Equipamentos Industriais Dinâmicos

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1 Equipamentos Industriais Dinâmicos

2 SENAI PETROBRAS CTGÁS-ER Equipamentos Industriais Dinâmicos Natal / RN 2011

3 2010 CTGÁS-ER Qualquer parte desta obra poderá ser reproduzida, desde que citada a fonte. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER Diretor Executivo Rodrigo Diniz de Mello Diretor de Tecnologias Pedro Neto Nogueira Diógenes Diretor de Negócios José Geraldo Saraiva Pinto Unidade de Negócios de Educação UNED Coordenadora Maria do Socorro Almeida Elaboração Profº. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes Diagramação Lidigleydson de Melo Torres FICHA CATALOGRÁFICA CENTRO DE TECNOLOGIAS DO GÁS E ENERGIAS RENOVÁVEIS CTGÁS -ER AV: Cap. Mor Gouveia, 1480 Lagoa Nova CEP: Natal RN Telefone: (84) Fax: (84) ctgas@ctgas.com..br Site:

4 SUMÁRIO CAPITULO 1 - TEORIA GERAL DAS MÁQUINAS DE FLUIDO Introdução Definição de Máquina de Fluido Tipos Principais Aplicação Máquinas de Fluxo (Turbomáquinas) Classificação das Máquinas de Fluxo Considerações Energéticas Básicas Considerações Finais CAPITULO 2 - BOMBAS Cavitação Bombas Centrifugas Curva Característica da Instalação (Cci) ou Curva do Sistema (Cs) CAPITULO 3 - VENTILAÇÃO INDUSTRIAL Introdução Pré-Requisitos Necessários: Classificação dos Sistemas de Ventilação Tipos de Ventilação Ventilação Geral para Conforto Térmico Ventilação Geral Diluidora Ventilação Local Exaustora Sistema de Dutos (Dimensionamento) Ventiladores CAPITULO 4 - COMPRESSORES Histórico Classificação de Tipos de Compressores Princípios de Funcionamento dos Compressores Volumétricos e Suas Formas Construtivas

5 4.4. Princípios de Funcionamento dos Compressores Dinâmicos e Suas Formas Construtivas Princípios de Funcionamento dos Compressores Dinâmicos e Suas Formas Construtivas Compressores Axiais Seleção de um Compressor Rendimento dos Compressores Sistema de Selagem Sistema de Balanceamento Axial Limites de Operação Cuidados Principais na Montagem dos Conjuntos Rotativos Unidades de Medição de Vazão Curva Caracteristica de um Compressor Ejetores Conclusão CAPITULO 5 - LUBRIFICAÇÃO Atrito Lubrificante Funções dos Lubrificantes Película Lubrificante Classificação da Lubrificação Cunha Lubrificante CAPITULO 6 LUBRIFICANTES Classificação Análises Aditivos Graxas Lubrificantes Fabricação Classificação Características e Aplicações Critérios de Escolha Aditivos

6 CAPITULO 7 - MANCAIS Introdução Comparativo entre Mancais de Escorregamento e Mancais de Rolamento Mancais de Rolamento CAPITULO 8 - ELEMENTOS DE TRANSMISSÃO Introdução Modos de Transmissão Eixos e Árvores Polias e Correias Correntes Cabos Roscas de Transmissão Engrenagens CAPITULO 9 - VARIADORES DE VELOCIDADE E ACIONAMENTOS DE MOTORES Sistemas de Velocidade Variável Acionamento Elétrico Dispositivos de Partida de Motores Elétricos Tipos de Motores Elétricos Tipos de Partida de Motores Assíncronos Aplicações de Acionamentos com Motores de Indução e Inversores de Freqüência REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

7 CAPITULO 1 - TEORIA GERAL DAS MÁQUINAS DE FLUIDO 1.1. Introdução O homem tem buscado controlar a natureza desde a antiguidade. O homem primitivo transportava água em baldes ou conchas; com a formação de grupos maiores, esse processo foi mecanizado. Assim, as primeiras máquinas de fluxo desenvolvidas foram as rodas de conchas e as bombas de parafuso para elevar a água. Os romanos introduziram a roda de pás em torno de 70 a.c. para obter energia de cursos d água. Mais tarde, foram desenvolvidos moinhos para extrair energia do vento, mas a baixa densidade de energia ali presente limitava a produção a poucas centenas de quilowatts. O desenvolvimento de rodas d água tornou possível a extração de milhares de quilowatts de um único local. Inicialmente, a terminologia do assunto é introduzida e as máquinas são classificadas por princípio de operação e características físicas. Em vez de tentar uma abordagem de todo o assunto, concentramos nossa atenção em máquinas nas quais a transferência de energia do fluido, ou para o fluido, dá-se por meio de um elemento rotativo. Equações básicas são revistas e em seguida simplificadas para formas úteis na análise de máquinas de fluxo. As características de desempenho de máquinas típicas são consideradas. São dados exemplos de aplicações de bombas, ventiladores e compressores em sistemas típicos Definição de Máquina de Fluido Definição Sistemas Fluidomecânicos: conjunto formado por máquinas e/ou dispositivos cuja função é extrair ou adicionar energia de/para um fluido de trabalho. O fluido de trabalho pode estar confinado entre as fronteiras do sistema formado pelo conjunto de máquinas e dispositivos, ou escoar através destas fronteiras (o que, para nossa análise, caracteriza um volume de controle na perspectiva da termodinâmica ou da mecânica dos fluidos). Definição Máquina de Fluido (fluid machinery): é o equipamento que promove a troca de energia entre um sistema mecânico e um fluido, transformando energia mecânica em energia de fluido ou energia de fluido em energia mecânica. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 6

8 No primeiro caso, em que há o aumento do nível energético de um fluido a partir do fornecimento de energia mecânica, por analogia com o gerador elétrico, apenas substituindo energia elétrica por energia de fluido, costuma-se designar a máquina de máquina de fluido geratriz (geradora). No segundo caso, em que a energia mecânica é produzida a partir da redução do nível energético de um fluido, pela analogia com o motor elétrico, a máquina é usualmente chamada de máquina de fluido motriz (motora). A Figura (1.1) apresenta um fluxograma representando a classificação das máquinas de fluido. Figura 1.1 Fluxograma das máquinas de fluido. Definição Máquina Hidráulica: é aquela em que o fluido que intercambia (troca) sua energia não varia sensivelmente de densidade em seu percurso através da máquina. Considera-se a hipótese de ρ = cte. Máquina Térmica: é aquela em que o fluido em seu percurso através da máquina varia sensivelmente de densidade e volume específico. Não se pode considerar ρ = cte. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 7

9 1.3. Tipos Principais As máquinas de fluido são normalmente subdivididas em dois tipos principais: as Máquinas de Deslocamento Positivo (positive displacement machines) e as máquinas de fluxo (turbomachines). No primeiro tipo, também chamado de estático, uma quantidade fixa de fluido de trabalho é confinada durante sua passagem através da máquina e submetido a trocas de pressão em razão da variação no volume do recipiente em que se encontra contido, isto é, o fluido é obrigado a mudar o seu estado energético pelo deslocamento de uma fronteira em movimento. Nas máquinas de fluxo, às vezes denominadas de máquinas dinâmicas, o fluido não se encontra em momento algum confinado e sim num fluxo contínuo através da máquina, submetido a trocas de energia devido a efeitos dinâmicos. Desconsiderando-se a troca de calor com o meio ambiente e possíveis folgas entre as partes fixas e móveis, quando uma máquina de deslocamento positivo pára de funcionar, o fluido de trabalho no seu interior permanecerá, indefinidamente, no estado em que se encontrava no momento em que o movimento cessou e este poderá ser completamente diferente das condições do ambiente externo. Na mesma situação, o fluido de trabalho de uma máquina de fluxo assumirá, imediatamente, as condições ambientais, quando ela deixar de operar. As máquinas rotativas (rotary machines), como a bomba de engrenagens, e as máquinas alternativas (reciprocating machines), como o compressor de pistão, são exemplos típicos de máquinas de deslocamento positivo, enquanto as turbinas hidráulicas e os ventiladores centrífugos podem ser citados como exemplos de máquinas de fluxo. Máquinas de Fluxo (Turbomáquinas): dispositivos fluidomecânicos que direcionam o fluxo com lâminas ou pás fixadas num elemento rotativo. Em contraste com as máquinas de deslocamento positivo não há volume confinado numa turbomáquina. Funcionam cedendo ou recebendo energia de um fluido em constante movimento. Máquinas de deslocamento positivo: a transferência de energia é feita por variações de volume que ocorrem devido ao movimento da fronteira na qual o fluido está confinado. Estas podem ser rotativas como a bomba de engrenagens ou alternativas como o compressor de pistão. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 8

10 Ex.: Máquinas de fluxo: Ex.: Máquinas de deslocamento: A Tabela abaixo apresenta as principais características das máquinas de fluxo e de deslocamento. Quando se compara as áreas de aplicação das máquinas de fluxo com as das máquinas de êmbolo (deslocamento), observa-se uma grande superposição. Assim, para a compressão de gases são usados compressores de êmbolo e turbocompressores; para a elevação de água servem as bombas de êmbolo e as bombas rotativas; a turbina a gás faz concorrência com o motor de combustão interna; o vapor produzido em uma caldeira pode ser usado para fornecer trabalho mecânico tanto através de uma turbina a vapor quanto através de uma máquina a vapor de êmbolo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 9

11 A situação desta concorrência de ambos os tipos de máquinas é bastante clara. Para grandes vazões volumétricas as vantagens das máquinas de fluxo são decisivas, enquanto que para pequenas vazões normalmente as máquinas de êmbolo são preferidas. Ainda mais, o campo de aplicação das máquinas de fluxo é limitado inferiormente, em potência, pelo das máquinas de êmbolo. Não existe, entretanto, nenhuma limitação superior para o campo de aplicação das máquinas de fluxo, do ponto de vista de sua construção. Quanto maior a vazão volumétrica desejada, ou seja quanto maior a potência da máquina, melhor será seu rendimento e, em geral, menores serão também seus custos de construção por unidade de potência. Na prática, o campo de aplicação das máquinas de fluxo só é limitado pelos desejos dos usuários. Fica, portanto, reservado às máquinas de fluxo a conversão de grandes potências, campo onde o peso da máquina e o espaço necessário para sua instalação são muito menores para estas do que para as máquinas de êmbolo. Como a técnica sempre se desenvolve no sentido da construção de unidades cada vez maiores, a importância das máquinas de fluxo está sempre em ascensão Aplicação O campo de aplicação (aplication range) dos diferentes tipos de máquinas de fluido é tão amplo e sujeito a regiões de superposição, que, muitas vezes, torna-se difícil definir qual a melhor máquina para determinada aplicação, por exemplo, no caso de bombas (pumps) e compressores (compressors), deve-se definir se a melhor solução é o emprego de uma máquina de deslocamento positivo ou de uma máquina de fluxo. Ou, mesmo para um tipo de máquina de fluxo, por exemplo, as turbinas hidráulicas, deve-se definir qual delas atende melhor às características de um determinado aproveitamento hidrelétrico. No entanto, existem situações em que a supremacia de um tipo de máquina sobre o outro é tão evidente que a seleção pode ser feita já nas etapas iniciais de um projeto. Tomando-se para análise o caso dos compressores, normalmente caracterizados pela vazão de gás aspirado e pela pressão na descarga, pode-se constatar (Fig. 2.2) o domínio absoluto dos compressores centrífugos e axiais (máquinas de fluxo) para regiões de grandes vazões, principalmente em situações, Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 10

12 como nos motores de avião, em que a relação requerida entre a potência de propulsão e o peso da máquina seja a maior possível e que apresente um formato favorável do ponto de vista aerodinâmico. Entretanto, na gama das pequenas e médias vazões e elevadas relações de pressão entre descarga e admissão, os compressores alternativos de êmbolo ou pistão mantêm o seu predomínio, com avanços tecnológicos significativos e um consumo energético favorável. No entanto, eles têm cedido espaço para os compressores de palhetas e de parafuso para as situações de médias vazões e pressões não tão elevadas. Na Figura (1.2), procura-se mostrar a distinção entre os termos ventilador (fan) e compressor (compressor) para denominar máquinas que trabalham com gás. Num ventilador, a alteração na densidade entre a admissão e a descarga da máquina é tão pequena que o gás pode ser considerado como um fluido incompressível (diferenças de pressão até 10 kpa ou 1000 mmca), enquanto num compressor, a alteração de densidade é significativa, não podendo ser desconsiderada. Para uma faixa de diferença de pressão entre a descarga e a admissão da máquina da ordem de 10 a 300 kpa (1000 a 3000 mmca), também é usual a denominação de soprador (blower). Para o caso das máquinas de fluido geradoras que trabalham com líquidos, denominadas de bombas (Fig. 1.3), a situação é semelhante a dos compressores, havendo o predomínio das máquinas de fluxo (bombas centrífugas, bombas de fluxo misto e bombas axiais) para a região de médias e grandes vazões, enquanto as bombas alternativas e rotativas (máquinas de deslocamento positivo) dominam a faixa de médias e grandes alturas de elevação e pequenas vazões. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 11

13 Figura Campo de aplicação de ventiladores e compressores Figura Campo de aplicação de bombas Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 12

14 Como existem áreas de superposição entre os campos de aplicação dos diferentes tipos de bombas, outros critérios, como viscosidade do líquido bombeado, presença de sólidos em suspensão, variação ou não da vazão em função da variação da resistência do sistema ao escoamento, facilidade de manutenção, custos, etc., devem ser levados em consideração para a seleção da máquina mais adequada para um determinado tipo de aplicação Máquinas de Fluxo (Turbomáquinas) Máquina de Fluxo (turbomachine) pode ser definida como um transformador de energia (sendo necessariamente o trabalho mecânico uma das formas de energia) no qual o meio operante é um fluido que, em sua passagem pela máquina, interage com um elemento rotativo, não se encontrando, em qualquer instante, confinado. Todas as máquinas de fluxo funcionam, teoricamente, segundo os mesmos princípios, o que traz a possibilidade de utilização do mesmo método de cálculo. De fato, esta consideração é plenamente válida apenas quando o fluido de trabalho é um fluido ideal, já que, na realidade, propriedades do fluido, tais como volume específico e viscosidade, podem variar diferentemente de fluido para fluido e, assim, influir consideravelmente nas características construtivas dos diferentes tipos de máquinas. Como exemplos de máquinas de fluxo, citam-se: as turbinas hidráulicas (hydraulic turbines), os ventiladores (fans), as bombas centrífugas (centrifugal pumps), as turbinas a vapor (steam turbines), os turbocompressores, as turbinas a gás (gas turbines). Esta unidade, além de apresentar a definição e os elementos construtivos fundamentais de uma máquina de fluxo, fornece alguns critérios de classificação dessas máquinas, objetivando estabelecer uma linguagem comum para a sua abordagem e proporcionar meios de identificação dos seus diferentes tipos Considerações Iniciais Uma máquina de fluxo tem a finalidade de, como máquina motriz, transformar um tipo de energia que a natureza nos oferece em trabalho mecânico, ou, como Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 13

15 máquina operadora, fornecer energia a um fluido1 para, por exemplo, transportá-lo de um local de baixa pressão para outro de alta pressão. Quando uma máquina de fluxo trabalha como motriz, é chamada de turbina e, quando trabalha como operadora, de bomba. As máquinas de fluxo podem ser classificadas, de modo amplo, como de deslocamento positivo ou dinâmicas. Nas máquinas de deslocamento positivo, a transferência de energia é feita por variações de volume que ocorrem devido ao movimento da fronteira na qual o fluido está confinado. Os dispositivos fluidomecânicos que direcionam o fluxo com lâminas ou pás fixadas num elemento rotativo são denominados turbomáquinas. Em contraste com as máquinas de deslocamento positivo, não há volume confinado numa turbomáquina. Todas as interações de trabalho numa turbomáquina resultam de efeitos dinâmicos do rotor sobre a corrente de fluido. A ênfase neste capítulo é em máquinas dinâmicas. As fontes de energia oferecidas pela natureza são de tipos muito variados e por isso existem vários tipos de turbinas. A energia hidráulica, ou seja a energia potencial da água, é transformada em trabalho mecânico pelas turbinas hidráulicas. A energia cinética do vento pode ser transformada em trabalho mecânico por turbinas de vento, também chamadas rodas de vento. A energia térmica, ou seja a energia dos combustíveis e a energia nuclear, pode ser utilizada através de máquinas de fluxo quentes, às quais pertencem as turbinas a vapor e as turbinas a gás. No caso das bombas o fluido a transportar pode estar no estado líquido ou gasoso. As bombas para líquidos são usualmente chamadas de bombas rotativas, enquanto que as para gases são chamadas de compressores rotativos ou de turbocompressores. Uma distinção adicional entre os tipos de turbomáquinas é fundamentada na geometria do percurso do fluido. Nas máquinas de fluxo radial, a trajetória do fluido é essencialmente radial, com mudanças significativas no raio, da entrada para a saída. (Tais máquinas são, às vezes, denominadas centrífugas.) Nas máquinas de fluxo axial, a trajetória do fluido é aproximadamente paralela à linha de centro da máquina, e o raio de percurso não varia significativamente. Nas máquinas de fluxo misto, o raio da trajetória de fluxo varia moderadamente. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 14

16 As máquinas que adicionam energia a uma corrente fluida são chamadas bombas quando o escoamento é liquido ou pastoso, e ventiladores, sopradores ou compressores para unidades que lidam com gás ou vapor, dependendo do aumento de pressão. Os ventiladores geralmente têm pequeno aumento de pressão (inferior a uma polegada de água) e os sopradores têm aumento de pressão moderado (da ordem de uma polegada de mercúrio); bombas e compressores podem ter aumentos de pressão muito grandes. Os sistemas industriais da atualidade operam a pressões até psi (l0 4 atmosferas). O elemento rotativo de uma bomba é freqüentemente chamado de impulsor ou rotor, e fica contido na carcaça ou alojamento da bomba. O eixo que transfere energia mecânica para o impulsor em geral penetra na carcaça; um sistema de mancais e selos é necessário para completar o projeto mecânico da unidade. Três máquinas centrífugas típicas são mostradas esquematicamente na Fig. (1.4). O escoamento penetra em cada máquina quase axialmente através do olho do rotor, diagrama (a), no raio pequeno r 1. O fluxo é então defletido e sai pela descarga do impulsor no raio r 2, onde a largura é b 2. O escoamento deixando o impulsor é coletado na voluta, que aumenta gradualmente de área à medida que se aproxima da saída da máquina, diagrama (b). O impulsor geralmente tem pás; ele pode ser fechado, como mostrado no diagrama (a), ou aberto, como mostrado no diagrama (c). As pás do impulsor podem ser relativamente retas, ou encurvadas para tornarem-se não radiais na saída. O diagrama (c) mostra que pode haver um difusor entre a descarga do impulsor e a voluta. Esse difusor radial pode ser provido ou não de pás. Figura 1.4 Diagramas esquemáticos de turbomáquinas centrífugas típicas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 15

17 Turbomáquinas típicas de fluxo axial e misto são mostradas esquematicamente na Fig. (1.5). O diagrama (a) mostra um estágio típico de um compressor de fluxo axial. 2 O escoamento entra quase paralelo ao eixo do rotor e mantém, aproximadamente, mesmo raio através do estágio. A bomba de fluxo misto no diagrama (b) mostra o fluxo sendo defletido para fora e movendo-se para raios maiores à medida que atravessa o estágio. Figura 1.5 Diagramas esquemáticos de turbomáquinas centrífugas e de fluxo misto típicas. O aumento de pressão que pode ser obtido eficientemente num único estágio é limitado, dependendo do tipo de máquina. Entretanto, os estágios podem ser combinados, produzindo máquinas multiestágios, virtualmente sem limite no aumento de pressão. Os compressores de fluxo axial, como tipicamente encontrados nos motores a jato, são exemplos de compressores multiestágios. As bombas centrífugas são freqüentemente construídas com múltiplos estágios, numa única carcaça. Ventiladores, sopradores, compressores e bombas são encontrados em vários tamanhos e tipos, desde unidades residenciais a unidades industriais, complexas, de grande capacidade. Os requisitos de torque e potência para bombas e turboventiladores idealizados podem ser analisados pela aplicação do princípio do momento da quantidade de movimento, ou princípio da quantidade de movimento angular, usando-se um volume de controle adequado. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 16

18 As hélices são essencialmente dispositivos de fluxo axial que operam sem uma carcaça externa. Elas podem ser projetadas para operar em gases ou em líquidos. Como você poderia esperar, as hélices projetadas para aplicações muito diferentes são bastante distintas. As hélices marítimas tendem a ter pás largas comparadas com seus raios, dando-lhes elevada solidez. As hélices de aviões tendem a ter pás longas e delgadas, com baixa solidez, relativamente. Parâmetros adimensionais, tais como velocidade específica, coeficiente de fluxo, coeficiente de torque, coeficiente de potência e razão de pressão, freqüentemente são usados para caracterizar o desempenho das turbomáquinas. As bombas e turbinas podem apresentar várias configurações. Resumidamente, as bombas adicionam energia ao fluido realizam trabalho sobre o fluido, enquanto as turbinas extraem energia do fluido. Assim, as bombas, ventiladores, sopradores e compressores serão considerados como bombas. As máquinas de fluxo podem ser divididas em duas categorias principais: máquinas de deslocamento positivo (denominadas estáticas) e turbomáquinas (denominadas dinâmicas). Este capítulo trata apenas das turbomáquinas. As máquinas de deslocamento positivo forçam o fluido para dentro, ou para fora, de uma câmara a partir da mudança do volume da câmara. Essencialmente, a pressão na câmara e o trabalho realizado são provocados por forças estáticas e não dinâmicas. A Figura (1.6) mostra alguns exemplos típicos de máquinas de deslocamento positivo. Note que, neste tipo de máquina, um dispositivo realiza trabalho no fluido (uma parede se movimenta contra a força de pressão). O motor de combustão interna (ciclo Diesel ou Otto) de um automóvel é uma máquina de deslocamento positivo na qual o fluido realiza trabalho na máquina (o oposto do que ocorre numa bomba). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 17

19 Figura 1.6 Bombas de deslocamento positivo típicas: (a) bomba de encher pneus,(b) coração humano, (c) bomba de engrenagens. As turbomáquinas, por outro lado, envolvem um conjunto de pás, canecas, canais ou passagens arranjadas ao redor de um eixo de rotação de modo a formar um rotor. A rotação do rotor produz efeitos dinâmicos que podem adicionar energia ao fluido ou remover energia do fluido. Os ventiladores radiais e axiais, os hélices de barcos ou de aviões, as bombas d água centrífugas e os turbocompressores dos automóveis são exemplos deste tipo de máquina que transferem energia ao fluido. A turbina das turbinas a gás dos aviões, as turbinas a vapor utilizadas para mover geradores em termoelétricas, as turbinas hidráulicas e as pequenas turbinas a ar comprimido utilizadas pelos dentistas são exemplos de turbomáquinas que retiram energia do fluido. As máquinas de fluxo têm um papel importante na sociedade moderna. Estas máquinas apresentam uma densidade de potência alta (i.e. a potência desenvolvida dividida pelo volume da máquina, ou pela massa da máquina, é grande), poucas partes móveis e uma eficiência razoável. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 18

20 Figura 1.7 Exemplos de rotores de máquinas de fluxo Elementos Construtivos Não haverá aqui a preocupação de relacionar, exaustivamente, todas as partes que compõem as máquinas de fluxo, tais como, seu corpo ou carcaça, o eixo, os mancais, os elementos de vedação, o sistema de lubrificação, etc., mas a intenção de caracterizar os elementos construtivos fundamentais, nos quais acontecem os fenômenos fluidomecânicos essenciais para o funcionamento da máquina: o rotor (impeller ou runner) e o sistema diretor (stationary guide casing). O rotor (Fig. 1.7) onde acontece a transformação de energia mecânica em energia de fluido, ou de energia de fluido em energia mecânica, é o órgão principal de uma máquina de fluxo. É constituído de um certo número de pás giratórias (runner blades) que dividem o espaço em canais, por onde circula o fluido de trabalho. O rotor é um órgão móvel que vem sempre acoplado a um eixo que atravessa o órgão de contenção da máquina (carcaça). O rotor é dotado de protuberâncias ou Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 19

21 saliências denominadas palhetas ou pás, que quando em contato com o fluido recebe ou cede energia para ele. A Figura (1.8) apresenta um esquema dos principais rotores de máquinas de fluxo em relação à classificação pelos: coeficiente de fluxo (φ) e coeficiente de queda (ψ). Já o sistema diretor tem como finalidade coletar o fluido e dirigi-lo para um caminho determinado. Esta função de direcionar o fluxo, muitas vezes, é acompanhada por outra de transformador de energia. Na máquina de fluxo operatriz (MFO) bombas este órgão é colocado após o rotor. O fluido que passa pelo rotor recebe energia cinética e potencial. Como a finalidade das MFO é transferir para o fluido em movimento mais energia potencial (Ep) que energia cinética (Ec); coloca-se o distribuidor após o rotor no sentido de orientar o fluxo para menor impacto e choques, e principalmente reduzir ao mínimo a parcela de energia cinética aumentando a parcela de energia potencial. Assim, por exemplo, numa bomba centrífuga (Fig. 1.9), o sistema diretor de saída é fundamentalmente um difusor (diffuser) que transforma parte da energia de velocidade do líquido que é expelido pelo rotor em energia de pressão. Figura 1.8 sinopse dos rotores das turbomáquinas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 20

22 Figura 1.9 Sistema diretor em forma de caixa espiral de uma bomba centrífuga (MFO). Em alguns tipos de máquinas o sistema diretor não se faz presente, como nos ventiladores axiais de uso doméstico. A existência do rotor, no entanto, é imprescindível para a caracterização de uma máquina de fluxo Classificação das Máquinas de Fluxo Entre os diferentes critérios que podem ser utilizados para classificar as máquinas de fluxo, podem-se citar os seguintes: Segundo a direção da conversão de energia; Segundo a forma dos canais entre as pás do rotor; Segundo a trajetória do fluido no rotor Segundo a direção da conversão de energia Segundo a direção da conversão de energia as máquinas de fluxo classificam-se em: Máquina de fluxo operatriz (MFO), também denominada geradora ( bombas ); Máquina de fluxo motriz (MFM), também denominada motora ( turbinas ). No primeiro tipo a energia do fluido diminui na sua passagem pela máquina, no segundo, a energia do fluido aumenta. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 21

23 Máquinas de Fluxo Motrizes: São aquelas que transformam energia de fluido em trabalho mecânico, ou seja, transformam um tipo de energia que a natureza nos oferece em trabalho mecânico. Estas máquinas extraem energia do fluido, ou seja, o fluido realiza trabalho sobre a máquina. Ex.: Turbinas hidráulicas, turbinas a vapor, turbinas a gás, turbinas eólicas. Máquinas Operatrizes: São aquelas que recebem trabalho mecânico e o transformam em energia de fluido (hidráulica). Estas máquinas fornecem energia a um fluido, ou seja, realizam trabalho sobre o fluido. Ex.: Bombas centrífugas, ventiladores, sopradores, compressores centrífugos. As Figuras (1.10, 1.11 e 1.12) apresentam alguns exemplos de máquinas de fluxo operatrizes ou geratrizes. Figura 1.10 Exemplos de máquinas de fluxo geratrizes (bombas centrífugas). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 22

24 Figura 1.11 Exemplos de máquinas de fluxo geratrizes (ventiladores axiais e centrífugos). Figura 1.12 Exemplos de máquinas de fluxo geratrizes (compressores centrífugos e turbocompressores) Segundo a forma dos canais entre as pás Quanto à forma dos canais entre as pás do rotor classificam-se em: Máquinas de fluxo de ação; Máquinas de fluxo de reação: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 23

25 Máquinas de fluxo de ação Nas máquinas de fluxo de ação (impulse turbomachines) os canais do rotor constituem simples desviadores de fluxo, não havendo aumento ou diminuição da pressão do fluido que passa através do rotor. Máquinas de fluxo de reação Nas máquinas de fluxo de reação (impulse turbomachines) os canais constituídos pelas pás móveis do rotor têm a forma de injetores (nas turbinas) ou a forma de difusores (nas bombas e nos ventiladores), havendo redução, no primeiro caso (turbina), ou aumento, no segundo caso (bombas e ventiladores), da pressão do fluido que passa através do rotor. Ex. Bombas centrífugas, ventiladores, turbina hidráulicas do tipo Francis, turbina hidráulicas do tipo Kaplan, como mostra a Fig. (1.13). Figura 1.13 Exemplos de máquinas de fluxo de reação. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 24

26 Segundo a trajetória do fluido no rotor Segundo a trajetória do fluido no rotor, as máquinas de fluxo classificam-se em: Radiais; Axiais; Diagonais, semi-axiais ou fluxo misto; Tangenciais. Máquinas de fluxo radiais Nas máquinas de fluxo radiais (radial flow turbomachines), o escoamento do fluido através do rotor percorre uma trajetória predominante radial (perpendicular ao eixo do rotor). Ex. Bombas centrífugas, ventiladores centrífugos e a turbina Francis lenta (Fig. 1.14). Figura 1.14 Exemplos de máquinas de fluxo radiais. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 25

27 Maquinas de fluxo axiais Já, nas máquinas de fluxo axiais (axiais flow turbomachines), o escoamento do fluido através do rotor acontece numa direção paralela (axial) ao eixo do rotor. Ex. Bombas e ventiladores axiais e a turbinas hidráulicas do tipo Hélice e Kaplan (Fig.1.15) Figura 1.15 Exemplos de máquinas de fluxo axiais. Máquinas de fluxo diagonais Quando o escoamento não é axial nem radial, a maquina é denominada de fluxo misto, diagonal ou semi-axial, com as partículas de fluido percorrendo o rotor numa trajetória situada sobre uma superfície aproximadamente cônica. Ex. Turbina Francis rápida e a turbina hidráulica Dériaz. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 26

28 Figura 1.16 Exemplos de máquinas de fluxo diagonais. Máquinas de fluxo tangenciais Numa máquina de fluxo tangencial (tangencial flow turbomachine) o jato líquido proveniente do injetor incide tangencialmente sobre o rotor. Ex.: Turbina hidráulica do tipo Pelton (Fig. 1.17). Figura 1.17 Exemplos de máquinas de fluxo tangenciais Considerações Energéticas Básicas Observamos o fluxo através de um rotor radial como o da Fig. (2.28). Se este rotor trabalha como bomba, valem a setas representadas na figura. O fluxo visto por um observador que se move juntamente com um rotor é completamente diferente daquele visto por um observador parado nas vizinhanças da máquina. Chama-se velocidade absoluta àquela que uma partícula do fluxo tem como relação ao Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 27

29 observador parado, e velocidade relativa àquela vista pelo observador movendo-se com o rotor. Figura 1.18 Diagrama das velocidades para uma partícula líquida M. A análise da operação de um ventilador doméstico (bomba) e de um moinho de vento (turbina) pode fornecer informações sobre a transferência de energia nas máquinas de fluxo. Mesmo que os escoamentos reais nestes dispositivos sejam muito complexos (i.e. tridimensional e transitórios), os fenômenos essenciais podem Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 28

30 ser analisados com um modelo simples de escoamento e com os triângulos de velocidade Considerações Finais A principal característica de uma máquina de fluxo é o rotor girante com uma coroa de pás que são permanentemente percorridos por um fluxo, que é o portador de energia. A pressão resultante do fluxo nas pás exerce um trabalho, que depende principalmente do efeito inercial da massa fluida devido ao seu desvio pelas pás e tem, portanto, a mesma origem que a sustentação em uma asa de avião. Figura máquinas de fluxo com escoamento (a) radial e (b) axial. Muitas máquinas de fluxo apresentam algum tipo de carcaça ou cobertura que envolve as pás rotativas (rotor). Este tipo de arranjo forma uma passagem interna por onde o fluido escoa (veja a Figura 1.19). Outras máquinas, como moinho de vento ou o ventilador de teto, não apresentam carcaça. Algumas máquinas de fluxo também apresentam pás estacionarias, ou direcionadoras, além das pás moveis do rotor. Estas pás estacionárias podem ser utilizadas tanto ara acelerar o fluido (operam como bocais) quanto para desacelerar o escoamento (operam como difusores). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 29

31 As máquinas de fluxo podem ser classificadas de acordo com a direção principal do escoamento na máquina, ou seja, estas podem ser de escoamento axial, misto ou radial. Cada um destes tipos de máquinas apresenta vantagens e desvantagens operacionais e que a escolha do tipo de máquina que vai ser utilizada depende da natureza da aplicação. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 30

32 CAPITULO 2 - BOMBAS 2.1. Cavitação Cavitação é um fenômeno de ocorrência limitada a líquidos, com conseqüências danosas para o escoamento e para as regiões sólidas onde a mesma ocorre. O estudo da cavitação pode ser dividido em duas partes: o fenomenológico, que corresponde à identificação e combate à cavitação e seus efeitos; e o teórico, onde interessa o equacionamento do fenômeno, visando a sua quantificação no que se refere às condições de equilíbrio, desenvolvimento e colapso das bolhas. Para o perfeito entendimento da cavitação, torna-se necessário abordar o conceito de pressão de vapor Pressão de Vapor Pressão de vapor de um líquido a uma determinada temperatura é aquela na qual o fluido coexiste em suas fases líquido e vapor (fig. 1) Figura.1- Curva de Pressão de Vapor Nessa mesma temperatura, quando tivermos uma pressão maior que a pressão de vapor, haverá somente a fase líquida e quando tivermos uma pressão menor, haverá somente a fase vapor. Observa-se, que a pressão de vapor de um líquido cresce com o aumento da temperatura. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 31

33 Analisando a curva de pressão de vapor, verificamos que podemos passar de uma fase para outra, de varias maneiras, por exemplo: Mantendo a pressão constante e variando a temperatura. Mantendo a temperatura constante e variando a pressão. Variando pressão e temperatura. Assim, mantendo-se a pressão de um líquido constante, (por ex. pressão atmosférica) e aumentando-se a temperatura, chegaremos até um ponto em que a temperatura corresponde à pressão de vapor e passamos a ter a ebulição Conceito de Cavitação Pelo conceito de pressão de vapor, vimos que mantendo-se um fluido a uma temperatura constante e diminuindo-se a pressão, o mesmo ao alcançar a pressão de vapor, começará a vaporizar. Este fenômeno ocorre nas bombas centrifugas, pois o fluido perde pressão ao longo do escoamento na tubulação de sucção. O esquema abaixo representa duas seções (1) e (2), quaisquer, no sistema de escoamento na sucção de uma bomba. Figura.2- Modelo de escoamento H 1 HP1,2 H2 P γ 2 2 V 1 P 2 V2 Z1 HP1,2 2 2g γ 2g 1 Z Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 32

34 mas: V 1 = V 2 e Z 1 = Z 2 Então: P 2 1 HP1,2 γ P γ P P1 e portanto: 2 HP 1,2 γ γ Se a pressão absoluta do líquido, em qualquer ponto do sistema de bombeamento, for reduzida (ou igualada) abaixo da pressão de vapor, na temperatura de bombeamento; parte deste líquido se vaporizará, formando cavidades no interior da massa líquida. Estará aí iniciado o processo de cavitação. As bolhas de vapor assim formadas são conduzidas pelo fluxo do líquido até atingirem pressões mais elevadas que a pressão de vapor ( normalmente na região do rotor), onde então ocorre a implosão (colapso) destas bolhas, com a condensação do vapor e o retorno à fase líquida. Tal fenômeno é conhecido como CAVITAÇÃO. Normalmente a cavitação é acompanhada por ruídos, vibrações e com possível erosão das superfícies sólidas (pitting). Deve-se salientar, que a erosão por cavitação não ocorre no local onde as bolhas se formam, mas sim onde as mesmas implodem. Os efeitos da cavitação dependem do tempo de sua duração, da sua intensidade, das propriedades do líquido e da resistência do material à erosão por cavitação. A cavitação, naturalmente, apresenta um barulho característico, acompanhado de redução na altura manométrica e no rendimento. Se de grande intensidade, aparecerá vibração, que comprometerá o comportamento mecânico da bomba. Em resumo, são os seguintes, os inconvenientes da cavitação: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 33

35 a) Barulho e vibração. b) Alteração das curvas características. c) Erosão - remoção de partículas metálicas - pitting. Região Principal de Cavitação Pelo que foi exposto, concluímos que a região que está susceptível à cavitação é a sucção da bomba, pois é onde o sistema de bombeamento apresenta a menor pressão absoluta. Portanto o ponto crítico para a cavitação é a entrada do rotor. Nesta região a quantidade de energia é mínima, pois o líquido ainda não recebeu nenhuma energia por parte do rotor. Assim, a cavitação, normalmente, inicia-se nesse ponto, em seguida, as cavidades são conduzidas pela corrente líquida provocada pelo movimento do rotor, alcançando regiões de pressão superior à de vapor do fluído, onde se processa a implosão das cavidades (bolhas). NPSH Net Positive Suction Head O NPSH é um conceito oriundo da escola americana, que predominou entre os fabricantes instalados no país e na norma da ABNT que trata de ensaios de cavitação em bombas. A condição Pe abs P v é necessária mas não suficiente, pois pôr detalhes construtivos poderá ocorrer cavitação no interior da própria máquina. Em termos práticos, o procedimento usual para analisarmos a operação de determinada bomba num sistema, é através do conceito de NPSH REQ. e NPSH DISP (Fig. 3). O NPSH representa a Energia Absoluta no flange de sucção, acima da pressão de vapor do fluído naquela temperatura. NPSH He abs P VAPOR γ Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 34

36 He abs NPSH P γ V NPSH He abs PV Figura.3 Esquema para análise do NPSH NPSH Requerido (NPSH REQ ) Cada bomba, em função de seu tamanho, características construtivas, etc..., necessita de uma determinada energia absoluta (acima da pressão de vapor) em seu flange de sucção, de tal modo que a perda de carga que ocorrerá até à entrada do rotor não seja suficiente para acarretar cavitação, quando operada naquelas condições de vazão. A esta energia denominamos NPSH REQUERIDO. Os fabricantes de bombas fornecem o NPSH requerido, através de uma curva NPSHreq x VAZÃO, para cada bomba de sua linha de fabricação, conforme padrão abaixo: Figura.4- Curva característica de NPSH req Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 35

37 Esta curva é uma característica própria da bomba, sendo obtida experimentalmente, através de testes de cavitação em bancadas do fabricante, com água fria a 20 o C. Assim, em resumo, o NPSH requerido, representa a energia absoluta do líquido, acima de sua pressão de vapor, necessária no flange de sucção da bomba, de tal forma que garante a não ocorrência de cavitação na mesma. Para definição do NPSH REQ de uma bomba, é utilizado como critério, a ocorrência de uma queda de 3% na altura manométrica para uma determinada vazão. Este critério é adotado pelo Hydraulic Institute Standards e American Petroleum Institute (API-610). NPSH Disponível (NPSH DISP ) O NPSH disponível é uma característica do sistema e representa, ou define, a quantidade de energia absoluta disponível no flange de sucção da bomba, acima da pressão de vapor do fluído naquela temperatura. O NPSH disponível pode ser calculado de duas formas: fase de projeto fase de operação NPSH DISP - Fase de Projeto O esquema da fig. 5 representa duas situações de instalações hidráulicas, a primeira com a bomba succionando de um reservatório cujo nível está acima da linha de centro da bomba (bomba afogada) e a segunda com a bomba succionando de um reservatório com cota inferior à linha de centro da bomba. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 36

38 Figura.5- Esquema de instalações hidráulicas Pela definição: NPSH DISP He ABS P γ V Temos que: Ho ABS HP SUC He ABS P O P γ ATM V 2g 2 0 Z SUC HP SUC He ABS Então: NPSH DISP P O P γ ATM 2 VO 2g Z SUC HP SUC P γ V E tem-se: NPSH DISP P P γ P O ATM V ZSUC HPSUC ( V o = 0 ) ONDE: P o - pressão manométrica no reservatório de sucção. P ATM - pressão atmosférica local. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 37

39 P V - pressão de vapor do fluído à temperatura de bombeamento. HP SUC - perda de carga total na sucção. Z SUC - cota da superfície do nível do reservatório de sucção. Analisando-se esta expressão do NPSH DISP, verificamos que para obtermos valores elevados, devemos tomar as seguintes providencias: a) diminuir a altura geométrica de sucção negativa (-Z SUC ), ou aumentar a altura geométrica de sucção positiva (+Z SUC ), b) diminuir a perda de carga na sucção. Para tal recomenda-se: utilizar tubulações curtas. baixar a velocidade do fluído na sucção, aumentando-se o seu diâmetro. reduzido número de acessórios (curvas, válvulas, etc...). c) diminuir a temperatura do fluído bombeado, para diminuir a pressão de vapor do mesmo. NPSH DISP Fase de Operação Como vimos: NPSH DISP He ABS P γ V e portanto: NPSH DISP Pe P γ ATM 2 Ve 2g PV Ze γ onde: P e NPSH DISP Pe P γ ATM P V 2 Ve 2g Z - pressão na entrada da bomba, isto é, no flange de sucção (manométrica). P ATM - pressão atmosférica local. P v V e - pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento. - velocidade do fluxo na sucção da bomba (local da tomada de pressão). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 38 e

40 Z e - distancia entre a linha de centro da bomba e do manômetro. Figura.6- Curva de NPSH disp x Vazão Análise da Faixa de Operação de uma Bomba em um Sistema Esta análise pode ser feita colocando-se num mesmo gráfico as curvas do NPSH REQ e a do NPSH DISP. À direita do ponto de encontro das duas curvas observa-se a zona de cavitação. Figura.7- Zona de cavitação Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 39

41 Para não ocorrer cavitação, devemos ter: NPSH DISP NPSH REQ Na prática utilizamos: NPSH DISP 1,20 NPSH REQ No mínimo: NPSH DISP (NPSH REQ + 1,0) m Figura.8- Efeito de desgaste por cavitação em rotores Pressão Atmosférica em Função da Altitude Altitude(m) Patm (mca) 0 10, , , , , , , , , , ,03 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 40

42 A pressão atmosférica pode ser obtida através da expressão dada a seguir, que apresenta precisão para a maioria das aplicações: P ATM = 760 0,081h (mm de Hg) onde: P ATM = Pressão atmosférica local em [mmhg]; h = a altitude do local em metros. Pressão de Vapor e Peso Específico da Água Temperatura C Pressão de Vapor (PV) [kgf/cm 2 ] Peso Específico [] (kgf/m 3 ) 0 0, ,8 5 0, ,0 10 0, ,7 15 0, ,2 20 0, ,3 25 0, ,0 30 0, ,0 35 0, ,0 40 0, ,3 45 0, ,0 50 0, ,0 55 0, ,0 60 0, ,2 65 0, ,0 70 0, ,0 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 41

43 75 0, ,0 80 0, ,6 85 0, ,0 90 0, ,0 95 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,55 864, , , , , , , , , , , BOMBAS CENTRIFUGAS Conceito de Bomba Bomba é um equipamento que transfere energia de uma determinada fonte para um liquido, em conseqüência do que, este liquido pode deslocar-se de um ponto para outro, inclusive vencer desnível. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 42

44 As bombas de uma maneira geral devem apresentar as seguintes características principais: a) Resistência: estruturalmente adequadas para resistir aos esforços provenientes da operação(pressão, erosão, mecânicos). b) Facilidade de operação: adaptáveis as mais usuais fontes de energia e que apresentem manutenção simplificada. c) Alto rendimento: transforme a energia com o mínimo de perdas. d) Economia: custos de aquisição e operação compatíveis com as condições de mercado Conceito de Bomba Centrífuga É aquela que desenvolve a transformação de energia através do emprego de forças centrifugas. As bombas centrífugas possuem pás cilíndricas, com geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo essas pás fixadas a um disco e auma coroa circular, compondo o rotor da bomba. Principio e Funcionamento O funcionamento da bomba centrífuga baseia-se, praticamente, na criação de uma zona de baixa pressão e de uma zona de alta pressão. Para o funcionamento, é necessário que a carcaça esteja completamente cheia de liquido e, portanto, que o rotor esteja mergulhado no liquido. Devido à rotação do rotor, comunicada por uma fonte externa de energia(geralmente um motor elétrico), o liquido que se encontra entre as palhetas no interior do rotor é arrastado do centro para a periferia pelo efeito da força centrífuga. Produz-se assim uma depressão interna ao rotor, o que acarreta um fluxo vindo através da conexão de sucção. O liquido impulsionado sai do rotor pela sua periferia, em alta velocidade e é lançado na carcaça que contorna o rotor. Na carcaça grande parte da energia cinética do liquido (energia de velocidade) é transformada em energia de pressão durante a sua trajetória para a boca de recalque. Faz-se necessária essa transformação de energia porque as velocidades do liquido na saída do rotor, seriam prejudiciais às tubulações de recalque e também porque a Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 43

45 energia de velocidade pode ser facilmente dissipada por choques nas conexões e peças das canalizações de recalque. Figura.9- Vistas de elementos de bombas centrífugas Principais Componentes A bomba centrifuga e constituída essencialmente de duas partes: a) uma parte móvel: rotor solidário a um eixo (denominado conjunto girante) b) uma parte estacionaria carcaça(com os elementos complementares: caixa de gaxetas, mancais, suportes estruturais, adaptações para montagens etc,.). Rotor É a peça fundamental de uma bomba centrífuga, a qual tem a incumbência de receber o líquido e fornecer-lhe energia. Do seu formato e dimensões relativas vão depender as características de funcionamento da bomba. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 44

46 Carcaça É o componente fixo que envolve o rotor. Apresenta aberturas para entrada do liquido até ao centro do rotor e saída do mesmo para a tubulação de descarga. Fundido juntamente, ou a ela preso mecanicamente, tem a câmara (ou câmaras) de vedação e a caixa (ou caixas) de mancal. Possui na sua parte superior, uma abertura (suspiro) para ventagem e escorva; e na parte inferior, uma outra para drenagem. Nas bombas de maior porte, tem ainda as conexões para as tubulações de líquido de selagem e liquido de refrigeração. O bocal (flange) de entrada do fluido na carcaça recebe o nome de sucção da bomba e o de saída de descarga da bomba. Os materiais geralmente utilizados na fabricação da carcaça são: ferro fundido, aço fundido, bronze e aços liga. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 45

47 Figura.10- Detalhe de componentes de bombas centrífugas Vantagens Das Bombas Centrífugas a) Maior flexibilidade de operação Uma única bomba pode abranger uma grande faixa de trabalho (variando a rotação e o diâmetro do rotor). b) Pressão máxima Não existe perigo de se ultrapassar, em uma instalação qualquer, a pressão máxima(shutt-off) da bomba quando em operação. constante. c) Pressão Uniforme Se não houver alteração de vazão a pressão se mantém praticamente simples. d) Baixo custo São bombas que apresentam bom rendimento e construção relativamente Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 46

48 Classificação das Bombas Centrifugas. Existem várias formas de classificação das bombas centrífugas, simplificadamente, utilizaremos somente a classificação segundo o angulo que a direção do líquido ao sair do rotor forma com a direção do eixo, as bombas se classificam em: a) de fluxo radial: centrifuga propriamente dita. O liquido sai do rotor radialmente a direção do eixo. São as mais difundidas. A potência consumida cresce com o aumento da vazão. b) de fluxo axial: propulsora. A água sai do rotor com a direção aproximadamente axial com relação ao eixo. Neste tipo de bomba o rotor é também chamado de hélice. A potência consumida, ao contrário da centrífuga é maior quando a sua saída se acha bloqueada. É indicada para grandes vazões e baixas alturas manométricas. c) de fluxo misto: centrifugo-propulsora. O liquido sai do rotor com direção inclinada com relação ao eixo. Atende a faixa intermediária entre a centrifuga e a axial A direita do ponto de melhor rendimento a vazão aumenta com decréscimo da altura manometrica, mas a potência consumida diminui ligeiramente. Para a esquerda a altura manometrica cresce com a diminuição da vazão, enquanto que a potência consumida cresce ligeiramente de inicio e em seguida decresce. Figura.11- Classificação de bombas centrífugas Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 47

49 Tipos de Rotores De acordo com o projeto do rotor em, os mesmos são considerados: a) rotor fechado para água limpa e fluido com pequena viscosidade. b) rotor semi-aberto para líquidos viscosos ou sujos; c) rotor aberto para líquidos sujos e muito viscosos. Figura.12- tipos de rotores de bombas centrífugas Seleção de Bombas Centrífugas Não abordaremos em nosso estudo, o processo de seleção do tipo de bomba, isto é, se volumétrica ou turbobomba. Como a maioria das bombas utilizadas em instalações hidráulicas e prediais são do tipo centrifuga; nosso estudo abordará o processo de seleção do modelo de bomba centrifuga. Processo de Seleção a) Definir ou calcular a vazão necessária (Q); b) Determinar a altura manométrica da bomba - H B ; c) Entrar com a altura manométrica (H B ) e a vazão (Q) em um diagrama de blocos de um catálogo de fornecedor de bombas, selecionando modelos adequados à aplicação em questão (verificar as diversas rotações); d) Com os modelos selecionados, obter as curvas características da bomba, geralmente no próprio catálogo; Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 48

50 e) Construir a curva característica da instalação CCI; f) Determinar as grandezas relativas ao ponto de trabalho para os diversos modelos selecionados (Q, H B, B, NPSH REQ, N B ); g) Verificar o rendimento da bomba para cada modelo selecionado; h) Analisar as condições de cavitação para cada modelo selecionado; i) Determinar a potência necessária no eixo de cada modelo selecionado; j) Em função da avaliação do rendimento, NPSH REQ, potência e custo, selecionar a bomba adequada à instalação. Figura.13- Curva para seleção de bombas centrífugas. A figura anterior apresenta um gráfico de pré-seleção de bombas de um determinado fabricante, a partir do qual o usuário tem uma idéia de quais catálogos consultar a respeito da seleção propriamente dita, locando o ponto de trabalho neste gráfico e determinando qual a "família" ideal de bombas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 49

51 2.2.7 Curvas Características de Bombas Centrífugas As curvas características de bombas centrífugas traduzem através de gráficos o seu funcionamento, bem como, a interdependência entre as diversas grandezas operacionais. As curvas características são função, principalmente, do tipo de bomba, do tipo de rotor, das dimensões da bomba, da rotação do acionador e da rugosidade interna da carcaça e do rotor. As curvas características são fornecidas pelos fabricantes das bombas, através de gráficos cartesianos, os quais podem representar o funcionamento médio de um modelo fabricado em série, bem como, o funcionamento de uma bomba específica, cujas curvas foram levantadas em laboratório. Estas curvas podem ser apresentadas em um, ou mais de um gráfico e representam a performance das bombas operando com água fria, a 20 o C. Para fluidos com outras viscosidades e peso específico, devem-se efetuar as devidas correções nas mesmas. Apresentamos a seguir os diversos tipos de curvas características das bombas centrífugas. Altura Manométrica X Vazão ( H B X Q ) A carga de uma bomba, ou altura manométrica (H B ) é definida como a Energia por Unidade de Peso que a bomba fornece ao fluido em escoamento através da mesma; sendo função do tipo de pás do rotor, gerando vários tipos de curvas, as quais recebem diferentes designações, de acordo com a forma que apresentam. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 50

52 Seja a instalação esquematizada abaixo: Estas curvas, fornecidas pelos fabricantes, são obtidas através de testes em laboratórios; com água fria a 20 ºC; entretanto as mesmas podem ser reproduzidas em uma instalação hidráulica existente, de acordo com o fluido em operação. Aplicando a Equação da Energia entre a entrada e saída da bomba (local de instalação dos manômetros), tem-se: H e H H B s P e γ 2 Ve 2g Z e H B P s γ 2 Vs 2g Z s s e s e Portanto: H Z Z B P P γ 2 V V 2g 2 s e Reserv. de Distrib. H Pe Ps Operando a bomba com diversas vazões (por volta de 7), desde vazão zero até à vazão máxima operacional, é possível obter-se para cada uma dessas vazões, a correspondente altura manométrica e então a partir destes pontos, traçar a curva H X Q. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 51

53 PONTO VAZÃO PRESSÕES VELOCIDADES COTAS H B P e P s V e V s 1 Zero H B1 2 Q 2 H B2 3 Q 3 Z e H B3 4 Q 4 Z s H B4 5 Q 5 H B5 6 Q 6 H B6 7 Q 7 H B7 Curva de Potência X Vazão ( N B X Q ) Esta curva representa a potência total necessária no eixo da bomba nas condições de operação. Esta potência é a soma da potência útil com a potência dissipada em perdas, inerente a todo processo de transferência de energia. As perdas nas bombas incluem perdas hidráulicas, mecânicas, pelo atrito hidráulico, e por vazamentos. Diante disto, nem toda a potência é utilizada para gerar pressão e fluxo. Uma parte da energia é transformada em calor (devido ao atrito) dentro da bomba. A energia pode também ser perdida em virtude da recirculação de fluido entre o rotor e a voluta. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 52

54 O esquema abaixo ilustra o processo de transferência de energia para o fluido de trabalho, em uma bomba: potência dissipada em perdas viscosas no interior da bomba: perdas hidráulicas ordinárias, perdas por choque, etc. potência dissipada em perdas volumétricas potência disponibilizada pelo motor (elétrico, comb. interna, etc) Bomba potência útil (efetivamente transferida ao fluido de trabalho) Assim temos potência dissipada em perdas mecânicas: atrito em mancais, gaxetas, selos de vedação, etc. as seguintes potências envolvidas: Potência entregue pela bomba ao fluido: N γ Q H B Potência fornecida pelo motor elétrico no eixo da bomba: N B γ Q H η B B Potência elétrica retirada da rede elétrica pelo motor elétrico: N el γ Q H η η B el B A potência retirada da rede elétrica pode ser obtida, também, pela seguinte expressão: Onde: N el 3 V Icos 3 Para sistemas trifásicos V Tensão entre fases (Volts) I Corrente elétrica (Ampéres) cos Fator de potência do motor elétrico Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 53

55 Partida de Bombas Centrífugas Analisando a curva de potência x vazão, podemos notar que a potência é mínima para a vazão zero (Q = 0), ou seja, quando a válvula de descarga da bomba está fechada. Nesta condição a bomba consome potência apenas para seus atritos internos e para as perdas de atrito do rotor girando na massa fluida. Por esta razão deve-se partir as bombas centrífugas com a válvula de descarga fechada. A situação de uma bomba operando com vazão zero (Q = 0) denomina-se Shut-off e é importante se conhecer o valor de H B para Shut-off. As bombas hélicocentrífugas e as axiais não devem ser partidas com a válvula de descarga bloqueada, pois nesta condição a potência é, consideravelmente, maior do que para a descarga normal. Sobrecarga da Bomba Quando um líquido mais viscoso que a água começa a ser bombeado, normalmente ocorre aumento de pressão, elevando-se, em conseqüência, a corrente do motor elétrico, ocorrendo a possibilidade de haver desligamento do mesmo. Os danos causados por se sobrecarregar um motor nem sempre aparecem de imediato. O superaquecimento momentâneo causa apenas um desligamento. Após um certo período, no entanto, o isolamento dos enrolamentos irá se deteriorar (devido ao calor), correndo o risco de queimar o motor, caso o motor não tenha proteção adequada, tendo que ser enrolado de novo. Fator de Serviço do Motor Elétrico O fator de serviço é a margem de segurança inerente ao motor elétrico, em relação a sua potência nominal. A medida que aumenta a vazão, o motor tende a, continuamente, puxar mais corrente elétrica. Quando a potência consumida ultrapassar o limite do fator de serviço, o motor costuma ser desligado automaticamente. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 54

56 Curva de Rendimento X Vazão ( B X Q ) O rendimento da bomba é definido como a relação entre a potência fornecida ao fluido e aquela fornecida pelo motor elétrico à bomba. É fornecida pelo fabricante, conforme curva abaixo, ou calculada conforme formula: η B Potência fornecida ao fluido Potência recebida do acionador A Curva B X Q representa a variação da potência necessária no eixo de uma bomba centrifuga em função da vazão, para uma rotação constante. A curva de eficiência (x) vazão é a indicação da energia perdida na bomba. Quanto menores as perdas, mais elevada será a eficiência. Esta curva permite ao operador observar a vazão em que a bomba melhor opera. As bombas devem ser operadas eficientemente para se controlar o custo da energia consumida e para se utilizar as bombas adequadamente. A curva (H x Q) não indica as perdas internas na bomba, as quais são consideradas na curva de eficiência. A eficiência, para cada ponto na curva, Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 55

57 relaciona a energia transmitida para o líquido, com a energia suprida pelo eixo da bomba, conforme fórmula anterior. Curva de NPSHREQ X Vazão (NPSHREQ X Q) O NPSH requerido (NPSH req ) representa a energia absoluta necessária no flange de sucção das bombas, de tal forma que haja a garantia de que não ocorrerá cavitação na bomba. É função das características de projeto e construtivas da bomba, do tamanho da bomba, do diâmetro e largura do rotor, diâmetro da sucção, rotação, vazão, etc. O valor do NPSH requerido é normalmente obtido pelos fabricantes de bombas através de testes de cavitação em laboratórios e fornecido pelos mesmos, para cada uma das bombas de sua linha de produção, através de curvas NPSH req X Q. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 56

58 Curvas de Fabricantes Todas as curvas anteriores costumam ser fornecidas pelos fabricantes de bombas num único gráfico. Eis aqui um exemplo gráfico completo das curvas de um fabricante de bomba. Analisar essas curvas ajuda o operador a determinar se a bomba está operando dentro das tolerâncias normais e está mantendo seu alto nível de eficiência. Curvas Características fornecidas por fabricantes de bombas: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 57

59 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 58

60 Fatores que Influenciam nas Curvas Características das Bombas Centrífugas Rotação da Bomba ( n ) Existe uma proporcionalidade entre os valores de vazão (Q), altura manométrica (H B ) e Potência (N B ) com a rotação da bomba, assim sendo, sempre alterarmos a rotação da bomba, haverá em conseqüência, alteração nas suas curvas características, sendo a correção para a nova rotação feita através das seguintes relações: a) A vazão é diretamente proporcional à rotação: Q Q 1 n n 1 b) A altura manométrica varia com o quadrado da rotação: H H 1 2 n n 1 c) A potência absorvida varia com o cubo da rotação: N B N B1 3 n n1 Assim sendo, sempre que alterarmos a rotação, devem ser feitas as correções das curvas características através das relações anteriormente apresentadas, para obtenção do novo ponto de trabalho, sendo normal, o fabricante fornecer as curvas características, para diferentes valores de rotação. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 59

61 Diâmetro do Rotor ( D ) As carcaças das bombas podem trabalhar com rotores de diâmetros diferentes e para cada diâmetro teremos uma curva correspondente. Para uma rotação constante, a variação do diâmetro do rotor da origem as curvas características paralelas sendo que as curvas superiores referem-se aos rotores de maiores diâmetros. Antes de executar o rebaixamento do diâmetro do rotor é recomendável consultar o fabricante da bomba. Relativamente à variação do rotor, devemos distinguir dois casos: a) Primeiro caso: refere-se a bombas geometricamente semelhantes, isto é, são bombas cujas dimensões físicas guardam uma proporcionalidade constante (escala geométrica). Por exemplo, uma bomba grande e uma pequena. Nestas condições, conhecendo-se as características de uma delas, pode-se determinar as da outra pelas seguintes relações: 3 Q 1 D 1 Q 2 D 2 2 H 1 D 1 H 2 D 2 5 N B1 D 1 N B2 D 2 b) Segundo caso: refere-se a bombas cuja única variação ocorre no diâmetro do rotor, permanecendo as demais grandezas físicas constantes. É o caso das bombas que tem o rotor substituído por outro de dimensões diferentes, ou então o rotor é usinado, reduzindo-se-lhe o diâmetro. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 60

62 válidas: Neste caso para pequenas variações do diâmetro, as seguintes relações são Q D Q 1 D 1 H B H B1 2 D D 1 N B N B1 3 D D 1 Devemos observar que o diâmetro do rotor deve ser diminuído, no máximo em até 10%; pois a partir daí varia muito o ângulo das pás, alterando completamente as relações apresentadas anteriormente. Estes cortes somente são permitidos nas bombas centrifugas radiais (puras), pois nas demais altera-se, substancialmente, o projeto, ainda que com pequenas variações no diâmetro. As curvas a seguir, apresentam variações nas curvas características. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 61

63 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 62

64 2.3. CURVA CARACTERÍSTICA DA INSTALAÇÃO (CCI) OU CURVA DO SISTEMA (CS) A curva característica de uma instalação representa a energia por unidade de peso que deve ser fornecida ao fluido, em função da vazão desejada, de tal forma que o mesmo possa escoar nessa instalação, em regime permanente. Para uma instalação de bombeamento a CCI é representada por H S = f (Q). Isto é, H S representa a energia que deve ser fornecida ao fluido, para cada vazão de escoamento. Seja a instalação representada abaixo: H Aplicando a equação da energia, tem-se: H H H HP ; 1 S 2 1,2 que após desenvolvida com as três parcelas de energia: P V 2 P V Z H Z 2 HP ; sendo V γ 2g S γ 2g 1,2 1 = V 2 = 0; e reagrupando as parcelas, tem-se: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 63

65 HS P 2 P 1 γ Z 2 Z 1 HP1,2 Analisando as parcelas, verificamos que as pressões, o peso especifico e o desnível mantém-se constantes para todas as vazões no sistema, o que não ocorre com a perda de carga, que é função da vazão. Assim podemos fazer: HEST P 2 P 1 Z 2 Z 1 γ e H HP DIN 1,2 e então genericamente, podemos escrever: H S = H EST + H DIN e pode ser representado graficamente, como: Obtenção da CCI A construção da curva característica da instalação pode ser feita da seguinte maneira: a) Fixam-se várias vazões (em torno de 7), estando entre elas a vazão zero e a provável vazão da instalação, b) Calculam-se as alturas manométricas H S para cada uma das vazões estabelecidas no item anterior, conforme tabela abaixo: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 64

66 PONTO Q (m 3 /s) H EST (m) H DIN (m) H S (m) H EST Valor constante para todas as vazões 7 c) De posse dos pares (Q, H S ), constrói-se a curva característica da instalação - H S = f (Q). dos eixos. Quando o H EST = 0, a curva característica da instalação passa pela origem Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 65

67 Ponto de Trabalho de uma Bomba Centrífuga numa Instalação (PT) O ponto de trabalho (PT), também designado por ponto de operação (PO) e ponto de funcionamento (PF), representa as condições operacionais de uma bomba num sistema, isto é, indica em que condições uma determinada bomba operará em uma determinada instalação ou sistema. A curva característica da bomba H B = f(q) indica, para as condições de regime permanente, a energia que a bomba fornece ao fluido para cada vazão de operação, sendo a mesma decrescente com a vazão. Já a curva característica da instalação H S = f(q) indica, também para as condições de regime permanente, a energia que deve ser fornecida ao fluido para cada vazão de operação, de modo que o mesmo possa escoar na instalação; sendo a mesma crescente com a vazão. O ponto de operação de uma bomba num sistema, normalmente, é obtido por via gráfica, sobrepondo-se a curva característica da instalação à curva característica da bomba. Característica da bomba Ponto de funcionamento Característica da tubulação O ponto de cruzamento das duas curvas representa o ponto de funcionamento, podendo-se obter nos respectivos eixos, os valores operacionais da altura manométrica e da vazão. As bombas devem ser selecionadas para operação nas instalações, de tal forma que o ponto de trabalho, na medida do possível, corresponda ao ponto de máximo rendimento da bomba. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 66

68 2.4. ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Dentre as razões que conduzem a necessidade de associarmos bombas citamos: a) a inexistência, no mercado, de bombas que possam, isoladamente, atender a vazão necessária; b) aumento escalonado de vazões com o correr do tempo; c) inexistência no mercado de bombas capazes de vencer a altura manométrica de projeto. As razões (a) e (b) requerem a associação em paralelo, que consiste em fazer duas ou mais bombas recalcarem em uma ou mais linhas comuns, de forma que cada bomba recalque uma parte da vazão. Para satisfazer a razão (c) é necessária a associação em série. Neste caso as bombas recalcam em linha comum, de tal forma que a anterior, bombeia para a sucção da posterior, que recebe o fluido com maior quantidade de energia de pressão Associação de Bombas em Paralelo É recomendável neste tipo de associação, que as bombas tenham as mesmas características, ou pelo menos muito próximas. Neste tipo de associação tem-se: as bombas operando com a mesma altura manométrica: H B1 = H B2, a vazão do sistema é Q S =Q 1 +Q 2. Recomendações para associação em paralelo. a) selecionar bombas com curvas características do tipo estável; b) utilizar de preferencia bombas iguais; c) empregar motores cujas potências sejam capazes de atender a todas as condições de trabalho (bombas operando em paralelo e isoladamente), sem perigo de sobrecarga; Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 67

69 d) projetar a instalação, de modo que o NPSH DISP > NPSH REQ em qualquer ponto de trabalho (bombas operando em paralelo e isoladamente). A figura abaixo mostra, esquematicamente, uma instalação com bombas funcionando em paralelo. Associação em Paralelo de Bombas Iguais. É a associação normal e na maioria das aplicações a única aconselhável. Neste caso, as vazões se dividem igualmente entre as bombas quer tenham duas, três ou mais bombas operando. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 68

70 Na figura tem-se que: a) Igualdade de trechos: A-B = B-C; HBp-D = D-PTp; HBi-PTi= PTi-E b) PTi Ponto de Trabalho das bombas operando isoladamente (uma de cada vêz); c) HBi Altura manométrica de cada bomba operando isoladamente; d) Qi Vazão de cada bomba operando isoladamente; e) PTp Ponto de Trabalho das bombas operando em paralelo; f) HBp Altura manométrica de cada uma das bombas que estão operando em paralelo; g) Qp Vazão do sistema na operação em paralelo (é o total fornecido pelas duas bombas): h) Q 1 e Q 2 Vazões de cada uma das bombas na operação em paralelo; Nesta forma de associação observa-se que: a) a vazão total do sistema é menor do que a soma das vazões das bombas operando isoladamente; b) se por qualquer razão umas das bombas parar de funcionar, a unidade que permanecer operando terá a potência absorvida e o NPSH REQ maior do que quando estiver funcionando em paralelo. Por isso, ao projetar uma instalação deste tipo, temos que analisar essas grandezas, quando as bombas estão trabalhando em paralelo, bem como, isoladamente. Associação em Paralelo de Bombas com Características Diferentes Duas bombas com características diferentes podem eventualmente trabalhar em paralelo, mas apresentam sérios problemas operacionais, conforme veremos adiante. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 69

71 Na figura tem-se: a) Igualdade de trechos: A-B = C-D; E-F = G-PTp; H-I=J-K b) PTp Ponto de Trabalho das bombas operando em paralelo; c) HBp Altura manométrica da associação das bombas 1 e 2 operando em paralelo (HBp = HBp 1 = HBp 2 ) d) HBp 1 = HBp 2 Altura manométrica de cada uma das bombas que estão operando em paralelo; e) Qp = Q 1 + Q 2 Vazão do sistema na operação em paralelo (é o total fornecido pelas duas bombas): f) Q 1 e Q 2 Vazões de cada uma das bombas na operação em paralelo; g) A parcela de vazão de cada bomba é diferente ou seja Q 1 Q 2 h) se a altura manometrica do sistema superar a da bomba 2, somente a bomba 1 recalcará o fluido. Neste caso a bomba 2 terá vazão nula e sofrerá sobreaquecimento. Associação de Bombas em Série com Características Diferentes Se duas ou mais bombas estão operando em série as vazões se mantém e as alturas manométricas totais se somam. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 70

72 Nestas aplicações, deve-se tomar cuidados de verificar se a flange de sucção da segunda bomba suporta a pressão de descarga da primeira. Para a associação em série, a curva resultante tem as seguintes características: HB S = HBs 1 + HBs 2 ; Q S = Q 1 = Q 2. A figura abaixo apresenta as curvas da associação de duas bombas com características diferentes em série. Na figura tem-se: a) PT 1 Ponto de Trabalho da bomba 1 operando isoladamente; b) PT 2 Ponto de Trabalho da bomba 2 operando isoladamente; c) PTs Ponto de Trabalho das bombas 1 e 2 operando em série; d) Qi 1 Vazão da bomba 1, quando operando isoladamente; e) Qi 2 Vazão da bomba 2, quando operando isoladamente; f) Qs = Q 1 = Q 2 Vazão do sistema na operação em série, que é a mesma vazão de operação de cada bomba na associação em série; g) HBi 1 Altura manométrica da bomba 1, quando operando isoladamente; h) HBi 2 Altura manométrica da bomba 2, quando operando isoladamente; Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 71

73 i) HBs Altura manométrica da associação das bombas 1 e 2 em série (HBs = HBs 1 + HBs 2 ) ; j) HBs 1 Altura manométrica da bomba 1, quando operando na associação em série; k) HBs 2 Altura manométrica da bomba 2, quando operando na associação em série Definição do Número Adequado de Bombas na Associação em Paralelo Se necessitarmos recalcar grandes vazões, superiores às capacidades das bombas normais de mercado, normalmente, optamos por um sistema de associação em paralelo, que requererá mais de uma bomba. O numero de unidades a ser empregado depende das peculiaridades de cada caso e das capacidades das bombas disponíveis no mercado. Quando é necessário apenas uma bomba, é aconselhável mantermos uma reserva. Se existem no mercado bombas com capacidade adequada, o numero de 3 conjuntos é razoável.dois para atender a vazão total e o terceiro de reserva, com capacidade de recalcar 50% da vazão total. É a solução mais barata e mais maleável, do que se tivéssemos 2 conjuntos cada um com capacidade de atender a vazão total. Quatro conjuntos, 3 em funcionamento e 1 reserva com capacidade recalcar 33,33% da vazão total, é um sistema razoável. Acima de 4 unidades tornase anti-econômico, a não ser que haja razões imperativas, pois aumentam os serviços de manutenção, maiores gastos na instalação e problemas na operação quando trabalham em paralelo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 72

74 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 73

75 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 74

76 CAPITULO 3 - VENTILAÇÃO INDUSTRIAL Introdução A importância do ar para o homem é por demais conhecida, sob o aspecto da necessidade de oxigênio para o metabolismo. Por outro lado, a movimentação de ar natural, isto é, através dos ventos, é responsável pela troca de temperatura e umidade que sentimos diariamente, dependendo do clima da região. A movimentação do ar por meios não naturais constitui-se no principal objetivo dos equipamentos de ventilação, ar condicionado e aquecimento, transmitindo ou absorvendo energia do ambiente, ou mesmo transportando material, atuando num padrão de grande eficiência sempre que utilizado em equipamentos adequadamente projetados. A forma pela qual se processa a transferência de energia e que da ao ar capacidade de desempenhar determinada função. A velocidade, a pressão, a temperatura e a umidade envolvem mudanças nas condições ambientais, tornando-as propícias ao bem-estar do trabalhador. A ventilação industrial tem sido e continua sendo a principal medida de controle efetiva para ambientes de trabalho prejudiciais ao ser humano. No campo da higiene do trabalho, a ventilação tem a finalidade de evitar a dispersão de contaminantes no ambiente industrial, bem como diluir concentrações de gases, vapores e promover conforto térmico ao homem. Assim sendo, a ventilação é um método para se evitarem doenças profissionais oriundas da concentração de pó em suspensão no ar, gases tóxicos ou venenosos, vapores, etc. O controle adequado da poluição do ar tem início com uma adequada ventilação das operações e processos industriais (máquinas, tornos, equipamentos, etc.), seguindo-se uma escolha conveniente de um coletor dos poluentes (filtros, ciclones, etc.). Todavia, ao se aplicar a ventilação numa industria, é preciso verificar antes, as condições das máquinas, equipamentos, bem como o processo existente, a fim de se obter a melhor eficiência na ventilação. A modernização das industrias, Isto é, mecanização e/ou automação, além de aumentar a produção melhora sensivelmente a higiene do trabalho com relação a poeiras, gases, etc. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 75

77 3.2. Pré-requisitos necessários: industriais Projeto, construção, manutenção de maquinaria e equipamentos Ao se projetar um edifício industrial, é preciso levar em consideração a disposição geral das máquinas, circulação do pessoal e altura (pé direito) visando possibilitar uma ventilação natural pelas aberturas de janelas. Quanto as maquinas e aos equipamentos que poluem o ambiente de trabalho, devem ser cuidadosamente projetados, prevendo-se enclausuramentos, anteparos, mecanização e não permitindo que poeiras, gases, vapores, etc. sejam dispersos no ambiente. b) Substituição de materiais nocivos por outros menos nocivos. A princípio, qualquer material pode ser manipulado com segurança; no entanto, as substancias tóxicas ou prejudiciais ao ser humano podem ser substituídas por outras menos nocivas. Como exemplo temos: 1. Nos trabalhos de pintura, o carbonato básico de chumbo é prejudicial ao organismo humano e pode ser substituído por compostos de titânio e zinco. 2. Como solvente orgânico o tolueno pode substituir o benzeno, por ser este altamente tóxico. 3. Utilização de abrasivos artificiais em vez de pedras naturais, que desprendem pó de sílica, provocando a silicose no homem. c) Modificação de processos e métodos de trabalho exemplos: Os processos mecânicos geralmente poluem menos que os manuais; 1. Fábricas de bateria: ajuste mecânico da pasta de óxido de chumbo para manufatura de placas. Quando manual, o excesso caía no chão, e, depois de seco, liberava poeira para o ambiente. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 76

78 2. Redução da evaporação de solventes nos tanques de desengraxamento, mediante regulagem automática de temperatura do banho. d) Umectação É um antigo método usado na industria cerâmica inglesa, permanecendo até os dias de hoje, em que as peças de cerâmica são molhadas, evitando-se a emanação de poeira quando da sua manipulação. Exemplo: perfuração de minas, britadores, moinhos, etc. Em ambientes industriais em que são manipulados produtos considerados perigosos em relação a combustão ou explosão, tais como processos industriais, depósitos, transporte, etc, é necessário controlar a temperatura e a umidade relativa do ar. O ar condicionado atua nesses ambientes, mantendo as condições exigidas para cada tipo de produto utilizado, agindo, inclusive, como renovador de ar ambiental Características da ventilação industrial Composição do ar A composição aproximada do ar, sob três diferentes condições, é dada na Tabela 1, considerando-se ar limpo e isento de poluentes em geral. Tabela 1. Composição do ar (percentagem em volume) Componente Ar externo Ar interno Ar expirado (seco) (21º C, U.R. (36º C, U.R. 100%) 50%) Gás inertes 79,00 78,00 75,00 Oxigênio 20,97 20,69 16,00 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 77

79 Vapor d'água 0,00 1,25 5,00 Dióxido de carbono 0,03 0,06 4,00 Um adulto, mesmo executando trabalhos pesados,respira até cerca de 40 litros de ar por minuto, consumindo 02 litros de oxigênio e exalando 1,7 litro de Dióxido de carbono, aproximadamente Necessidades humanas de ventilação A ventilação de residências, espaços comerciais e escritórios é necessária para controlar odores corporais, fumaça de cigarro, odores de cozinha e outras impurezas odoríficas, e não para manter a quantidade necessária de oxigênio ou remover o Dióxido de carbono produzido pela respiração. Isso é verdadeiro, pois a construção padrão de edifícios para ocupação humana não pode prevenir a infiltração ou a saída de quantidades de ar, mesmo quando todas as janelas, portas e aberturas no forro estiverem fechadas. Dados publica dos sobre as quantidades de ar, normalmente disponíveis pela ventilação natural ou infiltração, indicam que a sufocação por deficiência de oxigênio ou excesso de gás carbônico, como resultantes da respiração humana, é potencialmente impossível em construções não subterrâneas Classificação dos sistemas de ventilação Para a classificação dos sistemas de ventilação, é preciso levar em conta a finalidade a que se destinam. Dessa forma, os objetivos da ventilação são: a) Ventilação para manutenção do conforto térmico Restabelecer as condições atmosféricas num ambiente alterado pela presença do homem; Refrigerar o ambiente no verão. Aquecer o ambiente no inverno. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 78

80 b) Ventilação para manutenção da saúde e segurança do homem Reduzir concentrações no ar de gases vapores, Aerodispersoides em geral, nocivos ao homem, até que baixe a níveis compatíveis com a saúde; Manter concentrações de gases, vapores e poeiras inflamáveis ou explosivos fora das faixas de inflamabilidade ou de explosividade. c) Ventilação para conservação de materiais e equipamentos (por imposição tecnológica) Reduzir aquecimento de motores elétricos, máquinas, etc. Isolar cabines elétricas, não permitindo entrada de vapores, gases ou poeiras inflamáveis, com a finalidade de se evitar explosão, por meio de faíscas elétricas. deterioração. Manter produtos industriais em armazéns ventilados, com o fim de se evitar 3.4. Tipos de ventilação Os tipos de ventilação, empregados para qualquer finalidade, são assim classificados: a) Ventilação natural b) Ventilação geral c) Ventilação geral para conforto térmico. d)ventilação geral diluídora e) Ventilação local exaustora (Sistema) Ar condicionado Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 79

81 Evidentemente, o ar pode ser condicionado artificialmente. Segundo definição da American Society of Heating, Refrigeratind and Air Conditioning Engineers (ASHRAE), "ar condicionado e o processo de tratamento do ar de modo a controlar simultaneamente a temperatura, a umidade, a pureza e a distribui, para atender as necessidades do recinto condicionado", ocupado ou não pelo homem. As aplicações do ar condicionado são inúmeras, podendo ser citadas, entre outras, as seguintes: a) Processos de fabricação de certos produtos que devem ser feitos em recintos com umidade, temperatura e pureza controladas; por exemplo, fabricação de produtos farmacêuticos, alimentícios, impressão de cores, industrias testeis, de solventes, etc. b) Conforto do indivíduo e produtividade. c) Hospitais: salas de operação, salas de recuperação e quartos para tratamento de doentes alérgicos, etc Ventilação natural Considerações gerais A ventilação natural é o movimento de ar num ambiente de trabalho, provocado por ventos externos e que pode ser controlado por meio de aberturas, como portas, janelas, etc. Infiltração é o movimento do ar não controlado, de fora para dentro e de dentro para fora de um ambiente, através de frestas de janelas e portas, de paredes, pisos e forros, e por outras aberturas existentes. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 80

82 Figura 1. Exemplo de circulação de ar num ambiente. O fluxo de ar que entra ou sai de um edifício por ventilação natural ou infiltração depende da diferença de pressão entre as partes interna e externa e da resistência ao fluxo fornecido pelas aberturas. A diferença de pressões exercida sobre o edifício pelo ar pode ser causada pelo vento ou pela diferença de densidade de ar fora e dentro do edifício. O efeito de diferença de densidade, conhecido como "efeito de chaminé", é freqüentemente o principal fator. Quando a temperatura no interior de um determinado ambiente é maior que a temperatura externa, produz-se uma pressão interna negativa e um fluxo de ar entra pelas partes inferiores, o que causa uma pressão interna positiva, e um fluxo de ar sai nas partes superiores do edifício (vide Figura 2). Ti - Temperatura interna, Te - Temperatura externa Figura 2. Circulação de ar num ambiente quando Ti >Te. As janelas têm a vantagem de iluminar, bem como de ventilar, quando abertas. As partes móveis dessas aberturas permitem até certo ponto o controle da quantidade de ar que esta sendo movimentada; defletores podem ser usados para controlar a distribuição das correntes. As aberturas no telhado são geralmente protegidas por uma cobertura, para impedir a entrada de chuva e reversão do ar que sai. A quantidade de ar que passa através da abertura depende da diferença de temperatura interna e externa. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 81

83 Regras gerais Em resumo, os efeitos da corrente de ar num ambiente dependem dos seguintes fatores: movimento devido aos ventos externos; movimento devido á diferença de temperatura; efeito de aberturas desiguais. As regras gerais para construção de edifícios são: A - Edifícios e equipamentos em geral devem ser projetados para ventilação efetiva, independente das direções de vento. B - Aberturas como portas, janelas, etc. não devem ser obstruídas. C - Uma quantidade maior de ar por área total abertura é obtida usando-se áreas iguais de aberturas de entrada saída. Ventilação geral Considerações gerais A ventilação geral é um dos métodos disponíveis para controle de um ambiente ocupacional. Consiste em movimentar o ar num ambiente através de ventiladores; também chamada ventilação mecânica. Um ventilador pode insuflar ar num ambiente, tomando ar externo, ou exaurir ar desse mesmo ambiente para o exterior. Quando um ventilador funciona no sentido de exaurir ar de um ambiente e comumente chamado de exaustor. Num ambiente, a pressão atmosférica comum, a insuflação e a exaustão provocam uma pequena variação da pressão (considerada desprezível).dessa forma, a insuflação é chamada de pressão positiva e a exaustão de pressão negativa. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 82

84 A ventilação geral pode ser fornecida pelos seguintes métodos: insuflação mecânica e exaustão natural; insuflação natural e exaustão mecânica; insuflação e exaustão mecânica. A insuflação mecânica, ventilando ar externo num ambiente, nem sempre é recomendável, uma vez que o ar externo pode estar contaminado de impurezas, ou ainda, com temperatura e umidade relativa inadequadas. Definições: Vazão: Q É um volume de ar que se deslocou num ambiente ou numa tubulação na unidade de tempo, sendo v o volume medido em: Q = V T Sendo V o volume medido em m³ (metros cúbicos) ou Ft³ ( pés cúbicos) e o T o tempo medido em: h (hora) ou min. (minutos) Dessa forma, a vazão de ar será medida nas unidades: m³/h (metros cúbicos por hora) ou Ft³/min (pés cúbicos por hora), também escrita sob a forma CFM (pés cúbicos por minuto). Velocidade: v É a distancia percorrida por um ponto material na unidade de tempo. V = d t sendo d a distância medida em: m (metros) ou Ft ( pés ), e t o tempo medido em: s (segundos) ou min (minutos). Dessa forma, as unidades de velocidade de ar será: n/s (metros por segundo) ou Ft/min o ( pés por minuto) também escrita sob a forma FPN (feet per minute) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 83

85 Taxa de renovação de ar: T Entende-se por taxa de renovação ou numero de trocas de ar num ambiente o numero de vezes que o volume de ar desse ambiente é trocado na unidade de tempo. T = Q sendo Q a vazão e V o volume. V A relação entre a vazão e o volume resulta em um numero que depende somente do tempo. Por exemplo, quando a vazão é expressa em m/h e o volume em m 3 / h, e o volume em m³, resulta um numero T expresso por hora. 3.5 Ventilação geral para conforto térmico No campo da ventilação industrial e da não industrial, a ventilação destinada à de conforto térmico é das mais importantes e possui tal extensão que constitui um capitulo especial. Neste tópico serão abordados apenas conceitos básicos sobre o assunto e serão fornecidos alguns dados preliminares para uma iniciação e elaboração de projetos, não se entrando, no entanto, nos aspectos de condicionamento de ar. Em outras palavras, serão fornecidos alguns dados de conforto ambiental, dados para cálculos de trocas (renovação), reposição e recirculação de ar em ambientes, isto é, necessidades de ventilação conforme ambientes ocupados pelo homem, bem como diminuição de fumos e odores por insuflamento de ar. Temperaturas extremamente baixas não ocorrem com freqüência no Brasil, com exceção de alguns casos esporádicos, em algumas localidades no sul do país. Dessa forma, não nos referiremos, em parte alguma do texto, a aquecimento de ar para promoção de conforto térmico, uma vez que a simples utilização da vestimenta adequada soluciona os problemas usualmente encontrados. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 84

86 Calor e conforto térmico Aspectos gerais: o homem é um ser tropical por excelência, possuindo uma capacidade bastante desenvolvida de: transpiração. Um grande numero de indivíduos está, parte do tempo, exposto a temperatura, mais altas que a temperatura ambiente principalmente em seu ambiente ocupacional, onde uma serie de fatores climáticos e não climáticos conduzem a um ganho ou a uma menor dissipação de calor pelo organismo. A esse tipo de estímulo o organismo responde fisiologicanente, refletindo a severidade da exposição ao calor, para cujo equacionamento completo e adequado é necessário medir quantitativamente a ação do calor, bem como a resposta do organismo, correlacionando-as; essa é uma tarefa difícil em função de vários para metros intervenientes, tais como temperatura do ar, umidade relativa, calor radiante, velocidade do ar, tipo de trabalho exercido, aclimatação, roupa utilizada e outros. Dessa forma, torna-se necessária a fixação de critérios que permitem estabelecer os limites de exposição ao calor em diferentes tipos de trabalho e a redução da exposição para respostas excessivas do organismo. Os critérios assim desenvolvidos devem levar em conta não só a resposta fisiológica, mas também a psicológica, a produtividade e a ocorrência de desordens devido ao calor Renovação do ar ambiente Requisitos de ventilação: varias medidas podem ser tomadas para se evitar a exposição de pessoas a condições de alta temperatura. Por exemplo, enclausuramento e isolamento de fontes quentes, vestimentas, barreiras protetoras, diminuição do tempo de exposição, etc. Na tabela a seguir são indicadas as relações de espaço ocupado e vazões necessárias para varias situações: Tabela 2. Critérios sugeridos para projetos gerais de ventilação de ambientes (ASHRAE - American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 85

87 Engineering, Guide an Data Book). Área Funcional Taxa de Renovação (Troca por hora) Ft 3 /min por pessoa Hospitais (sala de anestesia) Salas de animais Auditórios Hospitais (salas de autopsia) Padaria e confeitaria Boliches Igrejas Hospitais (salas de citoscopia) Salas de aula Salas de conferencia Corredores Hospitais (salas Leiterias Lavagem de pratos Lavagem a seco Fundições Ginásios ,5 por pé quadrado Garagens Hospitais(salas hidroterapia) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 86

88 Hospitais (salas de isolamento) Cozinhas Lavanderias Bibliotecas Bibliotecas Salas de deposito Pequenas oficinas Hospitais (suprimentos) Berçários Escritórios Hospitais (salas de operação) Radiologia Restaurantes Lojas Residências Equipamentos telefônicos Salas de controle de tráfego aéreo Toaletes Soldas a arco voltaico Nesta tabela foi prevista a remoção de odores corporais, nível de atividade do indivíduo, bem como remoção de calor Recomendações gerais As trocas de ar de até oito vezes por hora são suficientes para remover contaminantes emitidos por ocupantes. O limite superior da faixa é Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 87

89 recomendado para remover calor e vapor em zonas temperadas. Em climas quentes, sugere-se o dobro dos valores da tabela. Se ocorrer o uso do fumo, deve-se usar o dobro do valor da tabela (G. Woods, Pratical Guide to Fao Engineering Não se prevê uso de equipamento de limpeza de ar. O espaço não deve ser inferior a 150 Ft³/pessoa ou 15 Ft²/pessoa O limite inferior é o mínimo e o limite superior é o recomendado (mesma referência) Ventilação Geral Diluidora A ventilação geral diluídora é o método de insuflar ar em um ambiente ocupacional, de exaurir ar desse ambiente, ou ambos, a fim de promover uma redução na concentração de poluentes nocivos. Essa redução ocorre pelo fato de que, ao introduzirmos ar limpo ou não poluído em um ambiente contendo certa massa de determinado poluente, faremos com que essa massa seja dispersada ou diluída em um volume maior de ar, reduzindo, portanto, a concentração desses poluentes. A primeira observação a ser feita é a de que esse método de ventilação não impede a emissão dos poluentes para o ambiente de trabalho, mas simplesmente os dilui. A alternativa a este tipo de ventilação é a ventilação local exaustora (será vista no próximo capítulo) que capta os poluentes junto à fonte de emissão antes que sejam emitidos ao ambiente ocupacional. Este ultimo método e sempre preferível à ventilação geral diluídora, especialmente quando o objetivo do sistema de ventilação é a proteção da saúde do trabalhador. ser: Os objetivos de um sistema de ventilação geral diluídora podem Proteção da saúde do trabalhador: reduzindo a concentração de poluentes nocivos abaixo de um certo limite de tolerância. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 88

90 Segurança do trabalhador: reduzindo a concentração de poluentes explosivos ou inflamáveis abaixo dos limites de explosividade e inflamabilidade. Conforto e eficiência do trabalhador: pela manutenção da temperatura e umidade do ar do ambiente. Proteção de materiais ou equipamentos: mantendo condições atmosféricas adequadas (impostas por motivos tecnológicos). Em casos que não é possível ou não é viável a utilização de ventilação local exaustora, a ventilação geral diluídora pode ser usada Utilização da ventilação geral diluídora A aplicação, com sucesso, da ventilação geral diluídora depende das seguintes condições poluente gerado não deve estar presente em quantidade que excede à que pode ser diluída com um adequado volume de ar; A distancia entre os trabalhadores e o ponto de geração do poluente deve ser suficiente para assegurar que os trabalhadores não estarão expostos a concentrações médias superiores ao VLT (Valor do Limite de Tolerância); A toxicidade do poluente deve ser baixa (deve ter alto VLT, Isto é, VLT > 500 ppm) ; poluente deve ser gerado em quantidade razoavelmente uniforme. A ventilação geral diluídora, além de não interferir com as operações e processos industriais, é mais vantajosa que a ventilação local exaustora, nos locais de trabalho sujeitos a modificações constantes e quando as fontes geradoras de poluentes se encontrarem distribuídas no local de trabalho, mas, pode não ser vantajosa, pelo elevado custo de operação, sobretudo quando há necessidade de aquecimento do ar, nos meses de inverno; contudo, seu custo de instalação é relativamente baixo quando comparado com o da ventilação local exaustora. É Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 89

91 conveniente a instalação de sistemas de ventilação geral diluídora quando há interesse na movimentação de grandes volumes de ar na estação quente. Diversas razões levam a não utilização freqüente da ventilação geral diluídora para poeiras e fumos. A quantidade de material gerado é usualmente muito grande, e sua dissipação pelo ambiente é desaconselhavel. Além disso, o material pode ser muito toxico, requerendo, portanto, uma excessiva quantidade de ar de diluição. O principio usado para ventilação de diluição de contaminantes, com relação a aberturas e colocação de exaustores, é sugerido pela (American Conference of Governmental Hygienists), comparando todas as formas possíveis (Figura 4). NORMA ACGIH - PRINCIPIOS DE VENTILAÇÃO DILUIDORA Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 90

92 Figura 4. Princípios de ventilação Diluidora - ACHIH. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 91

93 3.7. Ventilação Local Exaustora A ventilação local exaustora tem como objetivo principal captar os poluentes de uma fonte (gases, vapores ou poeiras toxicas) antes que os mesmos se dispersem no ar do ambiente de trabalho, ou seja, antes que atinjam a zona de respiração do trabalhador. A ventilação de operações, processos e equipamentos, dos quais emanam poluentes para o ambiente, é uma importante medida de controle de riscos. De forma indireta, a ventilação local exaustora também influi no bem-estar, na eficiência e na segurança do trabalhador, por exemplo, retirando do ambiente uma parcela do calor liberado por fontes quentes que eventualmente existam. Também no que se refere ao controle da poluição do ar da comunidade, a ventilação local exaustora tem papel importante. A fim de que os poluentes emitidos por uma fonte possam ser tratados em um equipamento de controle de poluentes (filtros, lavadoras, etc.), eles tem de ser captados e conduzidos a esses equipamentos, e isso, em grande numero de casos, é realizado por esse sistema de ventilação. Basicamente, um esquema de instalação de um sistema de ventilação local exaustora é o seguinte. Figura 5. Esquema de um sistema de ventilação local exaustora. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 92

94 Princípios de exaustão Um sistema de ventilação local exaustora deve ser projetada dentro das princípios de engenharia, ou seja, de maneira a se obter maior eficiência com o menor custo possível. Por outro lado devemos lembrar sempre que, na maioria das casos, o objetivo desse sistema é a proteção da saúde do homem; assim, este fator deve ser considerado em primeiro lugar, e todos os demais devem estar condicionados a ele. Muitas vezes, a instalação de um sistema de ventilação local exaustara, embora bem dimensionada, pode apresentar falhas que a tornem inoperante, pela não observância de regras básicas na captação de poluentes na fonte. O enclausuramento de operações ou processos, a direção do fluxo de ar, entre outros fatores, são condições básicas para uma boa captação e exausto dos poluentes Como exemplo, a Figura 6, a seguir, ilustra a maneira correta de se proceder, comparada com as situações que tornam a exaustão inoperante, nos casos específicos de descarregamento de correias transportadoras e tanques de lavagem. A ACGIH possui padrões de exausto da maioria dos processos e operações industriais, com forma e dimensões normalizadas. ACGIH- PRINCIPIOS DE EXAUSTÃO Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 93

95 Figura 6. Princípios de exaustão - ACGIH. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 94

96 Captores (Coifas) São pontos de captura de poluentes, que, dimensionados convenientemente para uma fonte poluidora, irão enclausurar parte da fonte e, com um mínimo de energia,consegue-se a entrada destes poluentes para o sistema de exaustão. Esses captures devem induzir, na zona de emissão de poluentes, correntes de ar em velocidades tais que assegurem que os poluentes sejam carregados pelas mesmas para dentro do captor. Em casos especiais, formas de captores devem ser desenhadas. Usualmente as dimensões do processo ou operação determinam as dimensões do captor e sua forma. Vários tipos de captores são utilizados nas mais diversas aplicações industriais (vide Figura 7). Figura 7. Tipos de captores (coifas) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 95

97 A Figura 8, a seguir, mostra em detalhes um captor enclausurante para trabalhos com esmeris Figura 8 - Norma para captor de disco de esmeril. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 96

98 Para este caso, a ACGIH estabelece condições básicas, tais como dimensões em relação ao disco e vazões de ar mínimas, sendo considerado péssimo o enclausuramento quando a área do disco exposta exceder a 25%. Evidentemente, estes valores são obtidos a partir de dados experimentais e após testes comparativos com inúmeros materiais de ensaio Sistema de dutos (dimensionamento) Una linha de dutos deverá ser instalada de acordo com o layout geral da fábrica, interligando captores ( coifas) ao sistema de coleta. Esta linha deverá ser do menor comprimento possível, a fim de minimizar a perda de carga, consumindo dessa forma menos energia. Isto significa que o sistema de coleta constituído por um exaustor-coletor deverá ser instalado o mais próximo possível dos pontos de captação ( coifas ou captores). Para o dimensionamento de dutos e captores, bem como das singularidades ao longo deles, o projetista deverá levar em consideração as vazões necessárias para cada captor, velocidade de transporte recomendada para o trecho principal dos dutos e as devidas perdas de carga, a fim de determinar a potência do motor e ventilador, bem como das secções dos dutos. Para tanto, a American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) e demais literaturas a respeito possuem toda a informação necessária para o cálculo das perdas de carga, expressas em milímetros ou polegadas de coluna de água. Por conveniência, podem ser adotados: tubos: secção circular; cotovelos: 90º conexões : 30º raios de curvatura: r = 2d (duas vezes o diâmetro do duto). É desaconselhavel o uso de tubos de secção retangular para sistemas de exaustão, por apresentarem cantos vivo, que facilitam a deposição de poeira, e que exigem, portanto, motor de maior potência para manter a eficiência necessária; Alan Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 97

99 disso, haverá um maior desgaste dos dutos, implicando em freqüentes manutenções. É interessante a adoção de valores fixos (por exemplo, raio de curvatura r = 2d), o que significa que todas as curvaturas serão semelhantes, dando um aspecto arquitetônico a instalação, mesmo com pequeno acréscimo de perda de carga. um exaustor. A Figura 9, a seguir, mostra uma instalação dutos interligados a um coletor e Figura 9 - sistema de dutos Ventiladores São os responsáveis pelo fornecimento de energia ao ar, com a finalidade de movimenta-lo, quer seja em ambientes quer seja em sistema de dutos. A função básica de um ventilador é, pois, mover uma dada quantidade de ar por um sistema de ventilação a ele conectado. Assim o ventilador deve gerar uma pressão estática suficiente para vencer as perdas do sistema e uma pressão cinética para manter o ar em movimento. Basicamente, há dois tipos de ventiladores: os axiais e os centrífugos. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 98

100 a) ventilador axial. O ventilador de hélice (Figura 10a) consiste em uma hélice montada muna armação de controle de fluxo, com o motor apoiado por suportes normalmente presos à estrutura dessa armação. O ventilador é projetado para movimentar o ar de um espaço fechado a outro a pressões estáticas relativamente baixas. O tipo de armação e posição da hélice tem influência decisiva no desempenho do ar e eficiência do próprio ventilador. Figura 10a - tipo de ventilador axial Figura 10b - tipo de ventilador centrífugo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 99

101 b) Centrífugo Um ventilador centrífugo (Figura 10b) consiste em um rotor, uma carcaça de conversão de pressão e um motor. O ar entra no centro do rotor em movimento na entrada, e acelerado pelas palhetas é impulsionado da periferia do rotor para fora da abertura de descarga Vantagens e desvantagens Os tipos principais de ventiladores Axiais e Centrífugos são os da Figura 11 As principais vantagens essenciais de cada tipo são dadas a seguir. a) - Axial propulsor. É tipo mais barato para mover grandes volumes de ar a baixas pressões, sendo freqüentemente utilizado para circulação de ar ambiente. Figura abaixo. Figura 11a - Axial Propulsor b) Axial comum - Possui ampla calota central, que possibilita sua utilização a pressões mais elevadas. É freqüentemente usado em ventilação de minas subterrâneas e, em algumas ocasiões, em industrias. Nesse tipo de ventilador, a forma das pás é muito importante, e eles não devem ser usados onde haja risco de erosão e corrosão. Figura 11b - Axial Comum Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 100

102 c) Tubo-axial - Trata-se de um propulsor, com pás mais grossas mais largas, colocado dentro de um tubo, o que permite direta conexão como dutos. Figura 11c - Tubo axial d) Centrífugo, pás para trás - Possui duas importantes vantagens: 1ª - apresenta maior eficiência e auto-limitação de potência. Isso significa que, se o ventilador está sendo usado em sua máxima potência, o motor não será sobrecarregado por mudanças de sistema de dutos. É um ventilador de alta eficiência e silencioso, se trabalhar num ponto adequado. Figura 11d - Centrífugo com pás para trás e) Centrífugo, pás radiais - Um ventilador robusto, para movimentar efluentes com grande carga de poeira, poeiras pegajosas e corrosivas. Apresenta menores possibilidades de "afogar", sendo usado para trabalhos mais pesados. A eficiência desse tipo de ventilador é baixa, e seu funcionamento, barulhento. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 101

103 Figura 11e - Centrífugo com pás radiais. f) - Centrífugo, pás para frente - Mais eficiente, tem maior capacidade exaustora a baixas velocidades, e não é adequado para trabalhos de alta pressão nem para altas cargas de poeira, apresentando problemas freqüentes de corrosão, se mal utilizado. Figura 11f - Centrífugo com pás para frente Leis dos ventiladores Já vimos que a vazão varia com a rotação, que a pressão desenvolvida varia com o quadrado da rotação e que a potência varia com o cubo da rotação. Essas relações, acrescidas das que mostram a variação da vazão, da pressão e da potência, com a densidade do fluido e o tamanho do ventilador, constituem as chamadas leis dos ventiladores. Usaremos a seguinte nomenclatura: D = diâmetro de ventilador (pés);1 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 102

104 Q = vazão exaurida (pés /min) pressão estática (pol. de H 2 0); SP = rotações por minuto; HP = potência transferida ao fluido (em horse power); ω = capacidade do ventilador (lb./min); ρ = densidade do fluido gasoso (lb./pe³); η = eficiência mecânica do ventilador. As leis dos ventiladores podem ser expressas conforme segue: a) P ara um dado ventilador exaurindo um gás de densidade constante, 1 = Q 1 = rpm 1 2 Q 2 rpm 2 SP 1 = (rpm 1 ) SP 2 (rpm 2 ) HP 1 = (rmp 1 )³ HP2 (rpm 2 ) 3 b ) Para um dado ventilador a rotação constante; Q = constante, 1 = P 1 2 P 2 SP 1 = P 1 SP 2 P 2 HP 1 = P 1 HP 2 P 2 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 103

105 c) A variação com o tamanho de d é: Q 1 = {d 1 }³ Q 2 {d 2 } SP 1 = {d 1 }² SP 2 {d 2 } HP 1 = {d 1 }³ HP 2 {d 2 } A variação da vazão com a rotação faz com que muitos se proponham a aumenta-la com o objetivo de conseguir maiores vazões. Vale pois, lembrar o aumento da potência com o cubo da rotação, fazendo com que o motor originalmente utilizado nem sempre suporte esse aumento, havendo risco de que seja danificado. Cuidados de ordem estrutural do ventilador também devem ser tomados. Curva característica A eficiência pode ser computada e plotada pelo uso da seguinte relação: N = Q x SP_ 6356 x HP Cada curva é correspondente a um tamanho, a uma rotação e a una densidade. Se houver mudança em um desses parâmetros, a curva mudará, de acordo com a lei dos ventiladores. A forma da curva depende, em parte, do tipo de ventilador. Dados necessários para a seleção correta de um ventilador Capacidade ou Vazão? Pressão Estática ou Total? Potência Absorvida? O ventilador será centrífugo ou axial? Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 104

106 Pode ser silencioso, de médio ou alto ruído? Vai aspirar ar limpo, sujo, com pós, fiapos ou corrosivos? Sendo corrosivo, quais são os agentes? Qual a temperatura do ar aspirado? Qual o diâmetro da peça onde vai ser ligado o ventilador, se for o caso? Trata-se de instalação de ventilação para fins de conforto ou para fins de aspiração de poeiras, ou troca de calor, ou de ar condicionado, civil ou industrial, ou torres de arrefecimento de água, ou de cabine de pintura? Não sabendo a capacidade, indicar o volume do ambiente, o numero de pessoas presentes, a potência instalada, os Kg/Hora de óleo queimado, etc. No caso de o ventilador ser centrífugo, indicar a posição da boca de saída, olhando do lado do motor ou da polia. Qual é o diâmetro e o comprimento dos dutos onde vai ser ligado o ventilador? Quantas curvas tem esse duto? Esse duto termina na atmosfera ou dentro de una máquina? Como se chama essa máquina? Se vai aspirar de una coifa ou captor, quais as suas dimensões? No caso de substituição de ventilador existente, indicar: Motor = Potência...HP; RPM...; Volts... Transmissão direta ou por polia?..... ; Material de que é feito Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 105

107 CAPITULO 4 - COMPRESSORES 4.1 HISTÓRICO Primeira aplicação: certamente, na pré-história, para avivar as brasas de uma fogueira. Primeiro compressor: os pulmões humanos, 100 l/min e pressão de 0,02 a 0,08 bar em valores médios. Encontra aplicação até nos dias de hoje. Por volta de AC, quando o homem começou a trabalhar com metais esse compressor se mostrou ineficiente. Usou-se o vento como fonte de ar. No Egito, em AC, foram introduzidos os foles acionados com os pés ou com as mãos. Os foles manuais permaneceram em uso por mais de anos. A ilustração mostra um fole de 1530, usado para a ventilação de minas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 106

108 Em 1762 John Smeaton registra a patente de um compressor acionado por uma roda d água. Aperfeiçoamento com a invenção de John Wilkinson, a máquina de broquear. O desenvolvimento dos compressores possibilitou o incremento do processamento de minérios e da produção dos metais. Em 1857 foi feita a primeira experiência de sucesso no transporte de energia por meio de ar comprimido, na construção do túnel Mont Cenis, nos Alpes Suíços. Em Paris, no ano de 1888 entra em operação a primeira planta de distribuição de ar comprimido. O ar comprimido era usado desde o acionamento de geradores e relógios até distribuição de cerveja. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 107

109 A técnica de construção e de materiais foi se desenvolvendo, a figura abaixo, mostra um compressor de ar alternativo, resfriado a água, de duplo efeito e duplo estágio, fabricação Mannesmann, de O escoamento e aumento de pressão de fluidos compressíveis se torna possível por máquinas como os compressores, ejetores, ventiladores, sopradores e bombas de vácuo CLASSIFICAÇÃO DE TIPOS DE COMPRESSORES Quanto à aplicação: - Compressores de ar para serviços ordinários, - Compressores de ar para serviços industriais, - Compressores de gases ou de processos, - Compressores para instalações de refrigeração, - Compressores para vácuo. Cada um desses equipamentos tem características próprias que atendem uma determinada aplicação específica. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 108

110 Turbo Volumetrico Equipamentos Industriais Dinâmicos Quanto ao princípio construtivo: - Compressores volumétricos, também de chamados de deslocamento positivo. - Compressores dinâmicos ou turbo compressores. Nos primeiros a elevação da pressão é conseguida por meio da redução do volume ocupado pelo fluido. Já no segundo caso a elevação da pressão é obtida pela transformação da energia cinética do gás, que foi acelerado pelo impelidor (ou rotor), em energia de pressão, quando o gás passa por elemento interno denominado difusor Quanto ao Funcionamento: Alternativos Compressores Volumétricos Rotativos Palhetas Parafusos Lóbulos Centrífugos ( Trajetória Radial ) Dinâmicos Axiais ( Trajetória Axial ) Ejetores LIMITES GERAIS DE DIVERSOS TIPOS DE COMPRESSORES TIPO Max. Pressão de Descarga (psia) Max. Relação Compressão por estágio Máx. Relação Compressão por máquina Máx. Vazão medida na sucção Alternativos Rotativos Centrífugos (10000) 3-4, Axiais ,2-1,5 5-6, Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 109

111 Os compressores atuais associam recursos de controle informatizado e recuperação de energia. São compactos e de elevada eficiência. As vazões e as pressões podem atingir valores muito elevados, exigindo equipamentos de grande porte. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 110

112 4.3. PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DOS COMPRESSORES VOLUMÉTRICOS E SUAS FORMAS CONSTRUTIVAS Compressores alternativos (a pistão) Usam sistemas de manivelas e bielas conectadas a pistões nos interior de cilindros. Esses podem ser de simples ou duplo efeito. A disposição desses cilindros poderá ser em V, em linha, opostos, em estrela, etc. Compressor Recíproco Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 111

113 Formas construtivas dos Compressores Alternativos Disposição dos cilindros em compressores alternativos Válvulas na sucção e na descarga de Compressores Alternativos Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 112

114 4.3.2 Compressores Rotativos de Palhetas Possui um tambor central que gira em uma posição excêntrica a uma carcaça externa. Nesse tambor central estão dispostas palhetas inseridas em rasgos longitudinais. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 113

115 4.3.2 Compressores Rotativos de Parafusos Compressores Rotativos de Lóbulos Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 114

116 4.3.5 Outros volumétricos menos usados: Diafragma Outros volumétricos menos usados: Scroll Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 115

117 4.3.7 Outros volumétricos menos usados: Tooth Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 116

118 4.4. PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DOS COMPRESSORES DINÂMICOS E SUAS FORMAS CONSTRUTIVAS Compressores Centrífugos Compressores Centrífugos Detalhes Construtivos Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 117

119 4.4.2 Difusores - São formados a partir da montagem dos diafragmas Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 118

120 Compressores Centrífugos Detalhes Construtivos Impelidores - Nos impelidores o gás recebe inicialmente um trabalho mecânico adquirindo Energia Cinética, sendo esta energia, através da passagem do gás, em canais cuja área transversal aumenta progressivamente no sentido do fluxo, é transformada em Energia de Pressão (Entalpia). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 119

121 4.4.4 TIPOS DE IMPELIDORES Abertos (Altas Vazões); IMPELIDORES Semi Abertos (1º Impelidor de máquina de múltiplos estágios); Fechados (Maior relação de compressão). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 120

122 4.4.5 COMPRESSORES CENTRÍFUGOS DE SIMPLES E MÚLTIPLO ESTÁGIO TIPOS DE PARTIÇÃO DA CARCAÇA - BIPARTIDA HORIZONTALMENTE: - BIPARTIDA VERTICALMENTE ( PARA ALTAS PRESSÕES E GASES LEVES ) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 121

123 4.5. COMPRESSORES AXIAIS 4.6. SELEÇÃO DE UM COMPRESSOR Altas pressões Alternativos Altas vazões Centrífugos e axiais Uso geral Parafuso Ressalta-se que o custo inicial representa apenas 12% do custo total durante a vida útil de um compressor, mais 10% se devem a gastos com manutenção e o restante, 78% são relativos a custos com energia elétrica para o acionamento. 4.7 RENDIMENTO DOS COMPRESSORES Consumo específico é dado pela relação entre a potência consumida e a vazão máxima do equipamento nos fornece uma primeira idéia da eficiência Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 122

124 do equipamento. Deve-se tomar cuidado para comparar dados com pressões diferentes. Os gráficos a seguir apresentam valores típicos e de catálogos dos fabricantes SISTEMA DE SELAGEM Selagem Interna No Eixo; Local da Selagem No olho dos Impelidores. No pistão de Balanço Tipos de Selagem Anéis Labirinto; Lâminas de Selagem. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 123

125 Definições Gerais Sobre Utilização - Normalmente os Anéis Labirintos são confeccionados em Liga de Alumínio, - Para Temperaturas acima de 250ºF e produtos corrosivos, devem ser utilizadas lâminas de selagem fabricadas em Monel ou Inox. LABIRINTOS DOS IMPELIDORES - Grande influência na eficiência do equipamento - Não se deve ultrapassar 30% da folga máxima estipulada. LABIRINTOS DO EIXO - Pequena influência na eficiência do equipamento - A substituição é recomendada quando atingir 100% da folga máxima estipulada. LABIRINTOS DO TAMBOR (PISTÃO) DE BALANÇO Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 124

126 - Não deve ultrapassar 18% da folga máxima estipulada - Comprometimento do Mancal de Escora Selagem Externa É o sistema de selagem, localizado nas extremidades da máquina, e que evita o vazamento de gases para a atmosfera Tipos De Selagem - Por Labirinto; - Selo de Filme de Óleo; - Selo Mecânico de Contato; - Dry Gas Seal (Selo à Gás). Por Labirinto Dry Gas Seal (Selo à Gás). Por Labirinto Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 125

127 Selo de Filme de Óleo (Anéis flutuantes) - Utilizado para altas pressões Selo de Filme de Óleo (Anéis flutuantes) - Utilizado para altas pressões Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 126

128 Selo Mecânico de Contato - Pressões de até 70 Kgf/cm² - Menor consumo de óleo Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 127

129 Dry Gas Seal (Selo à Gás). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 128

130 4.9. SISTEMA DE BALANCEAMENTO AXIAL Compensa o empuxo axial através de duas maneiras: - Uso do Disco de Balanço; - Uso de Fluxo em duplo sentido (Rotores tipo Back-to-Back) Disco de Balanço Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 129

131 4.9.2 Fluxo Misto Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 130

132 MANCAIS Mancais Axiais - Tipo Sapata: - Disco de Escora: Atualmente são colocados através de dispositivo hidráulico. Não é mais usado com aquecimento ou montagem tipo Poligon ( 3 Raios ) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 131

133 Mancais Radiais Tipo Sapata (Tilting Pad) - O ring Damper Bearing Tipo Luva (Sleeve Type Radial Bearing) LIMITES DE OPERAÇÃO Limite Inferior Existe uma capacidade mínima para cada compressor, a cada rotação abaixo da qual a operação se torna instável, Esta instabilidade é chamada de Surging (Surge). O que é o fenômeno do Surge? Conseqüências: SURGE - Forte deslocamento axial; H - Altos índices de vibração; - Comprometimento dos mancais radiais/axiais e internos do compressor; - Falhas na selagem poderão ocorrer. Q min Q proj Q max Q Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 132

134 Limite Superior É denominado pelo fenômeno Stonewall ou Choke. Ocorre quando a velocidade do gás se aproxima da velocidade do som em algum estágio do compressor. Ocorre geralmente no 1º Estágio e são resultadas de choque que restringe o escoamento, causando um efeito de blocagem (Queda rápida da pressão) CUIDADOS PRINCIPAIS NA MONTAGEM DOS CONJUNTOS ROTATIVOS Máquinas que trabalham em altas rotações na ordem de rpm; São em geral eixos flexíveis - operam acima da 1ª Velocidade crítica; Balanceamento residual muito baixo; Utiliza-se a tolerância conforme a norma API *W/n (g*mm) Onde: W- Peso (Kg) n- Rotação (rpm) Balanceamento Progressivo 1) eixo em vazio; 2) Montagem aos pares dos componentes balanceando em 2 planos; 3) Montagem do disco de escora - Balancear somente o disco em 1 plano; 4) Balanceamento dinâmico final do conjunto. Folga de dilatação entre luvas e impelidores - 0,003 ~0,006 ; Concentricidade dos componentes - TIR 0,004 a 0,002 (Dependendo da rotação); Batimento axial no olho do impelidor na ordem de 0,005 ; Concentricidade das luvas de selagem de 0, Devido às folgas entre selo/eixo estarem na ordem de 0,002 para anéis liquido e folga zero para o selo à gás (Preservação do selo); Proteção da região de trabalho dos sensores no eixo; Posicionamento axial dos impelidores - Esta diretamente relacionado à eficiência da máquina - OVERLAP. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 133

135 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 134

136 4.12. UNIDADES DE MEDIÇÃO DE VAZÃO SCFM - Standard Cubic Feet per Minute Vazão na condição Tempreratura 60ºF Pressão 14,7 psia Nm³/h - Normal Metros cúbicos por hora Vazão na condição Tempreratura 0ºC Pressão 1 Kg/cm² abs. ACFM ( Actual (Atual) CFM) ou ICFM (Inlet (Sucção) CFM) CURVA CARACTERISTICA DE UM COMPRESSOR Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 135

137 4.14. EJETORES Funcionamento Do Ejetor A Vapor Os ejetores a vapor proporcionam uma forma confiável e econômica de se obter vácuo. As vantagens iniciais dos ejetores a vapor são seu baixo custo inicial, inexistência de partes móveis e simplicidade de operação. O ejetor a vapor convencional é composto de quatro partes básicas: cabeçote de vapor, bico ou bicos, câmara de mistura e difusor. O diagrama abaixo ilustra o funcionamento básico de um ejetor: Um fluido motriz de alta pressão entra por 1 e expande através do bico convergente-divergente até 2; o fluido succionado entra por 3 e se mistura com o fluido motriz na câmara de mistura 4; ambos os fluidos são recomprimidos através do difusor até 5. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 136

138 Tipos De Ejetores -Ejetor de Bico Único O Ejetor de bico único são utilizados tanto para fluxos críticos como não críticos, mas normalmente para uma única condição de projeto. -Ejetor de Múltiplos Bicos O Ejetor de múltiplos bicos, em muitos casos, eles oferecem uma redução do consumo de vapor de 10% a 20%, quando comparados com unidades projetadas para as mesmas condições com ejetores de bico único. -Ejetor Operado Com Agulha Os Ejetores operados com agulhas são indicados quando a pressão de sucção ou de descarga é variável. Durante o funcionamento, uma agulha acionada pneumaticamente se move através do orifício do bico para controlar a vazão de fluido motriz. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 137

139 -Sistema De Vácuo De 5 Estágios Os sistemas de múltiplos estágios freqüentemente possuem condensadores de superfície ou de contato direto CONCLUSÃO O grau de criticidade deste tipo de equipamento nas indústrias e as folgas de projeto apertadas, requerem um cuidado especial no projeto, fabricação de seus componentes e montagem, bem como nos sistemas de lubrificação e selagem, garantindo a boa performance e confiabilidade operacional destes equipamentos. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 138

140 CAPITULO 5 - LUBRIFICAÇÃO 5.1 ATRITO O atrito é uma designação genérica da resistência que se opõe ao movimento. Esta resistência é medida por uma força denominada força de atrito. Encontramos o atrito em qualquer tipo de movimento entre sólidos, líquidos ou gases. No caso de movimento entre sólidos, o atrito pode ser definido como a resistência que se manifesta ao movimentar-se um corpo sobre outro. Figura 1.1 O atrito tem grande influência na vida humana, ora agindo a favor, ora contra. No primeiro caso, por exemplo, possibilitando o simples caminhar. O segundo preocupa-nos mais de perto e tudo tem sido feito para minimizar esta força. O menor atrito que existe é dos gases, vindo a seguir o dos fluidos e, por fim, o dos sólidos. Como o atrito fluido é sempre menor que o atrito sólido, a lubrificação consiste na interposição de uma substância fluida entre duas superfícies, evitando, assim, o contato sólido com sólido, e produzindo o atrito fluido. É de grande importância evitar-se o contato sólido com sólido, pois este provoca o aquecimento das peças, perda de energia pelo agarramento das peças, ruído e desgaste. O atrito sólido pode se manifestar de duas maneiras: como atrito de deslizamento e como atrito de rolamento. No atrito de deslizamento, os pontos de um corpo ficam em contato com pontos sucessivos do outro. No caso do atrito de rolamento, os pontos sucessivos de um corpo entram em contato com os pontos sucessivos do outro. O atrito de rolamento é bem menor do que o atrito de deslizamento. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 139

141 Figura 1.2 Figura 1.3 As leis que regem o atrito de deslizamento são as seguintes: 1ª Lei O atrito é diretamente proporcional à carga aplicada. Portanto, o coeficiente de atrito se mantém constante e, aumentando-se a carga, a força de atrito aumenta na mesma proporção. Fs = μ x P Sendo: Fs = atrito sólido μ = coeficiente de atrito Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 140

142 P = carga aplicada Figura 1.4 2ª Lei O atrito, bem como o coeficiente de atrito, independem da área de contato aparente entre superfícies em movimento. Figura 1.5 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 141

143 3ª Lei O atrito cinético (corpos em movimento) é menor do que o atrito estático (corpos sem movimento), devido ao coeficiente de atrito cinético ser inferior ao estático. Figura 1.6 4ª Lei O atrito diminui com a lubrificação e o polimento das superfícies, pois reduzem o coeficiente de atrito. Figura 1.7 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 142

144 No atrito de rolamento, a resistência é devida sobretudo às deformações. As superfícies elásticas (que sofrem deformações temporárias) oferecem menor resistência ao rolamento do que as superfícies plásticas (que sofrem deformações permanentes). Em alguns casos, o atrito de rolamento aumenta devido à deformação da roda (por exemplo, pneus com baixa pressão). As leis do atrito de rolamento são as seguintes: 1ª Lei: A resistência ao rolamento é diretamente proporcional à carga aplica. Figura 1.8 ou esfera. 2ª Lei: O atrito de rolamento é inversamente proporcional ao raio do cilindro Figura 1.9 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 143

145 5.2 - LUBRIFICANTE Exames acurados do contorno de superfícies sólidas, feitas no microscópio eletrônico e por outros métodos de precisão, mostraram que é quase impossível mesmo com os mais modernos processos de espelhamento, produzir uma superfície verdadeiramente lisa ou plana. Ampliando-se uma pequena porção de uma superfície aparentemente lisa, temos a idéia perfeita de uma cadeia de montanhas. Figura 1.10 Supondo duas barras de aço com superfícies aparentemente lisas, uma sobre a outra, tais superfícies estarão em contato nos pontos salientes. Figura 1.11 Quanto maior for a carga, maior será o número de pontos em contato. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 144

146 Figura 1.12 Ao movimentar-se uma barra de aço sobre a outra haverá um desprendimento interno de calor nos pontos de contato. Devido à ação da pressão e da temperatura, estes pontos se soldam. Figura 1.13 Para que o movimento continue, é necessário fazer uma força maior, a fim de romper estas pequeníssimas soldas (micro-soldas). Figura 1.14 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 145

147 Com o rompimento das micro-soldas, temos o desgaste metálico, pois algumas partículas de metal são arrastadas das superfícies das peças. Quando os pontos de contato formam soldas mais profundas, pode ocorrer a grimpagem ou ruptura das peças. Figura 1.15 Uma vez que o atrito e o desgaste provêm do contato das superfícies, o melhor método para reduzi-los é manter as superfícies separadas, intercalando-se entre elas uma camada de lubrificante. Isto, fundamentalmente, constitui a lubrificação. Figura 1.16 Portanto, lubrificantes é qualquer material que, interposto entre duas superfícies atritantes, reduza o atrito. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 146

148 seguintes: FUNÇÕES DOS LUBRIFICANTES As principais funções dos lubrificantes, nas suas diversas aplicações, são as assim a perda de energia; em atrito fluido, evitando superfícies, origem do desgaste; superfícies (motores, operações de corte etc.); força com um mínimo de perda (sistemas hidráulicos, por exemplo); f) Amortecimento de choqu fluida (como nos amortecedores dos automóveis) e amortecendo o choque dos dentes de engrenagens; vernizes; de lubrificantes e a entrada de partículas estranhas (função das graxas), e impedindo a entrada de outros fluidos ou gases (função dos óleos nos cilindros de motores ou compressores). A falta de lubrificação causa uma série de problemas nas máquinas. Estes problemas podem ser enumerados, conforme a ocorrência, na seguinte seqüência: a) Aumento do atrito; b) Aumento do desgaste; c) Aquecimento; d) Dilatação das peças; e) Desalinhamento; Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 147

149 f) Ruídos; g) Grimpagem h) Ruptura das peças PELÍCULA LUBRIFICANTE Para que haja formação de película lubrificante, é necessário que o fluído apresente adesividade, para aderir às superfícies e ser arrastada por elas durante o movimento, e coesividade, para que não haja rompimento da película. A propriedade que reúne a adesividade e a coesividade de um fluido é denominada oleosidade. A água não é um bom lubrificante; sua adesividade e coesividade são muito menores que as de um óleo. Figura CLASSIFICAÇÃO DA LUBRIFICAÇÃO A lubrificação pode ser classificada, de acordo com a película lubrificante, em total ou fluida, limite e mista. Na lubrificação total ou fluida, a película lubrificante separa totalmente as superfícies, não havendo contato metálico entre elas, isto é, a película possui espessura superior à soma das alturas das rugosidades das superfícies. Serão resultantes, assim, valores de atrito baixos e desgaste insignificantes. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 148

150 Figura 1.18 Na lubrificação limite, a película, mais fina, permite o contato entre as superfícies de vez em quando, isto é, a película possui espessura igual à soma das alturas das rugosidades das superfícies. Nos casos em que cargas elevadas, baixas velocidades ou operação intermitente impedem a formação de uma película fluida, é conveniente empregar-se um lubrificante com aditivos de oleosidade ou antidesgaste. Onde as condições são muito severas, e estes aditivos perdem a eficiência, devem ser empregados aditivos de extrema pressão. Figura 1.19 Na lubrificação mista, podem ocorrer os dois casos anteriores. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 149

151 Por exemplo, na partida das máquinas os componentes em movimento estão apoiados sobre as partes fixas, havendo uma película insuficiente, permitindo o contato entre as superfícies (lubrificação limite). Quando o componente móvel adquire velocidade, é produzida uma pressão (pressão hidrodinâmica), que separa totalmente as superfícies, não havendo contato entre elas (lubrificação total) CUNHA LUBRIFICANTE Os mancais são suportes que mantêm as peças (geralmente eixos) em posição ou entre limites, permitindo seu movimento relativo. Os mancais de deslizamento possuem um espaço entre o eixo e o mancal denominado folga. As dimensões da folga são proporcionais ao diâmetro d do eixo (0,0006d a 0,001d) e suas funções são suportar a dilatação e a distorção das peças, bem como neutralizar possíveis erros mínimos de linhamento. Além disto, a folga é utilizada para introdução do lubrificante. O óleo introduzido na folga adere às superfícies do eixo e do mancal, cobrindo-as com uma película de lubrificante. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 150

152 Com a máquina parada, devido à folga o eixo toma uma posição excêntrica em relação ao mancal, apoiando-se na parte inferior. Nesta posição a película lubrificante entre o eixo e o mancal é mínima, ou praticamente nenhuma. - Na partida da máquina, o eixo começa a girar e o óleo, aderindo à sua superfície, é arrastado, formando-se a cunha lubrificante. Durante as primeiras rotações, o eixo sobe ligeiramente sobre a face do mancal, em direção contrária à da rotação, permanecendo um considerável atrito entre as partes metálicas, pois existe contato entre as superfícies (lubrificação limite). À medida que a velocidade aumenta, maior será a quantidade de óleo arrastada, formando-se uma pressão hidrodinâmica na cunha lubrificante, que tende a levantar o eixo para sua posição central, eliminando o contato metálico (lubrificação total). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 151

153 A pressão não se distribui uniformemente sobre o mancal, havendo uma área de pressão máxima e outra de pressão mínima RANHURAS Na lubrificação dos mancais, é de grande importância o local de introdução do lubrificante. O ponto de aplicação do lubrificante deve ser escolhido em uma área de pressão mínima, caso contrário a sua entrada seria impedida pela pressão do eixo sobre o mancal, seriam necessárias bombas de alta potência. Para permitir a rápida distribuição do óleo lubrificante ao longo do mancal, nele são feitas as ranhuras. A eficiência da distribuição depende do formato e da localização das ranhuras. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 152

154 As ranhuras jamais devem ser colocadas nas áreas de pressão máxima, que anulariam suas funções, impedindo a distribuição do lubrificante. As ranhuras devem ter suas arestas bem chanfradas, a fim de não rasparem o óleo que está sobre o eixo. Não é necessário chanfrar a aresta da ranhura que o eixo encontra primeiramente na sua rotação, pois esta não raspará o óleo do eixo. As ranhuras não devem atingir as extremidades do mancal, para evitar o vazamento. As faces das juntas de mancais bipartidos geralmente devem ser chanfradas, para que cada chanfro forme a metade de uma ranhura. Lubrificação: Sistema selado Os mais simples sistemas selados de lubrificação dependem das propriedades do óleo: viscosidade e untuosidade. Assim, o óleo lubrifica as superfícies das peças por meio de rodas dentadas, de anéis ou correntes. No primeiro caso, por exemplo, uma ou mais rodas puxam o óleo para a parte inferior do depósito. O óleo é Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 153

155 projetado em volta da peça, e lubrifica também os mancais devido à força da projeção. Além da função de lubrificante, o óleo tem ação refrigerante. O nível de óleo no cárter não deve ser muito baixo, caso contrário ele não atinge o nível das partes a serem lubrificadas. Se isso acontecer, as partes não se resfriam e ocorre aquecimento excessivo do óleo, além de desgaste e ruídos. Por outro lado, se o nível do óleo for muito elevado, haverá aumento inútil de resistência ao movimento. A turbulência excessiva provocará aumento de temperatura e maior possibilidade de perda de lubrificante nos mancais. Para a carga e descarga do óleo usam-se tampas apropriadas. O controle do nível de óleo é feito por meio de indicadores que podem ser fabricados em náilon preto, com cristal incorporado, ou em resina sintética transparente. Os indicadores de náilon são encontrados no comércio para montagem forçada com anel de vedação tipo OR ou para montagem parafusada. Os indicadores de resina são montados por meio de parafusos. Nesse sistema de lubrificação, uma determinada quantidade de fluido circula constantemente entre as partes móveis e o tanque. Por não haver perdas, após certo tempo é necessário trocar o óleo, uma vez que os aditivos perdem sua eficiência. Principais sistemas de aplicação com reaproveitamento do lubrificante: Lubrificação por banho Nesse sistema, o lubrificante fica num recipiente que, em geral, é a própria carcaça da máquina. As partes a serem lubrificadas mergulham total ou parcialmente no óleo. A seguir, o excesso de óleo colhido no banho é distribuído para outras partes. Para isso, existem ranhuras e coletores que formam uma rede de distribuição. A lubrificação por banho é muito usada em caixas de engrenagens. A figura acima ilustra a lubrificação de mancal de rolamento por banho. É importante manter constante o nível de óleo, pois um nível baixo reduz a lubrificação. Por outro lado, um nível muito alto de óleo causa excesso de agitação, provocando a formação de espuma e o aumento da temperatura. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 154

156 ] Banho com anel Nesse sistema, o óleo fica num reservatório, abaixo do mancal. Ao redor do eixo do mancal repousa um anel com diâmetro maior que o do eixo e com a parte inferior mergulhada no óleo. Devido ao movimento do eixo, o anel também gira e transporta o óleo até um canal de distribuição. Pode-se usar uma corrente no lugar do anel. O banho com anel é muito usado em motores elétricos, bombas e compressores. Óleos muito viscosos são inadequados a esse sistema porque prendem o anel. Banho com anel Banho com colar É um sistema que substitui o anel do sistema anterior por um colar fixo ao eixo do mancal. É adequado a lubrificantes viscosos e em serviços com alta velocidade. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 155

157 Lubrificador de nível constante É um lubrificador auxiliar para os sistemas descritos. O dispositivo constitui-se de dois reservatórios interligados. O primeiro reservatório é o alimentador que, em geral, é transparente. O segundo é o reservatório de nível constante em que funciona a lubrificação por anel, colar etc. O funcionamento do lubrificador de nível constante ocorre do seguinte modo: quando o nível do segundo reservatório baixa, o ar passa pelo tubo de interligação e impulsiona o óleo do primeiro reservatório para o segundo, restabelecendo o nível. Lubrificador de nível constante Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 156

158 Lubrificação por salpico É uma derivação do banho de óleo. Mergulha-se uma peça no óleo e com o movimento das peças, o lubrificante é salpicado nas várias partes do conjunto mecânico. Trata-se de um sistema muito usado em motores de combustão interna e em compressores de ar. Banho com estopa É um sistema que mantém um chumaço de estopa em contato com o eixo. Na extremidade inferior da estopa é colocado o óleo, que atinge o eixo por capilaridade. A estopa, em geral, é de lã. Antes de introduzi-la, impregnada de óleo, na caixa, deve-se drená-la, pois o óleo em excesso aumenta o peso da estopa e faz com que ela se afaste do eixo. O banho com estopa é um sistema usado em pequenos motores elétricos e em vagões ferroviários. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 157

159 Banho com almofada É constituído de uma almofada de lã fiada, contida em armação que é forçada por mola contra o eixo do mancal. O óleo é retirado do reservatório pela ação capilar da franja de mechas que sai da almofada. A quantidade de óleo varia de acordo com o número de mechas. Esse sistema tem os mesmos usos do banho com estopa. O banho com almofada é um sistema que está caindo em desuso. Em seu lugar estão sendo colocados mancais de rolamento. Sistema circulatório É um sistema que usa bomba para distribuir o lubrificante. O sistema circulatório pode atuar com alimentação por gravidade ou com alimentação por pressão. No sistema por gravidade, o fluido é bombeado do cárter para um reservatório superior. Desse reservatório, o fluido é distribuído por gravidade aos pontos de lubrificação. Um sistema mais complexo de lubrificação é o de circulação de óleo sob pressão, em que todos os elementos de uma máquina em movimento são lubrificados por uma corrente contínua de óleo. Além de desempenhar a função lubrificante, esse sistema serve para resfriar eficazmente superfícies em atrito. O óleo contido em um depósito é aspirado por uma bomba. Por meio de tubulações apropriadas, o óleo é levado aos órgãos em movimento. Após a lubrificação, o óleo retorna ao depósito e é submetido a uma filtragem. Pode ser necessário esfriar o óleo antes de colocá-lo em circulação novamente, o que é feito mediante circulação de água fria em serpentinas adequadas. Esse sistema é muito usado para lubrificar máquinas-ferramenta, redutores de engrenagens, motores endotérmicos e compressores. Como nos sistemas de anel, também no sistema de circulação a troca do óleo é efetuada periodicamente, e o lubrificante deve ser conservado corretamente. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 158

160 Detalhe de um suporte que compõe o cárter de um redutor de engrenagens e um sistema de lubrificação sob pressão. Além de lubrificar rodas dentadas, o suporte serve para lubrificar, com óleo, o mancal revestido de metal branco. O desenho apresenta uma série de canais circulares que aumentam, na superfície, a dispersão do calor pelo resfriamento do próprio mancal. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 159

161 CAPITULO 6 LUBRIFICANTES CLASSIFICAÇÃO Os lubrificantes são classificados, de acordo com seu estado físico, em líquidos, pastosos, sólidos e gasosos. Os lubrificantes líquidos são os mais empregados na lubrificação. Podem ser subdivididos em: óleos minerais puros, óleos graxos, óleos compostos, óleos aditivados e óleos sintéticos. Os óleos minerais puros são provenientes da destilação e refinação do petróleo. Os óleos graxos podem ser de origem animal ou vegetal. Foram os primeiros lubrificantes a serem utilizados, sendo mais tarde substituídos pelos óleos minerais. Seu uso nas máquinas modernas é raro, devido à sua instabilidade química, principalmente em altas temperaturas, o que provoca a formação de ácidos e vernizes. Os óleos compostos são constituídos de misturas de óleos minerais e graxos. A percentagem de óleo graxo é pequena, variando de acordo com a finalidade do óleo. Os óleos graxos conferem aos óleos minerais propriedades de emulsibilidade, oleosidade e extrema pressão. Os principais óleos graxos são: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 160

162 Os óleos aditivados são óleos minerais puros, aos quais foram adicionados substâncias comumente chamadas de aditivos, com o fim de reforçar ou acrescentar determinadas propriedades. Os óleos sintéticos são provenientes da indústria petroquímica. São os melhores lubrificantes, mas são também os de custo mais elevado. Os mais empregados são os polímeros, os diésteres etc. Devido ao seu custo, seu uso limitado aos locais onde os óleos convencionais não podem ser utilizados. Outros líquidos são às vezes empregados como lubrificantes, dado a impossibilidade de se utilizarem quaisquer dos tipos mencionados. A água, algumas vezes empregada, possui propriedades lubrificantes reduzidas, além de ter ação corrosiva sobre os metais. Os pastosos, comumente chamados graxas, são empregados onde os lubrificantes líquidos não executam suas funções satisfatoriamente. As graxas podem ser subdivididas em: graxas de sabão metálico, graxas sintéticas, graxas á base de argila, graxas etuminosas e graxas para processo. As graxas de sabão metálico são as mais comumente utilizadas. São constituídas de óleos minerais puros e sabões metálicos, que são a mistura de um óleo graxo e um metal (cálcio, sódio, lítio, etc.). Como os óleos, estas graxas podem ser aditivadas para se alcançarem determinadas características. As graxas sintéticas são as mais modernas. Tanto o óleo mineral, como o sabão, podem ser substituídos por óleos e sabões sintéticos. Como os óleos sintéticos, devido ao seu levado custo, estas graxas têm sua aplicação limitada aos locais onde os tipos convencionais não podem ser utilizados. As graxas á base de argila são constituídas de óleos minerais puros e argilas especiais de granulação finíssima. São graxas especiais, de elevado custo, que resistem a temperaturas elevadíssimas. As graxas betuminosas, formuladas à base de asfalto e óleos minerais puros, são lubrificantes de grande adesividade. Algumas, devido à sua alta viscosidade, devem ser aquecidas para serem aplicadas. Outras, são diluídas em solventes que se evaporam após sua aplicação. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 161

163 As graxas para processo são graxas especiais, fabricadas para atenderem a processos industriais como a estampagem, a moldagem etc. Algumas contêm materiais sólidos como aditivos. Os lubrificantes sólidos são usados, geralmente, como aditivos de lubrificantes líquidos ou pastosos. Algumas vezes, são aplicados em suspensão, em líquidos que se evaporam após a sua aplicação. A grafite, o molibdênio, o talco, a mica etc., são os mais empregados. Estes lubrificantes apresentam grande resistência a elevadas pressões e temperaturas. Os lubrificantes gasosos são empregados em casos especiais, quando não é possível a aplicação dos tipos convencionais. São normalmente usados o ar, o nitrogênio e os gases halogenados. Sua aplicação é restrita, devido à vedação exigida e às elevadas pressões necessárias para mantê-los entre as superfícies. 6.2 ANÁLISES A formulação de um óleo lubrificante é um trabalho complexo, em que o técnico deve estudar a compatibilidade entre os diversos tipos de óleos minerais puros (chamados óleos básicos), entre os diversos tipos de aditivos e entre os óleos minerais puros e os aditivos, de acordo com sua finalidade. Para se atingirem as características desejadas em um óleo lubrificante, realizam-se análises físico-químicas, que permitem fazer uma pré-avaliação de seu desempenho. Algumas destas análises não refletem as condições encontradas na prática, mas são métodos empíricos que fornecem resultados comparativos de grande valia quando associado aos métodos científicos desenvolvidos em laboratórios. Entre as análises realizadas com os lubrificantes temos: A) Densidade; B) Viscosidade; C) Índice de viscosidade; D) Ponto de fulgor (ou de lampejo) e ponto de inflamação (ou de combustão); Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 162

164 E) Pontos de fluidez e névoa; F) Água por destilação; G) Água e sedimentos; H) Demulsibilidade; I) Extrema pressão; J) Diluição; K) Cor; L) Cinzas oxidadas; M) Cinzas sulfatadas; N) Corrosão em lâmina de cobre; O) Consistência de graxas lubrificantes; P) Ponto de gota. A) Densidade A maior parte dos produtos líquidos do petróleo são manipulados e vendidos na base de volume; porém, em alguns casos, é necessário conhecer o peso do produto. O petróleo e seus derivados expandem-se quando aquecidos, isto é, o volume aumenta e o peso não se modifica. Por esta razão, a densidade é medida a uma temperatura padrão ou, então, convertida para esta temperatura por meio de tabelas. A densidade é um número que define o peso de um certo volume de uma substância quando submetida a uma determinada temperatura. A densidade de uma substância é a relação entre o peso do volume dessa substância medido a uma determinada temperatura e o peso de igual volume de outra substância padrão (água destilada), medido na mesma temperatura (sistema inglês: 60ºF / 60ºF) ou em outra temperatura (sistema métrico: 20ºC / 20ºC). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 163

165 No Brasil, a temperatura normal de referência do produto é 20ºC, podendo em alguns casos ser expressa a 15ºC ou 25ºC. Conhecendo a densidade de cada produto, é possível diferenciar imediatamente quais os produtos de maior ou menor peso. A densidade de óleos novos não tem significado quanto à sua quantidade, mas é de grande importância no cálculo de conversão de litros em quilos, ou viceversa. Por meio de densidade, pode ser determinado o número de tambores de 200 litros de óleo que um caminhão poderá transportar. O cálculo é feito da seguinte maneira: Exemplo: Densidade do óleo... 0,895 Carga máxima do caminhão kg Peso do tambor vazio... 17kg Peso de 200 litros de óleo x 0,895 = 179kg Peso total do tambor com 200 litros de óleo = 196kg Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 164

166 Número máximo de tambores que o caminhão pode transportar = 61 tambores 196 A densidade API (American Petroleum Institute) é unicamente empregada para o petróleo e seus subprodutos. É determinada pela fórmula: O densímetro graduado na escala normal, ou na escala API, é o aparelho para se medir a densidade. B) Viscosidade Conceito É a principal propriedade física dos óleos lubrificantes. A viscosidade está relacionada com o atrito entre as moléculas do fluido, podendo ser definida como a resistência ao escoamento que os fluidos apresentam. Viscosidade é a medida da resistência oferecida por qualquer fluido (líquido ou gás) ao movimento ou ao escoamento. Um dos métodos utilizados para determinar a viscosidade (ver ilustração abaixo) é verificar o tempo gasto para escoar determinada quantidade de óleo, a uma temperatura estabelecida, através de orifício de dimensões especificas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 165

167 O ar como os gases, oferece considerável resistência ao movimento, especialmente quando há grandes velocidades. Esse fato é familiar a qualquer pessoa que tenha andado de bicicleta contra o vento, ou posto a mão fora da janela de um automóvel conduzido a grande velocidade. Essa resistência ao movimento é que dá lugar à sustentação dos aviões em vôo, ao ricochete de uma pedra lisa quando se choca com a superfície líquida e à sustentação de um eixo em movimento no mancal. Na prática, é muito comum confundir a viscosidade com oleosidade. Várias vezes, vimos lubrificadores, em postos de serviço, prender entre os dedos uma pequena quantidade de lubrificante e, depois de afastá-los dizer: Este óleo não tem viscosidade. O certo seria dizer que o óleo perdeu a oleosidade. A oleosidade é a propriedade que um lubrificante possui de aderir às superfícies (adesividade) e permanecer coeso (coesividade). Como exemplo, citaremos a água, que não possui adesividade nem coesividade. Colocando uma gota de água sobre uma superfície plana e dando um golpe sobre esta gota, verificaremos que a mesma se divide em várias pequenas gotas, pois não possui coesividade. Verificamos, ainda, que a adesão da água ao dedo e à superfície é praticamente nula. O mesmo não acontece se, em vez de uma gota de água, for usado o óleo lubrificante. Métodos de Medição da Viscosidade A viscosidade é determinada em aparelhos chamados viscosímetros. São os seguintes os viscosímetros mais comumente usados para medir viscosidade de óleo lubrificante: - Saybolt (Estados Unidos) - Redwood (Inglaterra) - Engler (Alemanha) - Cinemático (Uso Universal) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 166

168 Os Viscosímetros Saybolt, Redwood e Engler têm uma construção semelhante. Todos eles se compõem basicamente de um tubo de seção cilíndrica, com um estreitamento na parte inferior. Uma determinada quantidade de fluido é contida no tubo que, por sua vez, fica mergulhada em banho de água ou óleo de temperatura controlada por termostato. Uma vez atingida e mantida a temperatura escolhida, deixa-se escoar o líquido através de orifício inferior, ao mesmo tempo em que se começa a contagem de tempo. Recolhe-se o fluido em frasco graduado e, no momento em que o nível atingir o traço de referência do gargalo, faz-se parar o cronômetro. O Viscosímetro Cinemático é basicamente constituído de um tubo capilar de vidro, através do qual se dá o escoamento do fluido. Viscosidade Saybolt No método Saybolt, a passagem de óleo de um recipiente no aparelho é feita através de um orifício calibrado, para um frasco de 60 ml, verificando-se o tempo decorrido para seu enchimento até o traço de referência. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 167

169 Como a viscosidade varia com a temperatura, isto é, quanto mais aquecido estiver o óleo, menor será a sua viscosidade, seu valor deve vir acompanhado da temperatura em que foi determinada. Assim sendo, este método utiliza as temperaturas padrões de 100F (37,8 C) e 210 F (98,9 C). O viscosidade Saybolt possui dois tipos de tubos: universal e furol. A diferença entre os dois está no diâmetro do tubo capilar que regula o escoamento do fluido, sendo que o tubo furol permite um escoamento em tempo aproximadamente dez vezes menor do que o tubo universal. A leitura de tempo do cronômetro dará diretamente a indicação da viscosidade Saybolt do fluido, em Segundos Saybolt Universal (SSU), ou Segundos Saybolt Furol (SSF), conforme o tubo utilizado. Normalmente, o Saybolt universal é empregado para óleos com 32 até SSU; acima de SSU, deve-se empregar o tubo furol. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 168

170 Para converter SSF em SSU é empregada a seguinte fórmula: SSU = 10.SSF, pois o valor numérico da viscosidade em SSU é aproximadamente igual a dez vezes o valor numérico da viscosidade em SSF. Viscosidade Redwood O viscosímetro Redwood é semelhante ao Saybolt. As temperaturas usuais de determinação são: 70, 77, 86, 100, 140, e 200 F. Como no Saybolt, este método possui dois tubos padrões: o n 1, universal, e n 2, admiralty, sendo o valor numérico em SR1 aproximadamente igual a dez vezes o valor numérico em SR2. A leitura do cronômetro dará a viscosidade Redwood em Segundos Redwood n 2 (SR2). Figura 2.6 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 169

171 Viscosidade Engler O viscosímetro Engler é também semelhante ao Saybolt. Este método utiliza as seguintes temperaturas padrões: 20 C, 50 C e 100 C. O resultado do teste é referido em grau Engler (E) que, por definição, é a relação entre o tempo de escoamento de 200 ml de óleo, a 20 C (ou 50 C ou 100ºC) e o tempo de escoamento de 200 ml de água destilada a 20ºC. Viscosidade Cinemática No método cinemático, um tubo capilar é abastecido até determinado nível. Por sucção, o óleo é levado até uma marca em um dos lados do tubo. Parando-se de succionar, o óleo tende a voltar para a posição inicial, passando por uma segunda marca de referência. É anotado o tempo, segundos, que o nível do óleo leva para passar pelos dois traços de referência. Para cada faixa de viscosidade dos óleos é utilizado um tubo capilar com determinado diâmetro e, para cada tubo, é determinado um fator de correção C do tubo para o cálculo da viscosidade em centistokes (cst): Viscosidade em cst = C x t Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 170

172 cinemático. sendo t, o tempo de escoamento, em segundos, determinado no viscosímetro O viscosímetro cinemático apresenta maior precisão em relação aos viscosímetros Saybolt, Redwood e Engler. Importância da Viscosidade A viscosidade é, indubitavelmente, a propriedade física principal de um óleo lubrificante. A viscosidade é um dos principais fatores na seleção de um óleo lubrificante, sendo sua determinação influenciada por diversas condições, sendo as mais comuns as seguintes: Velocidade - maior a velocidade, menor deve ser a viscosidade, pois a formação da película lubrificante é mais fácil. Os óleos de maior viscosidade possuem maiores coeficientes de atrito interno, aumentando a perda de potência, isto é, a quantidade de força motriz absorvida pelo atrito interno do fluído. Pressão - quanto maior for a carga, maior deverá ser a viscosidade para suportá-la e evitar o rompimento da película. Temperatura - como a viscosidade diminui com o aumento da temperatura, para manter uma película lubrificante, quanto maior for a temperatura, maior deverá ser a viscosidade. Folgas - quanto menores forem as folgas, menor deverá ser a viscosidade para que o óleo possa penetrar nelas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 171

173 Acabamento - quanto melhor o grau de acabamento das peças, menor poderá ser a viscosidade. Podemos, assim, verificar que existem condições inversas, isto é, umas que exigem uma baixa viscosidade e outras, alta viscosidade, e que podem ocorrer ao mesmo tempo. Isto torna a determinação da viscosidade um estudo complexo, que deverá ser realizado pelos projetistas de máquinas e motores. A modificação da viscosidade determinada pelos fabricantes das máquinas poderá melhorar algum fator (por exemplo, o consumo de óleo), mas poderá prejudicar a máquina em diversos outros fatores e ocasionar sua quebra. Com a análise dos óleos usados, podemos determinar: combustível ou outros produtos menos viscosos. de água, de sólidos em suspensão ou contaminação com outro óleo mais viscoso. C) Índice de viscosidade Índice de viscosidade é um valor numérico que indica a variação da viscosidade em relação à variação da temperatura. Alguns líquidos tendem a ter sua viscosidade reduzida, quando aquecidos, e aumentada, quando são resfriados. Maior o índice de viscosidade menor será a variação da viscosidade com a temperatura. Por exemplo, se dois óleos, a uma determinada temperatura, possuírem a mesma viscosidade, quando resfriado ficará mais espesso aquele que possuir menor índice de viscosidade. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 172

174 diagrama: O exemplo da ilustração anterior pode ser representado pelo seguinte Para determinar o índice de viscosidade de um óleo, do qual conhecemos a viscosidade a determinada temperatura, é aplicada a seguinte fórmula: D) Pontos de fulgor e ponto de inflamação Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 173

175 Ponto de fulgor ou lampejo é a temperatura em que o óleo, quando aquecido em aparelho adequado, desprende os primeiros vapores que se inflamam momentaneamente (lampejo) ao contato de uma chama. Ponto de inflamação ou combustão é a temperatura na qual o óleo, aquecido no mesmo aparelho, inflama-se em toda a superfície por mais de 5 segundos, ao contato de uma chama. A amostra de óleo é contida em um recipiente (vaso de Flash Cleveland), sob o qual coloca-se uma fonte de calor. Uma chama-piloto é passada por sobre o recipiente a intervalos regulares de amostra vaporizada. Continuando-se a operação, quando a chama produzida permanece por 5 segundos ou mais, o ponto de inflamação foi atingido. O ponto de inflamação encontra-se 50ºF acima do ponto de fulgor. Este ensaio não tem maior significado para óleos novos, uma vez que seu ponto de fulgor é bem mais elevado do que as temperaturas de manuseio. No entanto, os óleos para motor e algumas máquinas industriais necessitam ter um ponto de fulgor elevado, para evitar-se o risco de incêndio. No caso de óleos usados, o aumento do ponto de fulgor significa perda das partes leves por evaporação, enquanto que sua redução indica que houve contaminação por combustível ou outro produto de menor ponto de fulgor. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 174

176 E) Ponto de fluidez e de névoa Quando resfriamos um subproduto do petróleo suficientemente, este deixa de fluir, mesmo sob a ação da gravidade, devido a cristalização das parafinas ou o aumento da viscosidade (congelamento). Ponto de fluidez é a menor temperatura, expressa em múltiplos de 3ºC, na qual a amostra ainda flui, quando resfriada e observada sob condições determinadas. O método P-MB-820 para determinação do ponto de fluidez consiste em resfriar uma amostra a um ritmo pré-determinado, observando-se a sua fluidez a cada queda de temperatura de 3ºC até que virtualmente a superfície da amostra permanece imóvel por 5 segundos ao se colocar o tubo de ensaio em posição horizontal, conforme ilustração abaixo. Somando 3ºC à temperatura anotada no momento em que a superfície permanece imóvel por 5 segundos, obtemos o ponto de fluidez, PMB O ponto de fluidez dá uma idéia de quanto determinado óleo lubrificante pode ser resfriado sem perigo de deixar de fluir. O ponto de névoa é a temperatura em que, resfriando-se um produto, a cristalização da parafina dá uma aparência turva a este produto. Caso o ponto de fluidez seja atingido antes que seja notado o ponto de névoa, isto significa que o produto possui poucos componentes parafínicos. Os produtos naftênicos, em geral, possuem ponto de fluidez inferior aos arafínicos. Estes ensaios só têm maior significação para lubrificantes que trabalham em baixas temperaturas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 175

177 F) Água por destilação A água, quando misturada aos óleos lubrificantes, pode provocar a oxidação do óleo, a corrosão das partes metálicas, o aumento da viscosidade do óleo, a segregação dos aditivos e formação de espuma. Quando separada, a água provoca um escoamento irregular do óleo e falhas na lubrificação. Para determinação do teor de água, fazemos uma destilação parcial do óleo usado, de modo que somente a água evapore e seja condensada em um recipiente graduado. A água pode ser proveniente de má estocagem dos óleos, de vazamento dos sistemas de refrigeração das máquinas ou da má vedação de máquinas que trabalhem com água. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 176

178 G) Água e sedimentos Por este método, podemos determinar o teor de partículas insolúveis contidas numa amostra de óleo, somada com a quantidade de água presente nesta mesma amostra. Este teste consiste em centrifugar-se uma amostra de óleo usado em um recipiente graduado. Como a água e os sedimentos possuem maior densidade do que o óleo, estes se depositam no fundo do recipiente, sendo então medidos. H) Demulsibilidade Demulsibilidade é a capacidade que possuem os óleos de se separarem da água. Por exemplo, o Ipitur HST possui um grande poder demulsificante, ou seja, separa-se rapidamente da água, não formando emulsões estáveis. A demulsibilidade é de grande importância na lubrificação de equipamentos, como turbinas hidráulicas e a vapor, onde os lubrificantes podem entrar em contato com a água ou vapor. Um dos métodos para determinar a demulsibilidade dos óleos lubrificantes consiste em colocar, em uma proveta, 40ml de óleo a testar e 40ml de água destilada. A seguir o óleo e a água são agitados (1500 RPM) durante 5 minutos, a uma certa temperatura (130ºF para óleos de viscosidade inferior a 450 SSU e 180ºF quando a viscosidade do óleo for superior a 450 SSU a 100ºF). Finalmente, é observado o tempo necessário para a completa separação da água. O resultado é dado por 4 números, representando, respectivamente, as quantidades de óleo, água, emulsão e tempo. Exemplo: Após 60 minutos temos na proveta 25ml de óleo, 20ml de água e 35ml de emulsão. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 177

179 I) Extrema pressão Existem diversos métodos para se avaliar a capacidade de carga de um óleo ou graxa lubrificante. O teste Timkem mede a capacidade de carga dos lubrificantes. Consiste de um cilindro rotativo e um braço de alavanca, sobre o qual são colocadas cargas graduadas, para aumentar a pressão que o bloco de aço exerce sobre o anel de aço preso ao cilindro rotativo. As cargas são aumentadas até que o bloco apresente ranhuras. A carga máxima aplicada sem causar ranhuras é então anotada como carga Timkem. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 178

180 No teste de quatro esferas (four ball), três esferas são dispostas juntas horizontalmente, e uma quarta, presa a um eixo, gira sobre elas a uma velocidade de 1800 RPM. Para determinar-se a capacidade de carga, a velocidade da esfera girante é constante, e a carga sobre ela é aumentada gradativamente. Quando as esferas se soldam, é então anotada a carga máxima suportada pelo lubrificante. J) Diluição Devido à combustão parcial, folgas e vazamentos, os lubrificantes de motor podem ser contaminados por combustíveis. Esta contaminação reduz a viscosidade do lubrificante impedindo a formação de uma película adequada e provocando o desgaste. Com o abaixamento do ponto de fulgor, também devido à contaminação, ficam ampliados os riscos de incêndio. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 179

181 No caso da gasolina, podemos fazer uma destilação parcial, isto é, aquecer o óleo usado a uma temperatura na qual somente a gasolina se evapore, determinando-se assim o teor da contaminação. No caso do diesel, como não podemos separá-lo do óleo por destilação, empregamos uma tabela onde, a partir das viscosidades do diesel, do óleo novo e do óleo usado determinamos o teor da contaminação. L) Cor A cor dos produtos de petróleo varia amplamente. Os teste, em geral, comparam uma amostra com padrões conhecidos, através de um aparelho chamado colorímetro. A cor clara de um lubrificante não significa baixa viscosidade, havendo óleos brancos de alta viscosidade. A cor também não significa qualidade. Até certo ponto, por luz refletida, os óleos parafínicos tem uma cor verde, enquanto os naftênicos apresentam-se azulados. A transformação da cor em óleos usados pode significar uma contaminação: Cor cinza - chumbo da gasolina Cor preta - fuligem Cor branca ou leitosa - água M) Cinzas oxidadas Este ensaio fornece uma idéia das matérias que formam cinzas. Geralmente, estas cinzas são consideradas como impurezas ou contaminações. Este método determina o teor de cinzas de óleos lubrificantes e combustíveis, não se aplicando, porém, a lubrificantes que contenham aditivos organometálicos. Neste ensaio, uma amostra do produto é queimada, sendo seu resíduo reduzido a cinzas em uma mufla. As cinzas são então resfriadas e pesadas. N) Cinzas sulfatadas O teste de cinzas sulfatadas determina a quantidade de materiais incombustíveis contidos no óleo. Os óleos minerais puros não possuem cinzas Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 180

182 sulfatadas. Os óleos aditivados, porém, possuem combinados metálicos, que não são totalmente queimados, deixando um resíduo apreciável. Os óleos usados possuem limalha metálica do desgaste da máquina e muitas vezes estão contaminados com poeira, ambas incombustíveis. No controle de fabricação de óleos com aditivos metálicos, este teste é usado para verificação do teor desses aditivos na formulação. Para óleos desconhecidos, este teste é uma indicação do nível de detergência. Porém, algumas combinações de óleos básicos com o aditivo são mais efetivas que outras. Além disto, existem certos tipos de aditivos detergentes que não deixam cinza alguma. A quantidade de cinzas poderá também ser proveniente de outros aditivos não detergentes. O único meio de se medir, efetivamente, a detergência é uma prova em motor. Com óleos usados em motores diesel, o aumento das cinzas poderá ser causado por contaminação, por poeira ou partículas do desgaste do motor, enquanto que seu abaixamento poderá significar o consumo dos aditivos, operação falha ou defeito mecânico. Em motores a gasolina, a contaminação com chumbo tetraetila da gasolina provoca o aumento de cinzas. O) Corrosão em lâmina de cobre Este ensaio é usado para combustíveis, solventes, óleos e graxas lubrificantes. Consiste em deixar-se, por determinado tempo, uma lâmina de cobre imersa no produto aquecido. De acordo com a descoloração da lâmina, por comparação com um tabela, determinamos o grau de corrosão. Os óleos minerais puros e aditivos, em geral, não são corrosivos. No entanto, existem aditivos de enxofre e cloro ativos, usados, por exemplo, em óleos de corte, que são nocivos aos metais não ferrosos. A presença de aditivos de Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 181

183 enxofre ou cloro em um óleo não significa que este óleo seja corrosivo, pois isto se dá, somente, quando estes elementos são ativos. P) Consistência de graxas lubrificantes Consistência de uma graxa é a resistência que esta opõe à deformação sob a aplicação de uma força. A consistência é a característica mais importante para as graxas, assim como a viscosidade o é para os óleos. Num aparelho chamado penetrômetro, coloca-se a graxa em um cilindro. Um pequeno cone, ligado a uma haste, é preso a um suporte com escala graduada, e sua ponta é encostada na superfície da graxa. Soltando-se, o cone penetra na graxa e a escala do suporte indica quantos mm/10 penetrou. Como a consistência varia com a temperatura, este ensaio é sempre realizado a 25ºC. Diz-se que a penetração é trabalhada, quando a graxa no cilindro é socada por um dispositivo especial, por 60 vezes ou mais. A penetração é não trabalhada quando a graxa não é socada. Baseando-se em valores de penetração trabalhada, o NLGI (National Lubricating Grease Institute) estabeleceu uma classificação para as graxas, para facilitar sua escolha. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 182

184 Penetração trabalhada Grau NLGI (em mm/10) 445/ / / / / / / / / As graxas menos consistentes que 0 (zero) são chamadas semifluidas, e as mais consistentes que 6 (seis) são as graxas de bloco. Q) Ponto de gota O ponto de gota de uma graxa é a temperatura em que se inicia a mudança do estado pastoso para o estado líquido (primeira gota). O ponto de gota varia de acordo com o sabão metálico empregado, as matérias-primas usadas e com o método de fabricação. Na prática, usa-se limitar a temperatura máxima de trabalho em 20 a 30ºC abaixo do ponto de gota das graxas. As graxas de argila não possuem ponto de gota podendo assim ser usadas a elevadas temperaturas. Neste ensaio a graxa é colocada em um pequeno recipiente, com uma abertura na parte inferior. O recipiente é colocado em um banho, que é aquecido gradativamente. A temperatura em que pingar a primeira gota do recipiente é ponto de gota. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 183

185 6.3 ADITIVOS Devido ao constante aperfeiçoamento das máquinas, tornou-se necessário melhorar ou acrescentar qualidades aos óleos minerais puros, com substâncias genericamente chamadas de aditivos. Existem diversos tipos de aditivos, que possuem a mesma finalidade. A escolha de um deles depende da susceptibilidade do óleo básico para com o aditivo, a compatibilidade do básico para com o aditivo, e destes entre si. Como cada companhia usa aditivos diferentes, não é aconselhável misturarem-se óleos de marcas ou tipos diferentes, principalmente quando se tratar de óleos para engrenagens. Entre os diversos tipos de aditivos, temos os seguintes: a. Detergente-dispersante; b. Antioxidante; c. Anticorrosivo d. Antiferrugem; e. Extrema pressão; f. Antidesgaste; g. Abaixador do ponto de fluidez; h. Aumentador do índice de viscosidade. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 184

186 a. Detergente-dispersante Aplicações: Motores de combustão interna. Finalidades - Este aditivo tem a função de limpar as partes internas dos motores, e manter em suspensão, finamente dispersos, a fuligem formada na queima do combustível e os produtos de oxidação do óleo. Quando o lubrificante não possui aditivo detergente-dispersante, os resíduos se agrupam e precipitam, formando depósitos. Nos óleos que contêm detergente-dispersante, o aditivo envolve cada partícula de resíduo com uma camada protetora, que evita o agrupamento com outros resíduos e, conseqüentemente, a sua precipitação. É observado um rápido escurecimento do óleo, que ainda é mal entendido por alguns mecânicos e usuários, que acreditam que o lubrificante se deteriora rapidamente. No entanto, o escurecimento significa que as partículas que iriam formar borras, lacas e vernizes estão sendo mantidas em suspensão e serão drenadas junto com o óleo. A quantidade de material disperso depende da quantidade e do tipo dos aditivos. Isto significa que, após determinados períodos de uso, os aditivos saturamse e os óleos necessitam ser drenados, para não ocorrer a formação de depósitos. As maiores partículas encontradas em suspensão no óleo mediram 1,5 micra, enquanto que a menor folga é de 2 micra. As partículas são então incapazes de obstruir as folgas ou de promover o desgaste abrasivo. b. Antioxidante Aplicações: Motores de combustão interna, turbinas, compressores, motores elétricos, fusos, sistemas hidráulicos, sistemas de circulação de óleo etc. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 185

187 Mecanismo da oxidação - Um óleo, simplesmente exposto ao ar, tende a oxidar-se devido à presença de oxigênio. Esta oxidação se processa lenta ou rapidamente, conforme a natureza do óleo. Óleos em serviços estão mais sujeitos à oxidação, devido a vários fatores: contaminação, calor, hidrocarbonetos oxidados. Esquematizando o mecanismo da oxidação, temos: 1) Primeiras reações: Oxigênio + hidrocarbonetos calor compostos ácidos. 2) Partículas metálicas, principalmente de cobre e hidrocarbonetos oxidados, funcionam como catalisadores, acelerando a oxidação. Oxigênio + hidrocarbonetos calor compostos ácidos. partículas metálicas Oxigênio + hidrocarbonetos calor compostos ácidos. hidrocarbonetos oxidados a borra. 3) Os compostos ácidos, misturando-se com a fuligem e água, formam Compostos ácidos + fuligem + água calor borra. pistão, válvula etc...), os 4) Nos pontos de temperatura elevada (cabeça dos pistões, anéis de compostos ácidos decompõem-se, formando vernizes e lacas. Compostos ácidos calor elevado vernizes e lacas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 186

188 Mecanismo do antioxidante: O aditivo antioxidante combate a oxidação do óleo lubrificante da seguinte maneira: 1) O oxigênio é neutralizado com o aditivo antioxidante, formando compostos inofensivos. Antioxidante + Oxigênio compostos inofensivos. 2) Os compostos ácidos formados reagem com os aditivos, formando compostos inofensivos. inofensivos. Compostos ácidos + antioxidante compostos 3) As superfícies das partículas metálicas de desgaste são cobertas pelo aditivo antioxidante, evitando a ação das mesmas na oxidação do lubrificante. É evidente que, após um certo período de trabalho do óleo lubrificante, o aditivo antioxidante é consumido (depleção) e, a partir deste ponto, o óleo lubrificante se oxidará rapidamente. c. Anticorrosivo Aplicações: Motores de combustão interna, turbinas, compressores, motores elétricos, fusos, sistemas hidráulicos, sistemas de circulação de óleo etc. Finalidades - Os anticorrosivos têm por finalidade a neutralização dos ácidos orgânicos, formados pela oxidação do óleo, dos ácidos inorgânicos, no caso de lubrificantes de motores, e proteger as partes metálicas da corrosão. No funcionamento dos motores, são formados ácidos sulfúrico e nítrico, devido à presença de enxofre e nitrogênio nos combustíveis, que são altamente corrosivos. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 187

189 d. Antiferrugem Aplicações: Óleos protetivos, turbinas, sistemas hidráulicos, compressores, motores de combustão interna, sistemas de circulação de óleo etc. Finalidades - Semelhante ao anticorrosivo, este aditivo tem a finalidade de evitar a corrosão dos metais ferrosos pela ação da água ou umidade. A presença de sais na água acelera consideravelmente a ferrugem. Envolvendo as partes metálicas com uma película protetora, o aditivo antiferrugem evita que a água entre em contato com as superfícies. e. Antiespumante Aplicações: Óleos para máquinas e motores em geral. Finalidades - A formação da espuma é devido à agitação do óleo. Quando a bomba de óleo alimenta as partes a lubrificar com uma mistura óleo-ar, dá-se o rompimento da película de óleo, o contato metal com metal e o conseqüente desgaste. O aditivo antiespumante tem a função de agrupar as pequenas bolhas de ar, existentes no seio do óleo, formando bolhas maiores, que conseguem subir a superfície, onde se desfazem. f. Extrema pressão Aplicações: Óleos para transmissões automotivas, óleos para mancais ou engrenagens industriais que trabalham com excesso de carga e óleos de corte. Finalidades - Tanto os aditivos de extrema pressão, como os antidesgastes, lubrificam quando a película é mínima. Quando a pressão exercida sobre a película de óleo excede certos limites, e quando esta pressão elevada é agravada por uma ação de deslizamento excessiva, a película de óleo se rompe, havendo um contato metal com metal. Se o Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 188

190 lubrificante possuir aditivo de extrema pressão, havendo o rompimento da película, este aditivo reage com as superfícies metálicas, formando uma película lubrificante que reduzirá o desgaste. Quase todos os aditivos de extrema pressão são compostos químicos que contêm enxofre, fósforo, cloro e chumbo. g. Antidesgaste Aplicações: Motores de combustão interna, sistemas hidráulicos etc. Finalidades - Estes aditivos são semelhantes aos de extrema pressão, mas têm ação mais branda. Seus principais elementos são o zinco e o fósforo. h. Abaixadores do ponto de fluidez Aplicações: Podem ser empregados nos óleos de máquinas e motores que operem com o óleo em baixas temperaturas. Finalidades - Este aditivo tem a função de envolver os cristais de parafina que se formam a baixas temperaturas, evitando que eles aumentem e se agrupem, o que impediria a circulação do óleo. i. Aumentadores do índice de viscosidade Aplicações: Motores de combustão interna. Finalidades - A função destes aditivos é reduzir a variação da viscosidade dos óleos com o aumento da temperatura. Devido à manutenção de uma viscosidade menor variável, o consumo de lubrificante é reduzido e as partidas do motor em climas frios tornam-se mais fáceis. seguinte: O mecanismo dos aditivos aumentadores do índice de viscosidade é o Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 189

191 - Em temperaturas menores, as moléculas do aditivo estão contraídas em seus invólucros; - Em temperaturas elevadas, as moléculas distendem-se em seus invólucros, aumentando de volume. O escoamento do óleo é dificultado, apresentado uma maior viscosidade. Além dos aditivos citados, existem outros, como os emulsificantes (óleos de corte solúveis, óleos para amaciamento de fibras têxteis, óleos para ferramentas pneumáticas etc.), os de adesividade (óleos para máquinas têxteis etc.), grafite (óleos de moldagem etc.). Existem alguns aditivos que englobam diversas funções como dispersantes, antioxidantes, anticorrosivos e antidesgaste: são os chamados multifuncionais. É altamente desaconselhável a adição de novos aditivos a um óleo já aditivado. Sobre este assunto, muitos fabricantes de máquinas e motores vêm-se manifestando, distribuindo circulares a seus usuários e representantes, desaconselhando o uso de tais produtos. Um óleo formulado para determinado fim tem todos os aditivos necessários para desempenhar sua função, não necessitando de novos aditivos, que não se sabe como reagirão quimicamente com os já existentes. 6.4 GRAXAS LUBRIFICANTES GENERALIDADES As graxas podem ser definidas como produtos formados pela dispersão de um espessante em um óleo lubrificante. O espessante, também chamado sabão, é formado pela neutralização de um ácido graxo ou pela saponificação de uma gordura por um metal. O metal empregado dará seu nome à graxa. A estrutura das graxas, observadas ao microscópio, mostra-se como uma malha de fibras, formada pelo sabão, onde é retido o óleo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 190

192 aos óleos lubrificantes. As graxas apresentam diversas vantagens e desvantagens em relação Entre as vantagens, podemos citar: As graxas promovem uma melhor vedação contra a água e impurezas. Quando a alimentação de óleo não pode ser feita continuamente, empregam-se as graxas, pois elas permanecem nos pontos de aplicação. As graxas promovem maior economia em locais onde os óleos escorrem. As graxas possuem maior adesividade do que os óleos. As desvantagens são: Os óleos dissipam melhor o calor do que as graxas. Os óleos lubrificam melhor em altas velocidades. Os óleos resistem melhor à oxidação FABRICAÇÃO Existem dois processos para a fabricação das graxas: formar o sabão em presença do óleo ou dissolver o sabão já formado no óleo. A fabricação é feita em tachos, providos de um misturador de pás e envoltos por uma camisa de vapor para aquecer o produto. Quando o sabão é formado em presença do óleo, o tacho é munido de um autoclave, para a necessária saponificação. Acabada a fabricação, a graxa, ainda quente e fluida, passa por filtros de malhas finíssimas, sendo então envasilhada. A filtragem evita que partículas de sabão não dissolvidas permaneçam na graxa e o envasilhamento imediato impede que as graxas sejam contaminadas por impurezas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 191

193 6.6 - CLASSIFICAÇÃO De acordo com a natureza do sabão metálico utilizado em sua fabricação, as graxas podem ser classificadas em: graxas de sabão de lítio, graxas de cálcio, graxas de complexo de cálcio e graxas de bases mistas. Além dos sabões metálicos mencionados, podemos ter graxas de alumínio, de bário etc., que são, porém, menos empregadas. Existem graxas em que o espessante é a argila. Estas graxas são insolúveis na água e resistem a temperaturas elevadíssimas. Embora sejam multifuncionais, seu elevado custo faz com que suas aplicações sejam restritas aos locais onde as graxas comuns não resistem às temperaturas elevadas (acima de 200ºC). As graxas betuminosas também podem ser classificadas como óleos. São formadas à base de asfalto. Possuem uma grande aderência, e suas maiores aplicações são os cabos de aço, as engrenagens abertas e as correntes. Não devem ser usadas em mancais de rolamentos. Alguns mancais planos que possuem grande folga, ou suportam grandes cargas, podem, às vezes, utilizá-las CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÕES Abaixo são dadas algumas aplicações e características das graxas, classificadas de acordo com a natureza do sabão. Graxas de sabão de cálcio Em sua maioria, possuem textura macia e amanteigada. São resistentes à água. Devido ao fato de a maioria das graxas de cálcio conter 1 a 2% de água em sua formulação, e como a evaporação desta água promove a decomposição da graxa, elas não são indicadas para aplicações onde as temperaturas sejam acima de 60ºC (rolamentos, por exemplo). As graxas de complexo de cálcio (acetato de cálcio), não contêm água em sua formulação, podendo ser usadas com temperaturas elevadas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 192

194 As maiores aplicações das graxas de cálcio são a lubrificação de mancais planos, os chassis de veículos e bombas d água. Graxas de sabão de sódio As graxas de sódio possuem uma textura que varia de fina até fibrosa. Resistem a altas temperaturas, sendo, porém, solúveis em água. Suas maiores aplicações são os mancais de rolamentos e as juntas universais, desde que não haja presença de água, pois elas se desfazem. Graxas de sabão de lítio São as chamadas graxas multipurpose (múltiplas finalidades). Possuem textura fina e lisa, são insolúveis na água e resistem a elevadas temperaturas. Podem substituir as graxas de cálcio e de sódio em suas aplicações, e possuem ótimo comportamento em sistemas centralizados de lubrificação. A vantagem do emprego de uma graxa multipurpose é evitaremse enganos de aplicação, quando se têm diversos tipos de graxas, e a simplificação dos estoques. Graxas de complexo de cálcio As graxas de complexo de cálcio possuem elevado ponto de gota, boa resistência ao calor e ao trabalho. Apresentam a propriedade de engrossar quando contaminadas com água. No caso de serem formuladas com teor de sabão elevado, a tendência a engrossar manifesta-se quando submetidas ao trabalho. Podem ser aplicadas em mancais de deslizamento e de rolamentos. Graxas mistas As graxas de bases mistas possuem as propriedades intermediárias dos sabões com que são formadas. Assim, podemos ter graxas de cálcio-sódio, cálciolítio etc. As graxas de sódio e lítio não são compatíveis, não devendo ser misturadas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 193

195 6.8 - CRITÉRIOS DE ESCOLHA Para definir a graxa adequada para determinada aplicação, devem ser observados os seguintes fatores: Consistência O conhecimento da consistência da graxa é importantíssimo para sua escolha. No Brasil, onde a temperatura ambiente não atinge extremos muito rigorosos, é mais empregada a graxa NLGI 2. Em locais onde a temperatura é mais elevada, emprega-se a NLGI 3, e onde a temperatura é mais baixa, a NLGI 1. Como nos óleos, quanto maior for a velocidade e mais baixas forem a temperatura e a carga, menor deverá ser a consistência. Por outro lado, com baixas velocidades e altas temperaturas e cargas, deve ser usada uma graxa mais consistente. Em sistemas centralizados de lubrificação, deve ser empregada uma graxa com fluidez suficiente para escoar. Ponto de gota O ponto de gota de determinada graxa limita a sua aplicação. Na prática, usa-se limitar a temperatura máxima de trabalho em 20 a 30ºC abaixo de seu ponto de gota. Em geral, as graxas possuem seu ponto de gota nas seguintes faixas: - Graxas de cálcio a 105ºC - Graxas de sódio a 260ºC - Graxas de lítio a 220ºC - Graxas de complexo de cálcio a 290ºC As graxas de argila não possuem ponto de gota, podendo assim ser usadas em elevadas temperaturas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 194

196 Na ilustração abaixo, é apresentada a resistência à temperatura de acordo com a natureza do sabão das graxas. A graxa de cálcio é a única que possui baixa resistência à temperatura. Resistência à água O tipo de sabão comunica ou não à graxa a resistência à ação da água. Dos tipos citados anteriormente, a graxa de sabão de sódio é a única que se dissolve em presença da água. Resistência ao trabalho As graxas de boa qualidade apresentam estabilidade quando em trabalho, e não escorrem das partes a lubrificar. As graxas de lítio possuem, geralmente, uma ótima resistência ao trabalho. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 195

197 As graxas de lítio, além da ótima resistência ao trabalho, têm resistência muito boa à ação da água, na qual são insolúveis e suportam temperaturas elevadas. Bombeabilidade Bombeabilidade é a capacidade da graxa fluir pela ação do bombeamento. A bombeabilidade de uma graxa lubrificante é um fator importante nos casos em que o método de aplicação é feito por sistema de lubrificação centralizada. A bombeabilidade de uma graxa depende de três fatores: 1) viscosidade do óleo; 2) consistência da graxa; 3) tipo de sabão. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 196

198 6.9 ADITIVOS Como nos óleos lubrificantes, as características das graxas podem ser melhoradas com o uso de aditivos. Entre os mais usados, temos: Extrema pressão Aplicações: Graxas para mancais de laminadores, britadores, equipamentos de mineração etc., e para mancais que trabalham com cargas elevadas. Finalidades - Como nos óleos, quando a pressão excede o limite de suporte da película de graxa, torna-se necessário o acréscimo destes aditivos. Usualmente, os aditivos empregados para este fim são à base de chumbo. Os lubrificantes sólidos, como molibdênio, a grafite e o óxido de zinco também são empregados para suportarem cargas, mas, em geral, estes lubrificantes não são adequados para mancais de rolamentos. Adesividade Aplicações: Graxas de chassis e aquelas empregadas em locais de vibrações ou onde possam ser expelidas. Finalidades - Aditivos como o látex ou polímeros orgânicos, em pequenas quantidades, aumentam enormemente o poder de adesividade das graxas. Estes aditivos promovem o fio das graxas. As graxas a serem aplicadas em locais com vibração, como os chassis, ou em locais em que a rotação das peças pode expulsá-las, como as engrenagens abertas, devem ter bastante adesividade. Antioxidantes Aplicações: Graxas para mancais de rolamentos. Finalidades - O óleo, como já vimos, é passível de oxidação; no entanto, os sabões são mais instáveis que o óleo. As graxas de rolamentos, que são formuladas para permanecerem longos períodos em serviço e onde as temperaturas são elevadas, Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 197

199 devem ser resistentes à oxidação, para não se tornarem corrosivas. Graxas formuladas com gorduras mal refinadas ou óleos usados não possuem resistência à oxidação. Anticorrosivos e antiferrugem Aplicações: Graxas para mancais de rolamentos. Finalidades - Para neutralizar os ácidos formados pela oxidação ou a ação da água, as graxas necessitam destes aditivos. Como as graxas de sódio se misturam com água, esta perde seu efeito corrosivo, sendo então dispensados os aditivos antiferrugem. Além destes aditivos, muitos outros podem ser usados, como os de oleosidade, os lubrificantes sólidos, corante, fios de lã etc. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 198

200 CAPITULO 7 - MANCAIS 7.1. Introdução A função dos mancais é diminuir o atrito, e portanto aumentar o rendimento do sistema mecânico, entre partes que se movem entre si. Exemplos de aplicação de mancais é entre eixos e carcaças de redutores e entre carros e barramentos de máquinas-ferramentas. Os mancais podem ser de vários tipos, a saber: (a) Mancal de escorregamento, ou de deslizamento, ou ainda bucha; (b) Mancal de rolamento, ou simplesmente rolamento; (c) Mancal hidrodinâmico; (d) Mancal hidrostático, (e) Mancal aerostático Comparativo entre Mancais de Escorregamento e Mancais de Rolamento Os tipos mais comuns de mancais são os de escorregamento e os de rolamento. Cada um deles apresenta características específicas, com vantagens e desvantagens. A tabela abaixo apresenta um comparativo entre os dois tipos de mancais. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 199

201 7.3. Mancais de Rolamento Construção O mancal de rolamento trabalha com atrito de rolamento, sendo esta a principal causa de seu menor atrito, em relação ao mancal de escorregamento. Um rolamento padrão é formado de: (a) anel externo, com pista externa; (b) elemento girante: i. esfera, ii. rolo cilíndrico, iii. rolo cônico, iv. rolo abaulado, v. agulha (c) gaiola, (d) anel interno, com pista interna. (a) esfera; (b) rolo cilíndrico; (c) agulha; (d) rolo cônico; (e) rolo abaulado e, (f) rolo cônico abaulado. Elementos girantes Material Os anéis externo e interno e o elemento girante são fabricados com material de alta dureza, visando baixo desgaste e pequena deformação, a fim de diminuir o atrito. Por este motivo, o rolamento não é indicado para aplicações sujeitas a choques. Exemplos de materiais utilizados são: (a) aço temperado especial para rolamentos; (b) aço Si-Mn não temperado, para mancais de grandes dimensões; (c) aço inoxidável, para casos especiais, (d) bronze não magnético. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 200

202 A gaiola, por sua vez, é fabricada com materiais mais moles, tais como chapa de aço, bronze, material sintético e plástico, uma vez que sua função é apenas manter os elementos girantes separados Tipos de mancais de rolamento Há vários tipos de mancais de rolamentos disponíveis, cada qual com sua aplicação específica: O rolamento pode ser radial ou axial, em função da direção de carga que ele admite. Pode também ser, em função do seu elemento girante, de esferas, de rolos ou de agulhas. Finalmente, há rolamentos comuns, e rolamentos auto-compensadores, que permitem e compensam desalinhamentos do eixo em relação à carcaça. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 201

203 Aplicação Comparando-os com os mancais de escorregamento, mancais de rolamento são indicados para maiores cargas, menor disponibilidade de manutenção, maior vida útil e menor espaço axial disponível. São contra-indicados para aplicações sujeitas a choques, onde a existência de ruído é indesejável e para aplicações com baixa rotação e grandes diâmetros, devido ao custo. Rolamentos de esferas têm menor capacidade de carga que rolamentos de rolos ou de agulhas, porém maior rotação admissível. Para diminuir a desvantagem que os rolamentos apresentam em relação aos mancais de escorregamento, no que diz respeito ao espaço radial utilizado, foram criados os rolamentos de agulhas. Caso necessário, os rolamentos de agulhas podem ser encontrados sem um dos anéis, interno ou externo, e mesmo sem os dois anéis. Nestes casos, as pistas serão o próprio eixo e a carcaça, exigindo desses dois elementos mecânicos materiais de alta dureza e alta qualidade de fabricação. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 202

204 Dimensionamento do Rolamento O dimensionamento do rolamento passa por três etapas. 1 a etapa: escolha do tipo do rolamento Para a escolha do tipo do rolamento, se considera: (a) a direção da carga; (b) a magnitude da carga; (c) a existência de desalinhamentos, (d) exigências especiais, tais como rotações elevadas (esferas), funcionamento silencioso (esferas) e rigidez (rolos). 2 a etapa: escolha do tamanho do rolamento Uma vez escolhido o tipo de rolamento, escolhe-se o tamanho do rolamento, através de catálogos de fabricantes, com base no diâmetro externo do eixo sobre o qual será montado o rolamento, que é nominalmente igual ao diâmetro interno do rolamento. 3 a etapa: verificações Escolhido o rolamento, retira-se do catálogo do fabricante as capacidades do rolamento, que são: (a) rotação máxima de trabalho - n max - é a máxima rotação na qual o rolamento pode trabalhar, sem aumento excessivo de temperatura. (b) capacidade de carga estática - C 0 - é a carga estática que causa uma deformação plástica permanente nos elementos girantes ou nas pistas da ordem de 0,0001 vezes o diâmetro do elemento girante; (c) capacidade de carga dinâmica - C - é a capacidade dinâmica admissível para 90% dos rolamentos experimentados, para uma vida de um milhão de rotações, As verificações realizadas são: (a) Rotação máxima de trabalho Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 203

205 (b) Capacidade de carga estática com e O coeficiente de segurança s 0 é dado na tabela abaixo, em função da aplicação do rolamento. Os valores dos coeficientes X 0 e Y 0 são função do tipo de rolamento considerado e da relação entre as forças radiais e axiais que solicitam o rolamento. Para cada caso, são dadas nos catálogos dos fabricantes. (c) Capacidade de carga dinâmica - Vida do rolamento com Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 204

206 com onde, X e Y têm as mesmas considerações feitas para de X 0 e Y 0. p é função do tipo de rolamento, e vale: 3 para rolamentos de esferas e 10/3 para rolamentos de rolos. A tabela abaixo sugere valores de vidas desejadas para rolamentos, em função da aplicação Mancais de Escorregamento Construção Mancais de escorregamento podem ser entendidos simplesmente como anéis, que serão montados sobre o diâmetro externo de um eixo, para o caso de mancais de escorregamento radiais, ou uma chapa de certa espessura sobre a qual Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 205

207 será apoiada uma peça, para o caso de mancais de escorregamento axiais. São, portanto, de fácil fabricação. Este fato permite que qualquer empresa fabrique seu próprio mancal de escorregamento, o que trás, por conseqüência, a menor padronização deste tipo de elemento mecânico. Mancais de escorregamento são ainda muito influenciados pela qualidade da lubrificação utilizada. Quanto melhor a lubrificação, maior é a capacidade de carga do mancal de escorregamento Material O mancal de escorregamento deve ser fabricado com material mais mole que o material do eixo e da carcaça entre os quais ele se coloca. Isto protege tanto o eixo quanto a carcaça de maior desgaste, o que diminui o custo da manutenção. É muito mais barato se trocar um mancal que o eixo inteiro, ou pior, uma carcaça toda. Além desta característica, o material do mancal deve apresentar facilidade de lubrificação e tanto quanto possível baixo coeficiente de atrito e alta resistência à abrasão. Assim, materiais utilizados são: (a) metal branco; (b) bronze; (c) bronze vermelho; (d) metal leve; (e) material sintético; (f) resina sintética, (g) material sinterizado Dimensionamento do Mancal de Escorregamento 1 a etapa: escolha do material do mancal e do tamanho do mancal Normalmente, adota-se o material e o tamanho do mancal de escorregamento e procede-se a algumas verificações. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 206

208 Para escolher o material e adotar o tamanho do mancal, utilizam-se tabelas práticas, como a tabela abaixo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 207

209 2 a etapa: verificações Em seguida, procede-se às seguintes verificações: (a) Pressão média solicitante no mancal Todo material apresenta um limite de pressão suportável. No caso do mancal de escorregamento, a verificação é feita utilizando-se a equação: com Na verdade, a distribuição da pressão no mancal de escorregamento é muito mais complexa que uma distribuição uniforme, conforme pode ser visto na figura abaixo. Calcula-se uma pressão média para simplificar o equacionamento, majorando-se o valor da força aplicada através de um coeficiente de segurança s. O valor do coeficiente de segurança s é função do tipo de carregamento e da lubrificação, e dado na tabela abaixo. A pressão admissível p adm é função do material do mancal e do tipo de lubrificação, vide tabela abaixo. A mesma tabela fornece a velocidade de escorregamento admissível v adm para o material do mancal. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 208

210 (b) Velocidade de escorregamento no mancal Todo material, igualmente, apresenta uma velocidade de escorregamento máxima aceitável, sob risco de aquecimento excessivo. A equação para a verificação é: com Folga no Mancal Todo mancal de escorregamento radial tem que apresentar uma folga (radial) entre o diâmetro externo do eixo e o diâmetro interno do mancal. Esta folga radial é calculada com base na aplicação do mancal e do material utilizado na sua fabricação, e dada na tabela abaixo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 209

211 Espessura do mancal Este cálculo é feito através de equações empíricas, como as apresentadas a seguir. (para buchas embutidas) (para buchas encaixadas) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 210

212 CAPITULO 8 - ELEMENTOS DE TRANSMISSÃO 8.1- Introdução Esses elementos são utilizados para integrar sistemas que transferem potência e movimento a um outro sistema. Na figura abaixo, a polia condutora transmite energia e movimento à polia conduzida. Os sistemas de transmissão podem, também, variar as rotações entre dois eixos. Nesse caso, o sistema de rotação é chamado variador. As maneiras de variar a rotação de um eixo podem ser: por engrenagens; por correias; por atrito. Abaixo, temos a ilustração de um variador por engrenagens acionado por um motor elétrico. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 211

213 Seja qual for o tipo de variador, sua função está ligada a eixos Modos de transmissão A transmissão de força e movimento pode ser pela forma e por atrito. A transmissão pela forma é assim chamada porque a forma dos elementos transmissores é adequada para encaixamento desses elementos entre si. Essa maneira de transmissão é a mais usada, principalmente com os elementos chavetados, eixos-árvore entalhados e eixos-árvore estriados. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 212

214 A transmissão por atrito possibilita uma boa centralização das peças ligadas aos eixos. Entretanto, não possibilita transmissão de grandes esforços quanto os transmitidos pela forma. Os principais elementos de transmissão por atrito são elementos anelares e arruelas estreladas. Elementos Anelares Esses elementos constituem-se de dois anéis cônicos apertados entre si e que atuam ao mesmo tempo sobre o eixo e o cubo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 213

215 Arruelas Estreladas As arruelas estreladas possibilitam grande rigor de movimento axial (dos eixos) e radial (dos raios). As arruelas são apertadas por meio de parafusos que forçam a arruela contra o eixo e o cubo ao mesmo tempo. Descrição de alguns elementos de transmissão Descrição dos principais elementos de máquina de transmissão: correias, correntes, engrenagens, rodas de atrito, roscas, cabos de aço e acoplamento. Correias São elementos de máquina que transmitem movimento de rotação entre eixos por intermédio das polias. As correias podem ser contínuas ou com emendas. As polias são cilíndricas, fabricadas em diversos materiais. Podem ser fixadas aos eixos por meio de pressão, de chaveta ou de parafuso. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 214

216 Correntes São elementos de transmissão, geralmente metálicos, constituídos de uma série de anéis ou elos. Existem vários tipos de corrente e cada tipo tem uma aplicação específica. corrente de elos corrente de buchas Engrenagens Também conhecidas como rodas dentadas, as engrenagens são elementos de máquina usados na transmissão entre eixos. Existem vários tipos de engrenagem. Roscas São saliências de perfil constante, em forma de hélice (helicoidal). As roscas se movimentam de modo uniforme, externa ou internamente, ao redor de uma superfície cilíndrica ou cônica. As saliências são denominadas filetes. Existem roscas de transporte ou movimento que transformam o movimento giratório num Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 215

217 movimento longitudinal. Essas roscas são usadas, normalmente, em tornos e prensas, principalmente quando são freqüentes as montagens e desmontagens. Cabos de aço São elementos de máquinas feitos de arame trefilado a frio. Inicialmente, o arame é enrolado de modo a formar pernas. Depois as pernas são enroladas em espirais em torno de um elemento central, chamado núcleo ou alma. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 216

218 Acoplamento É um conjunto mecânico que transmite movimento entre duas pecas Eixos e árvores Assim como o homem, as máquinas contam com sua.coluna vertebral. Como um dos principais elementos de sua estrutura física: eixos e árvores, que podem ter perfis lisos ou compostos, em que são montadas as engrenagens, polias, rolamentos, volantes, manípulos etc. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 217

219 Material de fabricação Os eixos e árvores são fabricados em aço ou ligas de aço, pois os materiais metálicos apresentam melhores propriedades mecânicas do que os outros materiais. Por isso, são mais adequados para a fabricação de elementos de transmissão: eixos com pequena solicitação mecânica são fabricados em aço ao carbono; eixo-árvore de máquinas e automóveis são fabricados em aço-níquel; eixo-árvore para altas rotações ou para bombas e turbinas são fabricados em aço cromo-níquel; eixo para vagões são fabricados em aço-manganês. Quando os eixos e árvores têm finalidades específicas, podem ser fabricados em cobre, alumínio, latão. Portanto, o material de fabricação varia de acordo com a função dos eixos e árvores. Quanto ao tipo, os eixos podem ser roscados, ranhurados, estriados, maciços, vazados, flexíveis, cônicos, cujas características estão descritas a seguir. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 218

220 Eixos maciços A maioria dos eixos maciços tem seção transversal circular maciça, com degraus ou apoios para ajuste das peças montadas sobre eles. A extremidade do eixo é chanfrada para evitar rebarbas. As arestas são arredondadas para aliviar a concentração de esforços. Eixos vazados Normalmente, as máquinas-ferramenta possuem o eixo-árvore vazado para facilitar a fixação de peças mais longas para a usinagem. Temos ainda os eixos vazados empregados nos motores de avião, por serem mais leves. Eixos cônicos Os eixos cônicos devem ser ajustados a um componente que possua um furo de encaixe cônico. A parte que se ajusta tem um formato cônico e é firmemente presa por uma porca. Uma chaveta é utilizada para evitar a rotação relativa. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 219

221 Eixos roscados Esse tipo de eixo é composto de rebaixos e furos roscados, o que permite sua utilização como elemento de transmissão e também como eixo prolongador utilizado na fixação de rebolos para retificação interna e de ferramentas para transmitir grande força. Eixos-árvore ranhurados Esse tipo de eixo apresenta uma série de ranhuras longitudinais em torno de sua circunferência. Essas ranhuras engrenam-se com os sulcos correspondentes de peças que serão montadas no eixo. Os eixos ranhurados são utilizados para transmitir grande força. Eixos-árvore estriados Assim como os eixos cônicos, como chavetas, caracterizam-se por garantir uma boa concentricidade com boa fixação, os eixos-árvore estriados também são utilizados para evitar rotação relativa em barras de direção de automóveis, alavancas de máquinas etc. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 220

222 Eixos-árvore flexíveis Consistem em uma série de camadas de arame de aço enroladas alternadamente em sentidos opostos e apertadas fortemente. O conjunto é protegido por um tubo flexível e a união com o motor é feita mediante uma braçadeira especial com uma rosca. São eixos empregados para transmitir movimento a ferramentas portáteis (roda de afiar), e adequados a forças não muito grandes e altas velocidades (cabo de velocímetro) Polias e correias Às vezes, pequenos problemas de uma empresa podem ser resolvidos com soluções imediatas, principalmente quando os recursos estão próximos de nós, sem exigir grandes investimentos. Por exemplo: com a simples troca de alguns componentes de uma máquina, onde se pretende melhorar o rendimento do sistema Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 221

223 de transmissão, conseguiremos resolver o problema de atrito, desgaste e perda de energia Polias: As polias são peças cilíndricas, movimentadas pela rotação do eixo do motor e pelas correias. Uma polia é constituída de uma coroa ou face, na qual se enrola a correia. A face é ligada a um cubo de roda mediante disco ou braços. Tipos de polia Os tipos de polia são determinados pela forma da superfície na qual a correia se assenta. Elas podem ser planas ou trapezoidais. As polias planas podem Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 222

224 apresentar dois formatos na sua superfície de contato. Essa superfície pode ser plana ou abaulada. A polia plana conserva melhor as correias, e a polia com superfície abaulada guia melhor as correias. As polias apresentam braços a partir de 200 mm de diâmetro. Abaixo desse valor, a coroa é ligada ao cubo por meio de discos. A polia trapezoidal recebe esse nome porque a superfície na qual a correia se assenta apresenta a forma de trapézio. As polias trapezoidais devem ser providas de canaletes (ou canais) e são dimensionadas de acordo com o perfil padrão da correia a ser utilizada. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 223

225 Essas dimensões são obtidas a partir de consultas em tabelas. Vamos ver um exemplo que pode explicar como consultar tabela. Imaginemos que se vai executar um projeto de fabricação de polia, cujo diâmetro é de 250 mm, perfil padrão da correia C e ângulo do canal de 34º. Como determinar as demais dimensões da polia? Com os dados conhecidos, consultamos a tabela e vamos encontrar essas dimensões: Perfil padrão da correia: C Diâmetro externo da polia: 250 mm Ângulo do canal: 34º T: 15,25 mm S: 25,5 mm W: 22,5 mm Y: 4 mm Z: 3 mm H: 22 mm K: 9,5 mm U = R: 1,5 mm X: 8,25 mm Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 224

226 Além das polias para correias planas e trapezoidais, existem as polias para cabos de aço, para correntes, polias (ou rodas) de atrito, polias para correias redondas e para correias dentadas. Algumas vezes, as palavras roda e polia são utilizadas como sinônimos. No quadro da próxima página, observe, com atenção, alguns exemplos de polias e, ao lado, a forma como são representadas em desenho técnico. Material das polias Os materiais que se empregam para a construção das polias são ferro fundido (o mais utilizado), aços, ligas leves e materiais sintéticos. A superfície da polia não deve apresentar porosidade, pois, do contrário, a correia irá se desgastar rapidamente Correias: As correias mais usadas são planas e as trapezoidais. A correia em.v. ou trapezoidal é inteiriça, fabricada com seção transversal em forma de trapézio. É feita de borracha revestida de lona e é formada no seu interior por cordonéis vulcanizados para suportar as forças de tração. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 225

227 O emprego da correia trapezoidal ou em.v. é preferível ao da correia plana porque: praticamente não apresenta deslizamento; permite o uso de polias bem próximas; elimina os ruídos e os choques, típicos das correias emendadas (planas). Existem vários perfis padronizados de correias trapezoidais. Outra correia utilizada é a correia dentada, para casos em que não se pode ter nenhum deslizamento, como no comando de válvulas do automóvel. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 226

228 Material das correias Os materiais empregados para fabricação das correias são couro; materiais fibrosos e sintéticos (à base de algodão, pêlo de camelo, viscose, perlon e náilon) e material combinado (couro e sintéticos). Transmissão Na transmissão por polias e correias, a polia que transmite movimento e força é chamada polia motora ou condutora. A polia que recebe movimento e força é a polia movida ou conduzida. A maneira como a correia é colocada determina o sentido de rotação das polias. Assim, temos: sentido direto de rotação - a correia fica reta e as polias têm o mesmo sentido de rotação; sentido de rotação inverso - a correia fica cruzada e o sentido de rotação das polias inverte-se; Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 227

229 transmissão de rotação entre eixos não paralelos. Para ajustar as correias nas polias, mantendo tensão correta, utiliza-se o esticador de correia. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 228

230 Relação de transmissão Na transmissão por polias e correias, para que o funcionamento seja perfeito, é necessário obedecer alguns limites em relação ao diâmetro das polias e o número de voltas pela unidade de tempo. Para estabelecer esses limites precisamos estudar as relações de transmissão. Costumamos usar a letra i para representar a relação de transmissão. Ela é a relação entre o número de voltas das polias (n) numa unidade de tempo e os seus diâmetros. A velocidade tangencial (V) é a mesma para as duas polias, e é calculada pela fórmula: V = π. D. n Como as duas velocidades são iguais, temos: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 229

231 Na transmissão por correia plana, a relação de transmissão (i) não deve ser maior do que 6 (seis), e na transmissão por correia trapezoidal esse valor não deve ser maior do que 10 (dez). Exemplo: 1 - Em um sistema de transmissão de polias e correias, apresenta os seguintes dados: n 2 n1 =? Dados: n 2 = 800 RPM i = n 1 = D 2 n 1 =? n2 D 1 D 1 = 80 mm i = n 1 = D 2 = 140 mm i = rpm A relação de entre as polias proporcionou um aumento de 75% de rpm no sistema.de transmissão Correntes As correntes transmitem força e movimento que fazem com que a rotação do eixo ocorra nos sentidos horário e anti-horário. Para isso, as engrenagens devem Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 230

232 estar num mesmo plano. Os eixos de sustentação das engrenagens ficam perpendiculares ao plano. O rendimento da transmissão de força e de movimento vai depender diretamente da posição das engrenagens e do sentido da rotação. Transmissão A transmissão ocorre por meio do acoplamento dos elos da corrente com os dentes da engrenagem. A junção desses elementos gera uma pequena oscilação durante o movimento. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 231

233 Algumas situações determinam a utilização de dispositivos especiais para reduzir essa oscilação, aumentando, conseqüentemente, a velocidade de transmissão. Veja alguns casos. Grandes choques periódicos - devido à velocidade tangencial, ocorre intensa oscilação que pode ser reduzida por amortecedores especiais. Grandes distâncias - quando é grande a distância entre os eixos de transmissão, a corrente fica.com barriga.. Esse problema pode ser reduzido por meio de apoios ou guias. Grandes folgas - usa-se um dispositivo chamado esticador ou tensor quando existe uma folga excessiva na corrente. O esticador ajuda a melhorar o contato das engrenagens com a corrente. Tipos de corrente Correntes de rolo simples, dupla e tripla. Fabricadas em aço temperado, as correntes de rolo são constituídas de pinos, talas externa e interna, bucha remachada na tala interna. Os rolos ficam sobre as buchas. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 232

234 O fechamento das correntes de rolo pode ser feito por cupilhas ou travas elásticas, conforme o caso. Essas correntes são utilizadas em casos em que é necessária a aplicação de grandes esforços para baixa velocidade como, por exemplo, na movimentação de rolos para esteiras transportadoras. Corrente de bucha Essa corrente não tem rolo. Por isso, os pinos e as buchas são feitos com diâmetros maiores, o que confere mais resistência a esse tipo de corrente do que à corrente de rolo. Entretanto, a corrente de bucha se desgasta mais rapidamente e provoca mais ruído Cabos Cabos são elementos de transmissão que suportam cargas (força de tração), deslocando-as nas posições horizontal, vertical ou inclinada. Os cabos são muito empregados em equipamentos de transporte e na elevação de cargas, como em elevadores, escavadeiras, pontes rolantes. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 233

235 Componentes O cabo de aço se constitui de alma e perna. A perna se compõe de vários arames em torno de um arame central, conforme a figura Vejamos um esquema de cabo de aço. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 234

236 Construção de cabos Um cabo pode ser construído em uma ou mais operações, dependendo da quantidade de fios e, especificamente, do número de fios da perna. Por exemplo: um cabo de aço 6 por 19 significa que uma perna de 6 fios é enrolada com 12 fios em duas operações, conforme segue: Quando a perna é construída em várias operações, os passos ficam diferentes no arame usado em cada camada. Essa diferença causa atrito durante o uso e, conseqüentemente, desgasta os fios. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 235

237 Tipos de distribuição dos fios nas pernas cabo. Existem vários tipos de distribuição de fios nas camadas de cada perna do Os principais tipos de distribuição que vamos estudar são: normal; seale; filler; warrington. diâmetro. Distribuição normal - Os fios dos arames e das pernas são de um só Distribuição seale - As camadas são alternadas em fios grossos e finos. Distribuição filler As pernas contêm fios de diâmetro pequeno que são utilizados como enchimento dos vãos dos fios grossos. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 236

238 Distribuição warrington Os fios das pernas têm diâmetros diferentes numa mesma camada. Tipos de alma de cabos de aço As almas de cabos de aço podem ser feitas de vários materiais, de acordo com a aplicação desejada. Existem, portanto, diversos tipos de alma. Veremos os mais comuns: alma de fibra, de algodão, de asbesto, de aço. Alma de fibra - É o tipo mais utilizado para cargas não muito pesadas. As fibras podem ser naturais (AF) ou artificiais (AFA). As fibras naturais utilizadas normalmente são o sisal ou o rami. Já a fibra artificial mais usada é o polipropileno (plástico). Vantagens das fibras artificiais: não se deterioram em contato com agentes agressivos; são obtidas em maior quantidade; não absorvem umidade. Desvantagens das fibras artificiais: são mais caras; são utilizadas somente em cabos especiais. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 237

239 Alma de algodão Tipo de alma que é utilizado em cabos de pequenas dimensões. Alma de asbesto Tipo de alma utilizado em cabos especiais, sujeitos a altas temperaturas. Alma de aço A alma de aço pode ser formada por uma perna de cabo (AA) ou por um cabo de aço independente (AACI), sendo que este último oferece maior flexibilidade somada à alta resistência à tração. Tipos de torção Os cabos de aço, quando tracionados, apresentam torção das pernas ao redor da alma. Nas pernas também há torção dos fios ao redor do fio central. O sentido dessas torções pode variar, obtendo-se as situações: Torção regular ou em cruz Os fios de cada perna são torcidos no sentido oposto ao das pernas ao redor da alma. As torções podem ser à esquerda ou à direita. Esse tipo de torção confere mais estabilidade ao cabo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 238

240 Torção lang ou em paralelo Os fios de cada perna são torcidos no mesmo sentido das pernas que ficam ao redor da alma. As torções podem ser à esquerda ou à direita. Esse tipo de torção aumenta a resistência ao atrito (abrasão) e dá mais flexibilidade. O diâmetro de um cabo de aço corresponde ao diâmetro da circunferência que o circunscreve. Preformação dos cabos de aço Os cabos de aço são fabricados por um processo especial, de modo que os arames e as pernas possam ser curvadas de forma helicoidal sem formar tensões internas, lang à direita lang à esquerda. As principais vantagens dos cabos preformados são: manuseio mais fácil e mais seguro; no caso da quebra de um arame, ele continuará curvado; Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 239

241 não há necessidade de amarrar as pontas. Fixação do cabo de aço Os cabos de aço são fixados em sua extremidade por meio de ganchos ou laços. Os laços são formados pelo trançamento do próprio cabo. Os ganchos são acrescentados ao cabo. Dimensionamento Para dimensionar cabos, calculamos a resistência do material de fabricação aos esforços a serem suportados por esses cabos. É necessário verificar o nível de resistência dos materiais à ruptura. Os tipos, características e resistência à tração dos cabos de aço são apresentados nos catálogos dos fabricantes Roscas de transmissão Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 240

242 Macaco mecânico - equipamento para elevar pesos a pequena altura, pelo deslocamento de uma rosca de transmissão do sistema porca e fuso. As roscas de transmissão apresentam vários tipos de perfil. Rosca com perfil quadrado Esse tipo de perfil é utilizado na construção de roscas múltiplas. As roscas múltiplas possuem duas ou mais entradas, que possibilitam maior avanço axial a cada volta completa do parafuso. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 241

243 Essas roscas são utilizadas em conjuntos (fuso e porca) sempre que houver necessidade de se obter mais impacto (balancim) ou grande esforço (prensa). Rosca com perfil trapezoidal Resiste a grandes esforços e é empregada na construção de fusos e porcas, os quais transmitem movimento a alguns componentes de máquinas-ferramenta como, por exemplo, torno, plaina e fresadora. A rosca sem-fim apresenta também perfil trapezoidal, e é um componente que funciona, geralmente, em conjunto com uma coroa (engrenagem helicoidal), possibilitando grande redução na relação de transmissão de movimento. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 242

244 Rosca com perfil misto Esta rosca é muito utilizada na construção de conjuntos fuso e porca com esferas recirculantes. Os fusos de esferas são elementos de transmissão de alta eficiência, transformando movimento de rotação em movimento linear e vice-versa, por meio de transmissão por esferas. No acionamento do avanço do carro da fresadora ferramenteira por Comando Numérico Computadorizado (CNC) é usado esse tipo de rosca, visando transferência de força com o mínimo atrito. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 243

245 Material de fabricação Fusos, porcas e coroas podem ser fabricados de vários materiais, conforme as necessidades e indicações. Fusos - aço-carbono ou aço-liga. Porcas e coroas - bronze ou ferro fundido. Fusos e porcas de esferas recirculares - aço-liga Engrenagens A coroa e o parafuso com rosca sem-fim compõem um sistema de transmissão muito utilizado na mecânica, principalmente nos casos em que é necessária redução de velocidade ou um aumento de força, como nos redutores de velocidade, nas talhas e nas pontes rolantes. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 244

246 Parafuso com rosca sem-fim Esse parafuso pode ter uma ou mais entradas. Veja, por exemplo, a ilustração de um parafuso com rosca sem-fim com 4 entradas. O número de entradas do parafuso tem influência no sistema de transmissão. Se um parafuso com rosca sem-fim tem apenas uma entrada e está acoplado a uma coroa de 60 dentes, em cada volta dada no parafuso a coroa vai girar apenas um dente. Como a coroa tem 60 dentes, será necessário dar 60 voltas no parafuso para que a coroa gire uma volta. Assim, a rpm da coroa é 60 vezes menor que a do parafuso. Se, por exemplo, o parafuso com rosca sem-fim está girando a rpm, a coroa girará a rpm, divididas por 60, que resultará em 30 rpm. Suponhamos, agora, que o parafuso com rosca sem-fim tenha duas entradas e a coroa tenha 60 dentes. Assim, a cada volta dada no parafuso com rosca semfim, a coroa girará dois dentes. Portanto, será necessário dar 30 voltas no parafuso para que a coroa gire uma volta. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 245

247 Assim, a rpm da coroa é 30 vezes menor que a rpm do parafuso com rosca sem-fim. Se, por exemplo, o parafuso com rosca sem-fim está girando a rpm, a coroa girará a divididas por 30, que resultará em 60 rpm. A rpm da coroa pode ser expressa pela fórmula Exemplo: Em um sistema de transmissão composto de coroa e parafuso com rosca semfim, o parafuso tem 3 entradas e desenvolve 800 rpm. Qual será a rpm da coroa, sabendo-se que ela tem 40 dentes? Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 246

248 Exercício: Utilizando o sistema de transmissão parafuso com rosca sem fim e coroa, uma máquina envasa 16 garrafas de suco por minuto. Houve a necessidade de aumentar de 16 para 22 garrafas por minuto. Os dados do conjunto de transmissão são: - RPM DO PARAFUSO ROSCA SEM FIM RPM - Nº DE ENTRADAS DO PARAFUSO Nº DE DENTES DA COROA Qual a RPM da cora de 60 dentes? - Calcule qual o nº de dentes que deverá ter a coroa substituta para atingir a meta de 22 garrafas por minuto. - Qual a RPM da coroa substituta? Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 247

249 CAPITULO 9 - VARIADORES DE VELOCIDADE E ACIONAMENTOS DE MOTORES 9.1. Sistemas de velocidade variável Muitos processos industriais requerem dispositivos de acionamento de cargas com velocidade variável: BOMBAS: variação de vazão de líquidos VENTILADORES: variação de vazão de ar SISTEMAS DE TRANSPORTE: variação da velocidade de transp. TORNOS: variação da velocidade de corte BOBINADEIRAS: compensação da variação de diâmetro da bobina Durante muitos anos, as aplicações industriais de velocidade variável foram ditadas pelos requisitos dos processos e limitadas pela tecnologia, pelo custo, pela eficiência e pelos requisitos de manutenção e componentes empregados. No passado: a variação de velocidade era feita por motor de indução de velocidade fixa (primeiro dispositivo de conversão de energia elétrica para energia mecânica) + dispositivo de conversão de energia através de componentes mecânicos, hidráulicos ou eletromagnéticos (segundo dispositivo de conversão de energia). SISTEMAS DE VELOCIDADE VARIÁVEL TRADICIONAIS: Variadores mecânicos Acoplamento por polias: redução ou ampliação de velocidade fixas, sem a possibilidade de uma variação contínua de rotação. Para cada nova rotação, o motor deve ser desligado para a troca das polias. Baixo rendimento com o motor operando quase sempre nas suas condições nominais, independente das rotações desejadas na sua saída (desperdício de energia). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 248

250 Variadores mecânicos (motoredutores): avanço em relação ao anterior, pois aqui já se consegue variar a rotação de saída através de um jogo de polias/engrenagens variáveis. Continua o baixo rendimento com o motor, operando quase sempre nas suas condições nominais, independente das rotações desejadas na sua saída (desperdício de energia). Equipamentos limitados a baixas e médias potências (limite das engrenagens). Variadores hidráulicos O controle da variação de velocidade do motor é feita através da vazão do fluido injetado no motor. Permite variação contínua de velocidade. Baixo rendimento e elevada manutenção. Variador hidrocinético Composto de um eixo de entrada (rotação fixa) e de um eixo de saída, cuja rotação pode variar linearmente de zero até uma rotação muito próxima à do eixo de entrada (existem perdas...) Permite variação contínua de velocidade Baixo rendimento Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 249

251 Variadores oleodinâmicos de velocidade, com variação de velocidade de rpm com potência de 0,5HP a 30HP. Variadores/embreagens eletromagnéticos Mudou-se o conceito de variação exclusivamente mecânica para variação eletromecânica; Utiliza-se técnicas baseadas no princípio físico das correntes de Foucault, utilizando um sistema de discos acoplados a bobinas que podem ter seu campo magnético variável, variando-se assim o torque (e também a velocidade) na saída do variador. Rendimento muito baixo, pois apresenta perdas por aquecimento e ruído Aqui também o motor sempre estará girando na rotação nominal, independente da rotação desejada no eixo de saída (desperdício de energia), quando se opera em rotações abaixo da nominal. SISTEMAS DE VELOCIDADE VARIÁVEL ATUAIS: Na década de 80, com o desenvolvimento de semicondutores de potência com excelentes características de desempenho e confiabilidade, foi possível a implementação de sistemas de variação de velocidade eletrônicos. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 250

252 O dispositivo de conversão de energia elétrica para mecânica continuou sendo o motor, porém sem a utilização de dispositivos secundários mecânicos, hidráulicos ou eletromagnéticos. Os sistemas de variação contínua de velocidade proporcionam, entre outras, as seguintes vantagens: economia de energia, melhoramento do desempenho de máquinas e equipamentos (adaptação da velocidade aos requisitos do processo), elimina picos de corrente na partida etc Acionamento elétrico É um sistema capaz de converter energia elétrica em energia mecânica (movimento), mantendo sob controle tal processo de conversão. São normalmente utilizados para acionar máquinas ou equipamentos que requerem algum tipo de movimento controlado, como por exemplo a velocidade de rotação de uma bomba. Os motores mais amplamente utilizados nos acionamentos elétricos são os motores de indução monofásicos e trifásicos. Um acionamento elétrico moderno é formado normalmente pela combinação dos seguintes elementos: MOTOR: converte energia elétrica em energia mecânica DISPOSITIVO ELETRÔNICO: comanda e/ou controla a potência elétrica TRANSMISSÃO MECÂNICA: adapta a velocidade e inércia entre motor e máquina (carga) SISTEMA ELÉTRICO MOTOR ELÉTRICO CARGA MECÂNICA CONTROLE A escolha do motor e de seus dispositivos de partida e parada, mesmo influenciada por aspectos ambientais, está diretamente relacionada com a carga mecânica a ser acionada e ao impacto dela no sistema elétrico. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 251

253 No acionamento das cargas mecânicas os conjugados resistentes e de arraste precisam ser analisados para evitar problemas operacionais como desgaste, vibração, aquecimento Dispositivos de partida de motores elétricos Funções de partidas-motores: Distribuição Elétrica de BT Seccionamento Seccionamento Isolar eletricamente o circuito de força da alimentação geral Proteção contra curto-circuito Proteção contra sobrecarga Comutação Soft-Start Proteção contra curto-circuito Comutação Inversor de freqüência Detectar e interromper o mais rápido possível correntes anormais superiores a 10 In Detectar aumentos de corrente até 10 In e evitar o aquecimento do motor e dos condutores antes da deterioração dos isolantes Consiste em estabelecer, interromper e regular o valor da corrente absorvida pelo motor Motor Motor 9.4. Tipos de motores elétricos Motores assíncronos trifásicos Estator: em um motor assíncrono trifásico, três enrolamentos geométricamente deslocados 120º são alimentados cada um por uma das fases de uma rede trifásica alternada. Os enrolamentos percorridos por estas correntes alternadas produzem um campo magnético girante com velocidade síncrona f (rpm): Ns 120 P f = frequência; P = nº polos Rotor: constituído por barras curto-circuitadas que sob ação do campo girante, tem força eletromotriz induzida nas barras, dando origem à circulação de correntes que interagindo com o campo magnético Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 252

254 girante darão origem a forças (conjugado) movimentando o rotor no sentido do campo magnético. f Ns 120 P S n n s ns n S(%) n s 4 pólos,60hz Ns 1800rpm f 1 S n p n S(%) S(%) 3,3% Ponto de equilíbrio = conjugado de aceleração é zero e a velocidade permanece constante Figura (). Curva conjugado x corrente x velocidade Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 253

255 O conjugado do motor deve ser sempre MAIOR que o conjugado da carga, em todos os pontos entre zero e a velocidade nominal (inclusive na partida). O rendimento varia com a carga do motor; Rendimento alto significa baixas perdas; Quanto maior o rendimento, menor a potência absorvida da linha e, portanto, menor o custo da energia elétrica. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 254

256 Rotor de gaiola simples É caracterizado por um conjugado de partida relativamente suave mas com uma corrente absorvida muito superior a corrente nominal quando do funcionamento em regime. Rotor de gaiola dupla É caracterizado por possuir duas gaiolas: a externa de alta resistência elétrica que limita a corrente na partida e a interna de baixa resistência que oferece características de bom desempenho em regime. Motores de alto Rendimento Motor de Alto Rendimento Possui rendimento superior ao motor standard Gera baixas perdas; Reduz significativamente a elevação de temperatura, com conseqüente aumento de vida útil; Promove a racionalização da produção e do consumo de energia elétrica, eliminando os desperdícios e reduzindo os custos. Eficiência energética através do motor de Alto Rendimento O setor industrial é responsável por 43% do consumo anual de energia em nosso país. Dentro deste setor, onde há maior demanda de energia elétrica, os motores são responsáveis por aproximadamente 55% deste consumo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 255

257 Diferenças entre o motor de Alto Rendimento e o motor standard Maior quantidade de cobre: reduz as perdas Joule (perdas no estator); Chapa magnética com alta permeabilidade, baixas perdas e entreferro reduzido - reduz a corrente magnetizante e consequentemente as perdas no ferro; Enrolamento dupla camada: resulta em melhor dissipação de calor; Rotores tratados termicamente: reduz as perdas suplementares; A diferença de rendimento entre os motores padrão e Alto rendimento variam entre 1,5 e 7 % sendo que para os motores de potencia menor a diferença é maior. Vale lembrar que a economia de energia em motores maiores é sempre maior, pois 2% em um motor de 150CV, pode ser muito maior que 7 % em um motor de 1CV. Motor standard Motor A.R Motor 5 CV 4 polos 85,0 88,5 Motor 150CV 4 polos 93,5 95,0 Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 256

258 O custo do motor AR varia entre 30 e 40% a mais que o Standard e o tempo de retorno está ente 8 meses e 18 meses, com média de 12 meses CONTATORES: Categoria de emprego de motores A suportabilidade dos contatores aos esforços decorrentes da interrupção de correntes superiores à sua corrente nominal e a sua durabilidade ao ser submetido a operações repetidas levou a uma classificação dos contatores pela IEC. Essa classificação leva em conta: a freqüência das operações liga - desliga, valor das sobrecargas, fator de potência da carga, tipo de operação dos motores: na partida, na frenagem, na inversão da rotação, etc. Categorias de emprego segundo IEC As categorias de emprego normalizadas fixam os valores de corrente que o contator deve estabelecer ou interromper, mantendo vida útil de 1,0 a 10,0x10 7 manobras. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 257

259 Elas dependem: da natureza do receptor controlado: motor de gaiola ou de anéis, resistências, capacitores, lâmpadas fluorescentes, etc. das condições nas quais são efetuados os fechamentos e aberturas: motor em regime ou bloqueado ou em partida, inversão do sentido de rotação, frenagem por contracorrente. As categorias de emprego em corrente alternada Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 258

260 Categorias de emprego segundo IEC Coordenação A coordenação das proteções é o ato de associar, de maneira seletiva, um dispositivo de proteção contra os curtos-circuitos (fusíveis ou disjuntores) com um contator e um dispositivo de proteção contra as sobrecarga. Tem por objetivo interromper, em tempo, toda corrente anormal, sem perigo para as pessoas e assegurando uma proteção adequada da aparelhagem contra uma corrente de sobrecarga ou uma corrente de curto-circuito. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 259

261 Sem coordenação São grandes os riscos para o operador, como também podem ser grandes os danos físicos e materiais. Coordenação tipo 1 É aceita uma deterioração do contator e do relé sob 2 condições: nenhum risco para o operador, todos os demais componentes, exceto o contator e o relé térmico, não devem ser danificados. Coordenação tipo 2 O risco de soldagem dos contatos do contator é admitido se estes puderem ser facilmente separados. Após ensaios de coordenação tipo 2, as funções dos componentes de proteção e de comando continuam operacionais. É a solução que permite a continuidade de serviço. Coordenação total É a solução em que não são aceitos nenhum dano ou desregulagem. Qual a escolha certa? O tipo certo de coordenação para determinada instalação depende dos parâmetros de funcionamento. A escolha acertada proporcionará ao usuário um custo de instalação mínimo. Fatores determinantes para uma instalação englobam: TIPO 1: pessoal de manutenção especializado; equipamentos de custos acessíveis; continuidade de serviço não requerido ou feito pela substituição da chave de partida do motor sob defeito. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 260

262 TIPO 2: continuidade de serviço; redução do pessoal especializado e especificações que estipulam o tipo Tipos de partida de motores assíncronos Tipos de acionamentos estáticos para motores assíncronos: Partida direta Estrela-triângulo Auto-transformador Soft-starter com controle de tensão/conjugado Variadores de velocidade Inversor de frequência Partida direta É o modo de partida mais simples, com o estator ligado diretamente à rede. O motor parte com as suas características naturais. Para motores de grande porte, não é utilizado (grande Ip!!!) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 261

263 Principais características Destina-se a máquinas que partem em vazio ou com carga; Partidas normais (< 10s). Para partidas prolongadas (pesadas), deve-se ajustar as especificações do contator, relé de sobrecarga, condutores, etc; Relé de sobrecarga: ajustar para a corrente de serviço (nominal do motor); Frequência de manobras: média 15 manobras/hora. VANTAGENS Menor custo Muito simples de implementar Alto torque de partida DESVANTAGENS Alta corrente de partida, provocando queda de tensão na rede de alimentação (interferência em equipamentos ligados na mesma instalação Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 262

264 É necessário sobredimensionar cabos e contatores limitação do número de manobras/hora Partida estrela-triângulo Este processo de partida só pode ser utilizado num motor em que as duas extremidades de cada um dos três enrolamentos estatóricos estejam ligadas à placa de terminais. Consiste na alimentação do motor com redução de tensão na partida. Este processo de partida só pode ser utilizado em motores que possuam ligação em dupla tensão (por exemplo 380/220V). A menor tensão deverá ser igual a tensão de rede e a outra 1,73 vezes maior. Esta partida é implementada com dois contatores, proporcionando na partida ligação estrela no motor (maior tensão, com redução da corrente de partida em 1/3) e após a partida ligação em triângulo (tensão nominal). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 263

265 Principais características: Apropriada para máquinas com conjugado resistente de partida baixo (até 1/3 do conjugado de partida do motor), praticamente constante, tais como máquinas para usinagem de metais (tornos etc); É aplicada quase que exclusivamente para partidas em vazio (sem carga). Somente depois de se ter atingido a rotação nominal a carga poderá ser aplicada; O conjugado resistente da carga não deve ultrapassar o conjugado de carga do motor, nem a corrente no instante da comutação deve atingir valores muito elevados; Partidas normais (< 15s). Para partidas prolongadas (pesadas), devese ajustar as especificações do contator, relé de sobrecarga, condutores, etc. Relé de sobrecarga: ajustar para 0,58 vezes a corrente de serviço (nominal do motor); Relé de tempo: ajustar a um tempo de aceleração à aproximadamente 90% da rotação nominal; Frequência de manobras: média de 15 manobras/hora. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 264

266 VANTAGENS custo reduzido a corrente de partida é reduzida a 1/3 quando comparada com a partida direta não existe limitação do número de manobras/hora DESVANTAGENS redução do torque de partida a aproximadamente 1/3 do nominal são necessários motores para duas tensões com seis bornes acessíveis caso o motor não atingir pelo menos 90% da velocidade nominal, o pico de corrente na comutação estrela para triângulo é equivalente ao da partida direta em casos de grande distância entre motor e chave de partida, o custo é elevado devido a necessidade de seis cabos Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 265

267 Partida por autotransformador O motor é alimentado com tensão reduzida através de um autotransformador, que é desligado do circuito no final da partida. Principais características Destina-se a máquinas de grande porte, que partem com aproximadamente metade da carga nominal (conjugado resistente de partida próximo da metade do conjugado nominal do motor), tais como: calandras, britadores, compressores, etc; Partidas normais (< 20s). Para partidas prolongadas (pesadas), devese ajustar as especificações do contator, relé de sobrecarga, condutores, etc; Auto-transformador (com proteção térmica): taps de 65 a 80%; Relé de sobrecarga: ajustar para a corrente de serviço (nominal do motor); Relé de tempo: ajustar a um tempo de aceleração à aproximadamente 90% da rotação nominal; Frequência de manobras: média de 10 à 15 manobras/hora. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 266

268 VANTAGENS pode ser usada para partida de motores sob carga proporciona um conjugado de partida ajustável às necessidades da carga a corrente de partida é reduzida (proporcional a I 2 ): TAP 65% de Un: redução para 42% do seu valor de partida direta TAP 80% de Un: redução para 64% do seu valor de partida direta DESVANTAGENS custo maior que a estrela-triângulo, além da construção mais volumosa, necessitando de quadros maiores frequência de manobras limitada QUADRO COMPARATIVO Tipo de chave Tensão Ip Torque Partida Direta 100% Ip Cp A plena carga Estrelatriângulo 58% Ip x 0,33 Cp 0,33 x Praticam. a vazio* Compensadora 80% Ip x 0,64 Cp 0,64 x Com carga TAP 80% TAP 80% 65% Ip x 0,42 Cp 0,42 x TAP 65% TAP 65% * ex: bombas e ventiladores com registro fechado, correias transp. sem carga, compressores com válvula fechada, etc. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 267

269 TODOS OS MÉTODOS DE PARTIDA VISTOS ANTERIORMENTE CONSEGUEM UMA REDUÇÃO NA TENSÃO, TORQUE E CORRENTE DE PARTIDA, PORÉM A COMUTAÇÃO É POR DEGRAUS DE TENSÃO I f ( U) nos bornes C f(u 2 ) Soft-starter (partida suave) A alimentação do motor, quando é colocado em funcionamento, é feita por aumento progressivo da tensão (rampa de tensão), o que permite uma partida sem golpes e reduz o pico de corrente. É um dispositivo eletrônico para controle de tensão, ou seja, servem para acelerar/desacelerar a velocidade dos motores na partida. A tensão reduzida é controlada ajustando-se o ângulo de disparo de um par de tiristores em antiparalelo em cada fase da fonte. Circuitos de controle eletrônico controlam a tensão aplicada ao motor. Pelo ajuste correto das variáveis de controle, o torque do motor e a corrente são idealmente ajustadas às necessidades da carga. A medida que a tensão vai Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 268

270 aumentando (num período ajustável de tempo rampa de tensão), a corrente aumenta para acelerar a carga de uma maneira suave e sem degraus. Parada do motor: por inércia ou controlada Por inércia: tensão vai instantaneamente a zero, implicando que o motor não produza nenhum conjugado na carga, que por sua vez vai perdendo velocidade até parar. Controlada: soft-starter vai gradualmente reduzindo a tensão de saída até um valor mínimo de tempo pré-definido. 1- Reduzindo tensão aplicada ao motor, este perde conjugado 2- Perda de conjugado, aumento escorreg. 3- Aumento de escorreg., motor perde veloc. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 269

271 4- Motor perde veloc., a carga também perderá VANTAGENS controle da corrente de partida (próxima à nominal) não existe limitação do número de manobras/hora longa vida útil pois não possui partes eletromecânicas móveis torque de partida próximo do torque nominal pode ser empregada também para desacelerar o motor possibilita inversão do sentido de rotação Proteções integrais (falta de fase, sobrecorrente, subcorrente, sobrecarga etc) DESVANTAGENS É necessário tensão auxiliar para o soft-starter Maior custo na medida em que a potência do motor é reduzida distorções harmônicas na linha Nova tecnologia TCS - Torque Control System A tecnologia TCS foi desenvolvida para o Soft-Start e permite, através de um novo algoritmo, o Controle de Tensão e Corrente do motor, fazendo com que o Conjugado de aceleração e desaceleração sejam lineares. Esta Tecnologia conta com uma lógica chamada: Fuzzi Logic - conhecida como lógica nebulosa ou difusa. Com a utilização deste algoritmo conseguimos respostas mais rápidas, precisas e estáveis para o controle em Conjugado. VANTAGENS do controle do conjugado Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 270

272 9.6. Inversores: acionamentos de velocidade variável velocidad frequênci escorregamento Nº de Podemos observar que, para se variar a rotação do motor, deveremos ou variar a frequência (f), ou o escorregamento (S) ou o número de pólos. Variação do número de pólos: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 271

273 enrolamentos separados no estator um enrolamento com comutação de pólos combinação dos dois anteriores Não é interessante para os objetivos colocados, pois teríamos uma variação discreta de velocidade. Além disso, a carcaça é geralmente bem maior que o de velocidade única. Variação do escorregamento: variação da resistência rotórica; variação da tensão do estator. Pouco utilizado, uma vez que também gera perdas rotóricas e a taxa de variação de velocidade é pequena. Também seria inviável, pois com este método as perdas aumentarão e os valores de torque do motor seriam alterados. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 272

274 Variação da frequência: Motor 4 pólos; S = 0,0278 a) f = 60 Hz (frequência nominal) b) f = 30 Hz c) f = 90 Hz O QUE QUEREMOS???: O ideal será obtermos uma variação da frequência que vamos aplicar ao enrolamento estatórico do motor, conseguindo assim alterar a rotação do motor, mas com TORQUE CONSTANTE. Variação da frequência: O torque (C) será constante se o fluxo ( m ) permanecer constante Como o torque precisa ser mantido adequado e este só se mantém constante se o fluxo ( m ) permanecer constante, teremos que variar então a tensão (U) juntamente com a frequência (f). U f K Curva TORQUE x VELOCIDADE quando o motor é alimentado com frequência variável: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 273

275 Para cada frequência, teremos uma velocidade síncrona, mantendo-se uma diferença constante do escorregamento Como podemos, a partir da tensão e frequência constante da rede, obter um sistema trifásico com frequência variável? INVERSORES DE FREQUÊNCIA O que é um inversor de frequência? O inversor de freqüência é um equipamento eletrônico desenvolvido para variar a velocidade de motores de indução trifásicos, composto de três etapas distintas: retificação, filtragem e inversão. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 274

276 ETAPA DE ENTRADA (RETIFICADORA) Composta de pontes trifásicas de diodos, que fazem o papel de retificação da tensão e frequência alternada da rede com valor fixo (ex, 220V-60Hz), transformando-a em corrente contínua. ETAPA DE FILTRAGEM (CIRCUITO INTERMEDIÁRIO) Composta por capacitores para troca de potência reativa com o motor nos momentos em que o motor opera como motor ou gerador, além de diminuir as ondulações na tensão que foi retificada pela etapa de entrada, garantindo o fornecimento de tensão CC à etapa seguinte. ETAPA DE POTÊNCIA Com o sinal CC, os semicondutores que compões o inversor, através de técnicas digitais (ex: PWM), chaveiam o sinal controlando o tempo de ligamento e desligamento dos semicondutores, fazendo o valor médio variar, conseguindo fabricar uma nova onda senoidal com frequência variável. Objetivos dos acionamentos utilizando inversores Controle de velocidade e torque nos motores elétricos; Precisão na movimentação de carga; Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 275

277 Sincronismo na operação conjunta de motores; Proteção operacional contra sobrecargas, curto-circuitos e acidentes; Repetibilidade e uniformidade na produção industrial; Possibilidade de interligação em redes de automação. Filosofias de controle CONTROLE ESCALAR: Variação da tensão e freqüência proporcionalmente dependendo do modelo do inversor (controle U/f). CONTROLE VETORIAL: Controle individual dos componentes elétricos do motor (corrente de magnetização, corrente rotórica). Controle de velocidade e torque do motor. Controle escalar de tensão: controle U/f A variação U/f é feita linearmente até a frequência nominal (ex. 60Hz); Acima de 60Hz, a tensão, que já é a nominal permanece constante; A partir de 60Hz, a corrente, o fluxo, e conseqüentemente o torque, diminuirão (região de enfraquecimento de campo). Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 276

278 Fazendo uma análise muito simplificada, a corrente do estator I 2 é proporcional à resistência R e ao valor da reatância XL (2fL); Acima de 30Hz, R << XL; I 2 = CONSTANTE ( In). U I2 f A região de enfraquecimento de campo é uma região onde o fluxo começa a decrescer e, portanto, o torque também começa a diminuir Constante após f n Aumentando... A potência de saída do conversor de frequência segue a variação U/f, ou seja, cresce linearmente até a frequência nominal e permanece constante acima desta. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 277

279 Redução do consumo (kwh) ficando a potência P (kw), modulada pela carga aplicada C (kgf.m) e pela rotação do motor (rpm). O motor de indução é auto-ventilado. Com a redução de rotação (f), a ventilação já não é mais a mesma do que seria se estivesse nas suas condições nominais; de 0 a 30Hz, deve ser feita uma análise do tipo de carga acionada para tirar conclusões a respeito do aquecimento do motor; a tensão de saída do conversor apresenta distorção harmônica (forma de onda não perfeitamente senoidal), provocando aumento da corrente eficaz e consequente aumento de perdas; LOGO, É NECESSÁRIO REDUZIR CONJUGADO E POTÊNCIAS ADMISSÍVEIS NO MOTOR (CURVA PADRONIZADA) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 278

280 Controle escalar em inversores de frequência é utilizado em aplicações normais que não requerem elevada dinâmica (grandes acelerações e frenagens), nem elevada precisão e nem controle de torque; Um inversor com controle escalar pode controlar a velocidade de rotação do motor com precisão de 0,5% da rotação nominal para sistemas sem variação de carga, e de 3 a 5% com variação de carga de 0 a 100% do torque nominal; A faixa de variação de velocidade é pequena e da ordem de 1:10 (ex: 6Hz a 60Hz); O inversor de frequência escalar é mais utilizado em sistemas que não requerem alto desempenho; Custo menor quando comparado ao controle vetorial. Controle vetorial Em aplicações onde se faz necessária uma alta performance dinâmica, respostas rápidas e alta precisão de regulação de velocidade, o motor elétrico deverá fornecer essencialmente um controle preciso de torque para uma faixa extensa de condições de operação; Acionamentos CC sempre representaram uma solução ideal, pois a proporcionalidade da corrente de armadura, do fluxo e do troque num motor CC proporcionam um meio direto para o seu controle; Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 279

281 A diferença entre controle escalar (U/f) e o controle Vetorial, é a malha de controle, que permite monitoração independente da velocidade e do torque requerido. No motor de indução, a corrente do estator é a responsável por gerar o fluxo de magnetização e o fluxo de torque, não permitindo obter um controle direto de torque; No inversor V/f a referência de velocidade é usada como sinal para gerar os parâmetros V/f; No inversor vetorial, calcula-se a corrente necessária para produzir o torque requerido pela máquina, calculando-se a corrente do estator e a corrente de magnetização; Controle vetorial: performance dinâmica de um acionamento CC e as vantagens de um motor CA; O Controle Vetorial pode ser de dois tipos: Sensorless: malha aberta (sem encoder tacogerador de pulsos) Com encoder: malha fechada (com realimentação de velocidade por encoder) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 280

282 Ambos apresentam excelentes características de regulação e resposta dinâmica, sendo que o controle com encoder apresenta um grau de desempenho superior Com encoder Regulação de velocidade: 0,01% Regulação de torque: 5% Faixa de variação de velocidade: 1:1000 Torque de partida: 400% máx. Toque máximo (mão contínuo): 400% sensorless Regulação de velocidade: 0,1% Regulação de torque: não tem Faixa de variação de velocidade: 1:100 Torque de partida: 250% máx. Toque máximo (mão contínuo): 250% Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 281

283 VANTAGENS Utilização de motores de indução padrão; Alta precisão de velocidade; Suavidade nos movimentos; Sincronismo c/ alta precisão; Torque controlável; Ampla faixa de variação de velocidade; Pesos e dimensões reduzidas; Operação em áreas de risco; Disponibilidade de by-pass ; Cos próximo de 1; Frenagem regenerativa; Economia de energia. DESVANTAGENS Distorção harmônica da rede; Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 282

284 Rendimento: como a tensão de alimentação não é senoidal, haverão harmônicos que provocarão maiores perdas e consequente redução do rendimento; Ruído: variará sensivelmente em função da frequência e do conteúdo de harmônicas do inversor Confiabilidade do equipamento eletrônico 9.6 Aplicações de acionamentos com motores de indução e inversores de freqüência Assim como precisamos saber como se comportam as características de torque e de potência ao longo das rotações do motor quando este é acionado por inversor de frequência, precisamos também estudar os tipos de torque resistentes e potências consumidas nas mais diversas aplicações pelas respectivas cargas. MOTOR X CARGA Conjugado nominal: conjugado nominal necessário para mover a carga em condições de funcionamento à velocidade específica. Conjugado de partida: conjugado requerido para vencer a inércia estática da máquina em movimento. Para que uma carga, partindo da velocidade zero, atinja a sua velocidade nominal, é necessário que o conjugado do motor seja sempre superior ao da carga. Conjugado de aceleração: conjugado necessário para acelerar a carga à velocidade nominal. O conjugado do motor deve ser sempre superior ao conjugado de carga, em todos os pontos entre zero e a rotação nominal. No ponto de inserção das duas curvas, o conjugado de aceleração é nulo, ou seja, é atingido o ponto de equilíbrio a partir do qual a velocidade permanece constante. Este ponto de interseção corresponde a velocidade nominal. O conjugado de aceleração assume valores bastante diferentes na fase da partida. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 283

285 O conjugado de aceleração obtém-se a partir da diferença entre o conjugado do motor e o conjugado da carga. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 284

286 Conjugado constante Nas máquinas deste tipo, o conjugado permanece constante durante a variação da velocidade e a potência aumenta proporcionalmente com a velocidade (ex: esteiras transportadoras, pontes rolantes, guinchos pórticos, cadeira do laminador etc). Conjugado variável (crescente com a velocidade) Ex.: sistemas de acoplamento hidráulico ou eletromagnéticos, geradores ligados em carga de alto fator de potência. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 285

287 Conjugado variável (crescente com o quadrado da velocidade) Ex.: bombas centrífugas e ventiladores. Conjugado variável (inversamente proporcional a velocidade) Ex.: brocas de máquinas, bobinador, desbobinador, máquinas de sonda e perfuração de petróleo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 286

288 9.7. Considerações Finais Com base no que estudamos até agora, podemos tirar a primeira conclusão importante sobre a aplicação de acionamentos: Nunca utilizar um acionamento sem antes conhecer o tipo de carga acionada Deve-se levar em consideração as curvas características: TORQUE x VELOCIDADE POTÊNCIA x VELOCIDADE DO MOTOR E DA CARGA Comportamento do motor de indução com variação da frequência OPERAÇÃO ABAIXO DA ROTAÇÃO NOMINAL: As perdas no cobre são resultado da corrente do motor, então a perda de potência será proporcional a carga. Dessa forma, se o motor gira mais lento, com a mesma corrente nominal (determinada pela carga) gerando a mesma perda de potência que ocorre em velocidades elevadas, o motor se sobreaquece, pois há um menor fluxo de ar de refrigeração disponível. Ventiladores e bombas centrífugas: a carga normalmente diminui, conforme a velocidade se reduz, desta forma o problema de sobreaquecimento deixa de existir Em motores autoventilados, a redução da ventilação nas baixas rotações faz com que seja necessária a diminuição no torque demandado ou o sobredimensionamento do mesmo. O fator K (fator de redução de torque) leva em consideração as influências da redução da ventilação em baixas rotações, bem como das harmônicas e do enfraquecimento de campo. Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 287

289 IMPORTANTE: para motores com ventilação independente, não existirá mais o problema de sobreaquecimento do motor por redução de refrigeração, podendo o mesmo ser dimensionado com a carcaça normal e potência necessária ao acionamento. Geralmente, até 50% da fn utiliza-se o fator K como redutor de potência ou, se quisermos, poderemos utilizar o Fs (fator de serviço) e/ou o aumento da classe de isolamento do motor para manter o torque constante. Abaixo de 50% frequência nominal, para se manter o torque constante, geralmente deve-se aumentar a relação U/f do inversor.t OPERAÇÃO ACIMA DA ROTAÇÃO NOMINAL: Acima da frequência nominal, como já visto, como o motor funcionará com enfraquecimento de campo, a máxima velocidade estará limitada pelo torque máximo disponível do motor e pela máxima velocidade periférica das partes girantes do motor (ventilador, rotor, mancais). Curva de Torque x Frequência para uso de motor com inversor de freqüência Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 288

290 K = fator de redução de torque ( derating factor ) K está entre 0,7 a 1,0 e depende do conteúdo de harmônicas do inversor (valores típicos são de 0,8 a 0,9) EFEITO DA TEMPERATURA NBR-7094: condição usual de serviço para temperatura ambiente < 40ºC Temparatura ambiente > 40º, utilizar Fator de Redução de potência nominal Fator de redução = 2% / ºC Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 289

291 EFEITO DA ALTITUDE NBR-7094: condição usual de serviço para altitude < 1000m altitude > 1000m, utilizar Fator de Redução de potência nominal Fator de redução = 1% / 100m EXEMPLO PRÁTICO: Uma esteira transportadora necessita operar de 150 a 900 rpm. Considerando o conjugado resistente na rotação nominal igual a 1,6 kgf.m, rede de 380V, 60Hz, determine o motor para operação com inversor de frequência. Dados: 900 rpm/60hz Frequência dentro da faixa de variação de velocidade: Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGAS-ER 290