Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos

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Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos
Prof. Dr. Adson Íkaro S. L. de Andrade
Introdução a Pneumática 
Definição: Segundo Dorneles e Mugge (2008), a pneumática é a ciência que trata do comportamento dos gases e de seu emprego para a transmissão de energia. Todos os gases são facilmente compressíveis, e é essa a propriedade que mais os diferencia dos líquidos como meio de transmissão de energia. Praticamente qualquer gás pode ser usado em um sistema pneumático, mas, por razões óbvias, o ar (mistura de 78% de nitrogênio e 21% de oxigênio, aproximadamente) é o mais usual.
Introdução a Pneumática 
Comparativamente à 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.
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Propriedades Físicas do Ar
Apesar de insípido, inodoro e incolor, percebemos o ar através dos ventos, aviões e pássaros que nele flutuam e se movimentam; sentimos também o seu impacto sobre o nosso corpo. Concluímos facilmente que o ar tem existência real e concreta, ocupando lugar no espaço.
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Propriedades Físicas do Ar
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Propriedades Físicas do Ar
Lei Geral dos Gases Perfeitos As leis de Boyle-Mariotte, Charles e Gay Lussac referem-se a transformações de estado, nas quais uma das variáveis físicas permanece constante. Geralmente, a transformação de um estado para outro envolve um relacionamento entre todas, sendo assim, a relação generalizada é expressa pela fórmula:
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Vantagens da Pneumática:
Quantidade: 
O ar para ser comprimido existe em quantidades ilimitadas.
Transporte
O ar comprimido é transportado por meio de tubulações, não existindo para esse caso a necessidade de linhas de retomo, como é feito nos sistemas hidráulicos.
Armazenagem
Ao contrário da hidráulica, a pneumática utiliza ar comprimido armazenado em um reservatório, eliminando a necessidade de a bomba trabalhar continuamente. O compressor só opera quando a pressão cai abaixo de um valor mínimo definido pelo pressostato.
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Vantagens da Pneumática:
Temperatura
Diferentemente do óleo que tem sua viscosidade afetada pela variação da temperatura, o ar comprimento é insensível às oscilações desta, permitindo um funcionamento seguro, mesmo em condições extremas.
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 12bar), enquanto em hidráulica trabalha-se com pressões que chegam à ordem de 350 bar.
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 toma a pneumática um sistema excelente e eficiente para aplicação na indústria alimentícia e farmacêutica.
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Vantagens da Pneumática:
Construção
Uma vez que 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, tomando seu custo relativamente menor, portanto mais vantajoso.
Velocidade
É um meio de trabalho que permite alta velocidade de descolamento, em condições normais entre 1 e 2m/s, podendo atingir lOm/s no caso de cilindros especiais e 500.000 rpm no caso de turbinas pneumáticas.
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Vantagens da Pneumática:
Regulagem
Não possuem escala de regulagem, isto é, os elementos são regulados em velocidade e força, conforme a necessidade da aplicação, sendo da escala de zero ao máximo do elemento.
Segurança contra Sobrecarga
Diferentemente dos sistemas puramente mecânicos ou eletroeletrônicos, os elementos pneumáticos podem ser solicitados, em carga, até parar, sem sofrer qualquer dano, voltando a funcionar normalmente tão logo cesse a resistência.
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Desvantagens da Pneumática:
Preparação
A fim de que o sistema possa ter um excelente rendimento, bem como uma prolongada vida útil de seus componentes, o ar comprimido requer uma boa preparação da qualidade do ar, isto é, isento de impurezas e umidade, o que é possível com a utilização de filtros e purgadores, conforme será visto mais adiante.
Compressibilidade
A compressibilidade é uma característica não apenas do ar, mas também de todos os gases, que impossibilita a utilização da pneumática com velocidades uniformes e constantes. Isto que dizer que diferentemente da hidráulica, ou mesmo da eletrônica, em controle de servomotores para movimentos de precisão, a pneumática não possibilita controle de velocidade preciso e constante durante vários ciclos seguidos.
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Características e Desvantagens da Pneumática:
Força
Considerando a pressão normal de trabalho nas redes pneumáticas industriais, ou seja, uso econômico (6 bar), é possível, com o uso direto de cilindros, chegar a forças de 48250 N (capacidade para erguer uma massa de 494kg) com atuador linear ISO de Dp = 320mm
Escape de Ar
Sempre que o ar é expulso de dentro de um atuador, após seu movimento de expansão ou retração, ao passar pela válvula comutadora, espalhando-se na atmosfera ambiente, provoca um ruído relativamente alto, apesar de que nos dias de hoje, este problema foi quase totalmente eliminado com o desenvolvimento e aplicação de silenciadores.
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.
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Tratamento do Ar Comprimido
Para a obtenção dos diferentes níveis de pureza do ar comprimido (classes de qualidade), a ISO-8573 recomenda a seguinte sequência padrão de equipamentos:
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Elementos de produção de ar comprimido
Os compressores ou centrais de compressão são máquinas destinadas a elevar a pressão de certo volume de ar e podem operar segundo dois princípios: a diminuição do volume de certa massa de ar (deslocamento positivo) ou a transformação da energia cinética de certa massa de ar em energia de pressão (turbo compressão). 
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Elementos de produção de ar comprimido
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Elementos de produção de ar comprimido
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Compressores.
No diagrama a seguir, estão indicadas as capacidades, em quantidade aspirada e pressão alcançada, para cada modelo de compressor.
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Elementos de produção de ar comprimido
Cada tipo de compressor possui determinada aplicação, em geral definida pelo volume de produção e pela pressão produzida e por características outras como nível de ruído, necessidade de óleo lubrificante ou resistência a impurezas no ar. Adota-se como norma para simbologia o documento ABNT NBR 8897, baseado por sua vez nos documentos internacionais DIN ISO 1219-1 e 1219-2.
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Elementos de produção de ar comprimido
Após a compressão, o ar então é resfriado e armazenado em reservatórios e deve passar por um processo de preparação, que consiste da retirada da umidade através de desumidificadores. O tamanho do reservatório de ar comprimido depende basicamente de:
- A produção de ar comprimido (em volume) do compressor,
- O consumo de ar da instalação,
- O tamanho da rede de distribuição,
- O tipo de regulagem do ciclo do compressor,
- A queda de pressão admissível na rede de suprimento.
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Elementos de produção de ar comprimido
Em função de tais parâmetros, pode-se utilizar cartascomo a apresentada adiante.
Exemplo:
- Produção de ar comprimido: qL = 20 m3/min
- Regulagem do número de ciclos/h do compressor: z = 20 1/h
- Pressão diferencial: Δp = 1 bar
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Elementos de produção de ar comprimido
Em geral, o reservatório possui as seguinte funções:
• Armazenar o ar comprimido.
• Resfriar o ar auxiliando a eliminação do condensado e garantir um volume real.
• Compensar as flutuações de pressão em todo o sistema de distribuição.
• Estabilizar o fluxo de ar.
• Controlar os ciclos operacionais dos compressores etc.
Os reservatórios são construídos no Brasil conforme a norma PNB 109 da ABNT, que recomenda:
Nenhum reservatório deve operar com uma pressão acima da pressão máxima de trabalho permitida do projeto, exceto quando a válvula de segurança permitir uma vazão acima da do compressor; nessa condição, a pressão não deve ser excedida em mais de 6% do seu valor.
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Elementos de produção de ar comprimido
Desumidificação do ar
A presença de umidade no ar comprimido é sempre prejudicial para as automatizações pneumáticas, pois causa sérias consequências.
É necessário eliminar ou reduzir ao máximo essa umidade. O ideal seria eliminá-la do ar comprimido de modo absoluto, o que é praticamente impossível.
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Elementos de produção de ar comprimido
Desumidificação do ar
O método de desumidificação do ar comprimido por refrigeração consiste em submeter o ar a uma temperatura suficientemente baixa a fim de que a quantidade de água existente seja retirada em grande parte e não prejudique de modo algum o funcionamento dos equipamentos, porque, a capacidade do ar de reter umidade está diretamente relacionada à temperatura. 
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Elementos de produção de ar comprimido
Secagem por absorção
É a fixação de um elemento, geralmente líquido ou gasoso, no interior da massa de um absorsor sólido, resultante de um conjunto de reações químicas. Em outras palavras, é o método que utiliza em um circuito uma substância sólida, com capacidade de absorver outra substância líquida ou gasosa.
Esse processo é também chamado de Processo Químico de Secagem, pois o ar úmido atravessa um recipiente contendo um material higroscópico, insolúvel ou deliquescente que absorve a umidade do ar, processando-se uma reação química.
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Elementos de produção de ar comprimido
Secagem por adsorção
É a fixação da molécula de um líquido na superfície de um adsorvente geralmente poroso e granulado, ou seja, é o processo de depositar moléculas de uma substância (Ex. água) na superfície de outra substância, geralmente sólida (Ex. SiO2).
O processo de adsorsão é regenerativo; a substância adsorvente, após estar saturada de umidade, permite a liberação de água quando há um aquecimento regenerativo.
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Elementos de produção de ar comprimido
Após seco e resfriado, o ar comprimido é distribuído pela fábrica por uma rede de distribuição em anel fechado ou em circuito aberto (mais baratos e para consumos menores em geral sem demandas simultâneos), com divisão em seções, limitadas por válvulas nas linhas. As linhas de distribuição possuem drenos e diversas tomadas de ar para o consumo. 
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REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE AR COMPRIMIDO
Componentes de uma Rede de Ar Comprimido:
• LINHA PRINCIPAL: transporta o ar comprimido do compressor até a área de consumo;
• LINHA DE DISTRIBUIÇÃO: distribui o ar comprimido dentro da área de consumo; 
• LINHA DE SERVIÇO: leva o ar comprimido da linha de distribuição ao local de trabalho (consumo).
• ACESSÓRIO PARA LINHA DE AR COMPRIMIDO: são detalhes utilizados entre a linha de serviço e o equipamento consumidor de ar comprimido. Estes acessórios são:
• Registro de serviço;
• Equipamento para tratamento de ar;
• Mangueira. 
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Tipos Variados de Redes de Distribuição:
CIRCUITO ABERTO: o ar flui em um único sentido – impossibilita uma alimentação uniforme em todos os pontos, mas facilita a coleta de condensado;
CIRCUITO FECHADO: uma distribuição de ar uniforme e imediato, mas não tem sentido regular de escoamento do condensado – exige-se mais cuidado;
CIRCUITO COMBINADO: devido as ligações transversais e longitudinais, há a possibilidade de fornecimento de ar em qualquer ponto local.
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REDE DE DISTRIBUIÇÃO EM CIRCUITO ABERTO
• Consiste de uma tubulação única fornecedora de pressão.
• O ar do compressor atua em toda extensão da tubulação, que possui em posições estratégicas, os pontos de distribuição do ar.
• As tubulações devem ser montadas com um declive de 1% a 2% na direção do fluxo e, por causa da formação de água condensada, é fundamental, em tubulações horizontais instalar os ramais de tomadas de ar na parte superior do tubo principal.
• Para interceptar e drenar a água condensada, devem ser instaladas derivações com drenos na parte inferior da tubulação principal.
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REDE DE DISTRIBUIÇÃO EM CIRCUITO FECHADO
• Geralmente as tubulações principais são montadas em circuito fechado. Partindo da tubulação principal, são instaladas as ligações em derivação.
• Quando o consumo de ar é muito grande, consegue-se mediante este tipo de montagem, uma alimentação uniforme.
 
• O ar flui em ambas as direções.
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REDE DE DISTRIBUIÇÃO COMBINADA 
• A rede combinada também é uma instalação em circuito fechado, a qual por suas ligações longitudinais e transversais, oferece a possibilidade de trabalhar com ar em qualquer lugar.
• Mediante válvulas de fechamento existe a possibilidade de fechar determinadas linhas de ar comprimido quando as mesmas não forem usadas ou quando for necessário pô-las fora de serviço por razões de reparação e manutenção. Também pode ser feito um controle de estanqueidade.
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REFERENCIAS
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