Tratamento do Ar Comprimido

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Universidade Estadual do Maranhão 
São Luís-MA 27/04/2023 
Aluno: Heder Mendes da Cruz MAT: 20190084590 
 
Sistemas fluido mecânicos- Exercícios 
 
QUESTÕES 
1) Explique a utilização e necessidade das unidades de conservação LUBREFIL e dos 
purgadores em uma rede pneumática. 
 
R- As unidades de conservação LUBREFIL e os purgadores são componentes que tem a finalidade 
de garantir o bom funcionamento do sistema e prolongar a vida útil dos equipamentos. 
 
 A unidade de conservação LUBREFIL é responsável por filtrar o ar comprimido que entra na 
rede pneumática, removendo impurezas e partículas que podem danificar os equipamentos. Além 
disso, a unidade também tem a função de lubrificar o ar comprimido, reduzindo o atrito e o desgaste 
dos componentes. 
 
 Já os purgadores são dispositivos que removem o ar e a umidade acumulados na rede 
pneumática. São fundamentais para evitar o acúmulo de água e outros contaminantes que podem 
prejudicar o desempenho dos equipamentos e até mesmo causar danos irreparáveis. 
 
 De maneira geral, os dois componentes em uma rede pneumática são fundamentais para 
garantir a qualidade do ar comprimido, proteger os equipamentos contra danos e aumentar a 
eficiência e vida útil do sistema como um todo. 
 
2) Descreva as etapas aconselhadas ao tratamento do ar comprimido para uso industrial e 
explique a razão dessa necessidade. 
R- O ar comprimido é amplamente utilizado em processos industriais e, para garantir a qualidade e 
eficiência do ar comprimido, é necessário realizar o tratamento adequado. As etapas aconselhadas 
para o tratamento do ar comprimido são: 
1. Filtragem: A filtragem é a primeira etapa do tratamento do ar comprimido, na qual o ar é 
submetido a um filtro que remove partículas sólidas, como poeira e sujeira, e também reduz 
a quantidade de óleo e água no ar. Isso evita que esses contaminantes entrem na rede 
pneumática e danifiquem os equipamentos. 
2. Secagem: A secagem é a segunda etapa do tratamento do ar comprimido, na qual a umidade 
presente no ar é removida para evitar a formação de condensação que pode levar à corrosão 
e outros problemas nos equipamentos. Existem diferentes métodos de secagem, incluindo a 
refrigeração, adsorção e compressão. 
3. Filtragem final: Após a secagem, o ar comprimido passa por um filtro final que remove as 
partículas restantes, incluindo odores e sabores, garantindo que o ar comprimido esteja 
limpo e livre de contaminantes. 
 
3) O reservatório de ar comprimido de um compressor tem um volume de 10 m³ como mostrado 
na figura 1. O reservatório se encontra preenchido com ar comprimido com uma pressão 
manométrica igual à 7 bar e uma temperatura de 20°C. 
 
 
Figura 1 - reservatório de um compressor 
 PERGUNTA-SE: 
1. Qual a quantidade de ar, considerando o estado normalizado (1 bar, 20°C) que contém o 
reservatório e qual a quantidade máxima utilizável? 
Dados: 
P = 7 bar = 700.000 Pa 
V = 10m³ 
T = 20°C = 293,15K 
R = 8,31 J/mol.K 
𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 ∴ 𝑛 = 
𝑃𝑉
𝑅𝑇
 ∴ 𝑛 =
(700.000)(10)
(8,31)(293,15)
 𝑙𝑜𝑔𝑜, 𝑛 = 2,516 𝑚𝑜𝑙 
𝑉1
𝑛1
= 
𝑉2
𝑛2
 𝑜𝑢, 𝑛2 = 
𝑉2 𝑥 𝑛1
𝑉1
= 
𝑉2 𝑥 2,516
10
 𝑠𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑉2 → 
𝑃1 𝑥 𝑉1 = 𝑃2 𝑥 𝑉2 ∴ 𝑉2 = 
𝑃1 𝑥 𝑉1
𝑃2
=
(700.000)(10)
100.000
= 70 𝑚³ 
𝑙𝑜𝑔𝑜, 𝑛2 = 
𝑉2 𝑥 𝑛1
𝑉1
= 
𝑉2 𝑥 2,516
10
 = 
70 𝑥 2,516
10
 = 17,612 
a quantidade de de ar é -> n = 17,612 mol. 
 
 
 
 
 
 
2. Que pressão se forma com o reservatório fechado num aumento de temperatura para 
65°C? (desprezar dilatação do reservatório). 
 
𝑃1𝑉 = 𝑛𝑅𝑇1 𝑒 𝑃2𝑉 = 𝑛𝑅𝑇2, 
 
𝑃2𝑉
𝑃1𝑉
=
𝑇2
𝑇1
 ∴ 𝑃2 = 𝑃1 (
𝑇2
𝑇1
) = 7 (
338,15
293,15
) ≅ 8,08 𝑏𝑎𝑟 
 
 
4) Uma ferramenta pneumática é operada por um cilindro de gás cheio de ar comprimido como 
mostrado na figura 2. A pressão de preenchimento é de 205 bar absoluto, a uma temperatura de 
20°C e a capacidade do cilindro de gás é de 40 litros. A ferramenta é operada com uma pressão 
de trabalho igual à 4 bar e consome 200 litros/min de ar, referentes a 1 bar e 20°C. 
 
Figura 2 – Cilindro contendo gás 
 PERGUNTA-SE: 
1. Por quanto tempo a ferramenta poderá ser operada com o cilindro, em operação contínua? 
𝑃1 = 205 𝑏𝑎𝑟; 𝑉1 = 40𝐿; 𝑃2 = 4 + 1 = 5 𝑏𝑎𝑟; 𝑉2 = 40𝐿 
(205)(40) = (1 𝑏𝑎𝑟)(𝑉1𝑙) → 𝑉𝑖1 = 8200 𝐿; (5)(40) = (1 𝑏𝑎𝑟)(𝑉2) → 𝑉𝑓2 = 200 𝐿 
𝑉ú𝑡𝑖𝑙 = 8200 − 200 = 8000 𝐿 𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜: 𝑡𝑢𝑠𝑜 =
8000
200
= 40 𝑚𝑖𝑛 
 
2. Qual o tempo de funcionamento com 20% de vazão de utilização? 
𝑣𝑎𝑧ã𝑜 = (0,2)(200) = 40 𝐿/ min 𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜: 𝑡𝑢𝑠𝑜 =
8000
40
= 3ℎ 20 𝑚𝑖𝑛 
 
3. A qual valor de pressão se reduz o cilindro de gás que foi preenchido à 20°C quando este 
for empregado ao ar livre a uma temperatura ambiente de -5°C? 
 
𝑃3 = 𝑃1
𝑇3
𝑇1
= 205.
268
293
= 187,5 𝑏𝑎𝑟 
 
 
 
 
5) Em uma indústria o compressor de ar comprimido conforme figura 3 mantém o reservatório 
de 0,5 m³ a uma temperatura de 25°C e pressão indicada pelo manômetro de 6 bar. Por um 
problema no compressor a temperatura do reservatório atinge 40°C e o manômetro do reservatório 
apresenta um defeito e não consegue medir a pressão corretamente. Deseja-se urgentemente 
saber qual a pressão do ar no reservatório nessa nova condição, como proceder para saber a 
pressão? 
 
Figura 3 – Unidade de produção de ar comprimido 
 
R- Para calcular a pressão do ar no reservatório em uma nova condição, usa-se a equação dos 
gases ideais, que relaciona pressão, volume, temperatura e quantidade de substância de um gás. 
A equação é expressa como: 
PV = nRT 
Onde: 
- P = pressão do gás (em Pa); 
 -V = volume do gás (em m³); 
-n = quantidade de substância (em mol) ; 
-R = constante dos gases ideais (8,31 J/mol.K) ; 
-T = temperatura do gás (em K); 
 Converte-se a temperatura de 40°C para kelvin (K). Isso é feito adicionando 273,15 à 
temperatura em Celsius: 
T = 40°C + 273,15 = 313,15 K 
 O volume do reservatório é de 0,5 m³ e a quantidade de substância do ar dentro do 
reservatório não muda, portanto n é constante. Determina-se a pressão do ar no reservatório. 
 Uma vez que o manômetro não está funcionando corretamente, não podemos confiar na 
leitura fornecida. Nesse caso, usa-se a pressão atmosférica local como referência. Vamos supor 
que a pressão atmosférica seja de 1 bar (aproximadamente a pressão atmosférica ao nível do mar). 
 Podemos então usar a seguinte fórmula para calcular a pressão absoluta do ar no 
reservatório: 
 P = Patm + Pmanômetro 
 Onde: Patm = pressão atmosférica (em bar) Pmanômetro = leitura do manômetro (em bar) 
 Substituindo os valores conhecidos: 
 P = 1 bar + 6 bar = 7 bar 
 Portanto, a pressão absoluta do ar no reservatório é de 7 bar. Esta é a pressão absoluta, 
incluindo a pressão atmosférica. Para a pressão relativa (ou seja, a pressão acima da pressão 
atmosférica), subtrai-se a pressão atmosférica do valor calculado: 
Prelativa = P - Patm = 7 bar - 1 bar = 6 bar 
 Portanto, a pressão relativa do ar no reservatório é de 6 bar acima da pressão atmosférica. 
6) Considere o percurso do ar aspirado numa central compressora como mostrado na figura 4. 
O ar atravessa as estações: compressor, resfriador, rede e chega ao consumidor. As características 
do ar aspirado (umidade, temperatura e pressão), e a sua temperatura ao longo do percurso são 
dados na figura 4. O ar é comprimido no compressor a uma pressão de 7 bar manométrico. 
 
CALCULE A QUANTIDADE DE ÁGUA QUE CONDENSA EM CADA ESTAÇÃO 
7) Dimensionar o volume dos reservatórios para ar comprimido que trabalham em regime 
intermitente. Dados: 
 
RESERVATÓRIO A 
Consumo:...............................................................................Q = 30 m3 /min 
Interrupções/h.........................................................................Z= 15 
 Diferença de pressão..............................................................Dp = 0,63 bar 
Qual o volume do reservatório Va = ? 
 Va = (Q/Z) x (Dp x 10) 
Onde: 
Q = consumo de ar comprimido (em m³/min) 
Z = número de interrupções por hora 
Dp = diferença de pressão desejada (em bar) 
10 = fator de conversão de bar para kPa 
Va = (30 m³/min / 15) x (0,63 bar x 10) 
Va = 2 x 6,3 
Va = 12,6 m³ 
RESERVATÓRIO B 
Consumo:...............................................................................Q = 80 m3 /min 
Interrupções/h.........................................................................Z = 10 
Diferença de pressão..............................................................Dp = 0,25 bar Qual 
o volume do reservatório Vb = ? 
 Vb = (Q/Z) x (Dp x 10) 
Vb = (80 m³/min / 10) x (0,25 bar x 10) 
Vb = 8 x 2,5 
Vb = 20 m³ 
8) Quanto custa um vazamento em um ano provocado por um vazamento de 5 mm em uma 
instalação industrial de ar comprimido. 
 
Q = C * P * A 
Onde: Q = taxa de fluxo de ar que vaza (em m³/min) 
C = coeficiente de vazamento (que depende do tamanho da abertura e do tipo de conexão) 
P = pressão de operação (em bar) 
A = área da abertura (em m²) 
Considerando C de 0,1 (para um vazamento de 5 mm em uma conexão comum), uma pressão de 
operação P de 7 bar e uma área da abertura A de 0,00196 m² (calculada a partir da área de um 
círculo de 5 mm de diâmetro): 
Q = 0,1 * 7 * 0,00196 = 0,001372 m³/min 
 
-Considerando um custo de energia elétrica de R$ 0,50 por kWh e um compressor de 15 kW que 
opere continuamente durante todo o ano (8.760 horas): 
Custo anual = Potência x Tempo x Custo da energia elétrica Custo anual = 15 kW x 8.760 h x R$ 
0,50/kWh Custo anual = R$ 65.700 
 
-Dividindo esse custo anual pelo volume total de ar comprimido produzido pelo compressor em um 
ano (80 m³/min x 60 min/h x 24 h/dia x 365 dias/ano = 42.048.000 m³/ano), pode-se estimar o 
custo do ar comprimido em R$ 1,56 por m³. 
 
-Custo do vazamento por minuto = 0,001372 m³/min x R$ 1,56/m³ Custo do vazamento por minuto 
= R$ 0,00214/min 
Custo anual do vazamento = R$ 0,00214/min x 525.600 min/ano Custo anual do vazamento = R$ 
1.126,94 
 
 
9) Determinar o diâmetro necessário à 
tubulação da linha tronco da rede pneumática 
abaixo com as seguintes características: 
 
Comprimento de tubulação linear, L1 = 
500m. 
 
Perda de carga, ∆ = 0,5bar. 
 
Pressão de regime, P = 9bar. 
 
Vazão, Q = 200m³/h. 
 
Aumento de capacidade prevista nos 
próximos 10 anos = 80%. 
 
Singularidades 
5 tês roscados com fluxo em ramal. 
29 tês roscados com fluxo em linha. 
7 válvulas do tipo gaveta, roscadas. 
6 curvas de 90° de raio longo, roscadas. 
 
 
𝑣𝑎𝑧ã𝑜: 200 𝑥 1,8 = 
360𝑚3
ℎ
 𝑒 𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙: 𝐿𝑡 = 644,56 𝑚 
 
𝑑 = 10. [√
1,663785.10−3.𝑄1,85.𝐿𝑡
∆𝑃.𝑃
5
] = 10. [√
1,663785.10−3.(360)1,85. 644,56
0,5 𝑥 9
5
] = 66,26 𝑚𝑚 
 
10) Considerando o problema anterior determinar o diâmetro das linhas secundárias com o 
comprimento de tubulação linear, L1 = 11m. 
Singularidade: 
 3 tês roscados com fluxo pelo ramal 
1. válvula do tipo gaveta, roscada 
 1 curva 90° de raio longo, roscada 
 1 cotovelo comum 90°, roscado. 
 
 
11) Considerando o problema anterior determinar o diâmetro das linhas de alimentação com o 
comprimento de tubulação linear, L1 = 5m. 
Singularidade: 
1. tê roscado com fluxo pelo ramal 
 1 válvula do tipo gaveta, roscada 
 1 curva 180° de raio longo, roscada 
 
 
12) Para o intensificador da figura abaixo e de acordo com os dados abaixo, determinar a 
pressão P2 produzida através da força F pelo ar comprimido. 
 Dados: 
 Diâmetro do distribuidor pneumático, d1 = 300 mm 
 Diâmetro do distribuidor hidráulico, dh = 80 mm 
 Área do distribuidor pneumático = A1 
 Área do distribuidor hidráulico = A2 
 Pressão do ar comprimido, P1 = 6 bar 
 Pressão gerada pelo multiplicador = P2 
 
 
13) Determine a força de avanço e velocidade de um atuador pneumático linear de haste 
passante, cujos dados são: L = 350 mm, ta = 5 s, Dp = 80 mm e dh = 25 mm, Pt = 6 bar. 
R- 
F = Pt * π * (Dp/2)^2 
 
F é a força gerada em Newtons 
Pt é a pressão do ar em bar 
Dp é o diâmetro do pistão em milímetros 
 
F = 6 * 3,14 * (80/2)^2 
F = 30144 N 
 
 
Velocidade do atuador: 
 
V = L / ta 
 
Onde: 
 
-V é a velocidade em metros por segundo 
-L é o comprimento da haste em milímetros 
-ta é o tempo de avanço em segundos 
 
V = 350 / 5 
V = 70 m/s 
 
14) Explique com suas palavras o princípio funcional de um atuador duplex contínuo quanto à 
força de avanço e de retorno. 
 
 Um atuador duplex contínuo é um dispositivo que converte energia elétrica em movimento 
mecânico. Ele é capaz de gerar força tanto no sentido de avanço quanto no sentido de retorno, 
permitindo que seja usado em sistemas que exigem controle bidirecional de movimento. 
 O princípio funcional de um atuador duplex contínuo é baseado no movimento de um núcleo 
ferromagnético dentro de uma bobina eletromagnética. Quando uma corrente elétrica é aplicada à 
bobina, ela gera um campo magnético que atrai o núcleo em direção à bobina, gerando uma força 
de avanço. Quando a corrente é interrompida, o campo magnético desaparece e uma mola de 
retorno empurra o núcleo de volta para a posição inicial, gerando uma força de retorno. 
 A força gerada pelo atuador é proporcional à corrente elétrica aplicada à bobina, ou seja, 
quanto maior a corrente, maior a força gerada. Portanto, o controle do movimento bidirecional é 
obtido variando a polaridade e a intensidade da corrente elétrica aplicada à bobina. 
 
 
15) Calcule a força de avanço e de retorno de um atuador duplex contínuo dados os seguintes 
valores: Dp = 80mm, dh = 25mm, Pt = 6bar. Compare-as percentualmente com as de um atuador 
linear pneumático de dupla ação. 
R- 
F = (Pt * π * (Dp/2)^2) - (Pt * π * (dh/2)^2) 
 F é a força gerada em Newtons 
 Pt é a pressão do ar em bar 
 Dp é o diâmetro do pistão em milímetros 
 dh é o diâmetro do furo em milímetros 
 π é a constante matemática pi (aproximadamente 3,14) 
 F = (6 * 3,14 * (80/2)^2) - (6 * 3,14 * (25/2)^2) 
 F =27196,5 N 
 A força de avanço e de retorno do atuador duplex contínuo é de aproximadamente 27.196,5 
N. 
16) Um cilindro de dupla ação normal e um cilindro de alto impacto, cujas dimensões são dadas 
no quadro seguinte. Determine a velocidade de avanço e a energia dissipada de ambos. Cilindro 
de dupla ação com D = 150mm, L = 200mm, m = 3kg, e ta = 2s. Cilindro de alto impacto com D = 
150mm, d = 50mm, L = 200mm, m = 3kg e ta = 2s. 
 
17) Construir uma tabela de comparação dos resultados obtidos no exercício anterior e mostrar 
na mesma o aumento correspondente em porcentagem. 
 
18) Suponha que no exemplo 1.11 a energia cinética dissipada pelo atuador durante a expansão 
seja Ec = 0,3 J. Calcule sua velocidade de avanço. R (0,49m/s). 
 
19) Partindo do exemplo 1.12 e dos valores listados em seguida, obtenha o valor da força de 
h = 25mm, E = 2x107N/cm². R (30279,5N). 
 
20) Dimensione comercialmente o atuador linear do exemplo 1.14. Considere Pt = 6kgf/cm². R 
(283,3N, 32mm, 12mm). 
 
21) Calcule o consumo e a vazão de ar do 
dispositivo apresentado na figura seguinte 
considerando: 
Pt = 7bar, T =6s, Dp = 80mm, fc = 1/10 (ciclos/s) e L = 1500mm. 
 
22) Um circuito pneumático foi elaborado para executar a operação de usinagem indicada na 
Figura abaixo. Os distribuidors dos cilindros pneumáticos de ação dupla devem avançar e retornar, 
obedecendo a uma sequência de movimentos predeterminada de acordo com a operação. 
Acionando-se um botão de partida, a haste do cilindro A deve avançar para fixar a peça a ser 
perfurada. Quando A chegar ao final do curso, deveavançar a haste do cilindro B para perfurar a 
peça com velocidade controlada. Assim que a haste do cilindro B atingir o final do curso, deve 
retornar a haste do cilindro B de forma rápida e, finalmente, quando a haste do cilindro B alcançar 
o final do curso, deve retornar a haste do cilindro A. A forma sequêncial A+ B+ B- A-. 
 
1 2 
2 3 
a0 
 4 2 
 a0 1412 
4 2 
1412 
5 3 
1 
 5 3 
1 
 4 2 
14 12 
 2 5 1 3 
 
 1 3 
 
 
 Pede-se: 
a. Faça o diagrama trajeto-passo. 
b. Para controlar a velocidade de avanço do distribuidor do cilindro B qual válvula deve-se 
utilizar? 
c. Para a operação de usinagem acima a forma mais adequada para o controle da 
velocidade do avanço do distribuidor do cilindro é controlando a entrada ou a saída de 
ar? 
d. Explique a razão da sua escolha da forma do controle da velocidade do distribuidor do 
cilindro? 
e. Responda o os itens (c) e (d) considerando um circuito hidráulico? 
f. Trace as linhas restantes do circuito pneumático acima para executar a operação de 
usinagem de acordo com a sequência A+ B- B- A-. 
 
 
 
 
1 3 S S 2 3 
2 1 
3 
B 
2 S 1 2 S 2 
2 1 
3 
1 
3 
A