Introdução à Pneumática

Vantagens e desvantagens dos vários sistemas de automação Introdução à Pneumática Projecto e dimensionamento de sistemas pneumáticos. Propriedades do ar comprimido. Produção, tratamento e regulação da pressão do ar comprimido. Grandezas nominais e relações matemáticas características dos principais componentes pneumáticos. Actuadores e Válvulas. Problema simples de projecto e dimensionamento. T15.1 Vantagens e desvantagens dos vários sistemas de automação Fonte: Almeida Santos, Ferreira da Silva, Automação Pneumátca, Publindústria, Edições Técnicas, 2002 T15.2 Vantagens e desvantagens dos vários sistemas de automação Fonte: UNESP T15.3 T15.4 1

Características do ar comprimido Características do ar comprimido O fluido de trabalho (ar atmosférico) sem custo; Compressibilidade do fluido de trabalho; Facilidade de condução do fluido de trabalho; Forças reduzidas, quando comparado a hidráulica; Protecção simples contra sobrecargas; Escape do fluido de trabalho causa ruído e perda de energia (furo Movimentos rápidos; ou vedação na tubulação); Geração de vácuo utilizando o ar comprimido; Actualmente existem sistemas com servoposicionamento (exatidão Armazenamento fácil do fluido de trabalho; máxima de curso 0,1 mm). Escape de fluido não causa poluição ambiental (lubrificado com óleo mineral); Construção simples dos elementos de trabalho; Alto custo de preparação do ar comprimido; T15.5 Factores que influenciam os sistemas pneumáticos T15.6 Factores que influenciam os sistemas pneumáticos Fonte: Almeida Santos, Ferreira da Silva, Automação Pneumátca, Publindústria, Edições Técnicas, 2002 T15.7 Fonte: Almeida Santos, Ferreira da Silva, Automação Pneumátca, Publindústria, Edições Técnicas, 2002 T15.8 2

Aplicações Aplicações Aparafusadora Lixadeira Pintura T15.9 T15.10 Aplicações Aplicações T15.11 T15.12 3

Aplicações Aplicações T15.13 T15.14 Conceitos físicos relativos ao ar A distribuição do mercado americano pela pneumática e hidráulica é como se segue: Hidráulica Móvel (veículos comerciais pesados e pessoais): 50 % Hidráulica Industrial : 25 % Pneumática: 25 % T15.15 T15.16 4

Conceitos físicos relativos ao ar Conceitos físicos relativos ao ar Lei dos gases perfeitos Unidades: Pressão: Pascal (Pa) 1 Pa = N/m2 1 bar = 10 5 Pa = 10 N/cm2 1 psi = 68.95mbar 14.5 psi = 1bar 1 atm=1013 mbar 1000 mbar Num processo isotérmico, como numa compressão lenta, tem-se: No processo isobárico, como na expansão de um gás, tem-se: T15.17 T15.18 Conceitos físicos relativos ao ar Conceitos físicos relativos ao ar No processo isométrico, como o aquecimento de um reservatório, tem-se Exemplo O reservatório de ar comprimido de um compressor tem um volume de 10 m3. O reservatório encontra-se preenchido com ar comprimido com uma pressão relativa igual a 7 bar e uma temperatura de 20ºC. 1. Qual a quantidade de ar no estado normalizado (1 bar, 20ºC) contido no reservatório? Trata-se de um processo isotérmico, logo: 1V 1 = PV 2 2 10 = 1 P 8 V 2. Qual a máxima quantidade de ar utilizável? Vútil = Vtotal Vreservatór io = 2 3 V 2 = 80m 3 70m T15.19 T15.20 5

Conceitos físicos relativos ao ar 3. Desprezando a dilatação do reservatório, que pressão se forma no seu interior estando fechado e com um aumento da temperatura para 65ºC?. Elementos dos sistemas pneumáticos Gerador: compressores (êmbolo, palhetas, pistões, parafusos etc.); Distribuidor: válvulas direccionais, válvulas de pressão, válvulas de bloqueio, etc. Consumidor: cilindros lineares, motores, cilindros rotativos, válvulas de vácuo, bicos sopradores etc. Trata-se de um processo isométrico, logo: P P2 = P2 T T 1 = 1 2 9,23bar Fluido de Trabalho: ar atmosférico. Pressão de operação: 1 até 15 bar (normal 6 bar). T15.21 T15.22 Produção do Ar Comprimido Produção do Ar Comprimido As seguintes variáveis são importantes na geração e distribuição do ar: Pressão; Caudal; Teor de água; Teor de partículas sólidas; Teor de óleo. Quando o ar é comprimido a sua temperatura eleva-se; O vapor de água contido no ar (humidade relativa) é concentrado e transforma-se em vapor com alta temperatura; No arrefecimento do ar comprimido o vapor condensa-se; Partículas sólidas também podem estar presentes (fragmentos de óleo queimado, partículas metálicas do compressor e partículas aspiradas pelo compressor). T15.23 T15.24 6

Produção do Ar Comprimido Unidade de produção de ar Em que consiste preparar ar comprimido? Compressão; Redução da temperatura; Remoção de água; Remoção de partículas sólidas; Controlo da pressão; Adição de lubrificante. Fonte: Almeida Santos, Ferreira da Silva, Automação Pneumática, Publindústria, Edições Técnicas, 2002 T15.25 T15.26 Compressores Compressores Princípios de compressão a que o ar é sujeito: Princípios de compressão a que o ar é sujeito: Dinâmica Volumétrica T15.27 T15.28 7

Tipo de compressores Compressores dinâmicos Dinâmicos (fluxo-contínuo) Turbo-Compressor Centrífugo Axial Compressores Volumétricos (fluxo-intermitente) Deslocamento Positivo Alternativo Rotativo Um compressor dinâmico é análogo a uma turbina porque, salvo as devidas diferenças, uma turbina é um compressor a funcionar ao contrário. De facto, a partir de uma queda de água, de um gás ou vapor, a turbina transforma a pressão em velocidade, ao passo que um compressor dinâmico transforma a velocidade do ar em pressão. Dentes Espiral Parafuso Roots Anel Líquido Alhetas Na indústria Aeronáutica ou Espacial, as unidades centrífugas atingem 50000 a 100000 r.p.m. por força dos problemas de massa, na medida em que a altitude interfere, negativamente, na densidade do ar. Na indústria, de um modo geral, operam à volta de 20000 r.p.m., embora velocidades superiores sejam cada vez mais comuns. T15.29 T15.30 Compressores dinâmicos centrífugos ou radiais Compressores dinâmicos axiais Por analogia, a compressão nesta unidade processa-se paralelamente ao veio motor, daí a designação de axial. O caudal mínimo em jogo é de tal forma elevado (900 m3/min) que dificilmente se destina à produção de ar comprimido, pelo menos, para dimensões industriais como as nossas. Estes compressores denominam-se centrífugos porque a compressão processa-se perpendicularmente ao veio motor e a descarga do ar efectua-se segundo a tangente ao raio das pás impulsoras. São unidades indicadas para produzirem ar isento de óleo. No entanto, constitui uma hipótese a sua utilização, na qualidade de compressor de processo, como por exemplo, no fornecimento de gás natural, através de condutas com quilómetros de extensão ao longo do país. T15.31 T15.32 8

Compressores dinâmicos axiais Compressores volumétricos alternativos De pistão Quando se pretende a produção de ar comprimido até 14 bar, este tipo de compressores tem vindo a ser progressivamente substituído, preferencialmente, por compressores rotativos de parafuso. T15.33 T15.34 Compressores volumétricos alternativos Suporta pressões acima de 10 bar Contamina o ar com óleo Compressão pulsante Baixo custo De pistão Compressores volumétricos alternativos Mediante uma membrana, o êmbolo fica separado da câmara de sucção e compressão, quer dizer, o ar não terá contacto com as partes deslizantes. O ar, portanto, ficará sempre livre de resíduos de óleo, Estes compressores são os preferidos e mais empregados na Industria alimentícia, farmacêutica e química. Isento de contaminação Não atinge alta pressão Compressão pulsante Baixo caudal Pequenas aplicações De diafrágma T15.35 T15.36 9

Compressor volumétrico rotativo de parafuso Compressor volumétrico rotativo de parafuso Estado 1; as extremidades dos rotores descobrem a admissão e o ar atmosférico enche por completo o espaço livre (bolsa helicoidal móvel) que se cria entre macho e fêmea; Estado 2; o fluido é retido no compartimento, dando-se início à compressão (azul claro); Estado 3; à medida que os rotores giram, o volume helicoidal torna-se menor e o ar vai sendo progressivamente comprimido (azul mais escuro); Estado 4; finalmente, o ar à pressão de serviço (azul escuríssimo) abandona o elemento parafuso pela via de saída. T15.37 T15.38 Compressor volumétrico rotativo de parafuso Compressor volumétrico rotativo de parafuso Na actual indústria transformadora, os compressores rotativos de parafuso são os mais utilizados (CENFIM) Compressão contínua Isento de lubrificação Alta vazão Baixa manutenção Custo elevado Grande aplicação na indústria T15.39 T15.40 10

Compressor volumétrico rotativo roots Compressor volumétrico rotativo de palhetas Nestes compressores o ar é transportado de um lado para o outro, sem alteração de volume. A compressão (vedação) efectua-se no lado da pressão pelos cantos dos êmbolos. Este tipo de compressores consiste em duas ciclóides, cada uma com dois dentes. Alguns carros de 1920 a 1980 usaram este tipo de compressores Num compartimento cilíndrico, com aberturas de entrada e saída, gira um rotor alojado excentricamente. O rotor tem nos rasgos, palhetas que em conjunto com e parede, formam pequenos compartimentos (células). Quando animado de rotação, as palhetas serão, pela força centrífuga, atiradas contra a parede. Devido à excentricidade de localização do rotor há uma diminuição e aumento das células. T15.41 T15.42 Compressor volumétrico rotativo de palhetas Compressores volumétricos rotativo de palhetas As vantagens destes compressores estão na sua construção um tanto económica em espaço, bem como em funcionamento contínuo e equilibrado, e no uniforme fornecimento de ar livre de qualquer pulsação. Isento de lubrificação Não atinge alta pressão Compressão contínua Pode ser utilizado também como bomba de vácuo T15.43 T15.44 11

Compressores volumétricos rotativo de dentes Nestes compressores o ar é transportado de um lado para o outro, (sem alteração de volume) através dos espaços entre os dentes, das engrenagens. A compressão (vedação) efectua-se no lado da pressão, pelos dentes das rodas dentadas. Compressores volumétricos rotativo tipo espiral Este tipo de compressor possui compreende uma espiral fixa e outra orbitante e a compressão do ar processa-se pela interacção destas duas espiras. Assim, à medida que a espiral móvel orbita, graças a um excêntrico, o ar vai sendo progressivamente comprimido numa bolsa cada vez menor. (fonte: Wikipedia) Aplicações: ar condicionado, bombas de vácuo, T15.45 T15.46 Compressores volumétricos rotativo de anel líquido Este tipo de compressor compreende uma espiral fixa e outra orbitante e a compressão do ar processa-se pela interacção destas duas espiras. Assim, à medida que a espiral móvel orbita, graças a um excêntrico, o ar vai sendo progressivamente comprimido numa bolsa cada vez menor. Tamanhos de compressores: Pequenos: até 40 litros por minuto e potência de entrada menor que 15 kw. Médios: de 40 até 300 litros por minuto e potência de entrada entre 15 e 100 kw; Grandes: acima de 300 litros por minuto e potência de entrada acima de 100 kw. T15.47 T15.48 12

Reservatório 1. Manómetro 2. Válvula de registo 3. Saída do ar comprimido 4. Entrado do ar 5. Placa de Identificação 6. Válvula de alívio 7. Escotilha para inspecção 8. Dreno Fonte: Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho T15.49 T15.50 Reservatório Distribuição do ar comprimido Drenos Rede em circuito aberto É a mais simples. Deve ser montada com um declive de 1 a 2% na direcção do fluxo para garantir a eliminação da água que se condensa T15.51 T15.52 13

Distribuição do ar comprimido Distribuição do ar comprimido Rede em circuito fechado (anel) 1. Compressor 2. Resfriador posterior ar/ar 3. Separador de condensados 4. Reservatório 5. Purgador automático 6. Pré-filtro coalescente 7. Secador 8. Purgador automático eletrônico 9. Pré-filtro coalescente grau x 10. Pré-filtro coalescente grau y 11. Pré-filtro coalescente grau z 12. Separador de água e óleo T15.53 T15.54 Secadores: secagem por arrefecimento Ar húmido Secadores: secagem absorção Ar Seco Pré-arrefecedor Ar seco Processo químico Arrefece o ar Necessita de energia externa Reduz a humidade pela Separador condensação do ar Muito utilizado na indústria metalúrgica Arrefecedor principal Compressor (arrefecimento) Não necessita de energia externa Instalação e manutenção simples Utiliza-se geralmente Cloreto de Cálcio Ar húmido Purgador Dreno T15.55 freon T15.56 14

Secadores: secagem adsorção Ar Seco Preparação final do ar comprimido Unidade de Conservação: Adsorvente - Filtro: para retirar humidade e impurezas acumuladas no ar proveniente do compressor; Elemento secante regenerável Manutenção simples Não é preciso parar o fornecimento para regenerar o Ar húmido - Regulador de Pressão com Manômetro: para ajustar a pressão de 90 lb/pol² ou 6,3 bar; - Lubrificador: para que as palhetas estejam lubrificadas, evitando seu desgaste prematuro. elemento secante Utiliza-se geralmente Sílica-Gel Secagem Regeneração É muito importante manter o ar limpo, sem humidade e impurezas, com a pressão correcta e que permite a lubrificação de ferramenta associadas ao ar produzido. T15.57 T15.58 Preparação final do ar comprimido Preparação final do ar comprimido Unidade de Conservação Unidade de Conservação Já existem vários produtos que trabalham sem lubrificação Simbologia simplificada Simbologia detalhada Simbologia detalhada T15.59 T15.60 15

Preparação final do ar comprimido Preparação final do ar comprimido Tipos de Filtros Cyclone separador Pré-filtro Micro-filtro Carbono activo Estéril Filtro de Impurezas Saída do ar Placa deflectora Elemento filtrante Copo do filtro Filtro Sinterizado Condensado Água, pó > 50 µm Água, pó 40... 5 µm Água, pó, óleo 0.01 µm Odores Bactérias, vírus Parafuso purgador T15.61 T15.62 Preparação final do ar comprimido Preparação final do ar comprimido Purgador Automático Válvula Reguladora de Pressão T15.63 T15.64 16

Preparação final do ar comprimido Preparação final do ar comprimido Manómetros Lubrificador de Ar Comprimido T15.65 T15.66 ACTUADORES Actuadores de acção simples Lineares Outros Rotativos Acção Simples Acção Dupla Garras Músculo Anti-giro Rotação limitada Motores Características gerais: Diâmetro: 6 a 320 mm Curso: 1 mm a 2000 mm Força: 2 a 50.000 Newtons Vel. de avanço: 0,02 a 1m/s Aplicação: Fixação Expulsão Extração Prensagem de peças entre outras T15.67 T15.68 17

Cilindros simples efeito Cilindros simples efeito de membrana membrana de projecção Qual a diferença? membrana plana T15.69 T15.70 Cilindros duplo efeito Cilindros duplo efeito com amortecimento T15.71 T15.72 18

Cilindro com dupla haste passante Cilindro tipo tandem Vantagens: A haste é melhor guiada devido a dois mancais de guia. Isto possibilita a admissão de uma ligeira carga lateral. Neste caso, a força obtida é igual em ambos os lados (mesma área de pressão). Desta forma, com simultânea carga nos dois êmbolos, a força é uma soma das forças dos dois cilindros. O uso desta construção é necessário para obter grande força, quando o diâmetro, do cilindro é problemático (espaço pequeno). T15.73 T15.74 Cilindro tipo tandem Cilindro sem haste T15.75 T15.76 19

Garras Pneumáticas Paralela Radial 3 pontos Angular T15.77 T15.78 Músculo Pneumático Movimento de Vaivém m Circular Alta velocidade, alcança até 2000 mm/s Diâmetro de 10, 20 e 40 mm Curso de 40 até 9000 mm Possibilita contracção de 15% até 25% do comprimento Frequência até 90 Hz T15.79 T15.80 20

Movimento de Vaivém m Circular Os campos de rotação usuais são vários, isto é, de 45º, 90º, 180º, 270º até 720º. Um parafuso de regulação possibilita porém a determinação do campo de rotação parcial, dentro do total. O Accionamento giratório emprega-se para virar peças, curvar tubos, regular instalações de ar condicionado, accionamento de válvulas de fecho e válvulas de borboleta, etc. Motores Pneumáticos Os motores pneumáticos têm uma correspondência total com os compressores com sentido de funcionamento inverso Motor de palhetas: graças à sua construção simples e pequeno peso, os motores pneumáticos geralmente são fabricados segundo este tipo construtivo T15.81 T15.82 Motores Pneumáticos: motor de pistão axial Motores Pneumáticos: motor de pistão axial Um disco oscilante transforma a força de 5 cilindros, axialmente posicionados, em movimento giratório. Dois pistões são alimentados simultaneamente com ar comprimido. Com isto obtém-se um momento de inércia equilibrado, garantindo um movimento do motor uniforme e sem vibrações. T15.83 T15.84 21

Motores Pneumáticos: motor de engrenagens Motores Pneumáticos: turbo motores A geração do momento torsor efectua-se nesta construção pela projecção da pressão de ar contra os flancos dos dentes de duas rodas dentadas engrenadas ( montadas uma no veio motor e outra livre). Este tipo construtivo somente pode ser aplicado em trabalhos leves. Porém a faixa de rotação é muito ampla (em equipamentos dentários até 500000 rpm). O seu funcionamento corresponde ao contrário de um turbo compressor. O sentido do fluxo é do mais escuro para o mais claro. T15.85 T15.86 VÁLVULAS Válvulas Direccionais Direccionais Bloqueio Pressão Fluxo Combinadas T15.87 T15.88 22

Caracterização, Representação Simbólica e Designações Caracterização, Representação Simbólica e Designações Número de orifícios Número de posições Natureza do comando T15.89 T15.90 Exemplo Válvulas Direccionais 5/2 O que faz? T15.91 T15.92 23

Válvulas Direccionais 5/2 Cilindros duplo efeito O que faz? T15.93 T15.94 Válvulas 5/3 Com o cilindro na posição média a porta de entrada está ligada a ambas as portas de saída Válvulas 5/3 Com o cilindro para a direita a porta 1 conecta- se à 4 e a porta 2 conecta-se à 3 4 2 4 2 5 1 3 5 1 3 14 12 5 4 1 2 3 14 12 5 4 1 2 3 T15.95 T15.96 24

Válvulas 5/3 Com o cilindro para a esquerda a porta 1 conecta-se à 2 e a porta 4 conecta-se à 5 Accionamento Botão de pressão Shrouded Button Mushroom Button Twist 4 2 5 1 3 Switch Botão Emergência Botão De chave Botão De chave Came (Plunger) Rolete 14 12 5 4 1 2 3 Pilotagem Por ar Solenóide T15.97 T15.98 Accionamento (simbologia) Accionamento T15.99 T15.100 25

REMOTE VALVE DRIVER Válvulas e accionamento Accionamento eléctrico T15.101 T15.102 Fieldbus Valve Island Accionamento eléctrico Valve island com solenóides pré-ligados a uma interface Fieldbus. Até 16 solenóide Protocolos: Device-Net ANYBUS Interbus-S Profibus FMS POWER Profibus DP RUNNING AS-Interface T15.103 T15.104 26

Válvulas de bloqueio Válvulas de bloqueio Válvulas de retenção Válvulas de retenção pilotada T15.105 T15.106 Válvulas de bloqueio Válvulas de bloqueio Válvulas OU ou alternadoras Válvulas E ou de simultaneidade T15.107 T15.108 27

Válvulas de bloqueio Válvulas de pressão Limitadora de Pressão Válvulas de escape rápido r T15.109 T15.110 Válvulas de pressão Válvula de Retenção ou Não-Retorno Reguladora de Pressão T15.111 T15.112 28

Válvulas de fluxo Válvulas de fluxo Válvula Reguladora de Fluxo Bidireccional Válvula Reguladora de Fluxo Unidireccional T15.113 T15.114 Actuadores - Cálculos Cálculo da força nos cilindros de simples acção Aplicação: controlo da velocidade Ft av = P. A Freal av = Ft av Fa = 3 a 20% Ft Fa Fm T15.115 T15.116 29

Actuadores - Cálculos Cálculo da força nos cilindros de dupla acção Actuadores - Cálculos Consumo de ar num ciclo 2 π D Ps + Patm Avanço V = l 4 Patm 2 2 π ( D d ) Ps + Patm Recuo V = l 4 Patm Justifique Ft av = P. A Freal av = Ft av Fa = 3 a 20% Ft Fa Ft rec Freal = P( A a) rec = Ft rec Fa a: área da haste Exemplo Determine o caudal de ar que consome um cilindro de duplo efeito que efectua 10 ciclos por minuto. O êmbolo tem um êmbolo de 50 mm de diâmetro e uma haste de 12 mm de diâmetro e um curso de 100 mm. O sistema trabalha a uma pressão de 6 bar. T15.117 T15.118 Actuadores - Cálculos Determine o caudal de ar que consome um cilindro de duplo efeito que efectua 10 ciclos por minuto. O êmbolo tem 50 mm de diâmetro e uma haste de 12 mm de diâmetro e um curso de 100 mm. O sistema trabalha a uma pressão de 6 bar. Resolução π 0,5 Q[ l / min] = 4 2 2 π (0,5 0,12) 6 + 1,013 + 1 10 4 1,013 T15.119 T15.120 30