Peter Croser, Frank Ebel

Peter Croser, Frank Ebel
Pneumática
Nível Básico
Festo
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consultoria
Ordem nº:
Descrição:
Designação:
Edição:
Layout:
Gravuras:
Autor:
09131
PNEUM.GS.LEHRB
D.LB-TP101-1-GB
10/2002
B. Huber
D. Schwarzenberger, T. Ocker
P. Croser, F. Ebel
© Copyright por Festo Didactic GmbH & Co., 73770 Denkendorf 2002
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modelo de utilidade ou design ornamental.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consultoria
3
CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DA PNEUMÁTICA .......................................................... 4
1.1
FUNDAMENTOS DA FÍSICA ................................................................................................................ 5
CAPÍTULO 2 DISTRIBUIÇÃO E GERAÇÃO DE AR ....................................................... 10
2.1
2.3
2.4
2.6
PREPARAÇÃO DE AR ....................................................................................................................... 11
RESERVATÓRIOS ............................................................................................................................ 15
SECADORES DE AR.......................................................................................................................... 17
UNIDADE DE TRATAMENTO DE AR .................................................................................................. 25
CAPÍTULO 3 ATUADORES E ELEMENTOS DE TRABALHO ....................................... 36
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
38
CILINDROS DE SIMPLES AÇÃO......................................................................................................... 37
CILINDROS DE DUPLA AÇÃO ........................................................................................................... 39
CILINDROS SEM HASTE ................................................................................................................... 45
CONSTRUÇÃO DO CILINDRO ........................................................................................................... 48
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO DO CILINDRO ......................................................................... 51
MOTORES ....................................................................................................................................... 57
INDICADORES ÓPTICOS ................................................................................................................... 59
OUTROS ELEMENTOS DE TRABALHO .............................................................................................. 60
CAPÍTULO 4 VÁLVULAS DE CONTROLE DIRECIONAL .............................................. 64
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
FUNCIONAMENTO........................................................................................................................... 65
VÁLVULA 2/2 VIAS ......................................................................................................................... 66
VÁLVULA DE 3/2 VIAS .................................................................................................................... 66
VÁLVULA DE 4/2 VIAS .................................................................................................................... 78
VÁLVULA DE 4/3 VIAS .................................................................................................................... 80
VÁLVULA DE 5/2 VIAS .................................................................................................................... 82
VÁLVULA DE 5/3 VIAS .................................................................................................................... 85
VALORES DE FLUXO DAS VÁLVULAS .............................................................................................. 86
OPERAÇÕES CONFIÁVEIS DE VÁLVULA ........................................................................................... 87
CAPÍTULO 5 VÁLVULAS DE RETENÇÃO, FLUXO E PRESSÃO, COMBINAÇÃO DE
VÁLVULAS ..................................................................................................................... 88
5.1
5.2
5.3
5.4
VÁLVULAS DE RETENÇÃO .............................................................................................................. 89
VÁLVULAS REGULADORAS DE FLUXO ............................................................................................ 96
VÁLVULAS DE PRESSÃO ............................................................................................................... 101
VÁLVULAS COMBINADAS ............................................................................................................ 103
CAPÍTULO 6 SÍMBOLOS E PADRÕES EM PNEUMÁTICA ......................................... 109
3.1
3.2
SÍMBOLOS E DESCRIÇÃO DOS COMPONENTES ............................................................................... 110
REQUISITOS DE SEGURANÇA PARA SISTEMAS PNEUMÁTICOS ........................................................ 121
CAPITULO 7 COMANDO SEQUENCIAL ...................................................................... 124
6.1
6.2
6.3
SELEÇÃO E COMPARAÇÃO DO MEIO DE TRABALHO E DE CONTROLE ............................................ 126
TEORIA DE CONTROLE ................................................................................................................. 129
DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE CONTROL ........................................................................... 133
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4
Capítulo 1
Fundamentos da Pneumática
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5
1.1
Fundamentos da física
O ar é uma mistura de gases abundantes, com a seguinte composição:
 Aproximadamente 78% do volume de Nitrogênio
 Aproximadamente 21% do volume de Oxigênio
O ar também contém traços de dióxido de carbono, argônio, hidrogênio,
néon, hélio, criptônio e xenônio.
Para auxiliar na compreensão das leis naturais, bem como no
entendimento do comportamento do ar e das dimensões físicas que
serão empregadas, os dados foram utilizados a partir do “Sistema
Internacional de Unidades”, abreviado por SI.
Unidades Quantidade
Básicas
Comprimento
Massa
Tempo
Temperatura
Símbolo
Unidades
L
M
t
T
Metros (m)
Quilograma (kg)
Segundo (s)
Kelvin (K, 0 ºC = 273,15 K)
Unidades Quantidade
Derivadas
Força
Área
Volume
Fluxo
Pressão
Símbolo
Unidades
F
A
V
qv
p
Newton (N) = 1kg • m/s2
Metros quadrados (m2)
Metros cúbicos (m3)
(m3/s)
Pascal (Pa)
1 Pa = 1 N/m2
1 bar = 105 Pa
Lei de Newton: Força = massa • aceleração
F=m•a
Onde “a” é substituído pela aceleração devido à
gravidade (g = 9,81 m/s2).
Pressão: 1 Pascal é igual a pressão constante em uma área de
superfície de 1 m2, com força vertical de 1 N (Newton).
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A pressão que prevalece diretamente na superfície da Terra é
conhecida como pressão atmosférica (pamb). Esta pressão também se
refere como uma pressão de referência. A faixa acima dessa pressão é
conhecida como faixa de sobre-pressão (pe > 0), a faixa abaixo é
conhecida como faixa de vácuo (pe < 0). O diferencial de pressão
atmosférica pe é calculado de acordo com a fórmula:
Pe = pabs – pamb
Isso é ilustrado pelo diagrama abaixo:
Figura 1.1
Pressão do ar
Pressão
atmosférica
flutuante
A pressão atmosférica não possui um valor constante. Esse valor varia
conforme a localização geográfica e o clima.
A pressão absoluta pabs é o valor relativo à pressão Zero – Vácuo. Seu
valor é igual à soma da pressão atmosférica e a sobre-pressão ou o
vácuo. Na prática, são utilizados geralmente os medidores de pressão
que indicam somente a sobre-pressão. O valor de pressão absoluta pabs
é de aproximadamente 100 kPA (1 bar) maior.
Geralmente, em pneumática, todos os dados que dizem respeito à
quantidade de ar se referem ao assim chamado estado padrão. De
acordo com DIN 1343, o estado padrão é a condição da substância
sólida, líquida ou gasosa, definida pela temperatura e pressão padrão.
 Temperatura padrão: Tn = 273,15 K, tn = 0 ºC
 Pressão padrão:
pn = 101325 Pa = 1,01325 bar
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7
1.1 Características do ar
Uma característica do ar é sua coesão mínima, isto é, as forças entre as
moléculas, em pneumática, geralmente devem ser desconsideradas para
condições operacionais. Como todos os gases, o ar não possui uma
forma particular. Sua forma se altera sem a menor resistência, isto é, ele
assume a forma conforme o que está à sua volta.
Figura 1.2
Lei de BoyleMariotte
Lei de Boyle- O ar pode ser comprimido e se esforça para expandir. A relação
Mariotte aplicável é dada pela Lei de Boyle-Mariotte. Em temperatura constante,
o volume de uma dada massa de gás é inversamente proporcional à
pressão absoluta, isto é, o produto da pressão absoluta e do volume é
constante para uma dada massa de gás.
p1 • V1 = p2 • V2 = p3 • V3 = Constante
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O exemplo seguinte ilustra os princípios acima. O ar na pressão Exemplo de
atmosférica é comprimido por um compressor de ar para 1/7 de seu cálculo
volume. Qual é a pressão do medidor de ar, presumindo-se um
processo de temperatura constante?
p1 • V1 = p2 • V2
p = p1 •
V1
V2
Observação: V2 / V1 = 1/7
p1 = pamb = 100 kPa = 1 bar
p2 = 1 • 7 = 700 kPa = 7 bar absoluto
Portanto: pe = pabs – pamb = (700 - 100) kPa = 600 kPa = 6 bar
Um compressor que produz 600 kPa deve ter um índice de compressão
de 7:1.
O ar se expande à razão de 1/273 de seu volume a uma pressão Lei de Gayconstante, na temperatura de 273 K, cada vez que a temperatura se Lussac
eleva em 1 K. De acordo com a Lei de Gay-Lussac, o volume de uma
dada massa de gás é proporcional à temperatura absoluta, desde que a
pressão não seja alterada.
V1
V2
=
T1
T2
V1 = Volume em T1, V2 = Volume em T2
ou
V
T
=
Constante
A alteração de volume V é:
V = V2 - V1 = V1 •
T2 – T1
T1
O seguinte se aplica para V2:
V2 = V1 + V = V1 +
V1
(T2 – T1)
T1
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9
As equações acima somente se aplicam se forem utilizadas as
temperaturas em K. Para podermos calcular em ºC, a fórmula seguinte
deve ser aplicada:
V2 = V1 +
V1
(T2 – T1)
273 ºC + T1
Exemplo de 0,8 m3 de ar, na temperatura de T1 = 293 K (20 ºC) são aquecidos para
Cálculo T2 = 344 K (71 ºC). Quanto o ar vai expandir?
0,8m3
(344 - 293 K)
293 K
V2 = 0,8m3 +
V2 = 0,8m3 + 0,14m3 = 0,94 m3
O ar expandiu de 0,14 m3 para 0,94 m3.
Se o volume for mantido constante durante o aumento de temperatura,
isto resultará na seguinte fórmula, para o aumento de pressão:
p1
p2
=
T1
T2
ou
p
= Constante
T
Equação Geral A equação geral dos gases é uma combinação de todas as três:
dos Gases
p1 • V1
p2 • V2
=
= Constante
T1
T2
No caso de uma dada massa de gás, o produto da pressão e do volume
divididos pela temperatura absoluta é constante.
Esta equação geral dos gases resulta nas leis mencionadas
previamente, se um dos três fatores p, V ou T for mantido constante em
cada caso.
 Pressão p constante
 mudanças isobáricas
 Volume V constante
 mudanças isovolumétricas
 Temperatura T constante  mudanças isotérmicas
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10
Capítulo B-2
Capítulo 2
Distribuição e geração de ar
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11
Capitulo B-2
2.1
Preparação de ar
Para o desempenho contínuo de sistemas de controle e elementos de
trabalho, é necessário garantir que o fornecimento de ar esteja:

na pressão necessária,

seco e

limpo
Se estas condições não forem completamente atendidas, então uma
degeneração de curto em médio prazo do sistema será acelerada. O
efeito é uma parada no maquinário, além dos custos aumentados com o
reparo ou a substituição de peças.
A geração de ar comprimido se inicia com a compressão. O ar
comprimido flui através de toda uma série de componentes antes de
atingir o dispositivo de consumo. O tipo de compressor e sua localização
em um grau menor ou maior afeta a quantidade de partículas de sujeira,
óleo e água, as quais adentram em um sistema pneumático. O
equipamento a ser considerado na geração e preparação de ar inclui:
 Filtro de entrada
 Compressor de ar
 Reservatório de ar
 Secador de ar
 Filtro de ar, com separador de água
 Regulador de pressão
 Lubrificador de ar, conforme solicitado
 Pontos de drenagem
Ar comprimido mal preparado irá inevitavelmente criar
funcionamento e pode se manifestar no sistema como se segue:
mau-
 Rápido desgaste das vedações e partículas em movimento nos
cilindros e válvulas
 Válvulas lubrificadas
 Silenciadores contaminados
 Corrosão nos canos, válvulas, cilindros e outros componentes
 Jato de lubrificação dos componentes que se movem.
No caso de vazamento, o ar comprimido que escapa pode prejudicar os
materiais a serem processados (como por exemplo, alimentos).
Festo Didactic  TP101
12
Capítulo B-2
Como regra, os componentes pneumáticos são denominados para uma Nível de pressão
pressão operacional máxima de 800 a 1000 kPa (8-10 bar). A
experiência prática demonstrou, entretanto, que aproximadamente 600
kPa (6 bar) devem ser utilizados para uma operação econômica. Devem
ser esperadas perdas de pressão entre 10 e 50 kPa (0,1 e 0,5 bar)
devido à bloqueios, dobras, vazamentos e percurso da tubulação,
dependendo do tamanho do sistema de canos e do método do layout. O
sistema do compressor deve fornecer pelo menos 650 a 700 kPa (6,5 a
7 bar) para um nível de pressão operacional desejado de 600 kPa (6
bar).
2.2 Compressores de ar
A seleção a partir de diversos tipos de compressores disponíveis
depende da quantidade de ar, qualidade e limpeza, e quão seco o ar
deve ser. Existem níveis variáveis destes critérios dependendo do tipo
de compressor.
Figura 2.1
Tipos de
Compressores
Tipos de
Compressores
Compressor de
pistão alternativo
Compressor de
pistão
Compressor de
pistão rotativo
Compressor de
diafragma
Compressor de
deslocamento
positivo
Compressor de
fluxo
Compressor
rotativo radial
Compressor de
parafuso duplo
Compressor
rotativo axial
Compressor tipo
Roots
Um cilindro comprime o ar aspirado através de uma válvula de entrada. Compressores
O ar é então transportado para uma válvula de saída.
de cilindro
alternativo
Os compressores alternativos são muito comuns e fornecem uma ampla
faixa de taxas de pressões e capacidade. Para compressões multiestágio com pressões elevadas utiliza-se um resfriamento entre cada
estágio da compressão.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
13
Capitulo B-2
A faixa ideal de pressões para compressores alternativos são de
aproximadamente:
até 400 kPa
até 1500 kPa
acima de 1500 kPa
(4 bar)
(15 bar)
(> 15 bar)
Estágio simples
Estágio duplo
Estágio triplo ou múltiplo
Também, é possível, mas não necessariamente econômico, operar nas
seguintes faixas:
até 1200 kPa
até 3000 kPa
acima de 3000 kPa
(12 bar)
(30 bar)
(> 30 bar)
Estágio simples
Estágio duplo
Estágio triplo ou múltiplo
Compressor de O compressor de diafragma pertence ao grupo de compressores de
diafragma pistão alternativo. A câmara do compressor é separada do pistão por um
diafragma. A vantagem disso é que nenhuma tubulação de óleo entra no
fluxo de ar, a partir do compressor. O compressor de diafragma é,
portanto, utilizado onde o óleo deve ser excluído do suprimento de ar,
por exemplo, nas indústrias de alimentos, farmacêuticas e produtos
químicos.
Compressor de Os compressores do grupo dos rotativos utilizam elementos rotativos
pistão rotativo para comprimir a aumentar a pressão do ar. Durante o processo de
compressão, a câmara de compressão é continuamente reduzida.
Compressor de Dois eixos com rosca (rotores) giram em sentidos opostos. O perfil de
parafuso duplo malha dos dois eixos faz com que o ar flua e então seja comprimido.
Compressor Estes compressores são particularmente ajustáveis para grandes
rotativo quantidades de produção. Os compressores rotativos são concebidos
nas formas axial e radial. O ar flui por meio de uma ou diversas turbinas.
A energia cinética é convertida em energia de pressão. No caso de um
compressor axial, o ar é acelerado na direção axial do fluxo por meio de
lâminas.
Festo Didactic  TP101
14
Capítulo B-2
Para adaptar a quantidade produzida do compressor à demanda Regulagem
oscilante, é necessário regular o compressor. A quantidade produzida é
regulada entre os limites ajustáveis para a pressão máxima ou mínima.
Existe um número de tipos diferentes de regulamento:
 Regulagem livre
Regulagem de alívio
Regulagem de desligamento
Regulagem de grampo
 Controle de carga parcial
Ajuste de velocidade
Controle de potência de sucção
 Controle intermitente
No caso da regulagem de alívio, o compressor opera contra uma Regulagem livre
válvula de alívio de pressão. Quando o ajuste de pressão é atingido, a
válvula de alívio de pressão se abre e o ar é exaurido para a atmosfera.
Uma válvula de retenção evita que o tanque seja esvaziado. Esse tipo
de regulador somente é usado em instalações muito pequenas.
Com a regulagem de desligamento o lado da sucção é desligado. O
compressor não pode admitir ar. Este tipo de regulagem é utilizado
principalmente no caso de compressores de pistão rotativo.
Em compressores com pistões maiores, a regulagem de grampo é
utilizada. Um grampo mantém a válvula de sucção aberta; o compressor
então não pode comprimir o ar.
No caso do ajuste de velocidade, a velocidade do motor de Controle de
acionamento do compressor é controlada dependendo da pressão carga parcial
atingida.
Com controle de velocidade de sucção, o controle é realizado por meio
de um limitador na conexão de sucção do compressor.
Com este tipo de controle, o compressor pode trabalhar na condição Controle
operacional de “carga total” e “normal”. O motor de acionamento do intermitente
compressor é desligado quando a pmax é atingida, e ligado quando a pmin
é atingida.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
15
Capitulo B-2
Ciclo de Recomenda-se que um ciclo de operações de aproximadamente 75%
operação seja utilizado para o compressor. Para fazê-lo é necessário determinar a
necessidade de ar máxima e média de um sistema pneumático e
selecionar o compressor em vista dessa necessidade. Se for previsto
que a necessidade de ar irá aumentar como resultado de possíveis
expansões no sistema, então a seção do suprimento do compressor de
ar deve ser projetada maior, uma vez que a subseqüente expansão está
associada com altos custos.
2.3
Reservatórios
Um reservatório é configurado como acessório de um compressor, para
estabilizar o ar comprimido. Um reservatório compensa as flutuações de
pressão quando o ar comprimido está sendo retirado do sistema. Se a
pressão no reservatório cair abaixo de um determinado valor, o
compressor irá compensar até que o valor mais alto definido seja
atingido novamente. Isso é uma vantagem uma vez que o compressor
não necessita operar continuamente.
A grande área de superfície do reservatório resfria o ar. Dessa maneira,
uma parte da umidade do ar é separada diretamente no reservatório na
forma de água, a qual deve ser drenada regularmente por meio de um
dreno.
Figura 2.2
Reservatório
O tamanho do reservatório de ar comprimido depende de:





Festo Didactic  TP101
Volume de produção do compressor
Consumo de ar nas operações realizadas
Tamanho da rede (quaisquer necessidades adicionais)
Tipo de regulagem de ciclo do compressor
Queda de pressão permissível na rede de fornecimento
16
Capítulo B-2
Volume do
reservatório
Figura 2.3
Diagrama:
Determinando o
volume de um
reservatório
Volume de produção
Ciclos de troca por hora
Pressão diferencial
Resultado:
qL
z
p
= 20 m3/min
= 20 1/h
= 100 kPa (1 bar)
Tamanho do reservatório VB = 15 m3 (observe no gráfico)
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
Exemplo
17
Capitulo B-2
2.4
Secadores de ar
O condensado (água) entra na rede de ar através da entrada de ar do
compressor. O acúmulo do condensado depende amplamente da
umidade relativa do ar. A umidade relativa do ar depende da
temperatura e das condições climáticas.
A umidade absoluta é a massa de vapor de água, contida na realidade
em um (1) m3 de ar. A quantidade de saturação é a massa do vapor de
água que um (1) m3 de ar pode absorver em determinada temperatura.
A fórmula seguinte se aplica se a umidade relativa do ar estiver
especificada em porcentagem:
Umidade relativa =
umidade absoluta
 100%
quantidade de saturação
Uma vez que a quantidade de saturação depende da temperatura, a
umidade relativa se altera com a temperatura, mesmo se a umidade
absoluta permanecer constante. Se o ponto de orvalho for alcançado, a
umidade relativa aumenta para 100%.
Ponto de A temperatura do ponto de orvalho é a temperatura na qual a umidade
orvalho relativa é de 100%. Quanto mais abaixo do ponto de orvalho, mais a
água irá condensar e reduzir a quantidade dispersa no ar.
A vida útil de sistemas pneumáticos será consideravelmente reduzida se
a umidade excessiva for transportada através do sistema de ar para os
componentes. Portanto, é importante adequar o equipamento de
secagem de ar necessário para que se reduza a umidade para um nível
adequado à operação e aos componentes utilizados. Existem três
métodos auxiliares de redução de umidade do ar:
 Secagem em baixa temperatura (Resfriamento)
 Secagem por adsorção
 Secagem por absorção
Pressão do Para que seja possível compararmos diferentes tipos de sistemas de
ponto de secagem, a pressão operacional do sistema deve ser levada em
orvalho consideração. O termo “pressão do ponto de orvalho“ é utilizado nesse
contexto. A pressão do ponto de orvalho é a temperatura do ar atingida
durante a secagem na pressão operacional.
Festo Didactic  TP101
18
Capítulo B-2
A pressão do ponto de orvalho do ar seco deve ser de
aproximadamente 2 a 3 ºC, sob a temperatura ambiente mais baixa.
O custo adicional da instalação do equipamento de secagem de ar pode
ser amortizado em um curto período de tempo, devido à redução nos
custos com manutenção, redução no tempo ocioso e aumento na
confiabilidade do sistema.
O tipo mais comum de secador utilizado atualmente é o secador por Secagem em
refrigeração. Com a secagem refrigerada, o ar comprimido é baixa
transportado através de um sistema de troca de calor, por onde um temperatura
refrigerante flui. O objetivo é reduzir a temperatura do ar para um ponto
de orvalho que assegure que a água no ar se condensará e gotejará na
quantidade desejada.
O ar que entra no secador por refrigeração é pré-resfriado em um
trocador de calor por meio do ar frio de exaustão. Este ar é então
resfriado na unidade de resfriamento para temperaturas entre +2 e +5
ºC. O ar comprimido seco é filtrado. Antes do ar comprimido sair de
novo para a rede, ele é aquecido para que volte novamente à condição
ambiente.
Utilizando-se métodos de refrigeração, é possível atingir os pontos de
orvalho entre +2 e +5 ºC.
Figura 2.4
Secagem em baixa
temperatura
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
19
Capitulo B-2
Secadores por Adsorção: a água é depositada na superfície de sólidos.
adsorção
O agente de secagem é um material granulado (gel), que consiste quase
que inteiramente de dióxido de silício (silica-gel).
Normalmente dois tanques são utilizados. Quando o gel em um tanque
estiver saturado, o fluxo de ar é comutado para o segundo tanque seco e
o primeiro tanque é regenerado por meio de secagem de ar quente.
Os menores pontos de orvalho equivalentes (abaixo a -90 ºC) podem ser
atingidos por meio de secagem por adsorção.
Figura 2.5
Secadores por
adsorção
Festo Didactic  TP101
20
Capítulo B-2
Absorção: Uma substância sólida ou líquida se une a uma substância Secadores por
gasosa.
absorção
A secagem por absorção é puramente um processo químico. A
secagem por absorção não é de maior importância na prática
atualmente, uma vez que os custos operacionais são muito altos e a
eficiência é muito baixa para a maioria das operações.
Figura 2.6
Secadores por
absorção
O vapor de óleo e partículas de óleo também são separadas no secador
por absorção. A umidade no ar comprimido forma um composto com o
agente secador no tanque. Isso faz com que o agente secador se
distribua; é nesse momento que ele é descarregado na forma de um
fluído na base do tanque.
A mistura deve ser drenada regularmente e o agente de fluxo deve ser
substituído.
As características do processo de absorção são:
 Instalação simples do sistema.
 Baixo desgaste mecânico, devido à não existência de partes que se
movem no secador.
 Sem necessidade de energia externa.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
21
Capitulo B-2
Um filtro de poeira deve ser instalado no secador para capturar
quaisquer partículas arrastadas juntamente ao agente de fluxo.
Pode ser atingida pressão de pontos de orvalho abaixo de 0 ºC.
Figura 2.7
Gráfico do ponto de
orvalho
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22
Capítulo B-2
Capacidade de sucção
Pressão absoluta
Volume comprimido por hora
Temperatura de sucção
Temperatura após a compressão
Umidade relativa
1000 m3/h
700 kPa (7 bar)
143 m3
293 K (20 ºC)
313 K (40 ºC)
50%
Exemplo de cálculo
Quantidade de água antes da compressão:
O teor de água a seguir é obtido à temperatura de 293 K (20 ºC):
100% = 17,3 g/m3
Portanto
50% = 8,65 g/m3
Resulta em
8,65 g/ m3 • 1000 m3/h = 8650 g/h
Quantidade de água depois da compressão:
A quantidade de saturação a seguir é obtida em 313 K (40 ºC):
51,1 g/m3
Resulta em
51,1 g/ m3 • 143 m3/h = 7307 g/h
Portanto, a quantidade separada de água no compressor é:
8650 g/h – 7307 g/h = 7343 g/h.
2.5 Distribuição de ar
Calculando o
tamanho dos
sistemas de
Para assegurar confiabilidade e distribuição de ar livre de falhas, tubulações
uma série de requisitos devem ser observados. Basicamente, devese levar em consideração desde o cálculo do tamanho correto do
sistema de tubulações, até o material das tubulações, resistências
de fluxo, layout dos tubos e manutenção.
No caso de novas instalações, devem ser feitas previsões em todos
os casos para possíveis ampliações na rede de ar comprimido. O
tamanho da linha principal determinado pelas necessidades atuais
deve, portanto ser aumentado para que se tenha uma margem de
segurança apropriada. As válvulas de tampa e de desligamento
permitem que num momento posterior a rede seja ampliada.
Perdas ocorrem em todas as tubulações, devido às resistências de
fluxo. As resistências de fluxo são representadas por restrições,
dobras, derivações e conexões. Essas perdas devem ser
compensadas pelo compressor. A queda de pressão na rede inteira
deve ser a menor possível.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
23
Capitulo B-2
Para que seja possível calcular a queda de pressão, é necessário
saber o comprimento total da tubulação. Para as conexões, derivações
e dobras, o comprimento equivalente da tubulação deve ser
determinado. A escolha do diâmetro interno correto também depende
da pressão operacional e da produção do compressor. Para que se
faça a melhor escolha, a utilização de um nomograma pode auxiliar.
Resistências de Quaisquer influências ou alterações na direção dentro do sistema de
fluxo tubulações significam interferências no fluxo de ar e, dessa maneira,
um aumento da resistência do fluxo. Essa condição leva a queda de
pressão contínua ao longo de todo o sistema. Uma vez que as
derivações, dobras, adaptadores e conexões são necessários em todas
as redes de ar comprimido, essa queda de pressão não pode ser
evitada, entretanto pode ser reduzida consideravelmente montando-se
a trajetória da tubulação favoravelmente, escolhendo-se os materiais
adequados e encaixando-se as conexões de maneira correta.
Material das A escolha do material adequado para as tubulações é determinada
tubulações pelas necessidades de uma moderna rede de ar comprimido:
 Baixas perdas de pressão
 Ausência de vazamentos
 Resistência à corrosão
 Capacidade de ampliação do sistema
Ao selecionar um material adequado para as tubulações, deve ser
considerado não somente o preço por metro, mas também outro fator
importante, que são os custos de instalação. Esses custos são
menores quando se opta por materiais plásticos. As tubulações de
plástico podem ser adicionadas completamente seladas com a
utilização de adesivos ou conexões, e podem ser facilmente ampliadas.
Tubulações de aço, ferro e cobre tem um preço de compra menor,
entretanto precisam ser soldados ou conectadas por meio de
conectores com rosca; se essa montagem não for feita corretamente,
limalha, resíduos, partículas de solda ou materiais seladores podem
acabar sendo introduzidos no sistema. Isso pode levar a um mau
funcionamento. Para pequenos e médios diâmetros, a tubulação de
plástico é superior a outros materiais no que diz respeito a custos,
montagem, manutenção e facilidade de ampliação.
Festo Didactic  TP101
24
Capítulo B-2
As flutuações de pressão na rede tornam necessário assegurar que
os canos estão montados firmemente para que se evitem
vazamentos nas conexões rosqueáveis e soldadas.
Figura 2.8
Sistema de fornecimento
de ar
Além do cálculo correto do tamanho da tubulação, e da qualidade Layout da tubulação
do material dos canos, o layout correto do sistema de tubos é um
fator decisivo para que se determine a operação mais econômica do
sistema de ar comprimido. O sistema é alimentado com ar
comprimido em intervalos pelo compressor. Freqüentemente, o
consumo dos dispositivos aumenta não só por um curto período de
tempo. Isso pode acarretar condições desfavoráveis na rede de ar
comprimido. Portanto, recomenda-se que a rede de ar comprimido
seja feita na forma de uma linha mestre. Uma linha mestre assegura
amplamente as condições para uma pressão constante.
Figura 2.9
Circuito em anel
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
25
Capitulo B-2
Para que a manutenção, reparos ou ampliação da rede sejam mais
fáceis, sem a interferência do suprimento de ar total, é recomendável
subdividir a rede em seções individuais. As derivações com peças em
“T” e tubos de distribuição com acoplamento tornam isso possível. É
recomendável que se encaixem as derivações com válvulas de esfera
padrão ou válvulas de desligamento.
Figura 2.10
Rede interconectada
Mesmo com a melhor separação de água sendo feita no sistema
gerador de pressão, a pressão sofre queda e um resfriamento externo
pode produzir condensação no sistema de tubulação. Para descarregar
a condensação, os canos devem ser inclinados 1-2%; isso também
pode ser realizado em estágios. A condensação pode então ser
drenada do sistema por meio de separadores de água no ponto mais
baixo.
2.6
Unidade de tratamento de ar
As funções individuais da preparação do ar comprimido, isto é, a
filtragem, regulagem e lubrificação, podem ser feitas completamente
por componentes individuais. Essas funções são normalmente
combinadas em uma só unidade, isto é, a unidade de tratamento de ar.
As unidades de tratamento de ar são conectadas em todos os sistemas
pneumáticos.
Geralmente, a utilização de um lubrificador não é necessária em
sistemas avançados. Estes lubrificadores somente devem ser utilizados
para necessidades específicas, basicamente, na seção de energia de
um sistema. O ar comprimido em uma seção de controle não deve ser
lubrificado.
Festo Didactic  TP101
26
Capítulo B-2
A água condensada, contaminação e o excesso de óleo podem Filtro de ar
levar ao desgaste das peças que se movem e das vedações dos comprimido
componentes pneumáticos. Essas substâncias podem escapar
como conseqüência de vazamentos. Sem a utilização dos filtros, por
exemplo, os produtos a serem processados nas indústrias de
alimentos, produtos farmacêuticos e produtos químicos podem se
tornar contaminados e, portanto, inúteis.
Figura 2.11
Filtro de ar comprimido
A escolha do filtro correto tem uma grande importância para que se
obtenha qualidade e desempenho do sistema que deva ser
alimentado com ar comprimido. Uma característica dos filtros de ar
comprimido é seu tamanho de poro. O tamanho do poro do
elemento do filtro indica o tamanho mínimo das partículas que
podem ser filtradas do ar comprimido. A condensação coletada
precisa ser drenada antes que o nível exceda a marca de
condensação máxima ou de outra forma essa condensação será reintroduzida na corrente de ar.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
27
Capitulo B-2
Se uma grande quantidade de condensado for acumulada, é
recomendável acoplar um dreno automático no lugar de um dreno
operado manualmente. Entretanto, em tais casos, deve-se determinar a
causa dessa condensação acumulada. Por exemplo, um layout
inapropriado da tubulação pode ser a causa do acúmulo da
condensação.
O dreno automático utiliza um flutuador para determinar o nível da
condensação no vaso e quando o limite for atingido, um pistão de
controle abre o assento da válvula, que por sua vez expele a
condensação sob pressão do ar, por meio de uma linha de drenagem.
Se o flutuador atingir o nível mínimo de condensação, a válvula de
assento é fechada e o processo é interrompido. O vaso de filtragem
também pode ser esvaziado manualmente.
O ar comprimido se move através do filtro da esquerda para a direita, e é
alimentado através de uma placa defletora no recipiente de filtragem. A
placa defletora faz o ar girar, e as partículas mais pesadas e gotas de
água são giradas pela força centrífuga contra a parede interna do filtro.
Então elas escorrem pela parede do invólucro e se alojam no filtro. O ar,
que foi previamente limpo através desse percurso, passa então através
do elemento do filtro, o qual retém as partículas menores de sujeira. O
elemento do filtro, neste caso, consiste de um material sinterizado
altamente poroso. O grau de separação depende do tamanho do poro do
elemento do filtro utilizado. Elementos com diversos tamanhos de poro
estão disponíveis. Os tamanhos de poro mais comuns estão entre 5
microns e 40 microns.
Uma característica importante adicional dos filtros de ar comprimido é o
grau de separação, ou eficiência, que indica o percentual de partículas
de um tamanho específico que podem ser separadas. A eficiência está
relacionada com o tamanho da partícula, por exemplo, eficiência de
99,99% para 5 microns. Com os micro-filtros, 99,999% das partículas
maiores do que 0,01 m podem ser filtradas.
A ação de filtragem de um filtro de ar comprimido é interrompida, mesmo
após um longo tempo de serviço e com uma alta contaminação.
Entretanto, nessas condições, a queda de pressão se torna
desproporcionalmente alta e o filtro passa a causar desperdício de
energia.
Para identificar o tempo certo da troca do elemento do filtro, uma
inspeção visual ou uma medição do diferencial de pressão através do
filtro deve ser realizada.
Festo Didactic  TP101
28
Capítulo B-2
Dependendo da natureza do ar comprimido disponível, do consumo Manutenção
de ar dos componentes e do tamanho do filtro, os filtros de ar
comprimido vão necessitar de uma quantidade maior ou menor de
manutenção. A manutenção significa:
 Substituição ou limpeza do elemento do filtro.
 Drenagem da condensação.
Quando é necessária uma limpeza, devem-se observar as
especificações do fabricante no que diz respeito aos agentes de
limpeza a serem utilizados.
O ar comprimido gerado por um compressor irá flutuar. Alterações Reguladores de ar
nos índices de pressão no sistema de tubulação podem afetar comprimido
adversamente as características de troca das válvulas, o tempo de
operação dos cilindros e as características de controle de tempo do
controle de fluxo e das válvulas de memória.
Um nível de pressão constante é, dessa maneira, um pré-requisito
para uma operação livre de falhas, em um controle pneumático.
Para que haja condições de pressão constante, os reguladores são
ajustados em uma posição central na rede de ar comprimido, para
assegurar que exista um fornecimento de pressão constante
(pressão secundária), independente das flutuações de pressão na
volta principal (pressão primária). O redutor de pressão ou o
regulador de pressão é colocado no filtro de ar comprimido e tem a
função de manter constante a pressão operacional, apesar das
flutuações de pressão ou do consumo de ar no sistema. A pressão
do ar deve ser adequada às necessidades individuais de cada
seção da planta.
A pressão do sistema, que provou na prática ser o melhor
compromisso técnico e econômico entre a geração de ar
comprimido e a eficiência dos componentes é aproximadamente:
 600 kPa (6 bar) na seção de energia e
 300 a 400 kPa (3 a 4 bar) na seção de controle
Uma pressão operacional mais alta pode levar a utilização
ineficiente de energia e ao aumento do desgaste, enquanto uma
pressão operacional mais baixa pode levar a pouca eficiência,
particularmente na seção de energia.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
29
Capitulo B-2
Figura 2.12
Regulador de
Pressão: alívio
Princípio
A pressão de entrada (pressão primária) no regulador de pressão deve
operacional
sempre ser mais alta do que a pressão de saída (pressão secundária).
A pressão é regulada por um diafragma. A pressão de saída atua em
um lado do diafragma uma mola atua no outro lado. A força da mola
pode ser ajustada por meio de um parafuso de ajuste.
Quando a pressão de saída aumenta, por exemplo, durante as
alterações de carga do cilindro, o diafragma se move contra a força da
mola, fazendo com que a seção transversal de saída no assento da
válvula seja reduzida ou mesmo fechada completamente. Então, a
peça central do diafragma se abre e o ar comprimido pode fluir para a
atmosfera através de orifícios de ventilação no invólucro.
Quando a pressão de saída diminui, a força da mola abre a válvula. A
regulagem da pressão de saída pré-estabelecida é, dessa forma, uma
contínua abertura e fechamento do assento da válvula, causada pelo
fluxo de ar. A pressão operacional é indicada no medidor.
Festo Didactic  TP101
30
Capítulo B-2
Figura 2.13
Regulador de pressão:
sem alívio
Se nenhum ar for drenado no lado secundário, a pressão aumenta e Princípio
pressiona o diafragma contra a mola de compressão. A seção operacional
transversal de saída no assento da válvula é reduzida ou fechada e
o fluxo de ar é reduzido ou interrompido por completo. O ar
comprimido continuará a fluir somente quando o ar for expelido no
lado secundário.
Como regra, o ar comprimido que é gerado deve ser seco, isto é, Lubrificador de ar
livre de óleo. Para alguns componentes, o ar lubrificado pode comprimido
causar danos, enquanto para outros ele é indispensável. Entretanto,
para os componentes de energia ele pode ser necessário em certos
casos. Portanto, a lubrificação do ar comprimido deve sempre ser
limitada às seções da planta que necessitem de lubrificação. Para
esta finalidade, lubrificadores de vapor são colocados para
alimentar o ar comprimido com óleos escolhidos especialmente. Os
óleos que são introduzidos no ar do compressor não são adequados
para a lubrificação dos componentes do sistema de controle.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
31
Capitulo B-2
Como um princípio geral, os cilindros com vedação resistente ao calor
não devem ser alimentados com ar comprimido lubrificado, uma vez
que uma graxa especial que forma a lubrificação original pode ser
removida.
Se os sistemas que estava sendo operados com lubrificação são
convertidos em ar comprimido não lubrificado, a lubrificação original
das válvulas e dos cilindros deve ser renovada, uma vez que elas
podem ter sido removidas em alguns momentos.
Figura 2.14
Lubrificador
A lubrificação do ar comprimido por meio de lubrificadores de vapor
pode ser necessária em certos casos:
 Onde movimentos
necessários
oscilatórios
extremamente
rápidos
são
 Com cilindros de diâmetro maior, os lubrificadores devem ser
instalados onde for possível somente diretamente dos cilindros
consumidores.
Festo Didactic  TP101
32
Capítulo B-2
Os seguintes problemas podem ocorrer como um resultado de
lubrificação excessiva:
 Mau-funcionamento dos componentes.
 Aumento nos problemas ambientais.
 Danos aos componentes após um tempo ocioso prolongado.
O ar comprimido que passa através do lubrificador causa uma Princípio
queda de pressão entre o reservatório de óleo e a parte superior do operacional
lubrificador. A diferença de pressão é suficiente para forçar o óleo
para cima, através de um duto onde ele começa a respingar em um
bocal que pode ser visto através de um vidro de inspeção. O óleo é
então atomizado e integrado à corrente de ar para um maior ou
menor volume.
É possível verificar a dosagem de óleo, como se segue:
Verificando a
Um valor de referência para a dosagem de óleo é a quantidade de 1 dosagem
a 10 gotas por metro cúbico de ar comprimido. A medição correta
pode ser verificada da seguinte maneira: Um pedaço de papelão
branco deve ser segurado a uma distância de aproximadamente 10
cm. da via do exaustor da válvula de energia do cilindro, que está
mais longe do lubrificador. Se o sistema for colocado em operação
por algum tempo, será possível observar somente uma pálida cor
amarela no papelão. Se o óleo começar a respingar, é um sinal
claro de que houve excesso de lubrificação.
Até uns poucos anos atrás, a visão geral era de que o óleo Removendo o óleo
descarregado pelo compressor poderia ser utilizado como
lubrificante para os componentes de energia. Atualmente, foi
reconhecido que isso não é possível. Uma vez que o nível de calor
produzido no compressor é muito alto, o óleo é carbonizado e o
vapor de óleo é exaurido. Isso leva a uma ação abrasiva nos
cilindros e válvulas, e o serviço é reduzido consideravelmente.
Outro problema é que o óleo depositado nas paredes internas das
tubulações é eventualmente absorvido de uma maneira
descontrolada pelo fluxo de ar. Este fato isoladamente faz com que
a distribuição controlada e efetiva seja impossível. Um cano que
tenha sido contaminado dessa maneira não pode mais ser
higienizado sem ser desmontado. Outra desvantagem é a formação
de goma, o que significa que depois de um sistema ter ficado ocioso
por algum tempo (depois de finais de semana e feriados), os
componentes lubrificados não funcionam corretamente.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
33
Capitulo B-2
A lubrificação do ar comprimido deve ser restrita unicamente aos
componentes do sistema que necessitem disso. A melhor maneira de
fornecer óleo é instalar lubrificadores diretamente dos dispositivos que
consomem ar lubrificado. Os componentes com auto-lubrificação devem
ser selecionados para a seção de controle de um sistema pneumático.
Portanto, a regra básica deve ser: Preparação de ar comprimido na
forma livre de óleo.
Os pontos a seguir devem ser observados na prática diária:
 Tanto quanto possível, deve-se evitar que os óleos do compressor
entrem na rede de ar comprimido (separadores de óleo devem ser
colocados).
 Para a operação, instale componentes os quais podem funcionar
também sem ar comprimido lubrificado.
 Uma vez que o sistema foi operado e funcionou com óleo, a
lubrificação deve ser regular, dado que a lubrificação original dos
componentes será removida devido ao óleo.
Unidade de Deve-se observar os seguintes aspectos nas unidades de tratamento:
tratamento
 O total de ar utilizado em m3/h determina o tamanho da unidade. Se a
quantidade de ar abastecida for muito alta, pode ocorrer uma grande
queda de pressão nas unidades. É importante observar os valores
especificados pelo fabricante.
 A pressão de operação não deve exceder o valor estabelecido na
unidade de tratamento. A temperatura ambiente não deve exceder 50
ºC (valores máximos para recipientes plásticos).
Figura 2.15
Unidade de
tratamento:
princípio de
operação
Festo Didactic  TP101
34
Capítulo B-2
Figura 2.16
Unidade de tratamento:
símbolos
As medidas da rotina de serviço a seguir são necessárias em Manutenção das
bases normais:
unidades de
tratamento de ar
 Filtro de ar comprimido:
O nível de condensação deve ser verificado regularmente, uma
vez que o nível indicado no visor não deve ser ultrapassado. Se
o nível é excedido, pode resultar em condensação acumulada
sendo inserida nas linhas de fornecimento de ar. A
condensação em excesso pode ser drenada utilizando-se um
dreno no visor. O cartucho de filtragem também deve ser
monitorado para contaminação, e limpo ou substituído se
necessário.
 Regulador de ar comprimido:
Este item não requer serviço, desde que seja precedido por um
filtro de ar comprimido.
 Lubrificador de ar comprimido:
Se instalado o lubrificador, verifique o nível de óleo no visor e
aumente-o, se necessário, para o nível indicado. O filtro plástico
e o recipiente do lubrificador não devem ser limpos com
tricloretileno. Somente óleos minerais devem ser utilizados para
o lubrificador.
Festo Didactic  TaC - Treinamento e Consulta
35
Capitulo B-2
Festo Didactic  TP101