Compressores e Sistemas de Ar Comprimido

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Compressores.
Compressor é aquilo que comprime (prensa, oprime, reduz para um menor volume). O termo é usado para designar qualquer máquina que, graças a um aumento de pressão, é capaz de deslocar fluidos comprimíveis como, por exemplo, os gases.
O compressor não só desloca/move os fluídos, como ainda modifica a densidade e a temperatura do fluido compressível. 
Os compressores podem ser classificados em dois tipos, de acordo com o seu princípio de funcionamento. Tais tipos denominam-se; compressor de deslocamento positivo e compressor de deslocamento dinâmico. 
Compresso de deslocamento Positivo.
Os compressores de deslocamento positivo são subdivididos ainda em dois grupos, os Alternativos e os rotativos. 
Nos compressores alternativos a compressão do gás é feita em uma câmara de volume variável por um pistão, ligado a um mecanismo biela-manivela similar ao de um motor alternativo. Quando o pistão no movimento ascendente comprime o gás a um valor determinado, uma válvula se abre deixando o gás escapar, praticamente com pressão constante. Ao final do movimento de ascensão, a válvula de exaustão se fecha, e a de admissão se abre, preenchendo a câmara à medida que o pistão se move.
Os compressores rotativos, um rotor é montado dentro de uma carcaça com uma excentricidade (desnivelamento entre o centro do eixo do rotor e da carcaça). No rotor são montadas palhetas móveis, de modo que a rotação faz as palhetas se moverem para dentro e para fora de suas ranhuras. O gás contido entre duas palhetas sucessivas é comprimido a medida o volume entre elas diminui devido à rotação e à excentricidade do rotor.
Compressor de deslocamento Dinâmico.
Os compressores de deslocamento dinâmico são subdivididos também em dois grupos, os Centrifugadores e os axiais.
Os compressores dinâmicos ou turbo compressor possuem dois componentes principais: impelidor e difusor. O impelidor é um componente rotativo munido de pás que transfere ao gás a energia recebida de um acionador. Essa transferência de energia se faz em parte na forma cinética e em outra parte na forma de entalpia. Posteriormente, o escoamento estabelecido no impelidor é recebido por um componente fixo denominado difusor, cuja função é promover a transformação da energia cinética do gás em entalpia, com consequente ganho de pressão. Os compressores dinâmicos efetuam o processo de compressão de maneira contínua, e portanto, correspondem exatamente ao que se denomina, em termodinâmica, um volume de controle.
Funcionamento principal por tipos de compressores. 
Após conhecer os tipos de compressores, veremos os seus princípios de funcionamentos, e aplicações comerciais. 
Compressor de Pistões. 
O compressor de pistões é um dos mais antigos modelos de compressores, mas continua a ser o mais versátil e ainda é um compressor muito eficiente. O compressor de pistões desloca um pistão no interior de um cilindro através de uma biela e uma cambota. Se apenas um lado do pistão é utilizado para a compressão, é descrito como de ação simples. Se ambos os lados do pistão, o superior e o inferior, são utilizados, é de ação dupla.
A versatilidade dos compressores de pistões virtualmente não conhece limites. Comprime tanto ar como gases, com alterações muito pequenas. O compressor de pistões é o único modelo com capacidade para comprimir ar e gases a altas pressões, tal como em aplicações de ar de respiração.
A configuração de um compressor de pistões pode ir de um único cilindro de baixa pressão/baixo volume a uma configuração de fases múltiplas com capacidade de comprimir a uma pressão muito alta. Nestes compressores, a ar é comprimido por fases, aumentando a pressão antes de passar para a fase seguinte, para comprimir o ar a uma pressão ainda mais alta.
Funcionamento;
Passo 1.
O ar vem da atmosfera através da válvula de entrada e através do filtro de entrada. O pistão inicia o seu movimento de avanço e reduz o volume na câmara de compressão (primeira ação), aumento assim a pressão.
Passo 2.
O ar atmosférico entra na segunda parte da câmara de compressão (segunda ação) por trás do pistão.
 Passo 3
O pistão termina o seu curso. A pressão aumenta na primeira parte da câmara de compressão, a válvula de saída abre-se e o ar comprimido sai do cilindro. Ao mesmo tempo, a válvula de entrada fecha-se.
 Passo 4.
De seguida, o pistão move-se para trás e a pressão aumenta na segunda parte da câmara de compressão. A válvula de saída abre-se para descarregar ar comprimido enquanto a válvula de entrada se fecha.
Imagem 01 - Compressor Pistão
Aplicação.
Residências e empresas comerciais utilizam compressores de ar em diversos aparelhos e aplicações de produtos de lazer, já os postos de gasolina colocam compressores de ar em bombas de gasolina. As ferramentas como martelos pneumáticos, guinchos e furadeiras podem conter compressores ou compressores de ar portáteis. Outras ferramentas que utilizam ar comprimido incluem pistolas de pregos, lixadeiras, grampeadores e pistolas. Os compressores de ar industriais fornecem o ar para sistemas de purificação do ar, sistemas de bloqueio de ar, forjas explosão e sistemas de controle de temperatura.
Compressor de Parafuso.
O compressor de parafuso é um compressor de deslocamento com pistões com a forma de parafuso; este é o tipo predominante de compressor utilizado atualmente. As peças principais do elemento de compressão de parafuso são os rotores macho e fêmea, que se deslocam na direção um do outro enquanto o volume entre eles e a armação da caixa diminui. A relação de pressão de um parafuso depende do comprimento e perfil do parafuso e da forma da porta de descarga.
O compressor parafuso rotativo baseia-se no princípio em que dois parafusos helicoidais, um com quatro ressaltos e outro com seis estrias, rodam em contato um com o outro. O primeiro parafuso roda 50% mais rápido do que o último. O ar aspirado é comprimido entre os rotores e respectivos compartimentos. O óleo injetado veda os espaços e lubrifica os rotores para minimizar o desgaste.
Funcionamento.
Passo 1.
As extremidades dos rotores abrem-se à entrada e o ar entra na câmara de compressão.
Passo 2.
O ar fica preso no "compartimento" formado por um ressalto e uma estria.
Passo 3.
À medida que os rotores giram, o compartimento fica progressivamente menor, comprimindo o ar preso.
 Passo 4.
O ar comprimido sai pela porta de saída.
																																																																
Imagem 02 – Compressor de Parafuso
Aplicação.
Os compressores helicoidais são utilizados onde há necessidade de ter grande quantidade de ar, pois o mesmo possui fornecimento de ar continuo. 
Tipicamente, eles são usados para fornecer ar comprimido para aplicações industriais em geral. Trailers montados com unidades a diesel são muitas vezes vistos em canteiros de obras.
Além disso, eles estão se tornando cada vez mais popular em instalações de tratamento de águas, por sua maior eficiência e menor consumo de energia.
Compressor de Paleta.
O compressor de palhetas possui um rotor ou tambor central que roda excentricamente em relação à carcaça. Esse tambor possui rasgos radiais que se prolongam por todo o seu comprimento e nos quais são inseridas palhetas retangulares.
Quando o tambor roda, as palhetas deslocam-se radialmente sob a ação da força centrífuga e mantêm-se em contato com a carcaça. O ar penetra pela abertura de sucção e ocupa os espaços definidos entre as palhetas. Devido à excentricidade do rotor e às posições das aberturas de sucção e descarga, os espaços constituídos entre as palhetas vão se reduzindo de modo a provocar a compressão progressiva do gás. A variação do volume contido entre duas palhetas vizinhas, desde o fim da admissão até o início da descarga, define, em função das trocas térmicas, uma relação de compressão interna fixa para a máquina.
 
Assim, a pressão do ar no momento em que é aberta a comunicação com a descarga poderá ser diferente dapressão normal nessa região.
O equilíbrio é, no entanto, quase instantaneamente atingido e o ar é descarregado.
Imagem 03 – Compressor de Palhetas.
Aplicação
Compressores de palhetas são usados principalmente em geladeiras domesticas, congeladores e condicionadores de ar, embora possam ser usados como compressor auxiliares de baixa pressão em sistemas com compressão de múltiplos estágios. 
Sistemas de tratamento e distribuição de ar comprimido. 
Comecemos os principais compressores e seus funcionamentos, entendemos que a função do compressor é geração de ar comprimido. Esta ação pode ser realizada por diversos tipos de funcionamento do compressor. Porem, após a geração de ar comprimido, necessitamos que o mesmo seja transportado, e caso necessário, seja tratado. Veremos as principais atividades para tratamento e distribuição do ar comprimido. 
Tratamento do ar comprimido.
O ar que os compressores aspiram num ambiente industrial tem mais de 100 milhões de partículas em suspensão. Cerca de 80% destas partículas são de tamanho inferior a 2 microns, pelo que não são retidas pelos filtros de aspiração do compressor, que só estão para proteger o mesmo.
Quando　o ar ambiente é comprimido, a concentração das partículas aumenta de forma proporcional á pressão final, pelo que o ar que os compressores enviam á rede tem mais de 1000 milhões de partículas por metro cúbico.
Estas impurezas podem afetar a fiabilidade dos processos de produção, aumentando os custos de manutenção, o desgaste das ferramentas e pode ainda causar danos nos produtos acabados. Para evitar estes efeitos indesejados é necessário tratar o ar comprimido pelos compressores.
Características do ar comprimido.
O ar comprimido é caracterizado por três tipos de contaminantes:
Partículas: Provenientes do próprio ambiente, dos compressores e da parte interna da tubulação do ar comprimido e consequentemente:
- Marcas e imperfeições nos processos de pintura
- Erro de leitura nos instrumentos
- Contaminações de alimentos e embalagens
- Abrasão sobre hastes e cilindros pneumáticos
Água: Proveniente da umidade contida no ar do próprio ambiente aspirado pelo compressor e consequentemente:
- Ferrugem na tubulação
- Imperfeições nos processos de pintura
- Erro de leitura nos instrumentos
- Manutenção frequente nos equipamentos pneumáticos
- Falhas de repetição nos movimentos pneumáticos
- Imperfeição na lubrificação de válvulas e ferramentas pneumáticas
Óleo: Proveniente do contato do ar com as partes lubrificadas do compressor e consequentemente:
- Manchas nos processos de pintura
- Erro de leitura nos instrumentos
- Emperramento dos atuadores pneumáticos
- Contaminação dos processos onde atua diretamente 
Distribuição. 
Onde existem vários pontos de aplicação do ar comprimido, o processo mais conveniente e racional é efetuar a distribuição do ar comprimido situando as tomadas de ar nas proximidades dos utilizadores. 
A rede de distribuição de ar comprimido compreende todas as tubagens que saem do reservatório, passando pelo secador e que, unidas, orientam o ar comprimido até os pontos individuais de utilização. 
A rede possui duas funções básicas: 
1. Comunicar a fonte produtora com os equipamentos consumidores;
2. Funcionar como um reservatório para atender às exigências locais. 
Principais considerações para realizar uma distribuição de ar produtiva;
Considerar a dimensão da tubulação de acordo com o volume da vazão. 
Não apresentar escape de ar, para que não haja perda de pressão. 
Considerar no projeto possível expansão da linha, ou aumento no consumo.
Geralmente as tubulações principais são montadas em circuito fechado. Este tipo auxilia na manutenção de uma pressão constante, proporciona uma distribuição mais uniforme do ar, pois o fluxo circula em duas direções.
Imagem 04 - Rede de Distribuição Combinada Aberta
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
Imagem 05 - Rede de Distribuição Combinada Fechada
É de importância não somente o correto dimensionamento mas também a montagem das tubulações. As tubulações de ar comprimido requerem uma manutenção regular, razão pela qual as mesmas não devem, dentro do possível, serem montadas dentro de paredes ou de cavidades estreitas. O controle da estanqueidade das tubulações seria dificultado por essa causa. Em alguns casos especiais, é aconselhável colocar as redes em valetas apropriadas sob o pavimento, levando em consideração os espaços para montagem e manutenção. O posicionamento também deve permitir a drenagem do condensado.
Imagem 06 – Inclinação
As tubulações, em especial nas redes em circuito aberto, devem ser montadas com um declive de 0,5% a 2%, na direção do fluxo. 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. Desta forma, evita-se que a água condensada eventualmente existente na tubulação principal possa chegar às tomadas de ar através dos ramais. Para interceptar e drenar a água condensada devem ser instaladas derivações com drenos na parte inferior da tubulação principal. Os drenos, colocados nos pontos mais baixos, de preferência devem ser automáticos. Em redes mais extensas aconselha-se instalar drenos distanciados aproximadamente 20 a 30 metros um do outro.
As curvas devem ser feitas no maior raio possível para evitar perdas excessivas por turbulência. Evitar sempre a colocação de cotovelos de 90 graus. A curva mínima deve possuir um raio mínimo de duas vezes o diâmetro externo do tubo.
Imagem 07 – Curvatura da tubulação
As quantidades de ar perdidas através de pequenos furos, acoplamentos com folgas, vedações defeituosas, quando somadas, alcançam elevados valores. A importância econômica desta contínua perda de ar torna-se mais evidente quando comparada com o consumo do equipamento e a potência necessária para realizar a compressão. Desta forma, um vazamento na rede representa um consumo consideravelmente maior de energia.
Exemplo de uma linha de distribuição produtiva. 
Apresentaremos uma relação de equipamentos que tem como intuito torna a linha de distribuição produtiva. Considerando manter a pressão constante, e um ar comprimido livres de impurezas. 
1 – Compressor de ar comprimido:
É o gerador de energia do sistema, aspirando ar ambiente e elevando a sua pressão para valores entre 3 a 250 bar ou mais. Entre os principais tipos temos o alternativo (pistão), rotativo (parafuso/palhetas), centrifugo.
Para fins de tratamento dividimos os compressores em dois grupos:
Lubrificados - utilizam óleo para sua lubrificação e/ou refrigeração
Isentos - não utilizam óleo para lubrificação de suas peças móveis, ou se utilizam o mesmo não entra em contato com a câmara de compressão
2 – Pós-resfriador com separador de condensado:
Também conhecido como after-cooler, é instalado logo após o compressor, sendo que em alguns casos o mesmo já vem incorporado ao mesmo.
O processo de compressão gera um aumento de temperatura que aliado ao atrito interno das partes móveis do compressor pode elevar a temperatura do ar que está sendo comprimido para valores de até 130°C, justificando assim a utilização de um resfriador. O resfriador nada mais é que um trocador de calor resfriado a água ou ar. No processo de resfriamento é gerado condensado que então é eliminado em um separador de condensado(por centrifugação ou expansão). O separador de condensado é acoplado ou embutidodentro do resfriador.
Em resumo, as finalidades do resfriador são:
Reduzir a temperatura do ar comprimido que sai do compressor, condensando assim até 70% da água presente no ar comprimido.
Eliminar o condensado formado através de um separador de condensado acoplado ao mesmo.
3 – Reservatório:
Também conhecido como vaso pulmão ou acumulador, serve para armazenar o ar comprimido gerado, garantindo assim uma reserva em caso de alguma emergência no sistema, e ajudando a manter uma pressão estabilizada na linha. Pode ser vertical (mais comum nas grandes capacidades) ou horizontal (mais comum nas pequenas capacidades). Em alguns casos possui internamente um sistema de separação de condensado, que ajuda a remover eventuais condensados que ainda possam estar presentes na linha de ar comprimido. 
4 – Filtros de ar comprimido:
Servem para remover contaminantes presentes ou gerados na linha de ar comprimido, tais como óleo, água condensada, partículas sólidas, odores, vírus e bactérias.
São disponíveis com diversos tipos de acessórios (indicadores de saturação do elemento filtrante, dreno de condensados automático ou manual, visor lateral de liquido) e tipos de elementos filtrantes (sinterizados, coalescentes, carvão ativo e esterilizante)
5 – Secadores de ar comprimido:
Os secadores de ar comprimidos têm como função remover o vapor d’água presente no ar comprimido, tornando-o assim tecnicamente seco.
Existem diversos tipos de secadores, que se diferenciam pelo processo com o qual removem o vapor d’água do ar comprimido e o seu grau de secagem.
Dentre eles, destacamos:
Por refrigeração (da mistura): Um ciclo frigorífico mantém constantemente uma superfície gelada (na forma de trocador de calor) por onde escoa o fluxo da mistura. A mistura então satura-se a baixa temperatura e a seguir expurgada para fora do equipamento.
Por adsorção (da umidade) - processo físico: Determinada substância, altamente higroscópica, incorpora massa de água sem combinar-se. Quando saturada, um ciclo de regeneração de sua capacidade é acionado, enquanto outra torre do mesmo tamanho dá continuidade ao processo de remoção da umidade.
 Por absorção (da umidade) - processo químico tipo deliquescente: Determinada substância química (liquida ou sólida), altamente higroscópica, incorpora massa de água formando uma terceira substancia como resíduo que deve ser descartado e substituído/completado ao final de cada ciclo.
 Por membrana: Seca o ar comprimido utilizando um meio filtrante especial (um aglomerado de tubos de fibras poliméricas tratadas quimicamente). O ar comprimido passa longitudinalmente por dentro destes tubos, não conseguindo atravessar os mesmos lateralmente. Somente a umidade consegue passar lateralmente pela membrana, alojando-se na parte externa das mesmas. Na saída do ar comprimido das membranas, é captada uma porcentagem de ar seco que retorna pelo lado externo das fibras, removendo as partículas liquidas das paredes da membrana, sendo então purgado para atmosfera. A membrana tem vida útil praticamente indefinida, desde que não exista a contaminação com óleo.
Imagem 08 – componentes de uma linha de distribuição e tratamento do ar.
Dimensionamento de uma rede de ar comprimido.
Através do desenvolvimento do relatório, foi possível identificar os fatores principais da geração de distribuição de ar comprimido. Utilizaremos os conhecimentos em redes de distribuição, para solucionar o desafio proposto, de dimensionar uma linha de transmissão que atende a necessidade de ar comprimido de uma linha de produção. 
No desfio proposto, faremos o dimensionamento dos compressores necessário para atender a demanda de vazão do ar comprido para uma linha de produção. Realizaremos, também, o dimensionamento da tubulação necessário para não ocorrer perdas de pressão. 
Vazão de ar Comprimido.
No desafio proposto, o consumo de ar comprimido se da através das ferramentas localizadas nas de oito estações de trabalho. Através da tabela abaixo faremos o calculo para identificação da vazão máxima de ar comprimido. 
Obs: Para elaboração do calculo, consideramos uma linha de produção com atividade em dois turnos, com 8 horas cada, e descontando uma hora de refeições para cada turno. Portanto, condiremos um tempo de utilização do ar comprimido de 14 horas.
Consumo por estação de trabalho:
	Quantidades
	Descrição
	Código do Fabricante
	Utilização / Horas / Turnos
	Pressão
	Consumo (cfm)
	Taxa de utilização %
	Total unitário (pcm)
	1
	Lixadeira Pneumática
	CP3450-12AC4
	4
	90 psi
	36,04
	57
	20,54
	1
	Retifica Pneumática
	CP3451-18SEC
	1
	6,3 bar
	36,88
	15
	5,53
	2
	Furadeira Pneumática
	CP1664
	1
	6,3 bar
	19,10
	15
	5,73
	2
	Parafusadeira
	CP2754
	1
	6,3 bar
	17
	15
	5,10
	1
	Martelete Pneumático
	CP9356 NS
	2
	6,3 bar
	10,2
	28
	2,86
Observando a tabela de vazão das ferramentas, identificamos a vazão máxima desta linha de distribuição. Consideramos que as estações de trabalho possui capacidade para trabalhar simultaneamente, porem, acionando apenas duas ferramentas ao mesmo tempo. Portanto utilizaremos a vazão da lixadeira somada à vazão da retifica. 
	Quantidades
	Descrição
	Utilização / Horas / Turnos
	Pressão
	Consumo (cfm)
	Taxa de utilização %
	Total unitário (pcm)
	Estações
	Consumo total das estações (pcm)
	1
	Lixadeira Pneumática
	4
	90 psi
	36,04
	57
	20,54
	24
	625,68
	1
	Retifica Pneumática
	1
	6,3 bar
	36,88
	15
	5,53
	
	
Após a identificação da vazão máxima das oito estações de trabalho, realizamos o calculo para identificar a vazão dos atuadores pneumáticos das maquinas localizadas ao final das linhas de produção.
Para isto, é necessário conhecermos os tipo de atuadores, suas funções, e capacidades. A tabela abaixo apresentará os atuadores e seus respectivos consumos de ar comprimido, de acordo com o as especificações do fabricante. 
	Quant
	Descrição 
	Cilindro
	Diâmetro do Cil.(mm)
	Curso (cm)
	Área do Cil(cm)
	Área da Haste (cm)
	Ciclos p/ Segundo
	Pressão (bar)
	Consumo
	Litros
	PCM
	2
	Agitador de linha
	DNC 32-40 PPV-A
	32
	0,4
	0,08
	0,007
	15
	6,9
	3,05
	0,003
	0,01
	1
	Empurrador de produto
	DNC 40-500 PPV-A
	40
	5,0
	0,12
	0,007
	15
	6,9
	59,08
	0,059
	0,17
	1
	Atuador de selagem
	DNC 80-160 PPV-A
	80
	1,6
	0,50
	0,03
	15
	6,9
	78,63
	0,079
	0,23
	1
	Extrator de produto
	DNC 40-500 PPV-A
	40
	5,0
	0,12
	0,007
	15
	6,9
	59,08
	0,059
	0,17
	1
	Apalpador de formação
	DNC 50-200 PPV-A
	50
	2,0
	0,19
	0,03
	15
	6,9
	33,50
	0,034
	0,10
Tubulação.
Conhecendo a vazão máxima desta rede distribuição, faremos o dimensionamento da tubulação e seus componentes de ligação. 
Para melhor visualização, elaboramos um esboço da linha de distribuição montada.
Obs: Para o calculo das distancias da tubulação do compressor e do reservatório será adicionado a altura do pé direito, e a utilização de curvas 90° para a ligação.
Parâmetros de dimensionamento do diâmetro da tubulação:
	Descrição 
	Quantidade
	UND.
	Comprimento considerado 
	Compr. Total da linha 
	Tubulação
	144
	M
	144
	244
	T 
	8
	CDA
	48
	
	Cotovelo
	4
	CDA
	16
	
	Curva 90°
	24
	CDA
	33,6
	
	Válvulas Gaveta
	3
	CDA
	2,28
	
Utilizamos o Nomograma, para dimensionar do diâmetro da linha com as seguintes características; 244 metros, trabalhando a uma pressão de 6,3 bar, com uma queda de pressão considerável de 0,1bar, e vazão máxima de 625,68 pcm. E o resultado foi de uma tubulação comercialmente utilizada de Quatro polegadas.
Dimensionamento do compressor e Reservatório.
De acordo com a necessidade de vazão e pressão da linha de produção, e visando uma expansão de 50%, os compressores recomendados para esta fabrica será de 3 compressores a pistão com vazão de 320pcm cada.
Considerando que a fabrica utilizará compressores à pistões, o reservatório ideal para atendimento destalinha será de 1770 litros.