Eletropneumática Aula 01 Pneumática é o ramo da engenharia que estuda a aplicação do ar comprimido para a tecnologia de acionamento e comando. Na verdade, o uso do ar comprimido como fonte de energia pelo homem data de 2550 AC. Nessa época eram fabricados foles e órgãos que essencialmente geram sons baseado no escoamento do ar sob pressão em tubos com furos. O ar comprimido era produzido por uma bomba acionada manualmente. No século XIX, surgiram as primeiras máquinas pneumáticas complexas, as locomotivas e perfuratrizes (nas minas de carvão). Na verdade, essas máquinas utilizavam vapor superaquecido e não ar comprimido propriamentre dito, no entanto os princípios envolvidos no funcionamento são idênticos. No entanto, foi no século XX, que a pneumática passou a ser aplicada na automação industrial e se desenvolveu ao ponto que é conhecida hoje. Atualmente existem várias aplicações da pneumática no meio industrial e mesmo na nossa vida diária. Entre alguns exemplos de aplicações atuais de pneumática podemos citar: Prensas pneumáticas; Dispositivos de fixação de peças em máquinas ferramenta e esteiras; Acionamento de portas de um ônibus urbano ou dos trens do metrô; Sistemas automatizados para alimentação de peças; Robôs industriais para aplicações que não exijam posicionamento preciso; Freios de caminhão; Parafusadeiras e lixadeiras; Broca de dentista; Pistola de pintura; 1 - Características de sistemas Pneumáticos 1.1 Vantagens da Pneumática Comparativamente a hidráulica, a pneumática é sem dúvida o elemento mais simples, de maior rendimento e de menor custo que pode ser utilizado na solução de
muitos problemas de automatização. Fato este devido a uma série de características próprias de seu fluido de utilização, que no caso é o ar. a) Qualidade O ar para ser comprimido existe em quantidades ilimitadas. b) Transporte O ar comprimido é transportado por meio de tubulações, não existindo para esse caso a necessidade de uma linha de retorno. c) Armazenagem Ao contrário da hidráulica em que durante o funcionamento do circuito faz-se necessário o continuo trabalho da bomba para a circulação do fluido. Em pneumática o ar é comprimido por um compressor e armazenado em um reservatório, não necessitando que o compressor trabalhe continuamente. d) Temperatura Diferentemente do óleo que tem sua viscosidade afetada pela variação da temperatura, o ar comprimido é insensível às oscilações desta, permitindo um funcionamento seguro, mesmo em condições extremas. e) Segurança O ar comprimido não apresenta perigos de explosão ou incêndio, e mesmo que houvesse explosão por falha estrutural de um componente, tubulação, mangueira, ou mesmo do reservatório de ar comprimido, a pressão do ar utilizado em pneumática é relativamente baixa ( 6 a 12 bar ), enquanto em hidráulica se trabalha com pressões que chegam à ordem de 350 bar. f) Limpeza Uma vez que o fluido de utilização é o ar comprimido, não há risco de poluição ambiental, mesmo ocorrendo eventuais vazamentos nos elementos mal vedados. Este fato torna a pneumática um sistema excelente e eficiente para aplicação nas indústrias alimentícia e farmacêutica, isto é, se não houver lubrificação do ar. g) Construção Como as pressões de trabalho são relativamente baixas quando comparadas à hidráulica, seus elementos de comando e ação são menos robustos e mais leves, podendo ser construídos em liga de alumínio, tornando o custo relativamente menor, portanto mais vantajoso.
h) Velocidade É um meio de trabalho que permite alta velocidade de deslocamento, em condições normais entre 1 e 2 m/s, podendo atingir 10 m/s no caso de cilindros especiais e 500.000 rpm no caso de turbinas pneumáticas. i) Regulagem Não possuem escala de regulagem, isto é, os elementos são regulados em velocidade e força, do mínimo ao máximo conforme a necessidade da aplicação. j) Segurança contra sobrecarga Diferentemente dos sistemas puramente mecânicos ou eletroeletrônicos, os elementos pneumáticos podem ser solicitados, em carga, até parar, sem sofrer nenhum dano, voltando a funcionar normalmente, tão logo cesse a resistência. 1.2 Desvantagens da Pneumática a) Preparação A fim de que o sistema tenha um excelente rendimento, bem como uma prolongada vida útil de seus componentes, o ar comprimido requer boa preparação da qualidade do ar, isto é, isento de impurezas e umidade. b) Compressibilidade Diferentemente da hidráulica, o controle de servomotores para movimentos de precisão, a pneumática não possibilita controle de velocidade preciso e constante durante vários ciclos seguidos. c) Força Diferentemente da hidráulica a Pneumática não trabalha com grandes força devido sua pressão não ser tão alta. d) Escape de ar Provoca um ruído relativamente alto, apesar de que, nos dias de hoje esse problema foi quase totalmente eliminado com o desenvolvimento e aplicação de silenciadores. e) Custos Quando levados em consideração os custos de implantação dentro de uma indústria (produção, preparação, distribuição e manutenção), eles podem ser
considerados significativos. Entretanto, o custo da energia é em parte compensado pelos elementos de preços vantajosos e rentabilidade do equipamento. 3 - Propriedades física do ar Para melhor compreensão das vantagens da utilização da pneumática como meio de automação, são estudados em seguidas as três propriedades físicas do ar que conferem à pneumática o status de meio de automatização de custo baixo, limpo e altamente rentável. a) Expansibilidade O ar, vem como todos os gases, não tem forma definida, o que lhe permite adquirir a forma do recipiente pelas quais circula. b) Compressibilidade a temperatura constante Como a ar ocupa totalmente o ambiente pelo qual circula, é possível através de meios mecânicos comprimi-lo, isto é, insufla-lo em um recipiente, em quantidades tanto quanto se deseje, mantendo, é claro, o limite de segurança (resistência mecânica do compartimento). Quanto mais fluido for insuflado no recipiente, mais a pressão interna dele aumenta. c) Elasticidade
É a propriedade que possibilita ao ar retornar a seu volume inicial, uma vez que acessado o esforço que havia comprimido. O ar da atmosfera é uma mistura de gases composto de 78% de Nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases O ar contém adicionalmente água em forma de vapor. A capacidade de absorção de vapor d'água no ar depende da temperatura, porém não da pressão. Se a capacidade máxima de absorção for ultrapassada o vapor d'água condensa e precipita na forma de água condensada (neblina, pingos, etc.). A umidade máxima do ar (fmax) é o volume máximo de vapor d'água possível numa temperatura t. A umidade absoluta do ar (f ) é a quantidade de vapor d'água expressa em gramas efetivamente contida numa unidade de volume. A umidade relativa do ar (j ) é também chamada de grau de saturação e é expressa por: A água (umidade) penetra no sistema pneumático pelo próprio ar aspirado pelo compressor. A quantidade de água depende da umidade relativa do ar que, por sua vez, depende da temperatura e das condições atmosféricas. Para calcular a umidade relativa do ar, é preciso conhecer primeiro a umidade absoluta e o ponto de orvalho. Umidade absoluta é a quantidade média de água contida em 1m3 de ar. Ponto de orvalho é a quantidade máxima de água (na forma de vapor) admitida em 1 m 3 de ar a uma determinada temperatura é chamado também ponto de saturação. Umidade relativa é a razão entre o ponto de orvalho dada em porcentagem, ou seja: ur = ua po 100% Sendo que: ur umidade relativa ua umidade absoluta po ponto de orvalho
Essa água condensada se não for retirada do sistema provocará corrosão nas tubulações e nos elementos de comando e de trabalho. 4 Pressão Para entender as características dos sistemas pneumáticos é necessário estudar o comportamento do ar. Para isso é apresentado inicialmente o conceito de gás ideal. No estudo do comportamento dos gases é de grande importância o conceito de pressão que será dado a seguir. Os gases são formados por moléculas em agitação (movimento) que produzem forças de pressão no recipiente em que o gás está contido. Indicações de pressão podem ter como referência o ponto zero absoluto (vácuo) ou a pressão atmosférica. Por isso fala-se em pressão absoluta e pressão relativa. A pressão atmosférica é produzida pela camada de ar que envolve a terra e depende da densidade e da altitude, portanto esta não tem um valor constante. A pressão atmosférica ao nível do mar vale 1,013 bar (=1,013 10 5 N/m 2 = 10 5 Pa). Assim, usando o zero absoluto (vácuo) como ponto de referência, os dados de pressão se definem como pressão absoluta, enquanto que usando a pressão atmosférica como ponto de referência os dados de pressão se definem como pressão relativa. A PRESSÃO é determinante para o trabalho em um sistema Pneumático Define-se PRESSÃO como sendo:
PRESSÃO nunca deve ser confundida com FORÇA. Veja o exemplo abaixo e calcule a pressão em ambos os casos: Princípio de Pascal A lei de Pascal é o Princípio Fundamental da Hidráulica. Ela diz que a pressão sobre um líquido confinado a um recipiente fechado se reparte igualmente em todas as direções dentro da massa fluida. Ela age perpendicularmente às paredes do recipiente, como mostra a figura ao lado.
4.1 Unidades de Pressão Deste modo, as unidades de pressão, mais usuais, são: Pascal (PA=N/m 2 ), Bar (10N/cm 2 ), PSI ou Lbf/pol 2 (ou simplesmente Libra). Não é muito usual a unidade de pressão em Pascal na hidráulica. Em resumo, as unidades de pressão, usadas na Hidráulica, relacionam-se segundo os fatores de conversão abaixo: Outros fatores de conversão que podem ser úteis: Como o êmbolo do cilindro possui seção circular, sua área é:
Exemplo: Qual a pressão exercida por uma carga de peso 100kgf, sobre uma superfície de 32 mm de diâmetro? (Obs.: 32 mm = 3,2cm) Cálculo da área: A = 0,7854 x (3,2 cm) 2 = 0,7854 x (10,24) A = 8,04 cm 2 ) Cálculo da Pressão P = F/A = 100/8,04 P= 12,4 kgf/cm 2 ou P = 12,4 bar 4.2 Manômetro (Medidores de pressão) O valor da pressão é normalmente indicado com um manômetro. Existem três tipos de manômetro: manômetro de tubo de Bourdon (ver figura abaixo), diafragma ondulado, êmbolo com mola. O manômetro mecânico do tipo BOURDON é também largamente usado. O elemento medidor de pressão é um tubo metálico recurvado, fechado em uma das extremidades e com a outra ligada ao local onde se pretende medir a pressão. Quando a pressão interna do tubo recurvado aumenta este tende a se endireitar, acionando um sistema de engrenagens ligadas a um ponteiro que se desloca frente a um mostrador graduado. Os manômetros de Bourdon são de boa precisão com valores variando de 0,1 e 3% da escala total. Sua desvantagem está nas deformações permanentes que ao longo do tempo se torna impreciso seus valores.
5. Gás Ideal Os gases ocupam a totalidade do volume disponível e produzem forças de compressão devido ao movimento das moléculas que é produzido pelo efeito do calor. Numa mistura de gases, cada gás se comporta como se os outros não existissem. A pressão total da mistura é igual a soma das pressões individuais (pressão parcial) de cada gás. O vapor é produzido pela evaporação de líquidos. Dependendo da temperatura pode haver evaporação até a pressão máxima de vapor, tratando-se nesse caso de vapor saturado. Os gases podem ser entendidos como vapores superaquecidos e obedecem aproximadamente às leis físicas dos gases. Já vapores saturados não obedecem às leis físicas dos gases. No estudo dos gases são comuns os termos gases ideais e gases reais. O gás real é como definido acima, um vapor superaquecido que apresenta uma certa temperatura de condensação (se torna líquido). Já o gás ideal não condensa no resfriamento até o ponto zero absoluto, consistindo num estado ideal (modelo) que facilita o equacionamento teórico do seu comportamento, mas não ocorre na prática. No entanto, visto que o ponto de condensação dos gases reais ocorre em baixas temperaturas e altas pressões, pode-se na pneumática a princípio, tratar o gás real com suficiente exatidão como gás ideal. O estado de um gás é determinado por três grandezas físicas: pressão (P), volume (V) e temperatura (T). Essas três grandezas estão relacionadas pela equação geral de estado, descrita a seguir: PV= nrt onde a unidade da temperatura é Kelvin (K). Outra forma dessa equação, considerando uma massa de ar m, é: PV mrt onde R é a constante do gás que é igual à 287 J/Kg.K para o ar. Assim, a densidade ( ) do gás é dada por:
Número de Avogrado N A = 6,023 10 23 Conceito de Mol Número de Mols de uma substância: n é o número de mols n = m M onde m é a massa considerada da substância M é o peso molecular, de acordo com os constituintes (átomos) desta substância Equação de Clapeyron para os gases ideais pv = nrt p V n R pressão do gás volume ocupado pelo gás número de mols constante dos gases ideais (R = 0,082 atm.l mol K, ou R = 8,31 J mol K T Temperatura em Kelvin Lei dos Gases Perfeitos P 1 V 1 T 1 = P 2V 2 T 2 Exercícios
PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO 1 - Compressores Volumétricos Compressores
a) Compressores Alternativos
b) Compressores Rotativos Palhetas Parafuso
Lóbulos
2 - Compressor de Acelerador de Massa (compressor Dinâmicos)
REDE DE AR COMPRIMIDO Depois de comprimido e de ter passado pelo reservatório principal e secadores, o ar segue pela rede. A rede é um circuito fechado que mantém a pressão igual à pressão reinante no interior do reservatório principal. Para se construir uma rede de ar comprimido, os seguintes parâmetros deverão ser levados em consideração: as conexões das tubulações deverão ter raios arredondados para evitar a presença de fluxos turbulentos; a linha principal, em regra, deverá ter uma inclinação de aproximadamente 1% em relação ao seu comprimento; nos pontos mais baixos deverão ser montados drenos automáticos para drenagem do condensado água-óleo; expansões futuras da rede deverão ser previstas em projeto; as tomadas de ar deverão estar situadas sempre por cima da rede; as tubulações de ar comprimido deverão ser pintadas na cor azul; prever, em projeto, a construção de reservatórios auxiliares; as tubulações da rede deverão ser aéreas e nunca embutidas em paredes, sendo aéreas, serão mais seguras e de fácil manutenção; construir a rede de forma combinada, de modo que se algum ramo tiver de ser interrompido, os demais continuem funcionando para garantir a produção. daí a importância de válvulas ao longo do circuito.
MANUTENÇÃO DA REDE DE AR COMPRIMIDO A manutenção da rede de ar comprimido requer os seguintes passos: verificar as conexões para localizar vazamentos; drenar a água diariamente ou de hora em hora; analisar se está tudo em ordem com a f.r.l. (filtro, regulador e lubrificador), de instalação obrigatória na entrada de todas as máquinas pneumáticas. Alguns fatores influenciam na qualidade do ar no sistema, por isto algumas medidas devem ser tomadas. A - Umidade do Ar Partículas estranhas como poeira, ferrugem e resíduos de óleo do compressor podem influir negativamente no funcionamento das válvulas pneumáticas. Para evitar esses inconvenientes, deve-se instalar e fazer a manutenção do filtro de aspiração e do filtro próximo aos pontos de utilização. B - Secagem do Ar Para retirar água do ar de um sistema pneumático usa-se um resfriador ou um secador. O resfriador serve para retirar água e para evitar acidentes causados pela explosão de mistura ar/óleo acima de 80C.
RESERVATÓRIO DE AR COMPRIMIDO O reservatório serve para estabilizar a distribuição de ar comprimido, eliminando as oscilações da pressão na rede distribuidora provocadas pelo compressor ou pelos momentos de alto consumo de ar. A grande superfície do reservatório esfria o ar. Dessa forma, parte da umidade contida no ar condensa-se e separa-se do ar no reservatório, saindo pelo dreno. UNIDADE DE CONSERVAÇÃO Partículas de pó ou ferrugem e umidade, que se condensa nas tubulações, podem ocasionar falhas ou avarias nas válvulas, por isso perto do local de consumo é colocada uma unidade de conservação que é composta de: filtro de ar comprimido; regulador de ar comprimido; lubrificador de ar comprimido.