Sistemas de Ar Comprimido

Meta Aresentar a utilização adequada dos sistemas de ar comrimido como fator contribuinte à eficiência energética. Objetivos Entender a história do uso do ar comrimido; Identificar algumas instalações que o utilizam; Reconhecer as vantagens e desvantagens de seu uso; Relembrar conceitos termodinâmicos ertinentes ao estudo do ar comrimido; Estudar maneiras eficientes de utilização dos sistemas de ar comrimido. Pré-requisitos Antes de iniciar esta leitura, recomendamos que você reveja alguns conceitos básicos da termodinâmica

Resonda se uder! Para você que semre imaginou que o ar comrimido só era utilizado na indústria vai se surreender com a variedade de setores em que ele é emregado. Observe as figuras abaixo e tente adivinhar algumas dessas diversas alicações: Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Atualmente o ar comrimido é emregado em quase todos os setores da indústria e é alicado nas mais diversas tarefas. Por essa razão os equiamentos que roduzem, distribuem e utilizam o ar comrimido são essenciais. Você sabia que, em muitos casos, o ar comrimido reresenta uma arcela significativa na comosição no consumo da energia elétrica da emresa? Além disso, diversos estudos aontam os sistemas de ar comrimido como sendo um dos ontos onde ocorrem erdas significativas de energia. Ou seja, existem bons otenciais ara a economia de energia. Em vista disso, nesse caítulo o assunto ar comrimido será abordado visando rincialmente o aumento da eficiência energética e consequentemente a redução dos custos envolvidos. Inicialmente aresenta-se um breve histórico e são resumidas as alicações do ar comrimido. Na sequencia são mostrados os rinciais tios e asectos construtivos dos comressores. A seguir aresenta-se, de forma sucinta, alguns asectos básicos de Termodinâmica e são feitas breves considerações sobre Psicrometria. Também são dadas sugestões ara o rojeto da rede de distribuição, ara a oeração e ara a 1

manutenção do sistema de ar comrimido. Finalmente, usando todo o embasamento visto anteriormente, são demonstradas e analisadas algumas recomendações que odem contribuir ara o aumento da eficiência energética do sistema. Está rearado? Então, vamos começar! Histórico Muitas das diversas alicações técnicas da atualidade derivam das invenções humanas da réhistória. Por exemlo, a rimeira alicação do ar comrimido certamente foi quando usamos o ar do conjunto de nossos ulmões ara avivar as brasas de uma fogueira. Esse comressor natural tem uma caacidade média de 100 l/min e exerce uma ressão de 0,02 a Figura 9 0,08 bar. E quando as essoas gozam de boa saúde, é um equiamento de insuerável resistência e de custo nulo. Ainda hoje, os ulmões são usados como fonte de energia, um bom exemlo são os índios e suas zarabatanas. Figura 8 No entanto, foi antes de 3.000 A.C. que o nosso comressor mostrou ser inteiramente inadequado ara usos mais intensivos. Isso se deu quando nossos ancestrais começaram a fundir os metais. Para alcançar as temeraturas necessárias, muitas vezes, acima de 1000 C, requeria-se mais otência. Ainda se usou a natureza, o vento era desviado or antearos e direcionado até a base do fogo e, osteriormente, ara uma chaminé rudimentar.os egícios e sumérios já usavam tubos rudimentares ara avivar as chamas. O fole, feito com eles e acionado elas mãos ou elos és, foi introduzido or volta de 1.500 A.C. Esses comressores rudimentares, oerados manualmente, elos és, or animais ou or meio de rodas d água, ermaneceram em uso durante mais de 2000 anos. Figura 10 2

Os foles sobreviveram até 1762, quando começaram a ser substituídos elo invento de John Smeaton. Tratava-se de um equiamento dotado de cilindro de ferro fundido e movido or uma roda d água. Mas isso só foi ossível deois que John Wilkinson aerfeiçoou a máquina oeratriz ara tornear com recisão o interior de cilindros maiores, usados como canhões de guerra. Os soradores e, osteriormente, os comressores se desenvolveram raidamente e com isso imulsionaram, or sua vez, a extração de minérios e o rocessamento de metais. A rimeira exeriência de sucesso usandose ar comrimido em larga escala ara o transorte de energia se deu na construção do túnel Mont Cenis, nos Ales Suíços. A obra, iniciada em 1857, contava com redes de distribuição de ar com até 7 km de extensão. Os comressores ossuíam um Figura 11 istão horizontal que trabalhava imerso em água, que servia como um elemento de vedação também ara auxiliava o resfriamento. As máquinas eram acionadas or rodas d água usando conjuntos biela-manivela. Durante o ano de 1888 entrou em oeração a lanta de rodução e distribuição de ar comrimido de Paris. O ar comrimido era usado ara o acionamento de equenos geradores elétricos DC de 35 kw, mover relógios neumáticos, distribuição de vinho e cerveja, etc. A instalação contava com 7 máquinas a vaor acionando 14 comressores totalizando uma otência de 1,5 MW. Figura 12 - Central de rodução de ar comrimido de Paris,no ano de 1888 A evolução dos comressores foi acomanhando a evolução da máquina a vaor e osteriormente dos motores de combustão interna. Foi a fase de domínio dos 3

comressores alternativos a istão. Os esforços tecnológicos desenvolvidos no eríodo entre as duas grandes guerras mundiais tornaram ossível o surgimento dos comressores dinâmicos. Atualmente, tecnologias mais avançadas de fabricação e de usinagem ermitiram o aerfeiçoamento dos comressores rotativos de arafusos. Para alicações industriais com ar comrimido, esses equiamentos estão ocuando o nicho dos comressores alternativos com sucesso. Fazendo uma comaração das antigas máquinas com os equiamentos que são usados atualmente, verifica-se uma grande evolução tecnológica. Hoje, os modernos comressores são controlados or meio de microrocessadores e em sua construção são usados técnicas e materiais esecialmente desenvolvidos. Existem máquinas de grande orte ara vazões muito elevadas e outras que atingem ressões altíssimas. Figura 13 Figura 14 Figura 15 4

Imortância do ar comrimido Será que o ar comrimido é assim tão essencial? E em quais equiamentos ou locais ele é utilizado? Pense um ouco e tente resonder esse questionamento. O ar comrimido é uma forma de transorte de energia de Figura 16 enorme utilidade e com inúmeras alicações. Em muitos camos chega a cometir com a eletricidade e, em alguns casos articulares, somente ele ode ser usado. Por exemlo, no interior das minas, onde odem existir gases exlosivos, ou em trabalhos subaquáticos, onde existe o risco de descargas elétricas. Nas indústrias, o ar comrimido é muito emregado nas máquinas oeratrizes, em motores neumáticos, equiamentos de movimentação e transorte de materiais, ferramentas manuais, em sistemas de comando, controle, regulagem, instrumentação e na automação de rocessos. O ar comrimido também é usado nas instalações dos aeroortos, ortos, hositais, obras civis, nas minerações, ostos de combustível, nos equiamentos de climatização e em diversos outros locais. Quanto aos usos o ar comrimido ode ser classificado em: Equiamentos a ressão de ar ara encher neus e câmaras, acionar embreagens e freios, tem usos no transorte neumático, comandos à distância, etc. Figura 17 Equiamentos de jato livre são os resfriadores e aquecedores, ejetores e asiradores, veículos a colchão de ar, transorte de ós, jateamento, ulverização em queimadores, bicos de limeza, sistemas air-lift, entre outros. 5

Figura 18 - Pistola de ar comrimido utilizada em jateamento Equiamentos de ercussão marteletes, rensas das forjarias, erfuratrizes de rocha, bate-estacas, vibradores, etc. Motores a ar comrimido de istões, de alhetas, de engrenagens, etc. Máquinas ferramentas fixas e ortáteis emregadas em linhas de rodução e oficinas. Figura 19 Figura 20 Automação de oerações industriais sensores, atuadores, controles e rocessos. Essa relação resumida e incomleta das alicações mostra que entre as instalações industriais as de ar comrimido assumem osição de destaque. Uma das vantagens do emrego do ar comrimido é que o mesmo ode ser armazenado e conduzido ao local de utilização sem necessitar de isolamento térmico, como é o caso do vaor. Não oferece riscos de incêndio ou de exlosão e seu emrego se faz de forma flexível, comacta e otente. Essas características exlicam seu uso em escala semre crescente. Como a rincial desvantagem aonta-se o maior consumo de energia que a energia elétrica na rodução de um determinado trabalho útil, o que não imede seu uso face às vantagens que oferece. Em razão disso, a correta utilização do ar comrimido e a oeração eficiente e econômica dos comressores, que é o coração desses sistemas, são de extrema imortância. 6

Fique Sabendo Você foi ao osto de gasolina nos últimos dias? Então ercebeu que o reço desse combustível tem subido vertiginosamente, certo? E o custo não é o único roblema no uso da gasolina como combustível rimário. Ela também rejudica o meio-ambiente e, uma vez que se trata de um recurso não renovável, eventualmente se esgotará. Uma alternativa ossível é o carro movido a ar. Existem elo menos dois rojetos em desenvolvimento ara um novo tio de carro que será movido a ar comrimido e oderão substituir o seu "beberrão" de gasolina até o final da década! Figura 21 Foto cortesia de Zero Pollution Motors Esera-se que o e.volution com motor a ar comrimido seja o automóvel ideal ara cidades muito oluídas Figura 22 - Airod One Modelo de carro movido a ar comrimido chamado de Airod One e desenvolvido ela MDI (Motor Develoment International) Comressores Os ventiladores, soradores, comressores e os turbocomressores são os equiamentos que ertencem à classe das máquinas geradoras de fluxo com escoamento comressível, isso orque oeram mudanças significativas na massa esecífica do fluido de trabalho. Essas máquinas odem ser de fluxo contínuo, os turbocomressores, ou intermitente, como é o caso dos comressores alternativos. 7

Figura 23 Os ventiladores têm o objetivo de romover o escoamento de um gás. Para fins de analise do desemenho de um ventilador, a comressibilidade do fluido é normalmente desrezada, ois as variações da temeratura e da densidade do gás em escoamento são equenas. As elevações de ressão são da ordem de 0,1 atm, aenas o suficiente ara vencer as erdas de carga que estão resentes no sistema de distribuição. Figura 24 Já os comressores são utilizados ara roorcionar a elevação da ressão de um gás ou escoamento gasoso. Nos rocessos industriais, a elevação de ressão requerida ode variar desde cerca de 1,0 atm até centenas ou milhares de atmosferas. Saiba Mais A denominação soradores é usada ara designar os equiamentos que oeram com equena elevação de ressão, orém, suerior à elevação usada nos ventiladores 8

Classificação dos comressores quanto as suas alicações As características físicas dos comressores odem variar rofundamente em função dos tios de alicações a que se destinam. Dessa forma, convém distinguir: o Comressores de ar ara serviços ordinários o Comressores de ar ara serviços industriais o Comressores eseciais Os comressores de ar ara serviços ordinários são equiamentos de equeno orte, fabricados em série visando o baixo custo inicial. São usados normalmente ara serviços de jateamento, limeza, intura, no acionamento de equenas máquinas neumáticas, etc. Os comressores de ar ara serviços industriais são equiamentos encarregados elo surimento de ar comrimido em unidades industriais. Devem ossuir elevada confiabilidade e odem ser máquinas de grande orte, com elevado custo de aquisição e de oeração. São oferecidos em adrões básicos elos fabricantes. Comressores eseciais são aqueles destinados a oerar em rocessos industriais, refrigeração, serviços de vácuo, etc. Devem ossuir características esecíficas de acordo como o tio e fluido de trabalho. Classificação dos comressores quanto ao rincíio construtivo Existem dois rincíios construtivos no qual se fundamentam todos os comressores de uso industrial: volumétrico e dinâmico. Nos comressores volumétricos ou de deslocamento ositivo, a comressão do ar é feita através da diminuição de um volume que é ocuado elo gás. Essa oeração é feita de forma intermitente em que odem ser identificadas diversas etaas formando um ciclo que reete continuamente. Primeiramente um certo volume de gás é admitido no interior de uma câmera de comressão, que então é fechada. Aós isso esse volume sofre uma redução e or conseqüência verifica-se um aumento da ressão. Finalmente a câmera é aberta e o gás liberado ara consumo. É um rocesso em que 9

a etaa de comressão é efetuada em um sistema fechado, ou seja, sem variação da massa contida dentro da câmara. Os comressores dinâmicos, também denominados de turbocomressores, ossuem dois elementos rinciais: o rotor e o difusor. O rimeiro deles é um órgão rotativo munido de ás que transferem ara o gás a energia recebida de uma fonte de otência externa. Essa transferência de energia se dá em arte na forma de velocidade e em outra arte na forma de ressão e temeratura. Posteriormente, o escoamento estabelecido elo rotor é recebido or um conjunto de ás fixas, denominado difusor, cuja função é romover a transformação da energia cinética do gás em aumento da entalia, com conseqüente ganho de ressão. Os comressores dinâmicos efetuam o rocesso de comressão de maneira continua, e, ortanto, corresondem ao que se denomina de um volume de controle na Termodinâmica. Multimídia Ficou interessado nos turbocomressores? Então confira mais algumas informações e usos destas máquinas no site htt://carros.hsw.uol.com.br/turbocomressores.htm. DICA: deois de ler o artigo, teste seus conhecimentos em um ráido e divertido quiz. Aroveite! Os comressores de maior uso na indústria são os alternativos, os de alhetas, os de arafusos, os de lóbulos, os centrífugos e os axiais. Confira abaixo a classificação destes equiamentos conforme o rincíio construtivo: Figura 25 - Classificação geral dos comressores 10

Princíios de funcionamento Comressores alternativos a istão Figura 26 Esse tio de comressor é constituído or um cilindro com um istão móvel em seu interior. O istão está conectado a um sistema biela e eixo de manivela. Esse sistema transforma o movimento rotativo do eixo em movimento alternativo do istão. A cada rotação do eixo de manivelas o istão ercorre o um caminho de ida e volta dentro do cilindro. Observando a figura seguinte, suonha que o istão está na arte suerior e o volume dentro do cilindro é o menor ossível. A rimeira etaa se dá com o aumento do volume no interior do cilindro, com o movimento do cilindro. Esse aumento de volume causa uma diminuição de ressão no interior do cilindro, e em razão disso, o fluido de trabalho é asirado elo comressor. Deois de o istão alcançar o onto mais baixo e de maior volume o rocesso agora será invertido. O istão assa a diminuir o volume dentro do cilindro e a ressão em conseqüência disso assa a aumentar. Válvulas de retenção eseciais controlam o fluxo de gás, um conjunto oera na entrada do fluido asirado e outro na trabalha saída do fluido ressurizado. O bom funcionamento de um comressor alternativo está associado ao desemenho dessas válvulas. Os comressores alternativos odem ser construídos nas mais diversas formas: com cilindros de dulo efeito, com vários estágios, com os cilindros montados em linha ou disostos em V, etc. Figura 27 - Comressor alternativo de istão 11

Comressor de alhetas Figura 28 O comressor de alhetas ossui um rotor colocado excentricamente em relação a uma carcaça, esse rotor é rovido de rasgos no sentido radial que se estendem or todo o seu comrimento, nesses rasgos são inseridas alhetas retangulares, conforme a figura. Quando o rotor está em rotação, as alhetas são forçadas ara fora ela ação da força centrífuga e ficam semre em contato com a carcaça, fazendo a vedação. O fluido de trabalho entra ela abertura de sucção e ocua os esaços definidos entre as alhetas. Devido à excentricidade do rotor e a osição das aberturas de sucção e descarga, à medida que o rotor gira, os volumes entre as alhetas vão diminuindo e rovocando a comressão rogressiva do gás. O gás é descarregado ela abertura de saída. A relação dos volumes entre as alhetas, no momento da admissão e da descarga, define uma relação de comressão interna, que é fixa ara cada máquina. É recomendável que esse tio de comressor trabalhe com uma relação de comressão a mais róxima ossível desse valor interno. Comressor de arafusos Esse tio de comressor ossui dois rotores semelhantes a arafusos de rosca sem-fim, um macho e outro fêmea. Esses rotores giram em sentido contrário, mantendo um engrenamento, conforme mostrado na figura seguinte dado or meio dos rórios arafusos, ara o caso dos comressores lubrificados, ou então or meio de rodas dentadas, ara os comressores isentos de lubrificação, usados quando necessita-se de ar comrimido sem contaminação de óleo. 12

O comressor é conectado ao restante do sistema através das aberturas de sucção e de descarga, osicionadas diametralmente oostas. O gás enetra ela abertura de sucção e ocua os esaços entre os filetes e a carcaça. O movimento de rotação faz com que esses esaços vão se diminuindo e se deslocando ara a abertura de descarga onde o gás comrimido vai sendo liberado. A relação de comressão interna do comressor de arafusos deende da geometria da máquina e da natureza do gás, devendo ser a mais róxima ossível da relação entre as ressões do sistema. Figura 29 - Comressor de arafusos Comressor de lóbulos Esse comressor ossui dois rotores que giram em sentido contrário, mantendo uma folga muito equena no onto de tangência entre si e com relação à carcaça. O gás enetra ela abertura de sucção e ocua a câmara de comressão, sendo conduzido até a abertura de descarga elos rotores. O comressor de lóbulos, embora sendo classificado como volumétrico, não ossui comressão interna. Os rotores aenas deslocam o gás de uma região de baixa ressão ara uma região de alta ressão. O comressor de lóbulos é um exemlo tíico de um sorador. A figura abaixo mostra um desenho esquemático desse comressor. Figura 30 - Comressor de lóbulos 13

Comressores centrífugos O rincíio de funcionamento desse tio de comressor é semelhante àquele das bombas centrífugas. O gás é asirado elo centro de um rotor radial e descarregado na eriferia do mesmo, num movimento rovocado ela força centrífuga induzida ao gás em função da rotação. O gás descarregado elo rotor então assa or um difusor, formado or um esaço anular em torno do rotor. Nesse difusor há desaceleração do fluido e que resulta em elevação da ressão. Finalmente o gás é recolhido or uma caixa esiral denominada voluta e conduzido à descarga do comressor. Cada conjunto de rotor e difusor forma um estágio. São usados múltilos estágios ara maiores elevações de ressão. Comressores axiais Figura 31 - Esquema de um comressor centrífugo Figura 32 Os comressores axiais são usados, rincialmente, ara as grandes vazões. São dotados de um rotor com alhetas disostas em série na eriferia. Quando esse rotor é colocado na máquina, essas alhetas são intercaladas or alhetas semelhantes, fixas ao longo da carcaça, conforme o esquema abaixo. Cada conjunto 14

de alhetas móveis e fixas forma um estágio de comressão. As alhetas móveis são desenhadas de forma a transmitir ao gás a energia entregue elo acionamento, isso introduz aumentos de velocidade e de entalia no gás que está em escoamento. As alhetas fixas, or sua vez, são rojetadas de modo a romoverem aumentos de ressão, como nos difusores. Como a elevação de ressão or estágio é equena os comressores axiais normalmente são de vários estágios. Figura 33 - Corte esquemático de um comressor axial Os comressores centrífugos e os axiais oeram com um fluxo contínuo, e semre há uma igualdade entre a relação de comressão interna do equiamento e a relação de comressão externa. RECORDAR É VIVER!!! Vamos fazer uma volta ao assado? Você consegue se lembrar das aulas do Ensino Médio? Pare um ouco e relembre seus rofessores e colegas, sua escola e as sensações dessa éoca cheia de mistérios e descobertas. Agora, você se recorda do conteúdo de física que você estudou, mais esecificamente, da termodinâmica? Nossa viagem ao temo vai nos levar a reassar esse assunto ara comreender os fenômenos que ocorrem durante a comressão dos gases. Você está rearado? Então, vamos! Multimídia Você sabe quando e onde a termodinâmica e sua leis surgiram? Dê um clique no site htt://nautilus.fis.uc.t/molecularium/t/histerm/index.html e confira essas e muitas outras informações! 15

Transformações termodinâmicas Inicialmente considera-se certa quantidade de um gás encerrado no interior de um cilindro dotado de um êmbolo móvel. Quando o gás é comrimido, o volume diminui e verifica-se um aumento da temeratura e da ressão. O gás então assou or uma transformação termodinâmica, ois elo menos duas variáveis que reresentavam o estado inicial desse gás foram alteradas. Algumas dessas transformações termodinâmicas são fundamentais ara os comressores, e são as seguintes: o Transformação isotérmica Nesse tio de transformação o gás é resfriado durante a comressão de modo que a temeratura se mantenha constante. Esse tio de transformação foi estudado elo cientista inglês Robert Boyle (1627 1691), que formulou o seguinte enunciado, conhecido or Lei de Boyle: Mantendo-se constante a temeratura de um determinado gás, o seu volume e ressão variam inversamente. Isso significa que, se diminuirmos o volume a ressão aumentará e, se aumentarmos o volume, a ressão diminuirá, de modo que o roduto da ressão elo volume se mantém constante. Esse comortamento em um diagrama P x V resulta em uma hiérbole denominada isoterma. Figura 34 V = cons tante Pressão V = constante T 2 T > T 2 1 T 1 Volume Figura 35 - Processo isotérmico de comressão em um diagrama P x V o Transformação isobárica Para se manter a ressão invariável com a temeratura, o volume do reciiente deverá se ajustar com as mudanças de temeratura. Essa é a transformação chamada de isobárica. O raciocínio acima foi confirmado elo cientista Gay-Lussac (1770 1840), que enunciou a seguinte lei Mantendo-se constante a ressão de uma 16

determinada massa de gás, o seu volume varia diretamente com a temeratura absoluta, dada ela exressão seguinte. Em um gráfico v x T, a transformação isobárica é reresentada or uma reta, que extraolada ode determinar a temeratura do zero absoluto. V = T constante Volume V T = constante Temeratura Figura 36 - Processo isobárico de comressão em um diagrama V x T. Multimídia GAY-LUSSAC Conheça a biografia e a carreira desta imortante esquisador: htt://allchemy.iq.us.br/metabolizando/beta/01/gay.htm AVOGADRO Saiba mais sobre este cientista em: htt://www.ortalsaofrancisco.com.br/alfa/biografiaavogadro/amedeo-avogrado-1.h 17

CLAPEYRON Para saber mais sobre essa mente brilhante, visite: htt://www.brasilescola.com/fisica/a-equacao-claeyron.htm CHARLES Charles foi mais um dos nomes imortantes das ciências físicas e matemáticas. Acesse o site abaixo e conheça um ouco mais sobre ele! htt://www.dec.ufcg.edu.br/biografias/jacqalex.html o Transformação isométrica Nos dois casos anteriores a temeratura e a ressão foram mantidas constantes. Na transformação isométrica o volume é mantido constante. Não é difícil raciocinar que, ara um reciiente de volume constante, quando existe um aumento da temeratura verifica-se também um aumento da ressão. A confirmação exerimental desse fato foi feita elo físico Charles (1678 1740), que formulou a lei: Mantendo-se constante o volume de uma determinada massa de gás, sua ressão varia diretamente com a temeratura. Essa lei ode ser reresentada ela exressão a seguir, a reresentação gráfica dessa transformação em um diagrama V x T é uma reta horizontal. T = cons tan te Volume T = constante Temeratura Figura 37 - Processo isobárico de comressão em um diagrama V x T o Transformação Adiabática 18

Transformação adiabática é aquela que é realizada sem trocas de calor entre o rocesso e as suas vizinhanças, ou seja, só estão envolvidas transferências de trabalho ara o sistema. É dada or: v k = constante Onde o exoente k é suosto constante, sendo calculado como a relação entre os calores esecíficos do gás, determinados a uma ressão e a um volume constantes. O asecto tíico dessa transformação em um diagrama PxV está mostrado na figura abaixo. k v = constante Figura 38 - Reresentações da curva v v k = constante 19

Fique Sabendo Você consegue dizer um exemlo do cotidiano em que a transformação adiabática ocorre? Observe as figuras e descubra! Figura 39 Figura 40 Figura 41 O mesmo mecanismo básico que õe em funcionamento um simles frasco de sray também serve ara nos manter vivos. O frasco sray é um tio de máquina extremamente útil e uma excelente demonstração dos rincíios básicos da hidráulica e da transformação adiabática. A cabeça de um frasco sray é constituída de oucas artes. Ela ossui um gatilho que ativa uma equena bomba. Essa bomba está conectada a um tubo lástico que succiona o roduto da arte inferior do reservatório. A bomba rojeta este líquido or um tubo estreito e o lança ara fora or um equeno orifício na onta do conjunto. O orifício, ou esguicho, serve ara direcionar o fluxo do líquido ara que esse forme um jato concentrado. Fonte: htt://ciencia.hsw.uol.com.br/questao673.htm o Transformação Politróica Admitindo-se que exista uma roorcionalidade entre o calor e o trabalho que foram trocados ao longo de uma transformação em um gás, é ossível demonstrar que o rocesso assim efetuado obedecerá a uma equação do tio: v n = constante Transformações desse tio são denominadas de transformações olitróicas e odem ser comaradas às transformações adiabáticas: tratando-se de um rocesso de comressão com resfriamento, n < k ; ara um caso de comressão com aquecimento n > k : ara o caso da comressão adiabática, n = k e quando a transformação é isotérmica n = 1. 20

n = 1 n < k n = k n > k v Figura 42 - Reresentação de curvas v n = constante Gases erfeitos Um gás que obedece rigorosamente às transformações que foram citadas anteriormente, sob quaisquer condições de ressão e temeratura, é denominado de gás erfeito ou gás ideal. Usando as três rimeiras transformações mostradas anteriormente é ossível deduzir uma equação que englobe todas variáveis de estado, ou seja, ressão, volume e temeratura. V T = cons tante Você se lembra da galeria da fama dos esquisadores, que vimos anteriormente? Um dos famosos de lá foi o resonsável or essa exressão que recebeu a denominação de Equação dos Gases Perfeitos. Você sabe qual é? Se você disse Claeyron, acertou! Com essa equação e mais as exeriências de Avogadro, determina-se finalmente: V = n R T ( 1 ) Onde: n - número de moles da substância R - constante universal dos gases erfeitos Essa equação de estado também ode ser escrita em termos esecíficos, sendo igual a: 21

v = R T ( 2 ) sendo R R = ( 3 ) M W Onde: R - constante articular do gás M W - massa molecular do gás 22

Fique Sabendo Os gases nobres, como hélio e o argônio, or serem gases atômicos, não formando normalmente moléculas, são mais róximos dos gases ideais, e or isso, até erroneamente, chamados no assado de "gases erfeitos", ois suas artículas se comortam mais como as características idealizadas e ontuais dos gases ideais. Figura 43 Figura 44 O gás hélio é monoatômico, incolor e inodoro. Ele equivale ao segundo elemento químico mais abundante no universo e só erde ara o hidrogênio, é encontrado em 20 % da matéria das estrelas, mas na atmosfera terrestre a quantidade é mínima. é usado ara encher balões e dirigíveis, foi escolhido ara este fim or ser um o gás menos inflamável. É alicado ainda como líquido refrigerante de materiais suercondutores e como gás de equiamentos ara mergulhos de grande rofundidade. Fonte: htt://www.brasilescola.com/quimica/gas-helio.htm Figura 45 Figura 46 Já o argônio é o gás nobre mais abundante em nosso laneta. Pertence à classe dos gases inertes, aqueles que não articiam de reações químicas. A maior quantidade de gás Argônio se encontra na mistura gasosa do ar atmosférico, constitui 0,93% do volume do ar que resiramos. Este gás tem uma vasta utilização no que diz reseito à conservação de materiais oxidáveis, isto se exlica ela roriedade inerte dele e, sendo assim, é bastante utilizado em eças de museus ara uma melhor conservação das relíquias, or exemlo. Fonte: htt://www.brasilescola.com/quimica/argonio.htm 23

Gases reais Em certas situações o comortamento dos gases reais não deve ser aroximado usando a equação dos gases erfeitos, ois a recisão não é satisfatória. Isso ocorre em ressões mais elevadas ou ara baixas temeraturas. Uma solução ara esses casos é o emrego do fator de comressibilidade (Z), definido como sendo a razão entre o volume ocuado or um gás real e o volume ocuado or um gás erfeito de mesma natureza molecular, nas mesmas condições de ressão e temeratura: v Z = ( 4 ) v ideal Levando essa definição a equação dos gases erfeitos resulta: v = Z R T ( 5 ) Que ode ser considerada uma forma de equação de estado ara gases reais. Um gás erfeito tem um fator de comressibilidade igual à unidade. O afastamento desse valor fornece uma medida do desvio do comortamento aresentado or um gás real quando comarado a um gás erfeito. f = ( Existem diversas outras equações reresentativas da relação funcional,v,t ), que são usadas rincialmente em cálculos comutadorizados, são equações comlexas que reresentam com grande recisão o comortamento dos gases reais. Algumas dessas equações têm mais de trinta constantes exerimentais. Um exemlo é a equação a seguir, que dá o comortamento do ar: P = ρ R T + 32 2 2 2 i 13 γρ ρ Ai T + + ρ e Ai ( i 32 ) / T ( 6 ) i= 30 Determinação do Trabalho na comressão Para o cálculo do trabalho de comressão considera-se um gás ideal no interior de um cilindro. O gás é comrimido ela alicação de uma força F sobre um êmbolo móvel. Em Termodinâmica isso ode ser analisado considerando o cilindro como um Sistema, isto é, certa quantidade de massa no interior de um volume fechado cujas fronteiras são ermeáveis à assagem de trabalho e de calor, mas são imermeáveis ao gás. O trabalho ideal desenvolvido ela força nesse rocesso é dado or: 24

W = 2 ( 7 ) 1 Fdl Onde dl reresenta o deslocamento infinitesimal do êmbolo. Assumindo a hiótese de uma comressão erfeita, a força seria a cada instante equivalente ao roduto da ressão interna do gás ela área do êmbolo, sendo então ermitido escrever que: INFINITESIMAL 1 Que se refere a infinitésimos. 2 Diz-se da arte da Matemática que trata do cálculo diferencial e do integral W = 2. A.dl ( 8 ) 1 Ou seja: Que ode ser reescrita em termos esecíficos: W = 2 dv ( 9 ) 1 w = 2 dv ( 10 ) 1 Esse resultado, denominado trabalho esecífico de comressão ideal, equivale numericamente à área sob uma curva que reresenta o rocesso de comressão, quando aresentado em um diagrama P x V, como está indicado a seguir: P W V Figura 47 - Trabalho de comressão em um sistema no diagrama P x V O conceito da comressão de um gás em um sistema é muito imortante, no entanto, não é adequado ara a análise dos comressores, ois não existe um fluxo de massa. Para essa situação a abordagem mais indicada é a que estuda os rocessos ao longo de um Volume de Controle. 25

Imortante O Volume de controle é definido como certa região no esaço delimitada or uma suerfície ermeável aos fluxos de massa, calor e de trabalho. As alterações das roriedades dos fluxos são observadas nos ontos de assagem dessa suerfície. Pode ser demonstrado, de forma equivalente ao que se fez ara os Sistemas, que o trabalho esecífico ara se realizar a comressão de um gás em Volume de Controle é dado ela integral dada a seguir: w = 2 v d ( 11 ) 1 Verifica-se uma semelhança com a integral anterior. Também ode ser demonstrado que o trabalho esecífico de comressão, em iguais condições de ressão, em um Volume de Controle semre é maior que o aquele desenvolvido sobre um Sistema. Pois o rimeiro engloba, além da arcela resonsável ela comressão do gás, uma arcela de trabalho necessária ao transorte de massa. P 2 W 1 V Figura 48 - Trabalho de comressão ideal em um volume de controle no diagrama P x V Sabendo-se de que maneira a comressão é realizada, as integrais aresentadas anteriormente odem ser resolvidas. Então o trabalho esecífico de comressão sobre um fluxo de gás em um volume de controle ode ser determinado: k 1 2 k k 2 w = v d = RT1 1 1 k 1 1 ( 12 ) Na equação mostrada acima o exoente adiabático ode ser substituído elo exoente olitróico, de acordo com tio de comressão que foi realizado. 26

Comressão em vários estágios Emregam-se normalmente comressores de um estágio aenas quando a ressão desejada na descarga não for muito grande. Podem ser obtidos rendimentos razoáveis e as temeraturas de descarga do gás não são tão elevadas. No entanto, se a ressão retendida na descarga for mais elevada, com aenas um estágio de comressão, o rendimento obtido será mais baixo e as temeraturas na descarga serão muito mais altas. A solução normalmente utilizada ara esse caso é utilizar a comressão em estágios. Entre dois estágios de comressão esfria-se o gás que está sendo comrimido. Desse modo estamos nos aroximando de uma comressão isotérmica e o consumo será menor, como demonstrado mais à frente. O valor usado ara as ressões intermediárias que aresenta o menor consumo de otência ode ser determinado ela exressão a seguir. r / = D S ( 13 ) Onde: r - relação de comressão do sistema ( / ) D - ressão absoluta de descarga no último estágio (bar) S - ressão absoluta de sucção no rimeiro estágio (bar) r' E = ϕ r ( 14 ) Sendo: r ' - relação de comressão or estágio ( / ) ϕ - coeficiente de correção ( / ) E - número de estágios ( / ) Saiba Mais O coeficiente ϕ, cujo valor está usualmente abaixo de 1,05, é usado ara comensar as erdas de carga que ocorrem durante a assagem do gás elos resfriadores intermediários. 27

O trabalho ara a comressão de um gás realizado em vários estágios ode ser dado ela exressão mostrada adiante. Nessa considera-se que a relação de comressão é constante entre os estágios e temeratura no início da comressão de cada estágio também é constante e igual à temeratura no início do rimeiro estágio, ou seja, suõe-se que os resfriamentos intermediários sejam erfeitos. Caso as ressões intermediárias não sejam constantes, essa exressão não oderá ser utilizada, o cálculo deverá ser efetuado searadamente ara cada estágio, tomando-se o devido cuidado em se utilizar valores adequados ara as temeraturas iniciais em cada comressão. Essa equação também é utilizada ara o caso de comressão em aenas um estágio, bastando fazer e igual 1. Onde: w k =. R. T k 1. E. k 1 E ( r ) k 1 k 1 ( 15 ) w k - trabalho or unidade de massa (kj / kg) A figura seguinte mostra um esquema de comressão olitróica quando ela é realizada em dois estágios. A área hachurada reresenta uma redução do trabalho de comressão. desc. olitróica isotérmica adiadibática 2º estágio interm. 1º est. atm. V 2º est. V 1º est. v Figura 49 - Comressão em dois estágios 28

Comressão de um gás real A análise termodinâmica dos rocessos reais de comressão deende do conhecimento do rendimento termodinâmico. Um valor que é avaliado exerimentalmente e que traduz os efeitos relativos aos desvios dos rocessos reais da condição ideal. Imortante η Define-se rendimento termodinâmico ( th ) de um rocesso real de comressão como a relação entre o trabalho que se consome teoricamente ara comrimir um gás e aquele efetivamente utilizado na comressão: η = W th th ( 16 ) W O rocesso ideal a ser considerado ara esse roósito deve se iniciar e finalizar no mesmo nível de ressão que o rocesso real. Observe na figura adiante, em um diagrama P x V, um rocesso real de comressão (em vermelho) e três alternativas ara o rocesso ideal. 2 i 2 s 2 2 1 v 1 Figura 50 - Alternativas ara o rocesso ideal Os três tios de rocessos ideais dão origem a três versões ara o rendimento termodinâmico: o rendimento isotérmico, o adiabático e o rendimento olitróico. 29

Rendimento mecânico Durante o rocesso da transmissão da energia do acionador ara o comressor ocorrem inevitáveis dissiações de energia rovocadas elo atrito mecânico. Dessa forma, como indica o esquema da figura abaixo, aenas uma arte do trabalho recebido elo comressor é fornecida ao gás. W c W Motor Comressor Gás Figura 51 - Esquema de transferência de energia ao gás Para que esse efeito seja comutado nos cálculos da comressão utilizamos o rendimento mecânico η mec, com valores tíicos entre 0,92 e 0,98, cuja definição é dada or: η mec = W W c ( 17 ) Sendo W o trabalho efetivamente fornecido ao gás ara um surimento W C de trabalho ao comressor. A mesma definição oderia ser aresentada em termos das otências consumidas. Rendimento volumétrico Existe outra característica da oeração dos comressores volumétricos e que tem extraordinária imortância na análise de seu desemenho. Trata-se do rendimento volumétrico, η vol,que serve de base aos cálculos de vazão. Examinando o ciclo reresentado a seguir, consta-se que durante o rocesso 1 2 ocorre a comressão de uma quantidade de gás bem maior que aquela que é efetivamente transortada da sucção ara a descarga do equiamento. De fato, do volume V2 ocuado ao final dessa fase, aenas a arcela corresondente a (V2 V3) é Figura 52 descarregada, o volume V3 fica retido no interior do comressor em esaços internos denominados volume morto. 30

3 2 4 1 v Figura 53 - Esquema ara determinação do volume morto Pode-se determinar o rendimento volumétrico através das equações a seguir, esse valor é função da relação de ressão, das características do gás e da qualidade de construção do comressor. C 3 = ( 18 ) V 1 V V 3 Sendo: C - fração de volume morto V 3 - volume morto da câmara de comressão (m 3 ) V 1 - volume total da câmara de comressão (m 3 ) O rendimento volumétrico é dado então ela exressão que segue: 31

( ) η 1 C ( r 1 / k vol = 1 ) ( 19 ) Imortante Observa-se que o rendimento volumétrico varia inversamente a fração de volume morto, varia no mesmo sentido do exoente adiabático e também varia inversamente a relação de ressão. Para um determinado equiamento, a fração de volume morto é fixa, dessa forma, existe um valor máximo ara a relação de ressão, ara esse valor o rendimento volumétrico se iguala a zero. A relação de ressão máxima é dada ela exressão seguinte: r + k max = ( 1 / C 1 ) ( 20 ) Potência de comressão Comressores são equiamentos caracterizados termodinamicamente como volumes de controle, cujo desemenho deve ser analisado através da identificação de fluxos de energia, ou seja, otências envolvidas no rocesso. A otência elétrica exigida elo acionamento de um comressor é dada or: mηvol wth C = ( 21 ) ηth ηmec ηele W Sendo: W C - otência de comressão ( kw ) m - Vazão mássica teórica do gás (m3 /s) η vol - Rendimento volumétrico ( / ) w th - Trabalho de comressão ideal or unidade de massa (kj/kg) η th - Rendimento termodinâmico ( / ) η mec - Rendimento mecânico ( / ) η ele - Rendimento elétrico do motor ( / ) 32

Instalações de ar comrimido As instalações de ar comrimido odem ser dividas em dois elementos rinciais: a sala de comressores e as redes ara a distribuição. Na sala de comressores existem, obviamente, além dos comressores, diversos equiamentos e acessórios necessários ao bom funcionamento do sistema. Veja alguns desses equiamentos: 1 comressor 2 amortecedor de ulsação 3 resfriador osterior 4 reservatório 5 drenagem de condensado 6 rede com inclinação 7 conexão dos ramais 8 ontos de uso Figura 54 - Esquema de uma instalação tíica de ar comrimido. O comressor é o equiamento resonsável ela rodução do ar comrimido. Vamos entender melhor o que cada arte dele faz: O amortecedor de ulsações, normalmente usado aenas com comressores alternativos, reduz as variações instantâneas de ressão; O resfriador osterior é resonsável ela condensação e retirada da maior arte da umidade contida no ar comrimido; O reservatório ou ulmão tem como objetivo rincial a redução das variações de ressão em função das variações do consumo Por fim, a rede de distribuição leva o ar comrimido até os ontos de consumo. Nessa rede também existem ontos de drenagem de condensado. 33

Fique Sabendo Nas indústrias, em algumas situações é necessário o uso de filtros eseciais e do controle da umidade do ar, usando-se secadores frigoríficos ou químicos. Distribuição do ar comrimido Os três ontos seguintes são os mais imortantes ara a eficiência, segurança e economia de um sistema de distribuição de ar comrimido: Queda de ressão adequada Vazamento mínimo Alto grau de searação de condensado A queda de ressão no sistema de distribuição imlica ressões, nos ontos de consumo de ar, mais baixas do que na descarga do comressor e, conseqüentemente, também decréscimo na otência disonibilizada ara as ferramentas, máquinas ou outros consumidores de ar comrimido. Se a queda de ressão, ou erda de carga, é tão alta que a ressão de trabalho é menor que a ressão rescrita, a erda de otência é roorcionalmente muito maior do que a queda de ressão. A otência desenvolvida or uma ferramenta a 5,0 bar, or exemlo, é de somente 45 a 50% da otência fornecida com a ressão de 7,0 bar. Por esse motivo as redes de distribuição devem ser corretamente dimensionadas, já se considerando amliações futuras, de modo que um acréscimo no consumo não rejudique todo o sistema e torne necessária a substituição de uma rede inteira. Isso se alica, acima de tudo, ara o ramal rincial. O custo inicial é largamente comensado elos ganhos oeracionais. Às vezes, uma grande queda de ressão na rede tem que ser comensada elo aumento da ressão de trabalho do comressor. No caso da diminuição do consumo a ressão ficará acima do desejado, aumentando as erdas or vazamentos e a otência consumida. Além disso, nem todas as ferramentas e acessórios são rojetados ara trabalhar e resistir tais aumentos de ressão. 34

Figura 55 Figura 56 As redes de distribuição de ar comrimido devem ser rojetadas de modo que a queda de ressão total, do comressor até o onto de consumo mais distante, não exceda 0,3 bar. Para o caso de instalações que cobrem grandes áreas, tais como minas, edreiras, etc., uma queda de ressão maior no sistema de tubos ode ser aceita, mas não deve ser suerior a 0,5 bar. Nesse valor já deve ser incluída a queda de ressão causada elas mangueiras de borracha, luvas de acolamento, engates ráidos e conexões. Esecial atenção deve ser dada ao dimensionamento e esecificação dessas eças, ois as erdas mais sérias, geralmente, ocorrem nesses trechos finais. Embora seja recomendada a utilização do alimentador em anel, isto é, em circuito fechado, a linha aberta é muito usada devido a menor investimento inicial. O dimensionamento ode ser feito or dois critérios: o da velocidade e o da erda de carga. O rimeiro deles é usado aenas ara trechos curtos, usando-se as seguintes velocidades: tubulações rinciais 6 a 8 m/s, ramais secundários 8 a 10 m/s e mangueiras de 15 até 30 m/s. O rocedimento é bastante simles, consiste em determinar a vazão normal (isto é, ar livre) e calcular a velocidade ara o escoamento na ressão de trabalho fixando um diâmetro adequado. O método da erda de carga é mais recomendado ara o uso geral. A erda de carga deende do comrimento do tubo e das grandezas que aarecem na fórmula clássica: h f 2 2 5 l ρ α 10 ( 22 ) = v d Onde: h f - erda de carga no tubo reto (bar) 35

d - diâmetro interno do tubo (m) l - comrimento equivalente total do tubo (m) ρ - massa do ar na ressão de trabalho (kg/m 3 ) α - coeficiente que deende do diâmetro ( / ) v - velocidade do escoamento (m/s) O valor de α é uma função do diâmetro e é dado ela exressão: = 0,0001296 0,00497 + d α ( 23 ) A exressão acima ode ser simlificada e assume a forma: h f = 3,25 2 Q l ρ 10 5 d 5 α ( 24 ) Onde: Q - vazão na ressão de trabalho (m 3 /s) Ao comrimento da linha deverão ser somados os comrimentos equivalentes das conexões encontradas na rede. Esses valores odem ser retirados de ábacos ou de tabelas. Fique Sabendo Ábaco O ábaco é um instrumento bem sucedido que, segundo os estudiosos, foi uma invenção dos chineses ara facilitar os cálculos, ois com o assar do temo foi surgindo a necessidade de fazer contas cada vez mais comlexas, assim inventaram o ÁBACO, formado or fios aralelos e contas ou arruelas deslizantes, que de acordo com a sua osição, reresenta a quantidade a ser trabalhada, contém 2 conjuntos or fio, 5 contas no conjunto das unidades e 2 contas que reresentam 5 unidades. Figura 57 - Um exemlo de Ábaco 36

Searação da umidade do ar comrimido O ar atmosférico nunca está comletamente seco. Semre contém alguma umidade, e quando se diz que está seco é orque está menos úmido em comaração a outro que se tomou como referência. Figura 58 A umidade é a água contida no ar, no estado de vaor. Quando o ar contém a quantidade máxima ossível de água sob a forma de vaor se diz que está saturado: a umidade é de 100%. O onto de saturação deende da ressão e da temeratura, rincialmente da temeratura: Se a temeratura aumenta o ar ode absorver mais umidade, caso contrário, esse ar erde umidade or condensação. Para a ressão ocorre o inverso, quanto maior a ressão menor é a caacidade do ar comrimido reter a umidade. Por exemlo, o ar à ressão atmosférica com 50% de umidade assa a ter 100% de umidade; à ressão de 2,0 bar, 150% de umidade à 3,0 bar; e 300% de umidade à ressão de 6,0 bar, comum em todas alicações. Imortante Acima de 100% de umidade semre vai haver condensação de água. Já ara a temeratura, o aumento é calculado dulicando-se cada 11% da caacidade de retenção a cada aumento de 10 C. 37

Com o resfriamento, artificial ou natural, do ar comrimido a umidade excedente vai se deositando nas aredes dos cilindros dos comressores alternativos, no resfriadores intermediário e osterior, no reservatório e tubos da rede rincial e secundária. É vital que essa umidade seja retirada antes de chegar até o equiamento de uso final. Para isso são instalados searadores de umidade e em casos mais críticos secadores de ar or refrigeração ou colunas de absorção. Durante a instalação da rede devem ser tomadas recauções ara que a drenagem do condensado seja feita de maneira eficiente: a rede deve ser instalada com uma inclinação de 0,5 m a cada 100 m, deve ser rovidenciada a colocação de oços de drenagem nos ontos mais baixos, instalar drenagem no reservatório. É fundamental a manutenção cuidadosa dos disositivos de drenagem manual e automática. Os fenômenos físicos que ocorrem com a mistura de ar e de vaor d água odem ser estudados usando-se as Cartas Psicrométricas ou métodos analíticos. Confira uma dessas cartas mostradas aqui: Figura 59 - Carta sicrométrica calcula ara ressões róximas da atmosférica 38

Saiba Mais A sicrometria (do grego sykhro frio) é um caítulo da termodinâmica que estuda: roriedades das misturas ar + vaor d'água roriedades das misturas formadas elos gases erfeitos + vaores condensáveis O conhecimento das roriedades sicrométricas é fundamental ara rojetar sistemas de controle ambiental ara lantas, animais e seres humanos, bem como ara o controle e dimensionamento de diferentes rocessos industriais tais como resfriamento, umidificação e desumidificação, secagem, etc. Fonte: htt://www.ebah.com.br/sicrometria-df-a36479.html O estudo analítico da sicrometria é feito usando-se o conceito das ressões arciais, que são exercidas, searadamente, elo ar seco e elo vaor d água. São utilizadas ara o traçado das cartas as seguintes roriedades, além das temeraturas de bulbo úmido e seco: Umidade absoluta: w = massa de vaor d' água / m 3 massa de ar sec o / m 3 ( 25 ) w S V R V R A T S = ( 26 ) A T S R S w = ( 27 ) A R A Introduzindo os valores das constantes R S = 0, 4615 kj/kg K e R A = 0, 2870 kj/kg K e considerando-se que A = resulta então: B S w = 0,6221885 B S S ( 28 ) Onde: w - umidade absoluta ( kg água / kg ar seco ), 39

S - ressão arcial do vaor d água na temeratura da mistura (bar), B - ressão atmosférica na temeratura da mistura ( bar ) Umidade relativa: φ = ressão arcial do vaor d' água 100 % ressão de saturação da água na mesma temeratura ( 29 ) S φ = 100 % ( 30 ) SAT onde: φ - umidade relativa ( % ), S - ressão arcial do vaor d água na temeratura da mistura ( bar), SAT - ressão de saturação da água na temeratura da mistura ( bar) Imortante A ressão de saturação da água é dada or tabelas termodinâmicas ou equações aroriadas. AUMENTO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA A eficiência energética nas instalações que envolvem o ar comrimido ode ser alcançada adotando-se medidas que se iniciam no rojeto da lanta, com a esecificação correta dos comressores e do seu sistema de controle, dos acessórios e eriféricos, que devem ser adequados aos níveis de ressão e vazão e qualidade do ar comrimido que são requeridos ela unidade, além do seu comortamento em face das variações desses arâmetros. Com essas recauções odemos garantir que os rendimentos elétricos, mecânicos, volumétricos e termodinâmicos sejam os mais elevados, ois são arâmetros que deendem das características construtivas e do cuidado usado na fabricação de cada equiamento. 40

Figura 60 A oeração e a manutenção deverão estar a cargo de essoal esecialmente treinado ara essas tarefas. Todos os arâmetros de funcionamento devem ser monitorados. Perdas de carga, acréscimos de temeratura, etc. são facilmente ercebidos. Atualmente com as facilidades e recursos oferecidos ela instrumentação e elos microrocessadores é não é difícil acomanhar em temo real, or exemlo, as variações do exoente da olitróica em um comressor. A análise desse arâmetro fornece indicações imortantes sobre a qualidade do resfriamento do equiamento. Para que isso ossa ser feito é imortante quantificar os benefícios que cada melhoria ossa trazer e comarar com os investimentos que são necessários ara a sua imlementação. Quando essa relação custo-benefício for economicamente atrativa, as medidas de melhoria devem ser imlementadas. Para minimizar a energia consumida ode-se ainda reduzir o valor do trabalho esecífico de comressão e da vazão mássica de ar comrimido. Aós uma ráida inseção da equação que nos dá o trabalho esecífico de comressão, observa-se que o valor desse trabalho é função dos seguintes arâmetros: Temeratura de admissão do ar A influência das condições de admissão do ar no equiamento de comressão ode ser quantificada comarando-se o trabalho esecífico de comressão a uma certa temeratura com o trabalho realizado a uma temeratura mais baixa. A exressão seguinte aresenta o benefício ercentual no consumo de energia em um sistema de ar comrimido devido a uma redução na temeratura de admissão do ar. Para esse cálculo todas as outras variáveis devem ermanecer inalteradas e as temeraturas devem ser exressas em Kelvin. ' T0 B1 1 100% T 0 = ( 31 ) 41

Onde: B 1 - benefício ela redução da temeratura de admissão ( % ) T 0 - temeratura de entrada do ar antes da redução (K) ' T 0 - emeratura de entrada do ar deois da redução (K) Relação de ressão Quanto menor a ressão de trabalho, menor será a relação de ressão e, conseqüentemente, menor o trabalho esecífico de comressão. Por esse motivo é de suma imortância oerar na ressão adequada ara os equiamentos e controlar rigorosamente as erdas de carga. Pois muitas vezes, ara comensar os aumentos nas erdas de carga, aumenta-se a ressão de trabalho do sistema. Imortante A redução do custo oeracional dos comressores normalmente comensa o investimento no rojeto e na melhoria das redes de distribuição de ar comrimido. Outra forma de reduzir a relação de ressão do sistema de comressão de ar é manter os filtros de admissão semre em bom estado. As erdas de carga nesses elementos fazem com que a ressão de admissão nos comressores seja reduzida e como resultado a relação de ressão aumenta. Partindo-se da equação 12.2, ode-se também deduzir uma exressão que dê valor do benefício da redução da ressão e o ara a variação da relação de ressão. Essa exressão também considera que todas as demais variáveis foram mantidas constantes. B 2 n 1 ' ( P P ) n 2 + atm E ' ( P P ) 1 + atm = n 1 n ( P2 + Patm ) E ( P1 + Patm ) 1 1 100% ( 32 ) Sendo: 42

B 2 - benefício da redução da relação de ressão ( % ) P atm - ressão atmosférica no local da instalação (bar) P 1 - ressão na entrada do comressor antes das melhorias (bar) P 2 - ressão na saída do comressor antes das melhorias (bar) ' P 1 - ressão na entrada do comressor deois das melhorias (bar) ' P 2 - ressão na saída do comressor deois das melhorias (bar) E - número de estágios do comressor ( / ) n - exoente olitróico da comressão ( / ) Comressão em estágios O uso de equiamentos com mais estágios é outra alternativa ara a redução do trabalho de comressão. O benefício dessa medida também ode ser quantificado com base na equação 2. Conforme mostra a exressão que segue. Os demais arâmetros são mantidos constantes. B 3 n 1 n ( P2 + P ) ' atm E ( P P ) 1 + atm = n 1 n ( P2 + Patm ) E0 ( P1 + Patm ) 1 100% 1 ( 33 ) Onde: B 3 - Benefício elo uso de equiamentos com mais estágios ( % ) P atm - ressão atmosférica no local da instalação (bar) P 1 - ressão na entrada do comressor (bar) P 2 - ressão na saída do comressor (bar) E - número de estágios do comressor antes das melhorias ( / ) E - número de estágios do comressor deois das melhorias ( / ) n - exoente olitróico da comressão ( / ) Vazamentos Os vazamentos estão resentes em qualquer sistema de ar comrimido. Uma instalação aresenta vazamentos ao longo do seu funcionamento em maior ou menor 43

escala. Com 6 meses de uso, odem aresentar índices de vazamentos de 10% ou mais. A redução da vazão mássica em um sistema de ar comrimido imlica diretamente em redução da otência consumida, como ode ser visto na equação 3. Essa redução de vazão ode ser alcançada diminuindo-se a vazão erdida elos vazamentos Essa medida traz bons resultados e exige, na maioria das vezes, medidas de caráter oeracional e equenos investimentos. Não somente ocorrem vazamentos na rede de ar comrimido roriamente dita, como nos rórios equiamentos consumidores. Uma manutenção regular faz-se necessária em todo sistema, devido à deterioração natural de vedações, mangueiras, tubos, etc. A seguir estão listadas algumas recomendações, com as quais estes vazamentos odem ser minimizados: o Instalação de válvulas solenóides nas entradas de ar comrimido dos equiamentos. Desligando-se o equiamento, a válvula solenóide é fechada, eliminando uma fonte de vazamentos. É claro que essa medida não exclui a necessidade de manutenção do equiamento, necessária ara reduzir os vazamentos durante a oeração do mesmo. o Oerar semre com a ressão mais baixa ossível. Os vazamentos aumentam com o aumento da ressão de trabalho. o Desligar o comressor de ar à noite, quando não há rodução, ois nesse eríodo o comressor trabalha somente ara cobrir erdas or vazamento.esse onto arece óbvio, mas a exeriência mostra que muitas vezes o comressor não é desligado. Figura 61 Figura 62 o Os vazamentos de ar comrimido odem ser detectados usando técnicas simles com o uso de esuma de sabão ao longo ou com detectores ultrassônicos, marcando os ontos de formação de bolhas, ara osterior correção ela manutenção. Figura 63 44

o Por meio de camanhas internas ode ser institucionalizado o uso de marcadores fixados ontos em vazamentos que foram detectados elos oeradores. A quantificação do ar comrimido que escaa elos vazamentos deve ser comarada com a vazão que é realmente utilizada elos equiamentos. Em instalações novas ercentuais de vazamento de até 5% são toleráveis. As medições ara quantificação de vazamentos de ar comrimido devem ser realizadas com todos os equiamentos que utilizam essa forma de energia, fora de serviço, evitando-se que ocasionais usos desses equiamentos ossam introduzir erros nos resultados. Por esse motivo, as medições geralmente são realizadas em finais de semana, durante férias coletivas ou em outros eríodos com a rodução desativada. Devem ser realizadas, no mínimo, três medições do mesmo tio, trabalhando-se com a média dos valores calculados de acordo com os dois métodos aresentados adiante, aós eliminação de valores discreantes. Nos dois métodos a seguir, a medição deve ser iniciada aós o reservatório ter sido enchido até a ressão de normal de trabalho, quando o comressor iniciar o trabalho em vazio ou se desligar, deendendo do controle utilizado. Em sistemas com vários comressores de ar em aralelo, convêm manter todos desligados e isolados da rede de distribuição, exceto o comressor utilizado nas medições. Medição or diferencial de ressão no reservatório Este método é alicado no caso da utilização de comressores que oeram com modulação. Para fornecer resultados confiáveis, além do volume do reservatório é necessário conhecer o volume total da tubulação de ar comrimido. O teste consiste nos seguintes assos: Figura 64 o Determinar o volume total do reservatório e da tubulação [m³]; o Desligar todos os consumidores de ar comrimido; o Elevar a ressão no reservatório até a ressão de oeração ( 0 ); o Fechar a válvula entre o comressor e o reservatório; 45

o Medir o temo até que a ressão caia até um onto arbitrário ( 1 ); A vazão de ar comrimido que se erde nos vazamentos ode ser estimada ela exressão a seguir: Onde: = V t 0 atm 1 V P ( 34 ) V P - vazão de ar comrimido erdida elos vazamentos (m 3 /s) V - volume do reservatório e da tubulação (m 3 ) 0 - ressão no reservatório no inicio do teste (bar) 1 - ressão no reservatório no final do teste (bar) atm - ressão atmosférica (bar) t - temo de medição total ( s ) Medição do temo em carga Este método ode ser alicado sem que o volume da tubulação seja conhecido, no entanto, a vazão do comressor tem de ser conhecida. Consiste em: o Desligar todos os consumidores de ar comrimido; o Ligar o comressor a ser utilizado ara o teste e eserar que o mesmo coloque o reservatório de ar comrimido em sua ressão de trabalho normal; o Com os consumidores desligados, mas com todas as saídas abertas, medir os temos em carga do comressor durante elo menos 5 ciclos da comressão (carga/alívio) o Medir o temo total necessário ara comletar os ciclos de comressão do teste. A vazão de ar comrimido que é erdida elos vazamentos ode ser avaliada ela equação seguinte: 46

V P m t ci i= 1 = Vc. ( 35 ) ti Onde: V P - vazão erdida elos vazamentos V c - vazão do comressor (m 3 / s) (m 3 /s) t c i - temo em carga, durante a medição ( s ) t t - temo total de medição ( s ) m - número de ciclos de carga/alivio na medição ( / ) Imortante O benefício energético que essas medidas odem trazer ode ser avaliado comarando-se a vazão média do sistema de ar comrimido com o valor da vazão erdida elos vazamentos. 47

BIBLIOGRAFIA Caso sejam necessárias informações mais comletas e detalhadas sobre equiamentos, rodução e uso do ar comrimido odem ser encontradas nas seguintes referências bibliográficas: ATLAS COPCO. Comressed air engeneering. Suécia: Atlas Coco Literature Deartament, 1971. 1 volume, 360 áginas. COSTA, E. C. Comressores. 1 a Edição. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 1988. 1 volume, 368 áginas HAHN, A, Programa de Eficientização Industrial - Comressores. Rio de Janeiro: Eletrobrás / PROCEL, 2003. 1 volume, 88 áginas. MACINTYRE A.J, Instalações hidráulicas rediais e industriais. 2 a Edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara SA, 1988. 1 volume, 798 áginas. NADEL, S.; SHEPARD, M. et al. ENERGY-EFFICIENT MOTOR SYSTEMS: A Handook on Tecjnology, Programs and Policy Ootunities. USA: ACE3, [2000]. RODRIGUES, P.S.B. Comressores industriais. 1 a Edição. Rio de Janeiro: EDC Ed. Didática e Científica, 1991. 1 volume, 515 áginas. SPIRAX SARCO, Manual de rodutos ara seu sistema de ar comrimido. 1 a Edição. São Paulo: 1996. 1 volume, 120 áginas. STREETER, V.L, WYLIE, E.B, Mecânica dos fluídos. 7 a Edição. São Paulo: Editora McGraw-Hill do Brasil Ltda., 1988. 1 volume, 583 áginas. VAN WYLEN, J.G., SONNTAG, R.E. Fundamentos da Termodinâmica clássica. 2 a Edição. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 1991. 1 volume, 565 áginas. 48