ar 5. Placa de identificação 6. Válvula de alívio 7. Escotilha para inspeção 8. Dreno Distribuição de ar comprimido Rede em circuito aberto É a mais simples. Deve ser montada com um declive de 1 a 2% na direção do fluxo (para garantir a eliminação da água que se condensa).

13 Distribuição de ar comprimido Rede em circuito fechado Permite que o ar flua nas duas direções, reduzindo o problema de condensação. Neste caso a distribuição deriva diretamente do anel. Distribuição de ar comprimido Rede em circuito fechado Permite que o ar flua nas duas direções, reduzindo o problema de condensação. Neste caso a distribuição deriva de tubulações transversais. Reservatório secundário Reservatório secundário Distribuição de ar comprimido Rede em circuito fechado Válvulas de fechamento de linha permitem o isolamento de seções para inspeção, manutenção e modificação. Distribuição de ar comprimido Pernas com dreno para coletar e remover água; Inclinação da tubulação; Conecções no topo das tubulações principais para evitar água; Unidade de condicionamento (Lubrefil) antes de cada aplicação.

14 Distribuição de ar comprimido Drenos (Purgadores) Devem ser instalados em todos os locais baixos da tubulação; Os drenos podem ser manuais ou automáticos; Devem possuir válvulas de fechamento de linha para manutenção do dreno. Símbolos de separadores de água Válvula reguladora de pressão Com drenagem manual Reduz a pressão P1 para a pressão de trabalho desejada P Com drenagem automática P lbf/in 2 bar 8 10 P2

15 Válvula reguladora de pressão Válvula reguladora de pressão lbf/in 2 bar 10 Quando não há vazão a válvula fica fechada lbf/in 2 bar 10 Para reduzir a pressão ajustada deve-se puxar o botão de ajuste para cima e girar no sentido antihorário. P1 P2 P1 P2 O excesso de pressão é liberado para a atmosfera. Símbolo da válvula reguladora de pressão Válvula de alívio Limita a pressão de um reservatório, compressor, linha de pressão etc. Entrada Saída O aumento de pressão vence a força de uma mola que libera o excesso para a atmosfera.

16 Válvula de alívio Limita a pressão de um reservatório, compressor, linha de pressão etc. Lubrificador de ar comprimido Os componentes pneumáticos possuem partes móveis, sujeitas à desgastes. Entrada Saída O aumento de pressão vence a força de uma mola que libera o excesso para a atmosfera. O correto acréscimo de óleo no ar comprimido permite que os componentes tenham grande durabilidade. Lubrificador de ar comprimido Ajuste da taxa de gotejamento. Símbolo do lubrificador de ar comprimido P 2 O gotejamento de óleo ocorre pelo diferencial de pressão. É visível para permitir o ajuste. P 1 P 2 Válvula de retenção evita o retorno do óleo quando não há fluxo. P 1 O copo de policarbonato permite inspecionar o nível do óleo. Copos de metal possuem uma janela de vidro.

17 Unidade de condicionamento Unidade de condicionamento Lubrefil - Lubrificação, Regulação de pressão e Filtro (FRL - Filter, Regulator and Lubricator); Devem ser usadas antes de cada aplicação pneumática para garantir ar seco, limpo, na pressão correta e com lubrificação adequada; Modular e com sistema de conecção rápida. Unidade de condicionamento Unidade de condicionamento Filtro e regulador de pressão Lubrificador Visor de nível

18 Filtro Separa e coleta contaminantes (água e partículas sólidas). Elemento filtrante; Filtro com copo metálico Usado quando: Temperatura acima de 50ºC; Pressão acima de 10 bar; Ambiente com solventes. Copo de policarbonato; Água retida; Dreno manual (1/4 de volta); Visor Filtro coalescente Filtro coalescente Coalescência é a união de pequenas gotículas em gotículas maiores. Retém 99,9% de todas as partículas entre 0.3 e 0.6 µm. Secção coalescente moldada em uma única peça (contínua) Retentor rígido Contato firme de intertravamento entre os meios e retentor Tela de manuseio Reduz a contaminação de óleo de 20 ppm para ppm. Entrada do fluxo Camada sintética de drenagem Saída do fluxo

19 Filtro coalescente Símbolos Filtro Filtro com dreno manual Filtro com dreno automático Unidade de ar comprimido Unidade de ar comprimido Símbolo para compressor integrado M Válvula de segurança Compressor e resfriador integrados Indicador de pressão SWP 10bar Válvula de isolamento Tubulação de distribuição Reservatório de ar Válvula de dreno Dreno de condensado

20 Localização do compressor Atuadores Pneumáticos Lineares Introdução Atuadores pneumáticos incluem cilindros lineares e atuadores rotativos; São dispositivos que providenciam potência e movimento para sistemas automáticos, máquinas e processos; Um cilindro pneumático é um dispositivo simples, de baixo custo, fácil de instalar e ideal para produzir movimentos lineares; A velocidade pode ser ajustada em uma larga faixa; Um cilindro pode ser travado sem danos. Atuadores pneumáticos Cilindro de simples ação (com e sem retorno por mola); Cilindro de dupla ação (sem amortecimento); Cilindro de dupla ação (amortecimento fixo ou ajustável); Cilindro de dupla ação com haste passante; Cilindro de membrana; Cilindro sem haste; Cilindro de múltiplas posições; Cilindro Tandem ou cilindro duplex; Cilindro duplex geminado; Cilindro de percussão ou cilindro de impacto; Cilindro telescópico; Fole; Rotativos.

21 Parafuso de amortecimento 14 Construção básica Anel 1 de amortecimento Imã 2 Cilindro 3 de amortecimento Corpo 4 Bucha 5 de vedação e guia Anel 6 limpador Cilindro de simples ação e retorno por mola Consumo de ar num sentido; Forças de avanço reduzida devido à mola (em 10%); Baixa força de retorno (devido à mola). Tampa 13 inferior Vedação 12 Haste do 11 pistão Haste do 10 pistão Reed switch 9 Entrada de 8 ar Tampa 7 superior Simples ação e retorno por mola Simples ação sem mola Retorno por gravidade ou outra força externa

22 Cilindro de dupla ação Cilindros de dupla ação usam ar comprimido para avançar e recolher a haste; Permite melhor controle de velocidade; Sem amortecimento, amortecimento fixo e amortecimento variável. Cilindro de dupla ação sem amortecimento Cilindros sem amortecimento são adequados para trabalhar com o curso completo em baixa velocidade; Altas velocidades requerem amortecimento externo. Cilindro de dupla ação com amortecimento fixo Normalmente os pequenos cilindros costumam ter amortecedores fixos. Cilindro de dupla ação com amortecimento fixo Os amortecedores são discos instalados nas tampas do cilindro.

23 Cilindro de dupla ação com amortecimento ajustável Cilindro com amortecimento Reduz progressivamente a velocidade da haste na parte final dos movimentos. Projetado para desacelerar os movimentos de grandes massas nos fins de curso, prolongando a sua vida útil do atuador. Amortecimento regulável Pistão movendo-se para a esquerda com velocidade; O ar sai pelo centro do anel de amortecimento. Amortecimento regulável A ponta do eixo encaixa-se no anel, bloqueando a passagem de ar pelo centro; O ar escapa pelo orifício ajustável.

24 Amortecimento regulável O parafuso ajusta a saída do ar de modo que pistão, haste e carga aproximem-se suavemente da tampa. Amortecimento regulável Ar é injetado para avançar a haste; O anel de amortecimento é deslocado para a direita, permitindo maior passagem de ar do que pelo orifício. Amortecimento regulável O pistão inicia o movimento de avanço da haste sem a restrição do parafuso de ajuste. Cilindro de dupla ação com imã Um imã fixado no pistão opera chaves magnéticas (reed switches) para indicar a posição da haste.

25 Cilindros de membrana Entrada de ar Membrana Haste Cilindro de dupla ação com haste passante Possibilidade de realizar trabalho nos dois sentidos; Absorve pequenas cargas laterais; Força igual nos dois sentidos. Altas forças (até N); Curso limitado (60 mm); O atrito é consideravelmente menor. Cilindro de dupla ação com haste passante Cilindro sem haste Usado para cursos muito grandes, quando surgem problemas de flambagem na haste de um cilindro comum. Com tubo fendido Com cabo ou fita Com imã

26 Cilindro sem haste Cilindro sem haste com amortecimento ajustável Cilindro sem haste Exemplo de aplicações

27 Cilindro de múltiplas posições Aplicado em mudança de desvios, acionamento de válvulas etc. Cilindro duplex geminado Cilindro duplex geminado Consiste em dois ou mais cilindros de dupla ação, unidos entre si. Essa união possibilita a obtenção de três, quatro ou mais posições distintas.

28 Cilindro Tandem Cilindro Tandem Grande força com pequeno diâmetro; Somente para pequenos cursos. Cilindro de percussão ou cilindro de impacto Cilindro Telescópico Apresenta um pequeno curso. É aplicado em prensas pneumáticas para forjamento, britadeiras, rebitadeiras etc. Apresenta curso longo e dimensões reduzidas de comprimento, porém um diâmetro grande face à força gerada. É aplicado em máquinas que precisam de um longo curso e comprimento reduzido.

29 Cilindro Telescópico Cilindros de fixação Pequeno curso e grande força. Retorno por mola ou dupla ação. Cilindros de fixação Cilindros de fixação

30 Força de um atuador pneumático Exemplo: calcular a força teórica de avanço e recuo de um atuador com pistão de 50 mm de diâmetro, haste de 20 mm de diâmetro e pressão de 8 bar. Avanço F = 2 π = 1571 N Força de oposição da mola Calcular a força de um cilindro de simples ação com mola é mais complicado. A força de oposição da mola aumenta progressivamente enquanto o cilindro atua. Esta força deverá ser subtraída da força teórica encontrada. Recuo F = π 2 2 ( ) 8 = 1319 N 40 Consumo de ar do cilindro Para um cilindro de dupla ação o volume de ar necessário é dado por um ciclo completo. Avanço V = π D 4 2 S (Ps + Pa) 10 6 Recuo π V = 2 ( D d 2 ) 6 Onde: D = diâmetro do êmbolo (mm) d = diâmetro da haste (mm) V = volume de ar (dm 3) S = curso (mm) P s = pressão manométrica de trabalho (bar) P a = pressão atmosférica (assumido com sendo 1 bar) 4 S (Ps + Pa) 10

31 Fole (Bellows) Fole (Bellows) UNIFEI