Tecnologia de ar comprimido

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1 Tecnologia de ar comprimido

2 Tecnologia de ar comprimido 3 Conteúdo 1. Tecnologia de ar comprimido 4 O ar comprimido...4 Benefícios do sistema...4 Fundamentos físicos...4 Símbolos de unidades e fórmula...5 Características físicas de desempenho do ar comprimido Geração de ar comprimido 7 Compressores dinâmicos...7 Compressores de deslocamento positivo ou volumétrico Regulagem de pressão 11 Regulagem de pressão Condicionamento do ar comprimido 13 Classes de qualidade de ar comprimido conforme DIN ISO Resfriamento...14 Secagem...15 Filtragem Dimensionamento do sistema de ar comprimido 21 Tamanho de compressor...22 Volume do Reservatório...24 Rede de ar...25 Rede de fornecimento...27 Tubulações...30

3 4 Tecnologia de ar comprimido 1 Tecnologia de ar comprimido O ar comprimido O ar comprimido é usado como condutor de energia em áreas de aplicação industriais ao lado de outros condutores como: fluídos em sistemas hidráulicos e energia elétrica em sistemas elétricos. Todos esses condutores de energia têm algo em comum: A capacidade de armazenamento de suas energias é o produto do volume por unidade de tempo e pressão (voltagem no caso de eletricidade) O desempenho do ar comprimido como condutor de energia é aumentado quando: Houver maior disponibilidade desta energia por unidade de tempo Houver aumento da pressão Benefícios do sistema Vantagens do sistema de ar comprimido Os sistemas de ar comprimido têm vantagens em comparação a outros sistemas de energia que os tornam mais úteis em certas aplicações. Fonte de energia Ar existe em abundância e está disponível em todos os lugares. Em uma troca normal de processo, como é o caso de sistemas hidráulicos, ele não é necessário. Isso reduz as despesas e a necessidade de manutenção e ainda otimiza o tempo de trabalho. Ar comprimido não deixa para trás impurezas como, por exemplo, as provenientes de defeito na tubulação; ele as carrega consigo. Transporte da energia Ar comprimido pode ser transportado em tubulações (rede) por longas distâncias. Isso favorece a instalação de uma central de geração de ar comprimido, a qual fornece o ar necessário para os pontos de consumo, com pressão de trabalho constante (sistema fechado). Dessa forma, a energia proveniente do ar comprimido pode ser distribuída por longas distâncias. Nenhuma linha de retorno de ar é necessária, já que a exaustão de ar é feita pela abertura de descarga. Armazenamento de energia Ar comprimido pode, sem dificuldades, ser armazenado em reservatórios. Se um reservatório é instalado em um sistema de fornecimento de ar comprimido, o compressor somente começará a funcionar se a pressão do ar cair abaixo de um valor crítico. Além disso, a reserva de pressão disponível no reservatório permite, ainda por algum tempo, a realização de um trabalho iniciado, após o sistema provedor de energia deixar de trabalhar. Se as necessidades de desempenho das ferramentas pneumáticas não forem muito altas, garrafas/ tubos de ar comprimido transportáveis podem ser usadas em lugares que não tenham o sistema de fornecimento de ar comprimido instalado. Fundamentos físicos Para compreender a tecnologia de ar comprimido é necessário ter informações sobre seus fundamentos físicos. Os aspectos mais importantes são: Definição de ar comprimido Símbolos de unidades e fórmulas Características físicas de desempenho Definição de ar comprimido Ar comprimido é ar atmosférico pressurizado, o qual é condutor de energia térmica e fluxo de energia. Ar comprimido pode ser armazenado e transportado por tubulações, assim como pode executar trabalhos através da conversão de energia em motores e cilindros. As características mais importantes que se referem à pressão são: Pressão atmosférica Pressão indicada Pressão absoluta Pressão Atmosférica p [bar] amb A pressão atmosférica é gerada pelo peso do ar atmosférico que nos cerca, e depende da densidade e da quantidade de ar. Os seguintes valores aplicam-se ao nível do mar: mbar = bar = 760 mm/hg [Torr] = Pa Abaixo de condições constantes, a pressão atmosférica diminui com altitude crescente da localização medida.

4 Tecnologia de ar comprimido 5 Pressão Indicada p [barg] g A pressão indicada é a pressão efetiva sobre a pressão atmosférica. Na tecnologia de ar comprimido, a pressão é normalmente especificada como pressão indicada em bar e sem o índice g. Pressão Absoluta p [bar] abs A pressão absoluta p abs é a somatória da pressão atmosférica p amb e a pressão indicada p g. A pressão é especificada em Pascal [Pa] de acordo com o Sistema Internacional SI. Porém, em termos práticos, a designação bar ainda é comum. 1 Pressão Absoluta Unidades físicas Unidade Símbolo de fórmula Símbolo de unidade Denominação l m metro metro Superfície A m 2 quadrado metro Volume V m 3 cúbico (1) Massa m kg kilograma Densidade kg/m 3 kilograma/ metro cúbico Tempo t s segundo Comprimento Temperatura T K kelvin Força F N newton P ü Pressão efetiva Pressão barométrica Pressão p bar (Pa) bar (pascal) Velocidade v m/s metro/ segundo Trabalho W J joule Potência P W watt P abs P am b P u Pamb = pressão ambiente Pu = subpressão Po = pressão efetiva Pabs = pressão absoluta Subpressão 100% Vácuo EWL-D004/P Símbolos de unidades e fórmulas Símbolos de unidades e de fórmulas na tecnologia de ar comprimido são derivados das unidades básicas. As unidades mais importantes estão na tabela a seguir. Freqüência f Hz hertz Características físicas de desempenho do ar comprimido As características físicas de desempenho do ar comprimido são determinadas por: Temperatura Volume Pressão Volume do fluxo Características do fluxo As correlações são descritas como seguem. Características de temperatura-volumepressão A temperatura especifica a condição física de um objeto. Essa característica é indicada em graus centígrados (ºC) ou convertida em kelvin (k). T[K] = t [ºC] + 273,15 Se a temperatura é aumentada para um volume constante, conseqüentemente a pressão se eleva. P 0 T 0 = p 1 T 1

5 6 Tecnologia de ar comprimido Se o volume é diminuído para uma temperatura constante, conseqüentemente a pressão cai. p 0 x V 0 = p 1 x V 1 Se a temperatura é aumentada em pressão constante, conseqüentemente o volume aumenta. V 0 T 0 = V 1 T 1 Volume O resultado de volume, por exemplo, das dimensões de um reservatório de ar comprimido, de um cilindro ou de uma rede, é medido em litros (l) ou em metros cúbicos (m 3 ) a uma temperatura de 20 ºC e 1 bar. Volume sob condições normais O volume sob condições normais é medido com base em condições físicas normalizadas pela norma DIN Isto é 8% menos que o volume medido a 20 ºC. Volume do fluxo do deslocamento do pistãov pdf [l/min, m 3 /min, m 3 /h] (capacidade de entrada) O volume do fluxo do deslocamento do pistão é uma quantidade calculada para o pistão compressor. Isso resulta do produto do volume do cilindro (deslocamento do pistão), a velocidade do compressor (número de ciclos) e o número de cilindros de entrada. O volume do fluxo do deslocamento do pistão é especificado em l/min, m 3 /min ou alternativamente em m 3 /h. 2 Volume de fluxo Volume de fluxo + 8% = Volume normal de fluxo 20 ºC 0 ºC 760 Torr = 1,01325 bar abs = Pa 273,15 K = 0 ºC Volume de trabalho Vop [Bl, Bm 3 ] O volume em condições de trabalho é medido de acordo com as condições físicas atuais. Temperatura, pressão atmosférica e umidade devem ser levadas em consideração como pontos de referência. O volume de trabalho é sempre especificado em conjunto com a pressão de referência, ex.: 3-1m a 7 bar g significa que 1m 3 de ar sem compressão é comprimido a 7bar g = 8bar abs e acresce somente 1/8 do volume original. Volume do fluxo V [l/min, m 3 /min, m 3 /h] O volume do fluxo de ar é o volume (l ou m 3 ) por unidade de tempo (minutos ou horas). A distinção é feita considerando as informações abaixo, referentes à geração de ar comprimido (compressor): Volume do fluxo do deslocamento do pistão (capacidade de entrada) Volume do fluxo (volume fornecido) 1 barabs 8 barabs Volume do fluxo V [l/min, m 3 /min, m 3 /h] (volume de fornecimento) Ao contrário do volume do fluxo do deslocamento do pistão, o volume do fluxo não é um valor calculado, mas a pressão medida na saída do compressor, a qual volta a ser calculada para definir sua (compressor) capacidade de entrada. O volume do fluxo é definido de acordo com as normas VDMA 4362, DIN 1945, ISO 1217 ou PN2CPTC2 e especificado em l/min, m 3 /min ou alternativamente em m 3 /h. O volume do fluxo efetivo, ex.: volume de fornecimento necessário, é uma informação essencial para o dimensionamento do compressor. EWL-D005/P

6 Tecnologia de ar comprimido 7 Volume normal do fluxo Vstan [Nl/min, Nm 3 /min, Nm 3 /h] O volume normal do fluxo é medido exatamente como o volume do fluxo. Contudo, isso não se refere à condição de entrada, mas sim a um valor teórico de referência. Em condição física normal, os valores teóricos são: Temperatura = 273,15 K (0 ºC) Pressão = 1,01325bar (760 mm Hg) 3 Densidade do ar = 1,294 kg/m (ar seco) Volume do fluxo de trabalho Vop [Bl/min, Bm 3 /min, Bm 3 /h] O volume do fluxo de trabalho especifica o volume efetivo do fluxo do ar comprimido. Para possibilitar a comparação do volume do fluxo de trabalho com outros volumes de fluxo, é necessário sempre especificar a pressão do ar comprimido junto com a unidade dimensional Bl/min, Bm 3 /min ou alternativamente Bm 3 /h. Geração de ar comprimido Compressores são usados para a geração de ar comprimido. Para eleger o mais apropriado compressor de ar, informações como valores de pressão e volume de ar comprimido necessário por unidade de tempo devem ser conhecidas. Compressor de ar comprimido De acordo com seus princípios funcionais, compressores de ar comprimido são divididos em: Compres. dinâmicos Compres. deslocamento positivo Diferentes tipos de compressores estão disponíveis nestas categorias com características próprias, as quais têm que ser levadas em conta no momento da escolha. Compressores dinâmicos Compressores dinâmicos ou turbocompressores são baseados exclusivamente no princípio rotacional de trabalho. Para a geração de ar comprimido são usados: Compressores de fluxo axial Compressores de fluxo radial Os compressores dinâmicos ou turbocompressores possuem duas peças principais: o impelidor e o difusor. O impelidor é uma peça rotativa munida de pás que transfere ao ar a energia recebida de um acionador. Essa transferência de energia se faz em parte na forma cinética e em outra parte na forma de calor. Posteriormente, o escoamento estabelecido no impelidor é recebido por uma peça fixa denominada difusor, cuja função é promover a transformação da energia cinética do ar em calor, com conseqüente ganho de pressão. Os compressores dinâmicos efetuam o processo de compressão de maneira contínua e, portanto, correspondem exatamente ao que se denomina, em termodinâmica, um volume de controle. Compressor de fluxo axial Compressores de fluxo axial são máquinas dinâmicas onde o ar flui em direção axial, alternativamente via uma turbina rotativa com lâminas fixas. Primeiramente o ar é acelerado e depois comprimido. Os canais das lâminas formam um difusor, onde a energia cinética do ar criada pela sua circulação é desacelerada e convertida em energia pressurizada. As características típicas dos compressores de fluxo axial são: Fornecimento uniforme Ar sem óleo Sensível à troca de carga Fornecimento de baixa pressão 2

7 8 Tecnologia de ar comprimido Compressor de fluxo radial Compressores de fluxo radial são máquinas dinâmicas onde o ar é dirigido para o centro de uma roda de lâmina giratória (turbina). Por causa da força centrífuga, o ar é impelido para a periferia. A pressão é aumentada conduzindo o ar através de um difusor antes de alcançar a próxima lâmina. Assim, a energia cinética (energia de velocidade) é convertida em pressão estática. As características básicas dos compressores de fluxo radial são as mesmas do compressor de fluxo axial. Compressores de deslocamento positivo ou volumétrico Os compressores de deslocamento positivo ou volumétrico trabalham com ajuda de rotação assim como do movimento alternado do pistão. Nesses compressores, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo ar. Na operação dessas máquinas podem ser identificadas diversas fases, que constituem o ciclo de funcionamento: inicialmente, certa quantidade de ar é admitida no interior de uma câmara de compressão, que então é fechada e sofre redução de volume. Finalmente, a câmara é aberta e o ar liberado para consumo. Trata-se, pois, de um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção e a descarga. Conforme iremos constatar logo adiante, pode haver algumas diferenças entre os ciclos de funcionamento das máquinas dessa espécie, em função das características específicas de cada uma. Os tipos de compressores mais usados nesta categoria são: Compressores de palhetas Compressores de parafuso Compressores de lóbulo Compressores de anel líquido Eles são caracterizados pelo largo processo de compressão contínua de ar, em alguns casos com pulsação mais ou menos distintiva. Os tipos comuns de construção de compressores com o princípio de movimentos alternados são: Compressores de pistão Compressores de diafragma Compressores sem pistão As características comuns de compressores do tipo deslocamento positivo ou volumétrico são suas pequenas capacidades volumétricas e fornecimento de altas pressões. Compressor de palhetas O compressor de palhetas possui um rotor ou tambor central que gira excentricamente em relação à carcaça. Esse tambor possui rasgos radiais que se prolongam por todo o seu comprimento e nos quais são inseridas palhetas retangulares. Quando o tambor gira, as palhetas deslocam-se radialmente sob a ação da força centrífuga e se mantêm em contato com a carcaça. O ar penetra pela abertura de sucção e ocupa os espaços definidos entre as palhetas. Devido à excentricidade do rotor e às posições das aberturas de sucção e descarga, os espaços constituídos entre as palhetas vão se reduzindo de modo a provocar a compressão progressiva do ar. A variação do volume contido entre duas palhetas vizinhas, desde o fim da admissão até o início da descarga, define, em função da natureza do ar e das trocas térmicas, uma relação de compressão interna fixa para a máquina. Assim, a pressão do ar no momento em que é aberta a comunicação com a descarga poderá ser diferente da pressão reinante nessa região. O equilíbrio é, no entanto, quase instantaneamente atingido e o ar descarregado. As principais características desse tipo de compressor são: baixo ruído, fornecimento uniforme de ar, pequenas dimensões, manutenção simples, porém de alto custo, baixa eficiência.

8 Tecnologia de ar comprimido 9 Compressor de parafuso Esse tipo de compressor possui dois rotores em forma de parafusos que giram em sentido contrário, mantendo entre si uma condição de engrenamento. A conexão do compressor com o sistema se faz através das aberturas de sucção e descarga, diametralmente opostas. O ar penetra pela abertura de sucção e ocupa os intervalos entre os filetes dos rotores. A partir do momento em que há o engrenamento de um determinado filete, o ar nele contido fica fechado entre o rotor e as paredes da carcaça. A rotação faz então com que o ponto de engrenamento vá se deslocando para a frente, reduzindo o espaço disponível para o ar e provocando a sua compressão. Finalmente, é alcançada a abertura de descarga, e o ar é liberado. A relação de compressão interna do compressor de parafuso depende da geometria da máquina e da natureza do ar, podendo ser diferente da relação entre as pressões do sistema. As características de um compressor de parafuso são: Unidade de dimensões reduzidas Fluxo de ar contínuo Baixa temperatura de compressão (no caso de resfriamento por óleo) Compressor de lóbulos ou roots Esse compressor possui dois rotores que giram em sentido contrário, mantendo uma folga muito pequena no ponto de tangência entre si e com relação à carcaça. O ar penetra pela abertura de sucção e ocupa a câmara de compressão, sendo conduzido até a abertura de descarga pelos rotores. O compressor de lóbulos, embora sendo classificado como volumétrico, não possui compressão interna. Os rotores apenas deslocam o ar de uma região de baixa pressão para uma região de alta pressão. Essa máquina, conhecida originalmente como soprador Roots, é um exemplo típico do que se pode caracterizar como um soprador, uma vez que é oferecida para elevações muito pequenas de pressão. Raramente empregado com fins industriais, esse equipamento é, no entanto, de baixo custo e pode suportar longa duração de funcionamento sem cuidados de manutenção. As características do compressor de lóbulos ou roots são: Não há pistão rotativo Não necessita de lubrificação O ar é isento de óleo Sensível com pó e areia Compressor de anel líquido Compressores de anel líquido são compressores de deslocamento rotativo. Um eixo com lâminas radiais rígidas, as quais correm dentro da carcaça excêntrica, faz o líquido de vedação girar. Um anel líquido é formado, o qual veda as áreas de funcionamento entre as lâminas e a carcaça. As mudanças de volume são causadas pela excentricidade da rotação do eixo e como resultado o ar é levado para dentro e é comprimido e descarregado. Normalmente, a água é usada como líquido de vedação. As propriedades desses compressores são: O ar é isento de óleo Baixa sensibilidade contra sujeira Baixa eficiência Um líquido separador é necessário porque o líquido auxiliar é bombeado continuamente na câmara de pressão

9 10 Tecnologia de ar comprimido Compressor de pistão Compressor de pistão é um compressor de deslocamento oscilante. Compressores de pistão levam o ar através do movimento do pistão (para cima e para baixo) comprime e descarrega. Esses processos são controlados por válvulas de entrada e de descarga. Diferentes pressões são geradas por vários estágios de compressão em série e pelo uso de vários cilindros, e assim podem produzir diferentes volumes de ar. As características desse tipo de compressor são: Alta eficiência Alta pressão Os compressores de pistão podem ser construídos em vários modelos e com diferente posicionamento do cilindro como: posicionamentos vertical, horizontal, em V, em W ou horizontalmente oposto. Compressor de diafragma O compressor de diafragma é um compressor de deslocamento oscilante. Compressores de diafragma usam eixos de ligação e diafragmas elásticos para compressão. Ao contrário dos compressores de pistão, cujo pistão move-se de um lado para outro entre duas posições, o compressor de diafragma é induzido a mover-se em oscilações não-lineares. O diafragma é fixo por sua extremidade e é movimentado pelo eixo de ligação. O comprimento deste depende da deformação do diafragma. As características de um compressor de diafragma são: Cilindro de grande diâmetro Movimento curto do diafragma Econômico no caso de pequenos volumes de fornecimento e baixas pressões Geração de vácuo Compressor sem pistão O compressor sem pistão é um compressor de deslocamento oscilante. Seu funcionamento é baseado no mesmo princípio de um motor diesel de dois tempos com um compressor fixo. O ar comprimido age nos pistões em posição de ponto morto, os impele para o interior e liga o compressor. Por isso o gás de combustão no cilindro do motor é comprimido e quando o combustível injetado dá ignição, os pistões são separados novamente. O ar fechado é comprimido. Depois que o ar exigido escapou, a maioria do ar comprimido é eliminado por uma válvula mantenedora de pressão. As válvulas de entrada começam a levar mais ar. As características de um compressor sem pistão são: Alta eficiência Operação sem vibração Princípio de trabalho simples

10 Tecnologia de ar comprimido 11 Tipos de Compressores Tipo Símbolo Diagrama funcional Pressão [bar] Vol. do fluxo[m 3 /h] Compressor de pistão tronco 10 (1 fase) 35 (2 fases) Compressor de cabeçote cruzado 10 (1 fase) 35 (2 fases) Compressor de diafragma baixa pequeno Compressor s/ pistão Uso limitado como gerador de gás Compressor de palhetas Compressor de anel líquido 10 Compressor de parafuso Compressor de lóbulos ou roots 1, Compressor de fluxo axial Compressor de fluxo radial Regulagem de pressão No sistema de ar comprimido a distinção é feita entre as seguintes faixas de pressão: Baixa, Média, Alta e Ultra-alta. Faixa de pressão baixa até 10 bar É a faixa de utilização mais comum entre os profissionais independentes e a produção industrial para ferramentas pneumáticas. Faixa de pressão média até 15 bar Tipicamente usada em sistemas de ar para construção de veículos e manutenção. Faixa de pressão alta até 40 bar Usada em máquinas de sopro no processamento de plástico, para ligar grandes motores diesel e para testar redes de fornecimento de ar. Faixa de pressão ultra-alta até 400 bar Preferida para aplicações especiais como equipamentos de mergulho e respiração, assim como compressão e armazenagem de gases técnicos. 3

11 12 Tecnologia de ar comprimido Regulagem de pressão O objetivo da regulagem da pressão é minimizar o consumo de energia e maximizar a disponibilidade do ar. Aplicam-se diferentes variáveis controladas, dependendo de tipo, grandeza e área de aplicação: A pressão de descarga (pressão de sistema) A pressão de entrada O volume de fluxo descarregado A energia elétrica consumida pelo motor do compressor A umidade atmosférica deixada pelo compressor A regulagem da pressão de descarga do compressor é a variável mais importante se comparada às outras variáveis controladas. Definições de pressão No contexto de regulagem da pressão, é importante saber as definições fundamentais de pressão em um sistema de ar comprimido. As definições mais importantes são descritas a seguir: Sistema de pressão ps [bar ] g O sistema de pressão p s é a pressão produzida na saída do compressor após o retorno da válvula. Pressão-limite p [bar ] max g A pressão-limite p max é a pressão na qual o compressor corta o fornecimento de ar. A pressãolimite p max deveria, no caso de compressores com pistão, ser aproximadamente 20% maior que a pressão mínima (ex.: pressão mínima 8 bar, pressão-limite 10 bar). No caso de compressores de parafuso, a pressãolimite p max deveria ser de 0,5 a 1,0 bar mais alta que a pressão mínima (ex.: pressão mínima 9 bar, pressão-limite 10 bar). Pressão objetivo p [bar ] st g O sistema de pressão objetivo p st é a pressão mínima que tem que existir no sistema de fornecimento. 5 [P] PMAX PMIN PNS [kw ] 100% 0% [P] PMAX PMIN PNS [kw ] 100% 30% 0% [P] PMAX PMIN PNS [kw ] 100% 30% 0% Sistema de ar comprimido, métodos de controle Controle liga / desliga Caract. de pressão Caract. de pressão Caract. de energia elétrica Caract. de pressão Var.1 tv PN Caract. de energia elétrica Controle inativo PN Var.2 tv Caract. de energia elétrica L0 Controle liga / desliga atrasado L2 [t] [t] [t] L2 L1 L0 [t] [t] L2 L1 L0 [t] PN = Sistema de pressão PNS = Sistema de pressão de valor objetivo PMIN = Pressão mínima de entrada PMAX = Pressão-limite de fornecimento L0 = Ponto morto L1 = Operação s/ carga L2 = Operação c/ carga Tv = Elemento de tempo Pressão interna p [bar ] i g A pressão interna p i refere-se à pressão interna no compressor de pistão helicoidal até a pressão mínima na válvula de retorno. Pressão de entrada p [bar ] min g EWL-D016/P A pressão mínima de entrada p min é pressão na qual o compressor corta a entrada novamente. A pressão mínima de entrada deve ser ao menos 0,5 bar mais alta que o valor da pressão do sistema p.

12 Tecnologia de ar comprimido 13 Condicionamento do ar comprimido As impurezas do ar normalmente não podem ser percebidas por olhos humanos. Não obstante, elas são capazes de interferir no funcionamento seguro do sistema de fornecimento de ar comprimido, bem como das ferramentas pneumáticas. Um metro cúbico (1m 3 ) de ar contém uma variedade de impurezas como, por exemplo: Até 180 milhões de partículas de sujeira, de tamanho entre 0,01 e 100 µ m 3 De 5 a 40 g/m de água na forma de umidade atmosférica 3 0,01 a 0,03 mg/m de óleos minerais e hidrocarbonetos Resíduos de metais pesados como: cádmio, mercúrio e ferro Compressores pegam não somente o ar atmosférico, mas também as suas impurezas, as quais podem estar em alta concentração. Com uma compressão de 10 bar g (10 bar de pressão medida = 11 bar absoluto), a concentração de partículas de sujeira aumenta 11 vezes. Um metro cúbico (1m 3 ) de ar comprimido pode conter neste caso até 2 bilhões de partículas de sujeira, considerando ainda as impurezas adicionadas ao ar pelo próprio compressor, como óleo lubrificante por exemplo. Se todas essas impurezas e mesmo a água contidas no ar atmosférico permanecem no ar comprimido, conseqüências negativas podem surgir e certamente afetam o sistema de ar e as ferramentas que se utilizarão desse ar. Classes de qualidade de ar comprimido conforme DIN ISO A qualidade do ar comprimido está dividida em diferentes classes atendendo às necessidades de sua aplicação. Isso ajuda o usuário a definir as suas necessidades e selecionar os componentes de condicionamento específicos. A norma está baseada nas especificações dos fabricantes, os quais determinam os valores limitantes permissíveis com referência à pureza do ar para os sistemas de ar comprimido de seus equipamentos. A norma DIN ISO define as classes de qualidade do ar comprimido com referência a: Tamanho e densidade das partículas Definição de valores máximos de tamanho e concentração de partículas sólidas que o ar comprimido pode conter. Conteúdo de óleo Definição da quantidade residual de aspersão de óleo e hidrocarboneto que o ar comprimido pode conter. Ponto de vapor da pressão Definição da temperatura mínima na qual o ar comprimido pode ser esfriado sem precipitação do vapor de água contido como produto de condensação. O ponto de vapor de pressão varia com a pressão atmosférica. Impurezas no ar Ambiente Média mg/m 3 Limite mg/m 3 Natural Cidades Área Industrial Área de produção Classe Máx. água residual Água residual g/m 3 Pressão ponto vapor ºC Concentração de pó mg/m 3 Máx. pó residual Tamanho de partículas mg/m 3 Máx. óleo contido mg/m 3 1 0, ,1 0,1 0,01 2 0, ,1 3 0, , , ,

13 14 Tecnologia de ar comprimido Partículas sólidas no ar comprimido Eficácia do uso de ar comprimido em sistemas pneumáticos: pó e outras partículas produzem abrasão. Se as partículas formam uma pasta em conjunto com o óleo ou graxa, esse efeito (abrasão) será reforçado. Em particular, partículas fisicamente prejudiciais e partículas quimicamente agressivas podem se tornar um problema. Óleo no ar comprimido O uso de óleo reutilizado em um sistema pneumático, por tornar-se mais resinoso, tem como conseqüência a redução do diâmetro da mangueira e até o bloqueio do sistema de fornecimento de ar. Água no ar comprimido A água promove a corrosão nos sistemas pneumáticos favorecendo o aparecimento de vazamentos na rede. Nas ferramentas pneumáticas, ela dificulta a lubrificação dos componentes, resultando em defeitos mecânicos. Em baixas temperaturas a água pode congelar dentro da rede de fornecimento de ar comprimido e causar danos por congelamento da rede, redução da passagem de ar nas mangueiras e bloqueio do fornecimento de ar. Por isso, o condicionamento do ar comprimido é importante e tem as seguintes vantagens: Resfriamento Todos os processos de compressão geram calor. O aumento de temperatura depende da pressão de saída do compressor. Quanto mais alta a pressão de saída, mais alta será a temperatura de compressão. As normas de prevenção de acidentes especificam que a temperatura de saída de compressão não deve exceder um valor definido (normalmente entre 160 ºC e 200 C). Por essa razão, a maior parte do calor de compressão deve ser dissipada. Temperaturas excessivas do ar comprimido são um risco ao sistema e ao operador, porque uma pequena parte do óleo utilizado para lubrificação entra na circulação de ar comprimido na forma de óleo residual durante a compressão. Esse óleo residual é inflamável. Sendo assim, é possível que ocorra um incêndio na rede de ar ou no compressor. De certas temperaturas em diante, o ar comprimido é altamente explosivo, visto que contém muito mais oxigênio por volume que ar ambiente. Presença de água no ar Temperaturas negativas Temperaturas positivas Ponto de vapor ºC Umidade máx. g/m 3 Ponto de vapor ºC Umidade máx. g/m 3 Ponto de vapor ºC Umidade máx. g/m 3-5 3, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,935

14 Tecnologia de ar comprimido 15 Secagem O ar atmosférico contém certa quantidade de vapor de água. O conteúdo varia dependendo do tempo e do lugar e é conhecido como umidade atmosférica. A qualquer temperatura, um volume específico de ar pode conter somente uma quantidade limitada de vapor de água. Se a temperatura é aumentada, mais água por volume pode ser armazenada. Se a temperatura é baixada, o vapor de água já não pode ser retido, então precipita na forma de condensação. O volume de vapor de água é conhecido como umidade. Esse termo cobre as seguintes condições subordinadas: Umidade máxima Umidade absoluta Umidade relativa Ponto de vapor atmosférico Ponto de pressão do vapor Umidade máxima fmax [g/m3 ] A umidade máxima f max (quantidade saturada) é definida como o volume máximo de vapor de água que 1 m 3 de ar pode conter a uma certa temperatura. Umidade absoluta f [g/m 3 ] A umidade absoluta f é definida como o volume de vapor de água atualmente contido em 1 m 3 de ar. Umidade relativa [%] A umidade relativa está definida como a razão entre a umidade absoluta e a umidade máxima. Considerando que a umidade máxima f max é temperatura-dependente, a umidade relativa varia com a temperatura, até mesmo se a umidade absoluta permanece constante. Enquanto o ar é esfriado até o ponto de vapor, a umidade relativa aumenta a 100%. Ponto de pressão do vapor [ºC] O ponto de pressão do vapor é definido como a temperatura até a qual o ar comprimido pode ser resfriado sem precipitação da condensação. O ponto de pressão do vapor é dependente da pressão da descarga. Se a pressão cai, o ponto de pressão do vapor também cai. São usados diagramas para determinar o ponto de pressão do vapor do ar comprimido depois da compressão. O ar sempre contém água na forma de vapor. Considerando que o ar é compressível e a água não é, a água precipitará na forma de produto da condensação durante a compressão. A umidade máxima do ar depende da temperatura e do volume. Em nenhum momento depende da quantidade. Métodos de secagem do ar O ar comprimido pode ser secado através de métodos diferentes. Os seguintes métodos são possíveis: Condensação: é a secagem do ar pela separação da água com temperatura mais baixa que a do ponto de vapor Difusão: é a secagem do ar pela transferência de moléculas Absorção: é a secagem do ar através de desumidificação Métodos por condensação A separação da água através da condensação é possível com os seguintes métodos: Alta compressão Processo criogênico (de baixa temperatura) Ponto de vapor atmosférico [ºC] O ponto de vapor atmosférico é definido como a temperatura até a qual o ar atmosférico (1 bar abs ) pode ser resfriado sem precipitação de água. O ponto de vapor atmosférico é de importância secundária nos sistemas de ar comprimido.

15 16 Tecnologia de ar comprimido Secagem por alta compressão No caso de alta compressão, o ar é comprimido acima da pressão exigida antes de ser resfriado e descomprimido à pressão de trabalho. Princípio de trabalho: com o aumento da pressão e decréscimo do volume, o ar armazena cada vez menos água. Durante a fase de pré-compressão e com alta pressão, uma quantidade muito grande de condensação é precipitada. O produto da condensação é retirado promovendo a redução da umidade absoluta do ar. Então o ar que foi altamente comprimido anteriormente é agora descomprimido e a umidade relativa com a pressão do ponto de vapor cai. Esse processo tem as seguintes características: Técnica simples com volume fixo de fluxo Nenhum equipamento criogênico (de resfriamento) e de secagem muito elaborado Econômico somente para volumes pequenos de fornecimento Alto consumo de energia Secagem criogênica (por baixas temperaturas) Ao diminuir as temperaturas, a capacidade do ar para armazenar água é reduzida. Para reduzir seu nível de umidade, o ar comprimido pode ser resfriado a baixas temperaturas através de um secador criogênico. Princípio de trabalho: o ar comprimido é resfriado por um fluido criogênico em um trocador de calor. Através desse processo, o vapor de água precipita na forma de condensação. O volume condensado varia conforme as diferenças de temperaturas do ar comprimido de entrada e de saída. Esse processo tem as seguintes características: Alta eficiência econômica Alta eficiência de secagem Baixa perda de pressão no secador Secagem por difusão O princípio do secador de diafragma está baseado no fato de que a água penetra em uma fibra oca especialmente coberta com velocidade vezes mais rápida que o ar. O secador de diafragma consiste de um diafragma com feixe de milhares de fibras ocas. Essas fibras ocas são feitas de plástico rígido resistente a temperatura e a pressão. Sua superfície interna é coberta por uma camada extremamente fina de um segundo tipo de plástico. As fibras ocas (diafragmas) são encaixadas dentro de um tubo de tal forma que os canais internos das fibras são mantidos abertos até seu final. Princípio de trabalho: o ar comprimido úmido flui por dentro das fibras ocas (fluxo interno). O vapor de água contido no ar comprimido sai pelas paredes dessas fibras. Do fluxo principal (de ar seco) do compressor, uma corrente de ar é expurgada e descomprimida. Visto que a umidade atmosférica máxima depende do volume, a umidade atmosférica relativa cai e o ar expurgado se torna muito seco. O fluxo/corrente de ar seco expurgado ao redor das fibras assegura a concentração do vapor de água. A corrente de ar expurgada pode escapar sem ser filtrada, por isso o secador de diafragma requer um filtro onde são depositadas as partículas de até 0,01 µm. No caso de instalação desse filtro diretamente depois do compressor, o filtro requer precipitador contra fluxo tipo ciclone. Esse processo tem as seguintes características: Reduzida contaminação do ar Baixa perda de pressão no secador Construção compacta Secador pode ser instalado como parte do sistema fornecedor de ar Não requer manutenção Não há parte móvel no secador Não há depósito de condensação Não há custo de energia adicional Silencioso Não requer produto refrigerante Não há mecanismo motriz

16 Tecnologia de ar comprimido 17 6 Método de secagem de ar comprimido Tipo de secagem Método Agente de secagem Condensação Difusão Alta compressão Resfriamento Diafragma / membrana Absorção Absorção Agente de secagem sólido Solvente dessecativo Líquido dessecativo Adsorção Regeneração fria Regeneração interna aquecida Regeneração externa aquecida Regeneração a vácuo Secagem por absorção No caso de secagem por absorção, o vapor de água é eliminado por uma reação química com um agente dessecativo higroscópico (que identifica a umidade do ar). Como a capacidade de absorção do agente dessecativo diminui com o tempo, ele tem que ser renovado periodicamente. Há diferenças entre três tipos de dessecativo. Os dessecativos solúveis liquidificam com absorção progressiva. Os dessecativos sólidos e líquidos reagem com o vapor de água sem mudar o efeito de ação. Princípio de trabalho: no caso de absorção, o ar comprimido flui de cima para baixo através de uma camada de agente dessecativo. Por esse meio, uma parte do vapor de água é carregada pelo dessecativo. Um conversor escoa o vapor de água condensado para um reservatório no chão. Dessa forma, a pressão do ponto de vapor cai de 8 a 12%. As características deste processo são: Baixa temperatura de entrada Alto efeito corrosivo do agente O ar comprimido seco pode levar o agente dessecativo para o interior do sistema de fornecimento de ar, causando corrosão considerável Não há necessidade de nenhum abastecimento externo de energia Instalação do secador Existem duas possibilidades básicas para instalar um secador de ar comprimido, as quais têm suas próprias características: Antes do reservatório de ar (entrada) Depois do reservatório de ar (saída) Instalação antes do reservatório Vantagens: Ar seco no reservatório Sem precipitação de água no reservatório Qualidade uniforme do ar comprimido A pressão do ponto de vapor permanece inalterada até mesmo no caso de consumo abrupto de grandes volumes Desvantagens: O secador deve ser dimensionado para suprir o volume efetivo total de fornecimento do fluxo do compressor No caso de baixo consumo, o secador é freqüentemente subdimensionado Secagem intermitente do ar comprimido Isto força o secador Não é possível a secagem parcial de um fluxo necessário de ar Alto volume de condensação de água Em fábricas que possuam múltiplos compressores, cada compressor requer um secador

17 18 Tecnologia de ar comprimido Instalação depois do reservatório Vantagens: Favorável dimensionamento do secador O secador pode ser dimensionado para suprir o consumo necessário de ar comprimido ou secar só um fluxo parcial necessário de ar comprimido Volume do fluxo não intermitente Ar comprimido de entrada com baixa temperatura, o ar comprimido terá a oportunidade de resfriar-se mais adiante dentro do reservatório Baixo volume de condensação Desvantagens: A condensação ocorre no reservatório risco de corrosão No caso de consumo abrupto de alto volume, o secador é forçado demais A pressão do ponto de vapor do ar comprimido aumenta Na maioria dos casos, é recomendado instalar o secador depois do reservatório de ar comprimido. Razões especialmente econômicas favorecem essa decisão. Normalmente, pode-se instalar um secador pequeno que é utilizado para temperaturas mais altas. Descarte do produto da condensação Onde quer que haja um depósito para a armazenagem do produto da condensação no sistema de ar comprimido, este tem que ser desviado de alguma maneira. Se isso não for feito, o fluxo de ar carregará de volta essa condensação para o sistema de ar. Devido a seu alto grau de contaminação pela condensação de poluentes, esse material se torna altamente prejudicial ao meio ambiente e tem que ser descartado profissionalmente e com responsabilidade ambiental. Filtragem Conhecimento de diversos fatores, como p.ex. a quantidade de ar, é extremamente necessário para a seleção de um filtro adequado em um sistema de ar comprimido. São eles: Capacidade de separação do filtro Concentração de partículas Queda de pressão Volume do fluxo de ar Capacidade de separação do filtro A capacidade de separação do filtro indica a diferença na concentração de partículas sujas antes e depois do filtro. A capacidade de separação do filtro é medida pela eficiência do filtro. Por isso, o filtro tem sempre que especificar o tamanho mínimo dos grãos/impurezas (em microns - µm) que ele é capaz de eliminar. Concentração de partículas A concentração de partículas é normalmente medida pelo peso contido por volume de ar comprimido (/m 3 ). No caso de baixas concentrações, a concentração é determinada contando as partículas por unidade de volume (Z/cm 3 ). Em particular, a capacidade de separação dos filtros de alto desempenho é determinada contando as partículas por unidade de volume. O esforço para medir com suficiente precisão o peso por unidade de volume seria muitíssimo alto. Queda de pressão A queda de pressão é a variação da pressão devido à fluidez antes e depois do filtro. A queda de pressão no filtro é aumentada pelo acúmulo de pó e partículas sujas no filtro. A queda de pressão para elementos de filtro novos ocorre entre 0,02 e 0,2 bar, dependendo do tipo de filtro. O limite economicamente permissível da queda de pressão ocorre em aproximadamente em 0,6 bar. Para determinar a queda de pressão, os filtros são normalmente equipados com um medidor que indica a diferença de pressão. Se a queda de pressão exceder o limite definido, o filtro deve ser limpo ou o elemento de filtro deve ser substituído.

18 Tecnologia de ar comprimido 19 Volume de fluxo O volume máximo de fluxo de ar de um filtro sempre refere-se ao valor da pressão básica pg = 7 bar. Variação de pressão muda o volume máximo de fluxo do filtro. As mudanças do volume de fluxo podem ser calculadas facilmente usando-se os fatores de conversão apropriados. Tipos de filtro Dependendo do acúmulo de impurezas e da qualidade de ar comprimido exigida, os seguintes tipos de filtro são usados: Precipitador tipo ciclone Filtro preliminar Filtro de alto desempenho Filtro de carvão ativado Esses filtros são freqüentemente utilizados em combinação entre si. Precipitador tipo ciclone Um precipitador tipo ciclone trabalha baseado no princípio de inércia de massa. Consiste em um inserto vórtex (como o centro de um ciclone) e um dispositivo de coleta. O inserto vortex é construído de tal forma que faz com que o ar comprimido entre em movimento circular. Componentes do ar (sólidos e líquidos) são, por inércia de suas massas, impelidos contra a parede interna do dispositivo de coleta. Esse processo separa as partículas pesadas de impurezas, bem como as gotículas de água. O material separado flui através de um defletor de desvio que puxa o fluxo de ar enviando o líquido depositado e partículas para dentro do reservatório coletor. Do dispositivo de coleta, os materiais / impurezas separados podem ser escoados automática ou manualmente e assim descartados e/ou reciclados por profissionais capacitados. As características desse tipo de secador são: Separação quase que completa da água Filtragem de partículas pesadas de impurezas A velocidade do fluxo de ar aumenta a capacidade de filtragem Filtro preliminar Este tipo de filtro elimina impurezas sólidas contidas no ar comprimido de tamanho aproximado até 3 µm, enquanto óleo e água são eliminados somente em pequenas quantidades. Contudo, os filtros preliminares aliviam a carga dos filtros de alto desempenho e secadores no caso de condições muito drásticas de impurezas. Se não há alta necessidade com relação à qualidade do ar comprimido, este pode fazer a filtragem sem a necessidade de um filtro fino. Princípio de trabalho: os filtros preliminares trabalham baseados no princípio de filtragem de superfície. Eles têm efeito puramente de peneira. Os tamanhos de seus poros indicam o tamanho mínimo de partículas que podem ser filtradas. As impurezas permanecem na superfície externa do elemento filtrante. O fluxo de ar passa através do filtro no sentido de dentro para fora. Dessa forma, uma reversão no sentido do fluxo de ar fará com que as partículas de impurezas depositadas entupam a parte interna do elemento filtrante. O acúmulo de partículas sólidas na superfície do filtro impedirá totalmente a efetiva filtragem do ar. Sua característica principal é: Pode ser reutilizado, visto que as partículas separadas permanecem na superfície do elemento filtrante, o qual pode ser limpo.

19 20 Tecnologia de ar comprimido Filtro de alto desempenho Se um processo necessita de alta qualidade do ar comprimido, então filtros de alto desempenho também são necessários. Eles reduzem o óleo residual contido no ar comprimido para 0,01 mg/m 3 e por isso podem produzir e fornecer tecnicamente o ar comprimido sem óleo. As partículas de impurezas de até 0,01 µm são filtradas com eficiência de 99,9999%. Três mecanismos-chave cooperam para esse desempenho são eles: Contato direto: Partículas grandes e gotas de líquidos têm contato direto com as fibras do material filtrante e são retidas. Impacto: Partículas e gotas batem nas fibras do material filtrante e rebatem, desviando-se de seu fluxo normal e então são absorvidas pela próxima fibra. Difusão: Partículas pequenas e muito pequenas se agregam, de acordo com a lei de movimento molecular, formando assim partículas de maior tamanho, as quais são eliminadas. Princípio de trabalho: filtros de alto desempenho trabalham com base no princípio de filtragem de profundidade. Filtros de profundidade consistem em fibras muito finas que formam uma textura porosa. A separação de partículas acontece durante o percurso que o ar comprimido faz sobre o elemento de filtro. O fluxo de ar circula, nos filtros de profundidade, de dentro para fora. O óleo e a água são depositados nas lãs das fibras enquanto o ar flui pelo filtro. O fluxo de ar direciona o vapor e as gotas maiores, através do filtro, para fora. Pela força de gravidade, a condensação é coletada para um reservatório do filtro. As suas características são: Separação de quase 100% do óleo em estado de fluido. Vapores de óleo não são separados. A eficiência de filtragem cai com o aumento da temperatura de trabalho. O aumento de temperatura de +20 C a +30 C sempre permitirá a entrada de 5 vezes mais fluxo de óleo pelo filtro Pode ser reciclado Filtro de carvão ativado Depois da aplicação de filtros de alto desempenho e secadores, a técnica de ar comprimido sem a presença de óleo ainda conterá a presença de hidrocarboneto, como também vários odores e aromas. Essas substâncias residuais podem provocar, em muitas aplicações de ar comprimido, problemas de produção, desvantagens de qualidade e aborrecimentos causados pelo mau cheiro. Um filtro de carvão ativado remove do ar comprimido os vapores de hidrocarboneto. O resíduo de óleo contido no ar comprimido pode ser reduzido em até 0,005 mg/m 3. Nesse caso, a qualidade do ar comprimido será melhor que a necessária para a respiração, conforme a norma DIN Princípio de trabalho: a filtragem do ar comprimido por adsorção é um processo puramente físico. Os hidrocarbonetos são atraídos, através de forças adesivas, para o carvão ativado. Não há nenhuma reação química. O ar comprimido seco e pré-filtrado flui por um elemento de filtro (com vincos/pregas) com carvão ativado. O ar comprimido se movimenta pelo elemento de filtro de dentro para fora. Características próprias: Filtragem preliminar é requerida. O filtro de carvão ativado sempre requer um filtro de alto desempenho e secador. O ar comprimido contaminado destrói a adsorção e reduz o efeito do filtro Sem reutilização. O filtro de carvão ativado não pode ser reutilizado. Tem que ser substituído quando certo nível de saturação é alcançado

20 Tecnologia de ar comprimido 21 Dimensionamento do sistema de ar comprimido Invariavelmente, o usuário deve determinar a provável necessidade de ar comprimido antes de iniciar o dimensionamento de um sistema de ar comprimido. Isso requer considerações da aplicação prática dos equipamentos que serão conectados a esse sistema (p.ex.: as ferramentas pneumáticas), bem como a quantidade dos equipamentos. Quando essa informação estiver disponível, então podem ser determinados o número e tamanho do compressor e reservatórios de ar comprimido. Demanda de ar comprimido O primeiro passo para o dimensionamento correto de um compressor e do sistema de fornecimento de ar comprimido é obter o valor do consumo total de ar comprimido necessário para o funcionamento da rede e assim, como resultado, obter o volume de fornecimento de ar exigido do compressor. Os valores de consumo individuais de ar comprimido dos equipamentos são somados e adaptados às condições de trabalho aplicando alguns fatores multiplicadores. Dessa forma, o compressor pode ser selecionado de acordo com o volume de fornecimento determinado/necessário. O dimensionamento da rede é um processo semelhante. Primeiramente, o tipo e o número de equipamentos que serão disponibilizados ao longo de uma rede devem ser especificados e determinados. O consumo de ar comprimido de cada equipamento deve ser somado e adaptado com os fatores multiplicadores apropriados. Com base no resultado final, o usuário pode então dimensionar o diâmetro da tubulação da rede correspondente. Importante: perdas por vazamentos também devem ser levadas em conta quando o consumo de ar comprimido for determinado. Consumo total de ar comprimido O consumo total teórico de ar comprimido é o total do consumo de ar comprimido dos equipamentos automáticos e dos demais equipamentos conectados à rede de ar. Porém, somente o consumo total de ar comprimido desses equipamentos não é suficiente para o dimensionamento do compressor e da rede de fornecimento, pois outras considerações adicionais devem ser levadas em conta. Para calcular e obter o consumo total de vários equipamentos e determinar o volume de fornecimento realmente necessário de um compressor, o usuário tem que considerar os seguintes fatores adicionais, como: Perdas Reservas Erros de cálculo Perdas Entende-se por perdas a fuga de ar comprimido ocorrida por vazamento e/ou atritos que ocorrem entre todas as partes do sistema de ar comprimido. No caso de um sistema de ar comprimido novo, o usuário tem que estimar que aproximadamente 5% do volume total de fornecimento consiste em perdas. A experiência mostra que as perdas de ar provenientes de vazamento e/ou atrito aumentam com o tempo de vida das instalações do sistema de ar. Para as redes de ar antigas, o percentual dessas perdas pode chegar até 25%. Reserva O dimensionamento de um sistema de ar comprimido está baseado no consumo estimado de ar comprimido em um determinado momento. A experiência mostra que o consumo de ar aumenta gradativamente. Por isso, é recomendado estimar também, no cálculo de dimensionamento do compressor e da rede de fornecimento, a inclusão de extensões na rede para curto e médio prazos. Se esses fatores não forem considerados no dimensionamento, futuras e necessárias extensões causarão, certamente, despesas desnecessárias. Dependendo das perspectivas futuras, reservas de até 100% podem ser projetadas. 5

21 22 Tecnologia de ar comprimido Erros de cálculo Apesar de cálculos cuidadosos, em alguns casos o dimensionamento estimado do sistema de ar comprimido é falho. O valor exato do consumo de ar raramente pode ser determinado devido às condições marginais e circunstâncias normalmente obscuras. Quando um sistema de ar comprimido é subdimensionado e deve ser estendido em uma fase posterior com despesas extras (tempos de manutenção de máquina), o usuário deveria incluir um percentual extra de 5% a 15% para erros de cálculo. O volume exigido para fornecimento de ar incluirá então: o consumo total determinado para os equipamentos, +5% para perdas, +10% para reservas e +15% para erros de cálculo. Tamanho de compressor A decisão básica durante a escolha do compressor adequado refere-se ao tipo de compressor. Para quase todos os campos de aplicação das ferramentas pneumáticas, o compressor de parafuso ou compressor de pistão é a escolha mais correta. Para certas aplicações, os compressores de parafuso são recomendados particularmente no caso de: Longos períodos de funcionamento Alto consumo de ar comprimido sem altos picos de carga Grandes volumes de fornecimento Fluxo de volumes contínuo Capac. de compressão de 5 a 14 bar Compressores de parafuso são a escolha perfeita em sistemas de compressores compostos. Para altos volumes de fornecimento, o compressor de parafuso é a escolha mais econômica. Compressores de pistão também têm seus campos específicos de aplicação. Eles complementam os compressores de parafuso. Seus pontos fortes são: Demanda de ar intermitente Picos de carga Mudanças freqüentes de carga Baixos volumes de fornecimento Capac. de compressão até 35 bar Os compressores de pistão são indicados para consumo de ar comprimido flutuante e com picos de demanda. Eles podem ser usados como máquinas de picos de demanda em um sistema composto de compressor. No caso de freqüentes mudanças de demanda, o compressor de pistão é a melhor escolha. No caso de baixos volumes de fornecimento, o compressor de pistão é mais econômico que o de parafuso. Se flutuação no consumo de ar comprimido é esperada e a extensão da rede está planejada para o futuro, então um compressor é necessário para operação largamente intermitente. Nesse caso, um compressor de pistão seria a escolha lógica. Se o volume de fornecimento do compressor puder garantir a demanda de ar comprimido constante, o usuário deve optar por um compressor de parafuso. Compressores de pistão trabalham em regime intermitente. Eles não têm períodos ociosos. Devido a sua reduzida lacuna de aplicação e seu reservatório relativamente pequeno, os compressores de parafuso têm que funcionar automaticamente devagar para evitar que o motor tenha muitos ciclos de trabalho. A escolha certa de um sistema de ar não deveria depender do preço de compra, o qual se paga muito rapidamente em função da economia com os custos operacionais. Esses custos (operacionais) não só incluem os custos atuais com energia para a geração de ar comprimido, mas também os custos inúteis. Pressão máxima do compressor As bases para a pressão máxima (pressão de corte para funcionamento) são as diferenças (entre as pressões máxima e mínima) do controlador do compressor a máxima pressão de trabalho exigida pelo equipamento consumidor de ar comprimido (p.ex.: ferramentas pneumáticas) e o total das perdas de pressão no sistema. A pressão fornecida, a qual flutua entre a pressão máxima e a pressão mínima, deve ser, por todo o tempo, substancialmente mais alta que a pressão de trabalho dos equipamentos conectados ao sistema.

22 Tecnologia de ar comprimido 23 Visto que sempre existem perdas de pressão em sistemas de ar comprimido, o usuário tem que levar em conta as perdas de pressão que são causadas pelos diferentes componentes do sistema de ar comprimido. Os seguintes valores para perdas de pressão têm que ser levados em conta durante a definição da pressão de corte de funcionamento do compressor: Sistemas básicos de fornecimento de ar comprimido deveriam ser projetados de tal forma que o total das perdas de pressão na rede de fornecimento não exceda 0,1 bar No caso de grandes e amplas redes de fornecimento de ar comprimido, por exemplo: em minas, pedreiras ou em grandes edifícios, uma queda de pressão de até 0,5 bar é permissível Condicionamento de ar comprimido via secador ou secador de diafragma com filtro até 0,6 bar Secador de adsorção com filtro até 0,8 bar Precipitador ciclone até 0,05 bar Filtros geralmente até 0,6 bar. (A queda de pressão em filtros aumenta durante a aplicação por contaminação. O especificado é o limite ao qual o elemento do filtro tem que ser substituído vida útil) O diferencial para compressores de parafuso é de 0,5 a 1,0 bar O diferencial para compressores de pistão p max é de -20% Reservas. Durante operação pode haver sempre perdas de pressão imprevistas nos sistemas de ar comprimido. Por isso, o usuário sempre deve planejar a reserva suficiente de pressão para evitar perdas de força no sistema de ar comprimido requerem uma pressão de trabalho substancialmente mais alta que a maioria dos demais equipamentos, o usuário deve instalar um segundo compressor, menor, com sistema de fornecimento de ar comprimido separado e com pressão de corte apropriadamente mais alta. Isso porque uma desnecessária supercompressão do fluxo volumétrico principal do sistema de ar comprimido acarretará custos consideráveis. Esses custos adicionais justificam na maioria dos casos a instalação de um segundo compressor para fornecimento de ar comprimido. O sistema separado rapidamente se pagará, reduzindo assim os custos operacionais. Sistemas de compressores múltiplos Para equipamentos de ar comprimido com consumo flutuante alto não é recomendado instalar somente um único compressor grande. Nesse caso, a alternativa é um sistema de compressor composto que consiste em vários compressores. Os resultados e a confiança operacional são aumentados com eficiência econômica mais alta. Um ou vários compressores garantem a demanda contínua básica de ar comprimido (carga básica). Se a demanda aumentar, os compressores adicionais entram em funcionamento um depois do outro (carga intermediária e pico de carga) até que o volume de fornecimento garanta a demanda. Se a demanda diminui, eles param de funcionar novamente um depois do outro. Os benefícios fundamentais de um sistema composto são: Confiança operacional Opções favoráveis de manutenção Eficiência econômica Pressão de trabalho A pressão de trabalho dos equipamentos de ar comprimido deve ser mantida durante todo o tempo. O desempenho de um equipamento de ar comprimido fica comprometido mais que proporcionalmente quando a pressão do sistema cai abaixo da pressão de funcionamento do equipamento. Se alguns equipamentos de baixa demanda

23 24 Tecnologia de ar comprimido Operações que dependem em grande parte de ar comprimido podem garantir seus fornecimentos através de um sistema de compressor composto. Se um compressor fica defeituoso ou requer conserto ou manutenção, os outros compressores assumem o fornecimento de ar. Vários compressores pequenos podem ser mais bem adaptados às necessidades de consumo de ar comprimido que um compressor grande. Essa situação compõe uma melhor e mais alta eficiência para o sistema. Se somente uma parte da carga operacional é requerida, os custos operacionais de um compressor grande não são considerados, mas sim, somente os baixos custos operacionais dos compressores auxiliares menores conectados ao sistema composto. Volume do reservatório Os reservatórios de ar comprimido são dimensionados de acordo com o volume de fornecimento do compressor, o sistema de controle e o consumo de ar comprimido. Reservatórios de ar comprimido nos sistemas de fornecimento de ar comprimido têm várias funções importantes. O compressor fornece o ar de acordo com a capacidade de armazenamento do reservatório de ar. O consumo de ar comprimido pode ser garantido, por algum tempo, pela capacidade de armazenamento desse reservatório. O compressor não fornece ar comprimido durante o tempo que o reservatório mantém estoque, mas sim, permanece em stand by (inércia) e não consome energia elétrica. Além disso, o consumo flutuante de ar comprimido no sistema é compensado e os picos de demanda são garantidos. O motor é acionado menos vezes e seu uso fica reduzido. Possivelmente diversos reservatórios de ar comprimido podem ser necessários para manter a capacidade de armazenamento suficiente. Normalmente, as grandes redes e sistemas de fornecimento de ar comprimido têm uma capacidade de armazenamento suficiente. Nesse caso, o usuário pode instalar apropriadamente um reservatório menor. Devido ao seu especial princípio de funcionamento, os compressores de pistão geram um volume de fluxo pulsante. As variações de pressão interferem no desempenho dos diferentes equipamentos conectados à rede. Particularmente interruptores de controle e sensores de medida reagem com os erros de um volume de fluxo pulsante. O reservatório tem o propósito de aliviar os efeitos das variações de pressão. No caso de compressores de parafuso, essa função é desnecessária visto que eles geram um volume de fluxo quase uniforme/constante. O volume do reservatório é determinado com base nas especificações dos fabricantes, as quais foram estabelecidas por experiência prática. Sempre que possível, o usuário deve selecionar os reservatórios da linha básica. A pressão máxima para a qual um reservatório é dimensionado deve, por motivo de segurança, estar a todo momento com pelo menos 1 bar a mais que a pressão máxima produzida na saída do compressor. A válvula de segurança é definida / preparada com esse valor. O volume de fornecimento do sistema de ar comprimido pode ser considerado uma parte do volume do reservatório.

24 Tecnologia de ar comprimido 25 Rede de ar Um sistema centralizado de fornecimento de ar comprimido requer uma rede que alimente individualmente os equipamentos com ar comprimido necessário. Para garantir uma operação segura e barata dos equipamentos, a rede tem que estar adaptada a certas condições: Volume de fluxo suficiente Cada equipamento conectado à rede deve ser alimentado a qualquer momento com o volume de fluxo exigido. Pressão de trabalho Cada equipamento conectado à rede deve ser alimentado a qualquer momento com a pressão de trabalho necessária. Qualidade do ar comprimido Cada equipamento conectado à rede deve ser alimentado a qualquer momento com ar comprimido na qualidade exigida. Baixa queda de pressão Por questões econômicas, a queda de pressão na rede deve ser tão baixa quanto possível. Confiança operacional O fornecimento de ar comprimido deve ser garantido com extrema segurança. No caso de danos à tubulação, manutenções e consertos, a rede deve ter alternativas para que não seja necessário seu fechamento completo. Normas de segurança Todas as relevantes instruções de segurança devem ser seguidas incondicionalmente. As linhas de distribuição são instaladas pela planta inteira e por elas o ar é fornecido a diversos equipamentos em curtas distâncias. Se possível, as redes de distribuição devem ser instaladas em forma de anel (sistema fechado). Um sistema em forma de anel (fechado) aumenta a eficiência econômica e a confiança operacional da rede. A queda de pressão nas linhas de distribuição não deve exceder 0,03 bar. Sistema em forma de anel (fechado) Um sistema em forma de anel é também chamado de sistema de distribuição fechada. Nesse sistema, é possível fechar setores individuais da rede sem interromper o fornecimento de ar comprimido às outras áreas. Isso assegura o fornecimento de ar comprimido para a maioria dos equipamentos, até mesmo durante os consertos, manutenções e a instalação de extensões do sistema. Se o ar comprimido é fornecido dentro de um sistema fechado de distribuição, esse ar tem que percorrer distâncias mais curtas que no caso de um sistema de ramificações (galhos). Por isso, a queda de pressão fica reduzida. O dimensionamento de um sistema fechado pode ser calculado com a metade da tubulação de transporte e metade do volume de fluxo. Sistema de ramificações (galhos) As linhas de distribuição são instaladas pela planta inteira e por elas o ar é fornecido para os equipamentos em distâncias curtas. Essas linhas também podem ser organizadas na forma de ramificações ou galhos. A queda de pressão nas linhas de distribuição não deve exceder 0,03 bar. Neste sistema, essas linhas se ramificam para grandes áreas de distribuição e terminam no equipamento pneumático. Linhas de ramificações individuais podem alimentar equipamentos que estão à parte um dos outros (não necessariamente na mesma área de trabalho). Também é possível programar uma linha inteira de fornecimento de ar comprimido através do sistema de ramificações. Eles têm a vantagem de necessitar menos material que os sistemas em forma de anel (fechado). Sua desvantagem, contudo, é que eles têm que ser mais bem e mais amplamente dimensionados que os sistemas fechados, pois freqüentemente causam perdas de pressão severas.

25 26 Tecnologia de ar comprimido 7 Sistema de distribuição em forma de anel (sistema fechado) EWL-D017/P 9 1. Compressor 6. Secador de ar 2. Válvula de parada 7. Linha principal 3. Reservatório de ar 8. Linha em anel (fechada) 4. Dreno de condensação 9. Saída p/ fornecimento de ar 5. Válvula de segurança 8 Sistema de distribuição ramificada (sistema de galhos) EWL-D018/P 9 1. Compressor 6. Secador de ar 2. Válvula de parada 7. Linha principal 3. Reservatório de ar 8. Linha ramificada 4. Dreno de condensação 9. Saída p/ fornecimento de ar 5. Válvula de segurança

26 Tecnologia de ar comprimido 27 Rede de fornecimento Se possível, as redes de fornecimento de ar comprimido devem ser instaladas em linha reta. Se os cantos não podem ser evitados completamente, eles não devem ser reforçados por cotovelos ou ligações em T. Curvas e conexões longas têm qualidades de fluidez melhores e causarão menores quedas de pressão. Também devem ser evitadas mudanças súbitas de diâmetro das tubulações por causa da grande queda de pressão. Longas redes de fornecimento devem ser divididas em vários setores, cada um equipado com uma válvula de parada (shut-off) individual. A possibilidade de fechar partes do sistema é particularmente importante para inspeções, consertos e troca de operação. Uma segunda estação de compressor suprindo a rede de outra localização pode ser possivelmente uma alternativa e vantagem para grandes redes. Como resultado, o ar comprimido percorre distâncias mais curtas e a queda de pressão tende a ser menor. Redes principais e grandes redes de distribuição têm que ser soldadas em conjunto, com uma única conexão em V, que evita cantos vivos. Além disso, a resistência do fluxo de ar na tubulação fica reduzida e ambos, filtros e ferramentas, não ficam sujeitos a prejuízos desnecessários causados por resíduos de solda (ferrugem). Redes de fornecimento sem secadores A compressão do ar promove a eliminação da umidade contida no ar em forma de gotículas de água (produto de condensação). Se o condicionamento do ar comprimido não é feito por um secador de ar, o usuário tem que estar ciente que haverá a presença de água na rede inteira. Nesse caso, certas regras têm que ser observadas durante a instalação do sistema de ar, evitando assim os danos nos equipamentos pneumáticos. Tubulações com inclinação As tubulações devem ser instaladas com inclinação aproximada de 1,5º a 2º em direção ao fluxo de ar. Linha principal vertical A condensação da água aparece quando o ar resfria e pode voltar para o reservatório de ar comprimido. Dreno de condensação Deve estar posicionado no ponto mais baixo do sistema de fornecimento de ar comprimido para fácil eliminação. Conexões da rede Elas devem se ramificar na direção de fluxo de ar. Sempre deve haver uma unidade de manutenção com um filtro, um dreno de água e um redutor de pressão instalados. Dependendo da aplicação do equipamento pneumático, um lubrificador também deveria estar disponível. Redes de fornecimento com secadores Com um secador de ar comprimido e com um sistema de filtro satisfatório instalado no sistema de fornecimento de ar comprimido, o usuário pode trabalhar sem preocupações relativas à condensação da água. Isso também reduz as despesas da instalação da rede. Até certo ponto, os custos menores são argumentos suficientes para justificar a compra de um secador de ar comprimido. As características de fluxo do ar comprimido O ar comprimido em movimento está mais sujeito a regras físicas diferentes do que o ar comprimido parado / estacionário. O volume do fluxo é calculado pela superfície de percurso e pela velocidade. A fórmula seguinte aplica-se à transição do ar de um tubo para outro em uma secção de corte: V = A 1 x v 1 = A 2 x v 2 V A 1, A 2 v 1, v 2 A 1 v 2 = A 2 v 1 = volume do fluxo = secção de corte = velocidade

27 28 Tecnologia de ar comprimido Essa fórmula mostra que a velocidade do fluxo é inversamente proporcional à secção de corte. O movimento do fluxo pode ser também linear ou turbulento (fluxo de retorno e redemoinho). 9 Linha de resistência do fluxo p p 1 2 Linha de resistência De acordo com as leis da mecânica dos fluidos, a queda de pressão p aumenta ao quadrado a redução do volume do fluxo. Em uma velocidade crítica, as mudanças de tipo de fluxo de linear para turbulento, a linha de resistência aumenta abruptamente. O dimensionamento da pressão da tubulação aponta então para a realização de um movimento de fluxo linear. q v Queda de pressão no sistema de ar O fluxo de ar é obstruído a cada mudança de p p 2 direção que ele deve fazer, seguindo o posicionamento da rede de fornecimento. Como conseqüência, há distúrbios no movimento de fluxo linear e a queda de pressão fica acentuada. 1 Linear 1 Turbulento 2 Fluxo linear Um fluxo linear é definido como um movimento uniforme e retilíneo onde as linhas de fluxo são paralelas e alinhadas entre si. Um fluxo linear é conhecido por: Baixa queda de pressão Baixa transferência de calor Fluxo turbulento Um fluxo turbulento é definido como um movimento de fluxo indefinido, onde as linhas de fluxo não são alinhadas paralelamente uma com as outras, mas movem-se em todas as direções. Um fluxo turbulento é conhecido por: Alta queda de pressão Alta transferência de calor q v AT/VSZ O nível da queda de pressão é influenciado pelos seguintes fatores e componentes da rede: Comprimento da tubulação Diâmetro interno da tubulação Pressão interna da rede Ramificações e cotovelos Extensões Válvulas, acessórios e conexões Filtros e secadores Vazamentos Qualidade da superfície interna da tubulação Para evitar uma queda de pressão acentuada, esses fatores devem ser levados em conta quando uma rede de ar comprimido for projetada. Com o propósito de simplificar as resistências de fluxo dos diferentes acessórios, conexões e cotovelos, estes são convertidos aos comprimentos equivalentes da tubulação. Esses valores devem ser acrescentados ao comprimento real da tubulação para obter a fluidez do ar na tubulação. Na maioria dos casos, porém, todas as especificações sobre acessórios, conexões e cotovelos já devem estar disponíveis no começo da fase de planejamento de uma rede. Por isso, a fluidez no comprimento da rede L é calculada multiplicando o comprimento da tubulação pelo fator 1,6.

28 Tecnologia de ar comprimido 29 Fatores de correção da rede Acessórios, cotovelos e conexões dobradas aumentam a resistência de fluxo de ar. Experiências práticas têm conduzido ao desenvolvimento e busca de fatores correspondentes ao fator de comprimento, os quais são incluídos como comprimento extra da tubulação (em metros) nos cálculos de fornecimento dos sistemas de ar. 10 Conexão ramificada Regras de instalação do sistema de ar comprimido Fluxo c/ características ruins Conexão em T Cotovelo 90º Cotovelo em curva Instalação da tubulação D r Certo Errado = ca. 30 r = 6d d EWL-D019/P Correspondente ao comprimento linear em metros Peças ou acessórios Para diâmetros nominais de tubos ou peças DN 25 DN 40 DN 50 DN 80 DN 100 DN 125 DN 150 Válvula de parada shut-off Válvula de membrana 1, , Válvula de abertura 0,3 0,5 0,7 1 1,5 2 2,5 Cotovelo 90º 1,5 2,5 3, Cotovelo curvo 90º - R = d 0,3 0,5 0,6 1 1,5 2 2,5 Cotovelo curvo 90º = R = 2d 0,15 0,25 0,3 0,5 0,8 1 1,5 Conexão em T Peça redutora D = 2d 0,5 0, ,5 3,5 4

29 30 Tecnologia de ar comprimido 11 Dimensionamento da rede Volume de ar (l/s) ,0 1/2"(13mm) 6,5 3/4"(19mm) Ar descomprimido 8,0 1"(25mm) 12,5 16,5 25,0 1/4"(32mm),0 41,5 50,0 58,0 66,5 75,0 83,0 100,0 110,5 11/2" (38mm) 2"(50mm) 2 1/2"(65mm) 3"(80mm) EWL-PN007/G Tubulações Diferentes materiais podem ser usados para a tubulação de um sistema de ar comprimido. Os possíveis materiais são: Tubos de aço perfilados Tubos de aço sem costura Tubos de aço inoxidável Tubos plásticos As características e propriedades desses diferentes materiais devem ser observadas. Tubos de aço perfilados Conforme as normas DIN 2440, 2441 e 2442 (tipo de pesos médio e pesado) os tubos perfilados são feitos de aço. A máxima pressão de trabalho é de 10 a 80 bar e a máxima temperatura de trabalho é de 120 C. Vantagem: tubos perfilados são baratos e rápidos para instalar. As conexões são separáveis e os componentes individuais podem ser reutilizados. Desvantagens: tubos perfilados oferecem alta resistência para o fluxo de ar. As juntas começam a apresentar vazamentos após certo tempo de uso. A instalação desse tipo de tubulação requer certa experiência. Tubos perfilados que não sejam galvanizados não devem ser utilizados em sistemas de fornecimento de ar comprimido sem que haja um secador acoplado ao sistema, visto que eles são sensíveis à corrosão. Tubos de aço sem costura Conforme a norma DIN 2448, os tubos de aço sem costura (nas versões galvanizados ou com recozimento) normalmente, são instalados em sistemas de ar comprimido. A pressão máxima de trabalho é de 12,5 a 25 bar e a temperatura máxima de trabalho é de 120 C. Vantagens: esses tubos são baratos e nas instalações profissionais os vazamentos de ar são quase totalmente descartados. Desvantagens: a instalação requer certa experiência, visto que esses tubos têm que ser soldados ou colados. Tubos de aço sem costura que não sejam galvanizados não devem ser utilizados em sistemas de fornecimento de ar comprimido sem que haja um secador acoplado ao sistema, visto que eles são sensíveis à corrosão. Tubos de aço inoxidável Conforme as normas DIN 2462 e 2463, os tubos de aço inoxidável são escolhidos para satisfazer as demandas de qualidade mais altas. A pressão máxima de trabalho é de até 80 bar e a temperatura máxima de trabalho é de 120 C. Vantagens: tubos de aço inoxidável são resistentes à corrosão e oferecem baixa resistência ao fluxo de ar. Nas instalações profissionais, os vazamentos são quase que totalmente descartados. Desvantagens: a instalação requer certa experiência visto que os tubos devem ser soldados ou colados. Inicialmente, os custos são altos.

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