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Sistemas Pneumáticos Sistemas Pneumáticos 023830 © SENAI-SP, 2008. Elaborado pela Escola SENAI “Almirante Tamandaré” a partir de conteúdos extraídos da INTRANET, avaliado pelo Comitê Técnico de Hidráulica e Pneumática e editorado por Meios Educacionais da Gerência de Educação da Diretoria Técnica do SENAI-SP. Elaboração Ilo da Silva Moreira Avaliação Ilo da Silva Moreira Adilson da Silva Paes José Ricardo da Silva Coordenação editorial Gilvan Lima da Silva SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de São Paulo Av. Paulista, 1313 - Cerqueira César São Paulo – SP CEP 01311-923 Telefone Telefax SENAI on-line (0XX11) 3146-7000 (0XX11) 3146-7230 0800-55-1000 E-mail Home page senai@sp.senai.br http://www.sp.senai.br Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 Sumário Introdução 7 Características de utilização do ar comprimido 9 • Vantagens e desvantagens no uso do ar comprimido 9 • Rentabilidade do ar comprimido 10 • Escape de ar 10 Fundamentos das leis físicas dos gases 13 • Sistemas de medida de grandezas físicas 13 • Grandezas físicas, unidades e seus símbolos 13 • Força e Pressão 14 • Relação entre unidades de força 15 • Pressão atmosférica 16 • Escalas de temperatura 19 Leis dos gases perfeitos 21 • Lei de Boyle Mariotte 21 • Lei de Guy-Lussac 22 • Lei de Charles 23 Compressores 25 • Instalação de produção 25 • Tipos de compressores 26 • Classificação dos compressores 26 • Turbocompressor 35 • Diagrama comparativo de volume e pressão 36 • Critérios para escolha de compressores 37 Armazenamento e distribuição do ar comprimido 45 • Reservatório de ar comprimido 45 • Rede de distribuição de ar comprimido 48 • Principais tipos de redes distribuidoras 49 • Dimensionamento da rede distribuidora de ar comprimido 51 • Cálculo da tubulação 53 • Comprimento equivalente 54 • Materiais empregados em redes distribuidoras de ar comprimido 56 Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 • Conexões 57 Preparação do ar comprimido para o trabalho 61 • Impurezas 61 • Umidade 62 • Resfriamento do ar comprimido 64 • Secagem do ar comprimido 66 • Filtragem do ar comprimido 71 • Regulagem da pressão do ar comprimido 73 • Lubrificação do ar comprimido 77 • Unidades de condicionamento de ar comprimido 78 Atuadores Pneumáticos 83 • Atuadores lineares (Cilindros) 83 • Tipos de juntas de vedação para êmbolos 86 • Tipos de fixação de cilindros 87 • Cálculos das forças de avanço e de retorno de cilindros 89 • Tipos de cilindros 91 • Atuadores giratórios (motores oscilantes) 109 • Atuadores rotativos (motores pneumáticos) 115 • Atuadores pneumáticos para sujeição e movimentação de peças 121 • Elementos de vácuo 123 Válvulas Pneumáticas 145 • Válvulas direcionais 146 • Válvulas de bloqueio 183 • Válvulas reguladoras de fluxo 189 • Válvulas controladoras de pressão 192 • Combinações de válvulas 195 • Sensores pneumáticos de proximidade 200 Esquemas pneumáticos de comando 207 • Denominação dos componentes pneumáticos 209 • Circuitos pneumáticos básicos 212 Referências 241 Sistemas Pneumáticos SENAI-SP - INTRANET DV013-08 7 Introdução O primeiro homem que se interessou pela Pneumática, isto é, pelo emprego do ar comprimido como meio auxiliar de trabalho, foi o grego Ktesibios. Dos antigos gregos provém a palavra "pneuma" que significa fôlego, vento; e, filosoficamente, alma. Derivado da palavra "pneuma", surgiu, entre outros, o conceito de Pneumática: o estudo dos movimentos dos gases e seus fenômenos. Embora a base da Pneumática seja um dos mais velhos conhecimentos da humanidade, foi no século XIX que o estudo de seu comportamento e de suas características tornou-se sistemático. Antes, porém, a Pneumática já era aplicada na indústria mineira, na construção civil e na indústria ferroviária (freios a ar comprimido). A introdução, de forma mais generalizada, da Pneumática na indústria, deu-se com a necessidade, cada vez maior, de automatização e racionalização dos processos de produção. Hoje, com o avanço tecnológico dos sistemas de automação da manufatura, a Pneumática é utilizada em larga escala em células automáticas de produção, na indústria gráfica, têxtil, de embalagem, alimentícia, farmacêutica, aeronáutica, de extração mineral, construção civil, em processos contínuos de produção, enfim, em praticamente todos os tipos de máquinas, equipamentos e dispositivos industriais e automotivos. A Pneumática, como estudaremos a seguir, utiliza o ar comprimido como meio de transmissão de energia e de movimentos, utilizados em robôs manipuladores, máquinas operatrizes, sistemas de transporte e armazenamento, sistemas de frenagem, entre tantos outros. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP - INTRANET DV013-08 8 Créditos Elaborador: Ilo da Silva Moreira Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 9 Características de utilização do ar comprimido Entende-se por ar comprimido o próprio ar atmosférico, o qual respiramos, compactado por meios mecânicos, confinado em um reservatório, a uma determinada pressão. A pneumática, por meio da qual se estuda os movimentos e fenômenos dos gases, embora seja um dos conhecimentos mais antigos da humanidade, passou a ser utilizada com maior freqüência na produção industrial, a partir de 1950. Nos dias de hoje, o ar comprimido é indispensável na indústria e, para a sua utilização nos mais diferentes processos de fabricação, são instalados equipamentos pneumáticos específicos. Por suas qualidades próprias, o ar comprimido se destaca como elemento principal ou como recurso auxiliar, que pode ser empregado de uma forma simples e rentável para solucionar muitos problemas de automatização. Vantagens e desvantagens no uso do ar comprimido Vantagens • O ar a ser comprimido faz parte de nosso ambiente e se encontra em grande quantidade na atmosfera. Como o ar comprimido é normalmente acondicionado em reservatórios ou vasos de pressão, seu transporte ou distribuição é muito fácil de ser realizada, mesmo para distâncias consideravelmente grandes, o que permite que o ar possa ser utilizado a qualquer momento que se necessite. • Quanto à segurança, o trabalho realizado com ar comprimido, que não é sensível às mudanças de temperatura ambiental, garante um funcionamento perfeito, mesmo em situações térmicas extremas. • O ar comprimido é indicado para aplicação em ambientes classificados, que apresentem riscos de incêndio ou explosão. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 10 • O sistema de filtragem torna o ar comprimido limpo, evitando a poluição ambiental, caso ocorra eventuais vazamentos nas tubulações ou em um dos equipamentos pneumáticos. • O ar comprimido permite alcançar altas velocidades de trabalho, sendo que as ferramentas e componentes pneumáticos são protegidos contra eventuais sobrecargas de pressão. Desvantagens • O ar comprimido é um elemento energético relativamente caro, considerando-se que sua produção, armazenamento e distribuição pelas máquinas e dispositivos, têm um alto custo. • Não é possível manter uniforme e constante a velocidade dos atuadores pneumáticos. • O escape de ar para a atmosfera gera muito ruído,o que obriga o uso de silenciadores. • O óleo residual proveniente dos compressores pode produzir, junto com o ar comprimido, uma mistura de ar e óleo a qual apresenta perigo de explosão, principalmente quando há temperaturas superiores a 333K. Rentabilidade do ar comprimido Para o cálculo da rentabilidade real do ar comprimido, devem ser considerados não somente os custos de produção como, também, os investimentos necessários para que o equipamento passe a produzir em ritmo econômico, em razão da automatização, barateando o produto. Escape de ar Os custos do ar comprimido podem crescer consideravelmente se ocorrer vazamentos na rede distribuidora. Para saber qual o volume de ar perdido em um vazamento, é preciso consultar o diagrama de escape de ar, apresentado a seguir. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 11 Por meio desse diagrama, pode-se determinar facilmente o volume de ar que pode escapar por um abertura, a uma determinada pressão, conhecendo-se as dimensões do orifício de vazamento e a pressão do ar comprimido. O diagrama indica a vazão do ar pela abertura em m³/min. Diagrama de escape de ar Exemplo Ao constatar irregularidade no funcionamento de uma linha de produção, acionada a ar comprimido, verificou-se que havia um vazamento na tubulação. Foram levantados, então, a pressão do ar e o diâmetro do furo na tubulação. Tendo o furo 3,5mm de diâmetro e sendo a pressão de 6bar, na região do vazamento, o diagrama de escape de ar indica uma vazão de 0,5m3/min, ou seja, 0,5m³ de ar comprimido vazando a cada minuto. Em uma hora são perdidos 0,5 . 60 = 30m3 ou 30.000 litros de ar comprimido. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 12 Créditos Elaborador: Ilo da Silva Moreira Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 13 Fundamentos das leis físicas dos gases A superfície da terra está permanentemente envolvida por uma camada de ar. Essa massa gasosa é denominada de atmosfera e tem a seguinte composição aproximada: • 78% de nitrogênio; • 22% de oxigênio. Além disso, o ar contém vestígios de dióxido de carbono, argônio, hidrogênio, neônio, hélio, criptônio, xenônio, monóxido de carbono e partículas sólidas em suspensão. Para melhor compreender as leis e as condições do ar, devemos primeiramente considerar as grandezas físicas e sua classificação em sistemas de medidas. Sistemas de medida de grandezas físicas Em nosso país adotamos as unidades de medida do Sistema Internacional (SI), mas é comum, tanto no Brasil como em outros países, o uso de unidades que não pertencem ao SI, especialmente em disciplinas instrumentais como Hidráulica, Refrigeração, Pneumática, etc. Grandezas físicas, unidades e seus símbolos No quadro a seguir, são apresentadas algumas grandezas físicas que são importantes no estudo da Pneumática. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 14 Unidade e seus símbolos Grandeza (o que se quer medir) SI MK*S CGS Comprimento (C) metro (m) metro (m) centímetro (cm) Massa (m) quilograma (Kg) unidade técnica de massa (utm) grama (g) Força (F) newton (N) quilograma - força (kgf) dina (dyn) Tempo (t) segundo (s) segundo (s) segundo(s) Temperatura (T) grau kelvin (k) grau Celsius (°C) grau Celsius (°C) grau fahrenheit (°F) grau Celsius (°C) Área (A) metro quadrado (m2) metro quadrado (m2) centímetro quadrado cm 2 ) Volume (V) metro cúbico (m3) metro cúbico (m3) centímetro cúbico(cm3) Vazão (Q) metro cúbico por segundo (m3/s) metro cúbico por segundo (m3/s) centímetro cúbico por segundo (cm3/s) Pressão (p) pascal (Pa) atmosfera (atm) bar (bar) Força e Pressão Em Pneumática, força e pressão são grandezas físicas muito importantes. Força é um agente capaz de deformar (efeito estático) ou acelerar (efeito dinâmico) um corpo. Pressão é o quociente da divisão do módulo (intensidade) de uma força pela área onde ela atua. Para compreender a diferença entre força e pressão, vamos analisar o exemplo a seguir. Vamos considerar um peso de 10N suspenso por um gancho. O peso exerce, sobre o gancho, uma força de 10N, em um ponto bem determinado. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 15 O mesmo peso, apoiado sobre a mesa, exerce uma força de 10N. Só que essa força é subdividida em outras forças menores, que são distribuídas sobre toda a área de contato entre o peso e a mesa. Relação entre unidades de força 1N 1kgf 1kgf ⇒ ⇒ ⇒ 105dyn 9,81N 981.000dyn Para cálculos aproximados, consideramos 1kgf ≅ 10N As unidades de pressão mais utilizadas são: • atm; • bar; Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 16 • kgf / cm2; • lbf / pol2 (Pounds Square Inch = PSI); • cm Hg. Para cálculos aproximados 1atm = 1bar = 1kgf /cm2 = 14,7lb/pol² (PSI) = 76cm Hg Pressão atmosférica É a pressão exercida por uma coluna de mercúrio de 76cm de altura, a 0°C, ao nível do mar. Quem imaginou e levou a efeito essa experiência foi o físico italiano Torricelli, de onde vem o nome de barômetro de Torricelli. Ele usou um tubo de vidro com cerca de 1m de comprimento e um dos extremos fechados. Encheu-o de mercúrio e tampou o outro extremo com o dedo. Depois inverteu o tubo e mergulhou-o num recipiente também com o mercúrio. Quando retirou o dedo, o líquido desceu até atingir uma certa altura, formando uma coluna. A coluna de mercúrio manteve-se em equilíbrio pela pressão atmosférica exercida sobre a superfície do mercúrio no recipiente. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 17 Medindo essa coluna, ao nível do mar, Torricelli constatou que media 76cm, a partir do nível de mercúrio no recipiente. Assim, pode-se dizer que, ao nível do mar, a pressão atmosférica é capaz de sustentar uma coluna de mercúrio de 76cm de altura. Então: 1atm = 76cm Hg Equivalência entre unidades de pressão Pressão Pa (Nm2) atm bar atm (kp/cm2) Torr (mm de Hg) metro da coluna de água 1Pa (N/m2) 1 9,87x10-5 10-5 0,102x10-4 7,5x10-3 10,2x10-6 1atm 1,013x10-5 1 1,013 1,033 760 10,33 1bar 105 0,987 1 1,02 750 10,2 1atm (kp/cm2) 9,81x104 0,968 0,981 1 736 10 1Torr (mm de Hg) 133 1,31x10-3 1,36x10-3 1,36x10-3 1 13,6x10-3 1m da coluna de água 9,81x103 9,68x10-2 9,81x10-2 0,1 73,6 1 Pa = Pascal atm = atmosfera Torr = Torricelli kp = kilopondio Hg = mercúrio Atenção O instrumento que mede pressão (manômetro) indica, na maioria das vezes, a pressão relativa, acima da pressão atmosférica. Por isso seu ponteiro permanece no "zero" quando despressurizado. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 18 Portanto, em termos de pressão absoluta, é necessário somar mais uma atmosfera (1atm) ao valor indicado no manômetro. Exemplo O manômetro indica: Pressão relativa Pressão absoluta 3atm 8bar 5kgf/cm2 2PSI 3atm + 1 = 4atm 8bar + 1 = 9bar 5kgf/cm² + 1 = 6kgf/cm² 2PSI + 1atm (14,7PSI) = 16,7PSI Para o estudo das características físicas de um gás temos de considerar: • Volume (V) • Pressão (P) • Temperatura (T) variáveis de estado Transformações gasosas são as variações de volume, pressão e temperatura sofridas por uma determinada massa gasosa. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 19 Escalas de temperatura No estudo dos gases, a temperatura é expressa emkelvins, também conhecida como escala de temperatura absoluta. As escala de temperatura mais usadas são: Celsius (C), Fahrenheit (F) e Kelvin (K) Observe as diferenças entre as escalas representadas nas figuras a seguir: 100ºC 212ºF 373K Temperatura de vaporização da água tºC tºF tK 0ºC 32ºF 273K Temperatura de congelamento da água Como pode ser visto nas ilustrações, as três escalas apresentam as seguintes divisões: • Escala Celsius (ºC) = 100 divisões • Escala Kelvin (K) = 100 divisões • Escala Fahrenheit (ºF) = 180 divisões Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 20 Com base nos dados dos esquemas, obtemos a equação de conversão entre as três escalas. Sendo: tC - 0 tF - 32 tK – 273 tC tF – 32 tK – 273 100 - 0 = 212 - 32 = 373 - 273 ⇒ 100 = 180 = 100 Simplificando por 20: tC tF - 32 tK – 273 5 = 9 = 5 Créditos Elaborador: Ilo da Silva Moreira Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 21 Leis dos gases perfeitos Lei de Boyle Mariotte O volume de um gás armazenado, a uma temperatura constante, é inversamente proporcional à pressão absoluta, isto é, o produto da pressão absoluta pelo volume é constante para um certo volume de gás (transformação isotérmica). p1 . v1 = p2 . v2 = p3 . v3 = constante Exemplo Um volume V1 = 1m3, sob pressão atmosférica F1, tem pressão p1 = 1bar e é reduzido pela força F2 para um volume V2 = 0,5m3, mantendo-se a temperatura constante. A pressão p2 resultante será: p1 . v1 = p2 . v2 1bar . 1m3 = p2 . 0,5m3 1bar . 1m3p2 = 0,5m3 = 2bar Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 22 O volume V1 será ainda comprimido pela força F3 para o volume V3 = 0,05m3, resultando uma pressão de: p1 . v1 1bar . 1m3 p3 = V3 = 0,05m3 = 20bar Os termos de comparação para o exemplo acima foram considerados a partir de: p1 = 1bar e v1 = 1m3 Lei de Guy-Lussac Para uma certa quantidade de gás, submetida a pressão constante, o volume de ar se altera quando há oscilações de temperatura (transformação isobárica). V1 : V2 = T1 : T2 Consideramos que qualquer gás, mantido sob pressão constante, aumenta de 1/273 de seu volume sempre que a temperatura aumentar de 1k, temos: 2tV = 1tV + 273 V 1t . (T2 - T1) 1tV = volume a uma temperatura T1 2tV = volume a uma temperatura T2 Exemplo 0,8m3 de ar com temperatura T1 = 293k (20°C) serão aquecidos para T2 = 344k (71°C). Qual será o volume final? Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 23 2tV = 1tV + 273 V 1t . (T2 - T1) 2tV = 0,8m 3 = 273 m8,0 3 . (344 - 293) = 0,8m3+ 0,15m3 2tV = 0,95m 3 O ar se expandiu em 0,15m3, resultando um volume final de 0,95m3 . Lei de Charles Mantendo o volume constante e variando a temperatura de uma massa gasosa confinada a um recipiente, a pressão também apresentará variação diretamente proporcional à temperatura absoluta (transformação isométrica). 2 2 1 1 T p = T p = constante Exemplo Um certo volume de ar, a uma temperatura T1 = 293k (20°C) e a uma pressão p1 = 1bar, foi aquecido para T2 = 586k (313°C). Qual será a pressão final p2? 2 2 1 1 T p = T p ⇒ p1 . T2 = T1 . p2 p2 = 1 21 T T.p Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 24 293 586 = k293 k586.bar1 Atenção É comum relacionarmos todos os dados referentes ao volume de ar com o assim chamado estado normal. Estado normal é o estado de uma substância sólida, líquida ou gasosa, sob pressão normal e a uma temperatura normal. 1m3 normal de ar (1Nm3) é igual a 1m3 de ar a uma temperatura de 273k (0°C) e a uma pressão de 760Torr (pressão normal do ar ao nível do mar). Créditos Elaborador: Ilo da Silva Moreira Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 25 Compressores Instalação de produção Para a produção de ar comprimido são necessários compressores. Esses comprimem o ar até a pressão de trabalho desejada. A maioria dos acionamentos e comandos pneumáticos funciona através de uma estação central de distribuição de ar comprimido. Não é necessário calcular e nem planejar, individualmente, a transformação e transmissão da energia do ar comprimido para cada equipamento pneumático. Uma estação compressora fornece o ar comprimido suficiente para os equipamentos, por meio de uma tubulação. Ao projetar a produção ou o consumo do ar, devem ser consideradas ampliações e futuras aquisições de novos equipamentos pneumáticos. Uma ampliação posterior da instalação torna-se, geralmente, muito cara. Na indústria de mineração, ou para máquinas que mudam freqüentemente de lugar, são utilizados compressores portáteis. Muito importante é o grau de pureza do ar. Ar limpo, livre de impurezas e partículas de água, garante uma vida útil maior, tanto da instalação como, dos equipamentos pneumáticos. O emprego correto dos diversos tipos de compressores também deve ser considerado. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 26 Tipos de compressores Os vários tipos de compressores estão relacionados diretamente com a pressão de trabalho e a capacidade de volume de ar produzido, exigidos para atender as necessidades da indústria. Serão abordados, a seguir, três tipos de compressores: • compressor com movimento linear, • compressor de movimento rotativo, • turbocompressor. Desses, serão estudados com maior profundidade o compressor com movimento linear e o turbocompressor, que são os mais utilizados na indústria. A construção do compressor com movimento linear está baseada no princípio da redução de volume. Isso significa que o ar da atmosfera é sugado para um ambiente fechado (câmara de compressão), onde um pistão (êmbolo) reduz seu volume, fazendo com que a pressão aumente. São os chamados compressores de deslocamento positivo. A construção do turbocompressor baseia-se no princípio de fluxo. Isso significa que o ar é sugado da atmosfera, através de um dos lados do turbocompressor, e comprimido de outro, por aceleração de massa (turbina). Os turbocompressores são classificados como compressores de deslocamento dinâmico. Classificação dos compressores Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 27 Compressor com movimento linear Este tipo de compressor é o mais usado, atualmente, porque é apropriado para quase todos os tipos de aplicação. Normalmente, seu campo de pressão de operação varia de 1 a 16bar. O compressor com movimento linear pode ser de: • efeito simples, • efeito duplo, • um estágio, • dois estágios, • estágios múltiplos. Compressor de êmbolo de efeito simples O compressor de êmbolo de efeito simples possui somente uma câmara de compressão por cilindro, isto é , apenas a parte superior do êmbolo aspira e comprime o ar. Dessa forma, o ar é comprimido somente quando o êmbolo avança. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 28 Compressor de êmbolo de duplo efeito O compressor de efeito duplo é assim chamado porque tem duas câmaras de compressão, uma em cada lado do êmbolo, e realiza trabalho, comprimindo o ar, tanto no avanço como no retorno. Compressores de êmbolode um estágio No compressor de um estágio, o ar atmosférico é comprimido à pressão de trabalho em uma única etapa. Isto é, cada êmbolo do compressor admite o ar da atmosfera, Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 29 comprime à pressão final e envia o ar comprimido a um reservatório, de onde o mesmo será distribuído aos consumidores. Compressores de êmbolo de dois estágios No compressor de dois estágios, dois êmbolos estão interligados em série, comprimindo o ar em duas etapas. O êmbolo do primeiro estágio, de diâmetro maior, admite o ar atmosférico, pré-comprime a uma pressão intermediária e o envia ao êmbolo do segundo estágio. O êmbolo de diâmetro menor, do segundo estágio, recebe o ar pré-comprimido pelo primeiro êmbolo, o comprime à pressão final de trabalho e o envia ao reservatório para que seja distribuído aos consumidores. Na compressão e altas pressões é necessária uma refrigeração intermediária, a água ou o ar, em razão da alta concentração de calor. Entre os estágios de compressão o ar comprimido é resfriado por um sistema de refrigeração a ar ou a água, conforme mostrado na figura anterior. Compressores de êmbolo de estágios múltiplos Para altas pressões, são necessários compressores de vários estágios. O ar atmosférico aspirado é comprimido em várias etapas, por diversos êmbolos interligados em série, até que a pressão atinja o valor desejado. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 30 Os compressores de êmbolo com movimento linear apresentam grande vantagem, se forem observadas as seguintes condições: • até 4bar ⇒ um estágio; • até 15bar ⇒ dois estágios; • acima de 15bar ⇒ três ou mais estágios. Compressor de membrana ou diafragma Devido às características de funcionamento, o compressor de membrana pertence ao grupo dos compressores de êmbolo. Nesse caso, o êmbolo fica separado da câmara de compressão por um diafragma de borracha. Dessa forma, o ar comprimido não entra em contato com as partes mecânicas do êmbolo cujo atrito exige uma lubrificação constante. Assim, o ar fica livre de resíduos de óleo, o que torna esse tipo de compressor ideal em consultórios dentários, hospitais e nas indústrias alimentícia, farmacêutica e química. Compressor rotativo multicelular ou de palhetas Nesse tipo de compressor, o giro de um rotor circular, montado excêntrico em relação à uma carcaça, faz com que os compartimentos se estreitem, comprimindo o ar nos mesmos. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 31 No compressor rotativo multicelular existe um compartimento cilíndrico, com aberturas de entrada e saída, onde gira um rotor alojado fora do centro. O rotor tem, nos rasgos, palhetas que, em conjunto com a parede, formam pequenos compartimentos chamados de células. Quando em rotação, as palhetas são projetadas contra a parede, pela força centrífuga. Devido à excentricidade de localização do rotor, há um aumento das células que admitem o ar atmosférico e, em seguida, ocorre uma diminuição das células comprimindo o ar. As vantagens desses compressores estão em sua construção econômica, em espaço, em seu funcionamento contínuo equilibrado e no fornecimento uniforme de ar, livre de qualquer pulsação. Compressor de parafusos ou de fuso roscado Nesse tipo de compressor, dois parafusos helicoidais, um de perfil côncavo e outro convexo, comprimem o ar, que é conduzido axialmente no interior da carcaça. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 32 O ar atmosférico entra pela abertura de admissão, preenchendo os espaços entre os parafusos. À medida em que os parafusos giram, acoplados entre si, o ar é isolado, dando início ao processo de compressão. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 33 O movimento de rotação produz uma compressão uniforme e livre de pulsação. O ar comprimido é descarregado pela abertura de saída, a qual permanece selada até a passagem do volume de ar comprimido no ciclo seguinte. Compressor rotativo tipo Roots ou de lóbulos No compressor tipo Roots, dois lóbulos estão engrenados entre si, dentro de uma carcaça, como se fossem duas engrenagens de dois dentes cada uma. À medida em que giram, em direções opostas, os lóbulos admitem o ar atmosférico pela abertura de admissão, transportam o ar pelos vãos de seus dentes arredondados e o comprime até a abertura de saída. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 34 Nesse tipo de compressor, o ar é transportado de um lado para outro, sem alteração de volume. A compressão ocorre cada vez que o extremo de um dos êmbolos coincide com a concavidade do outro êmbolo. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 35 Turbocompressor Esses compressores trabalham segundo um princípio de aceleração de massa e são adequados para o fornecimento de grandes vazões. São classificados como compressores de deslocamento dinâmico. Os turbocompressores são construídos em duas versões: • axial, • radial. Em ambas as versões, o ar é colocado em movimento por uma ou mais turbinas, e esta energia de movimento é então transformada em energia de pressão. Turbocompressor axial A compressão, nesse tipo de compressor, processa-se pela aceleração do ar aspirado de câmara para câmara, em direção à saída. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 36 Turbocompressor axial de estágios múltiplos com fluxo radial O ar é impelido axialmente para as paredes da câmara e, posteriormente, em direção ao eixo. Daí, no sentido radial, para outra câmara, e assim sucessivamente. Diagrama comparativo de volume e pressão O diagrama, a seguir, apresenta os valores de volume e pressão característicos dos diversos compressores disponíveis no mercado industrial. Nesse diagrama estão indicadas as capacidades, em quantidade aspirada e pressão alcançada, para cada tipo de compressor. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 37 Diagrama de volume e pressão Critérios para escolha de compressores Os critérios para escolha de compressores envolvem os seguintes itens: Volume de ar fornecido É a quantidade de ar fornecida pelo êmbolo do compressor em movimento. Existem duas indicações de volume fornecido: • teórico; Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 38 • efetivo. O produto do volume do cilindro pela rotação do compressor é o volume teórico fornecido. O volume efetivo fornecido é o volume teórico fornecido menos a perda de ar que ocorre na compressão, e depende do tipo de construção do compressor. As unidades utilizadas para expressar o volume fornecido são: • litro por minuto (l/min), • metro cúbico por minuto (m3/min) ou metro cúbico por hora (m3/hora), • pés cúbicos por minuto (ft³/min) ou PCM. Lembrando que 1PCM = 28,316l/min = 0,028m³/min = 1,699m³/hora As normas especificam as condições para a medida de capacidade dos compressores e estabelecem tolerâncias para os resultados. A capacidade é expressa pela quantidade de ar livre descarregada, corrigida para as condições de pressão, temperatura e umidade reinantes na admissão. O que realmente interessa é o volume efetivo de ar fornecido pelo compressor. É este que aciona e comanda os equipamentos pneumáticos. Mesmo assim, muitos fabricantes de compressores baseiam os dados técnicos no valor teórico do volume de ar fornecido. Pressão Há dois tipos de pressão: • pressão de regime, • pressão de trabalho. Pressão de regime é a pressão fornecida pelo compressor e que vai darede distribuidora até o consumidor. Pressão de trabalho é a pressão necessária nos postos de trabalho. Geralmente, essa pressão varia de 6 a 10bar, dependendo do tipo de trabalho a ser executado pelas máquinas, equipamentos e dispositivos pneumáticos. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 39 A pressão constante é uma exigência para um funcionamento seguro e preciso. Dependem da pressão constante: • a velocidade; • as forças; • os movimentos temporizados dos elementos de trabalho e de comando. Acionamento O acionamento dos compressores pode ser feito por motor elétrico ou de combustão interna. Em instalações industriais, na maioria dos casos, o acionamento dá-se por motor elétrico. Tratando-se de uma estação móvel, portátil, o acionamento geralmente é efetuado por meio de motores a gasolina ou a óleo diesel. Regime de trabalho Para combinar o volume de fornecimento com o consumo de ar comprimido, deve-se definir o tipo de regime de trabalho do compressor: • intermitente; • contínuo. No regime intermitente, um pressostato desliga o motor elétrico de acionamento do compressor, quando a pressão do ar comprimido atinge o ajuste máximo regulado. A queda de pressão na rede, provocada pelo consumo de ar das máquinas e equipamentos pneumáticos, faz com que o pressostato volte a ligar o motor de acionamento, quando a pressão do ar comprimido atingir o ajuste mínimo regulado. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 40 O regime intermitente é utilizado em compressores de pequeno e médio porte, nas situações de baixa produção de ar comprimido e pouco consumo por parte dos equipamentos pneumáticos. No regime contínuo, utilizado em aplicações de alta produção e grande consumo de ar, o compressor não pára. Dispositivos de regulagem são utilizados para variar o volume de ar fornecido pelo compressor, de acordo com o consumo das máquinas e equipamentos pneumáticos, mantendo uma pressão constante na rede distribuidora. Existem diferentes tipos de regulagem: • Regulagem por descarga Quando é alcançada a pressão pré-regulada, o ar escapa livre na saída do compressor, através de uma válvula. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 41 Uma válvula de retenção evita que o reservatório se esvazie ou que o ar retorne ao compressor. • Regulagem por fechamento Nessa regulagem, fecha-se o lado da sucção. O compressor não pode mais aspirar e funciona só em vazio (estado sem pressão). Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 42 Essa regulagem é usada especialmente em compressores de êmbolo rotativo e também em compressores de êmbolo de movimento linear. • Regulagem por garras Essa regulagem é empregada em compressores de êmbolo. Mediante garras, mantêm-se aberta a válvula de sucção, evitando assim que o compressor continue comprimindo. Refrigeração O compressor se aquece em razão da compressão do ar e do atrito, e esse calor deve ser dissipado. É necessário escolher o tipo de refrigeração mais adequado, conforme o grau de temperatura no compressor. Em compressores pequenos, serão suficientes aletas de aeração para que o calor seja dissipado. Compressores maiores serão equipados com um ventilador. Tratando-se de estação de compressores com uma potência de acionamento de mais de 30KW (40hp), a refrigeração a ar não é suficiente. Os compressores, então, devem ser equipados com refrigeração à água circulante ou àgua corrente contínua. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 43 Refrigeração a ar Refrigeração a água Freqüentemente não se considera a instalação de uma torre de refrigeração, devido ao seu alto custo. Porém, uma refrigeração adequada prolonga em muito a vida útil do compressor e produz um ar melhor refrigerado, o que reduz a necessidade de uma refrigeração posterior, ou a torna mesmo desnecessária. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 44 Créditos Elaborador: Ilo da Silva Moreira Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 45 0 Armazenamento e distribuição do ar comprimido O ar comprimido produzido pela maioria dos compressores é armazenado em reservatórios, também conhecidos como vasos de pressão, antes de ser distribuído por meio de redes de ar aos diferentes tipos de consumidores, como máquinas, equipamentos e dispositivos pneumáticos. Reservatório de ar comprimido O reservatório, além de sua função principal de armazenar o ar comprimido produzido pelo compressor, tem outras funções secundárias importantes no fornecimento de ar para os consumidores, tais como: • estabilizar a distribuição de ar comprimido; • eliminar oscilações de pressão na rede distribuidora; • garantir uma reserva de ar comprimido nos momentos de alto consumo; • resfriar o ar comprimido suplementar; • reter parte da umidade presente no ar comprimido. O reservatório de ar comprimido pode ser horizontal ou vertical e seu tamanho é calculado em função dos seguintes aspectos: • volume de ar produzido pelo compressor; • consumo de ar comprimido; • tipo de rede distribuidora; • queda de pressão permissível na rede. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 46 A maioria dos reservatórios de ar comprimido possui os seguintes componentes: Pórtico de entrada de ar com válvula de retenção O ar comprimido proveniente do compressor entra no reservatório por esse pórtico, o qual possui uma válvula de retenção que impede o retorno do ar ao compressor quando este for desligado. Manômetro O manômetro é o instrumento utilizado para indicar a pressão do ar comprimido no interior do reservatório. Termômetro: Alguns reservatórios possui esse instrumento para medir a temperatura do ar comprimido, indicando a necessidade de resfriamento do ar, em caso de altas temperaturas, antes do mesmo ser distribuído aos consumidores pneumáticos. Válvula de segurança A válvula de segurança, também conhecida como válvula limitadora de pressão, tem a função de limitar a pressão do ar comprimido no interior do reservatório. Com o auxílio de um manômetro, regula-se a tensão da mola por meio de um parafuso de ajuste. O ar comprimido, presente no reservatório, entra na válvula pelo pórtico 1 e age na junta de vedação, contra a mola. Enquanto a pressão do ar for menor que a tensão ajustada na mola, o assento de vedação mantém a passagem da válvula selada. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 47 Caso a pressão do ar comprimido ultrapasse a tensão ajustada na mola, a junta de vedação desloca-se do seu assento, permitindo que o excesso de pressão do ar escape para a atmosfera, através do pórtico 3 da válvula de segurança. Uma vez reduzida a pressão do ar ao valor da tensão ajustada na mola, a junta de vedação volta a selar a passagem de 1 para 3 da válvula de segurança. Dessa forma, o acumulo de pressão do ar comprimido presente no reservatório fica limitado aos padrões ajustados na válvula de segurança. Pórtico de saída de ar com registro geral Para ser distribuído na rede, o ar comprimido flui pelo pórtico de saída do reservatório, através de um registro geral. Esse registro torna-se útil quando da necessidade de reparos na rede distribuidora. Fechando-se o registro, isola-se o ar armazenado no reservatório, permitindo a manutenção da rede sem a necessidade de descarregar o ar que já foi comprimido para a atmosfera.Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 48 Tampa de inspeção Nos reservatórios de ar comprimido, de grande porte, é comum existir uma ou mais tampas de inspeção que facilitam o acesso ao interior do reservatório. Essas tampas são muito utilizadas na limpeza do acúmulo de condensado no interior do reservatório de ar. Registro de drenagem manual do condensado Esse registro é utilizado, periodicamente, para drenar a água e o óleo lubrificante que se acumulam no fundo do reservatório, reduzindo o espaço destinado ao ar comprimido. Nos reservatórios de grande porte são colocados drenos automáticos os quais abrem sempre que o volume do condensado atinge um nível pré-determinado. Rede de distribuição de ar comprimido Em uma rede de distribuição é importante não somente o correto dimensionamento, mas também a montagem das tubulações. As tubulações de ar comprimido requerem manutenção regular, razão pela qual elas não devem ser montadas dentro de paredes ou de cavidades estreitas. O controle da estanqueidade das tubulações seria dificultado por isso. Pequenos vazamentos são causa de consideráveis perdas de pressão. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 49 Principais tipos de redes distribuidoras Rede em circuito aberto As tubulações, em especial nas redes em circuito aberto, devem ser montadas com um declive de 1% 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. Dessa forma, evita-se que a água condensada que eventualmente esteja na tubulação principal possa chegar às tomadas de ar através dos ramais. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 50 Para interceptar e drenar a água condensada devem ser instaladas derivações com drenos na parte inferior da tubulação principal. Rede 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 esse tipo de montagem, uma alimentação uniforme. O ar flui em ambas as direções. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 51 Rede 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 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. Dimensionamento da rede distribuidora de ar comprimido A necessidade de ar comprimido nas fábricas está crescendo, provocada pelas sempre crescentes racionalização e automatização das instalações industriais. Cada máquina, equipamento ou dispositivo pneumático requer uma quantidade adequada de ar, que é fornecida pelo compressor, através da rede distribuidora. Na instalação dessa rede já deve ser prevista a possibilidade de ampliação futura, pois a montagem de uma nova rede distribuidora, de dimensões maiores que a anterior, acarretaria despesas muito elevadas. Essa ampliação deveria ser prevista já no projeto de instalação de compressores, através da determinação do aumento da demanda de ar e, em decorrência disso, do aumento da rede de tubulação. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 52 O diâmetro da tubulação deve se escolhido de maneira que, mesmo com um consumo de ar crescente, a queda de pressão, do reservatório até o consumidor, não ultrapasse 0,1bar. Uma queda maior de pressão prejudica a rentabilidade do sistema e diminui consideravelmente sua capacidade. A escolha do diâmetro da tubulação não é realizada por quaisquer fórmulas empíricas ou, simplesmente, para aproveitar tubos disponíveis no almoxarifado, mas sim considerando: • volume corrente (vazão); • comprimento de rede; • queda da pressão admissível; • pressão de trabalho; • número de pontos de estrangulamento na rede. A escolha de diâmetro da tubulação é facilitada pelo nomograma, apresentado na página a seguir. É o nomograma que determina o diâmetro do tubo na rede em relação à pressão. Na prática, deve-se considerar, para a instalação da rede de tubulação, um maior ou menor aumento de pressão e consequentemente de tubulação. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 53 Nomograma de diâmetro do tubo Cálculo da tubulação O consumo de ar em um estabelecimento fabril é de 4m3/min (240m3/h). O aumento previsto em três anos será de 300%, o que resultará em um consumo de 12m3/min (720m3/h). O consumo total é limitado em 16m3/min (960m3/h). A tubulação terá 300m de comprimento e será composta por 6 conexões em "T", 5 cotovelos a 90° e 1 válvula de passagem. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 54 A queda de pressão admissível é de Δp = 0,1bar. Pressão de trabalho = 8bar. Considerando os dados acima, e fazendo uso do nomograma, vamos procurar o diâmetro interno do tubo: • ligue com um traço a linha A do nomograma (comprimento da tubulação) à linha B (volume aspirado); • prolongue o traço até a linha C (eixo 1), formando um ponto de interseção com o eixo 1; • ligue agora a linha E (pressão de trabalho) à linha G (queda de pressão), obtendo assim um ponto de interseção em F (eixo 2); • ligue o ponto da interseção da linha F (eixo 2) com o ponto de interseção da linha C (eixo 1); • na linha D (diâmetro interno do tubo), obteremos um ponto de interseção onde estará registrado o valor do diâmetro do tubo. Comprimento equivalente Para os elementos redutores do fluxo as resistências são transformadas em comprimento equivalente. Como comprimento equivalente compreende-se o comprimento linear do tubo reto cuja resistência à passagem do ar é igual a resistência oferecida pelo elemento em questão. A seção transversal do tubo de comprimento equivalente é a mesma do tubo utilizado na rede. Por meio de um segundo nomograma pode-se determinar rapidamente os comprimentos equivalentes. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 55 Nomograma de comprimento equivalente Onde: 1 = válvula de passagem 2 = válvula angular 3 = conexão "T" 4 = válvula gaveta 5 = cotovelo a 90° Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 56 Exemplo 6 conexões "T" (90mm) 1 válvula de passagem (90mm) 5 cotovelos a 90° (90mm) = 6 x 10,5 = = 5 x 1 = 63m = 32m = 5m comprimento equivalente dos elementos = 100m comprimento da tubulação comprimento equivalente = 300m = 100m comprimento total = 400m Possuindo os valores do comprimento total da tubulação (400m), do consumo de ar, da queda de pressão e da pressão de trabalho, pode-se determinar, através do nomograma de diâmetro de tubo, o diâmetro real necessário. Para esse exemplo, o diâmetro do tubo é de, aproximadamente, de 95mm. Materiais empregados em redes distribuidoras de ar comprimido Tubulações principais Na escolha do material da tubulação temos várias possibilidades: • cobre; • tubo de aço preto; • latão; • tubo de aço zincado (galvanizado); • aço-liga; • material sintético. Tubulações instaladas para um longo período de tempo devem ter uniões soldadas, as quais apresentam a vantagem de serem bem vedadas, evitando vazamentos indesejáveis.A desvantagem dessas uniões são as escamas que se criam ao soldar. Essas escamas devem ser retiradas da tubulação. A costura da solda também está sujeita à corrosão, e isto requer a montagem de unidades de conservação as quais serão estudadas a seguir. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 57 Em tubulações com tubos de aço zincado (galvanizado), o ponto de conexão nem sempre é totalmente vedado. A resistência à corrosão, nesses tubos, não é muito melhor do que a do tubo de aço preto. Lugares decapados, tais como roscas e conexões rápidas, também podem enferrujar, razão pela qual também aqui é importante o emprego de unidades de conservação. Em casos especiais usam-se tubos de cobre ou de material sintético (plástico). Tubulações secundárias Tubulações à base de borracha (mangueiras) somente devem ser usadas onde for requerida uma certa flexibilidade e onde, devido à um esforço mecânico mais elevado, não possam ser usadas tubulações de material sintético. Tubulações à base de borracha podem ser mais caras e menos manejáveis que as de material sintético. Hoje, as tubulações à base de polietileno e poliamido são as mais utilizadas em máquinas, equipamentos e dispositivos pneumáticos, pois permitem instalações rápidas e são ainda de baixo custo. Conexões Conexões para tubos metálicos, especialmente para tubos de aço e cobre: Conexão com anel de corte: permite várias montagens e desmontagens. Conexão com anel de pressão para tubos de aço e cobre. Com anel interno especial, serve também para tubos plásticos. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 58 Conexão com rebordo prensado Conexão com rebordo flangeado Conexões para mangueiras flexíveis: Conexões instantâneas para tubulações flexíveis Engate rápido fêmea Engate rápido macho Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 59 Conexão com porca, para mangueiras de borracha Conexão para mangueiras de borracha tipo espigão Conexões rápidas para mangueiras plásticas Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 60 Créditos Elaborador: Ilo da Silva Moreira Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 61 Preparação do ar comprimido para o trabalho Impurezas Impurezas em forma de partículas de sujeira ou ferrugem, provenientes de corrosão interna da rede distribuidora, assim como resíduos de óleo do compressor e umidade do ar levam, em muitos casos, à falhas em sistemas pneumáticos e avarias de seus elementos. Por isso, a qualidade do ar comprimido é um fator muito importante a ser observado. Uma preparação adequada do ar comprimido prolonga a vida útil dos elementos pneumáticos aplicados em máquinas e equipamentos industriais. Muito embora a separação primária do condensado tenha sido feita durante o processo de produção do ar comprimido, por meio de resfriadores e no próprio reservatório de armazenamento de ar, a separação final do condensado, a filtragem do ar e outros tratamentos secundários são executados próximo ao local de consumo do ar comprimido. Quando a rede de condutores de ar comprimido não é drenada, a água condensada no interior da tubulação pode causar a corrosão da rede metálica, dos elementos pneumáticos e das máquinas. O óleo residual proveniente dos compressores pode produzir, junto com o ar comprimido, uma mistura de ar e óleo a qual apresenta perigo de explosão, principalmente quando há temperaturas superiores a 333K. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 62 Umidade A água já penetra na rede pelo próprio ar aspirado pelo compressor. A incidência da umidade depende, em primeira instância, da umidade relativa do ar que, por sua vez, depende da temperatura e condições atmosféricas. A umidade absoluta é a quantidade de água contida em 1m3 de ar. A quantidade de saturação é a quantidade de água admitida em 1m3 de ar a uma determinada temperatura. Nesse caso, a umidade relativa é de 100% (ponto de orvalho). No diagrama do ponto de orvalho, apresentado a seguir, pode-se observar a quantidade de saturação à temperatura correspondente. umidade relativa = %100x saturaçãodequantidade relativaumidade Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 63 Diagrama do ponto de orvalho Exemplo No ponto de orvalho, a 40°C, 1m3 de ar contém 50g de água. Pode-se reduzir os efeitos da umidade por meio da utilização de: • filtragem do ar aspirado; Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 64 • utilização de compressores livres de óleo; • passagem do ar comprimido por um secador, em casos de ocorrência de umidade. Portanto, devido a esses fatores extremamente prejudiciais ao funcionamento dos sistemas pneumáticos, impurezas e umidade, antes de ser enviado aos consumidores, o ar comprimido deve passar por cinco processos de preparação para o trabalho, são eles: • resfriamento, • secagem, • filtragem, • regulagem de pressão, • lubrificação. Resfriamento do ar comprimido O resfriamento do ar comprimido é realizado durante o processo de compressão, por meio de serpentinas estrategicamente montadas entre os estágios do compressor. Uma hélice localizada no volante do cabeçote do compressor sopra as serpentinas esfriando o ar. Nos casos de temperaturas extremamente altas, provocadas pela compressão de grandes volumes de ar, em regime contínuo, é utilizado um resfriador a água montado na saída do compressor. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 65 Resfriador a água 1. Entrada de ar comprimido quente, proveniente do compressor. 2. Saída de ar comprimido resfriado. 3. Entrada de água na serpentina de refrigeração. 4. Saída de água da serpentina. 5. Serpentina. 6. Vaso separador de água condensada. 7. Purgador automático de saída de água condensada. 8. Válvula de segurança. Nesse tipo de resfriador, usa-se água fria bombeada no pórtico 3. A água circula pelo interior da serpentina, montada dentro do corpo do resfriador, e sai pelo pórtico 4. O ar comprimido quente entra pelo pórtico 1 e, em contato com a superfície fria da serpentina é resfriado. Durante o resfriamento, a umidade contida no ar, em forma de vapor devido à alta temperatura, se condensa e, por gravidade, desce e se acumula no fundo do corpo do resfriador, de onde é drenada para fora por meio de um purgador automático. O ar comprimido, já resfriado e livre de grande parte da umidade, sai pelo pórtico 2 do resfriador. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 66 Outro tipo de resfriador a água, montado geralmente entre o compressor e o reservatório de armazenamento de ar comprimido é o resfriador posterior, também conhecido como aftercooler. Resfriador posterior (Aftercooler) Secagem do ar comprimido Existem diversos processos de secagem do ar comprimido. Os mais comumente empregados na indústria são: • secagem por absorção, • secagem por adsorção, • secagem por resfriamento. Secagem por absorção A secagem por absorção é um processo puramente químico. O ar comprimido passa sobre uma camada solta de um elemento secador (cloreto de cálcio, cloreto de lítio). A água ou vapor de água que entra em contato com esse elemento combina-se quimicamente com ele e se dilui na forma de combinação elemento secador água. Essa mistura deve ser removida periodicamentedo absorvedor. A operação pode ser manual ou automática. Com o tempo, o elemento secador é consumido e o secador deve ser reabastecido periodicamente (duas a quatro vezes por ano) conforme o volume de uso. O secador por absorção separa, ao mesmo tempo, vapor e partículas de óleo. Porém, quantidade Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 67 maiores de óleo influenciam no funcionamento do secador. Por isso, é conveniente antepor um filtro fino ao secador. Processo de secagem por absorção O processo de absorção caracteriza-se por: • montagem simples da instalação; • desgaste mecânico mínimo, já que o secador não possui peças móveis; • não necessita de energia externa. Secagem por adsorção A secagem por adsorção está baseada num processo físico: adsorção ⇒ fixação de uma substância na superfície de outra substância. O elemento secador é um material granulado com aresta ou em formas de esferas. Esse elemento secador é formado de quase 100% de dióxido de silício. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 68 Em geral é conhecido pelo nome de gel (sílica gel). O ar comprimido úmido é conduzido através da camada de gel e o elemento secador adsorve a água e o vapor de água. É evidente que a capacidade de acumulação de uma camada de gel é limitada. Quando o elemento secador estiver saturado, poderá ser regenerado facilmente: basta soprar ar quente através da camada saturada e o ar quente absorverá a umidade do elemento secador. A energia calorífica para a regeneração pode ser gerada também por eletricidade ou por ar comprimido quente. Mediante a montagem em paralelo de duas instalações de adsorção uma delas pode estar ligada para secar enquanto a outra estiver sendo soprada com ar quente (regeneração). Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 69 Processo de secagem por adsorção Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 70 Secagem por resfriamento O secador de ar comprimido por resfriamento funciona pelo princípio da diminuição da temperatura do ponto de orvalho. O ponto de orvalho é a temperatura à qual deve ser resfriado um gás para se obter a condensação do vapor de água contido nele. O ar comprimido a ser secado entra no secador, passando primeiro pelo trocador de calor a ar. Mediante o ar frio e seco proveniente do trocador de calor (vaporizador), o ar quente que está entrando é resfriado. Forma-se um condensado de óleo e água que é eliminado pelo trocador de calor. Esse ar comprimido pré-resfriado circula através do trocador de calor (vaporizador) e assim sua temperatura desce até 1,70C, aproximadamente. Dessa maneira, o ar é submetido a uma segunda separação de condensado de água e óleo. Posteriormente, o ar comprimido pode ainda passar por um filtro fino a fim de eliminar os corpos estranhos. Processo de secagem por resfriamento Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 71 Enquanto os processos de resfriamento e secagem do ar comprimido devem ocorrer o mais próximo possível do compressor, os demais tratamentos como a filtragem, a regulagem da pressão e a lubrificação devem ser efetuadas na entrada de alimentação de ar dos consumidores, tais como máquinas, equipamentos e dispositivos pneumáticos. Filtragem do ar comprimido A função de um filtro de ar comprimido é reter as partículas sólidas, bem como a água condensada, presentes no ar comprimido que passa por ele. O ar comprimido, ao entrar no copo do filtro, é forçado a um movimento de rotação por meio de rasgos direcionais. Com isso, por meio de força centrífuga, separam-se impurezas maiores e as gotículas de água que se depositam no fundo do copo. O condensado acumulado no fundo do copo deve ser eliminado antes de atingir o nível máximo, para não ser arrastado novamente pela massa de ar em movimento. As partículas sólidas, maiores que a porosidade do filtro, são retidas por este. Com o tempo, o acúmulo dessas partículas impede a passagem do ar, entupindo o filtro, o que exige a limpeza ou substituição do elemento filtrante a intervalos regulares. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 72 Filtro de ar comprimido Em filtros normais, a porosidade encontra-se entre 30 e 70μm. Filtros mais finos têm elementos com porosidade até 3μm. Se houver acentuada deposição de condensado, convém substituir o dreno manual por um purgador automático. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 73 Purgador automático Pelo orifício de saída, o condensado atinge a câmara entre as juntas de vedação inferiores. Com o aumento do nível do condensado, o flutuador começa a subir. A um determinado nível, abre-se a passagem de ar comprimido do copo que passa por ela e desloca o êmbolo para a direita, abrindo a saída do condensado. Devido às dimensões reduzidas do escape de ar para a atmosfera, o ar comprimido do copo passa lentamente, mantendo-se a saída do condensado aberta por um tempo ligeiramente maior. Regulagem da pressão do ar comprimido A pressão do ar comprimido, fornecida na rede pelo compressor, deve ser regulada de acordo com as características individuais de cada consumidor. Enquanto o compressor fornece na rede distribuidora uma pressão principal ou de regime, na ordem de 10 a 12bar, cada máquina, equipamento e dispositivo pneumático é projetado para trabalhar com uma pressão pré-determinada, chamada de pressão secundária ou de trabalho, geralmente inferior à pressão principal. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 74 Sendo assim, usa-se um regulador de pressão para ajustar a pressão secundária de acordo com as necessidades de cada equipamento pneumático. O regulador de pressão tem por finalidade manter constante a pressão de trabalho (secundária) independentemente da pressão de regime (principal), fornecida na rede, e do consumo de ar. Regulador de pressão com escape automático A pressão de trabalho desejada é ajustada no parafuso de regulagem que calibra a tensão da mola inferior. Essa mola empurra a membrana para cima, deslocando a junta de vedação de sua sede de assento, abrindo a válvula. Isso faz com que o ar comprimido da rede possa fluir livremente do pórtico de entrada para o de saída do regulador de pressão, agindo na superfície superior da membrana e aumentando a pressão de saída, compatível com a tensão regulada na mola inferior. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 75 Quando a pressão de saída ultrapassa a tensão regulada na mola inferior, o ar comprimindo, agindo na superfície superior da membrana, empurra a mesma para baixo. Isso faz com que a mola superior pressione a junta de vedação contra a sua sede de assento, fechando a entrada da válvula. Dessa forma, com a entrada da válvula fechada, o ar comprimido é impedido de fluir do pórtico de entrada para o de saída do regulador de pressão, o que faz com que a pressão de saída pare de aumentar. Ao mesmo tempo, a pressão em excesso na linha de saída flui para a atmosfera pelos orifícios de escape automático. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 76 Quando a pressão de saída se equilibra com a tensão regulada na mola inferior, a membrana sobe o suficiente para bloquear o escape automático do ar, sem deslocar a junta de vedação de sua sede de assento. Sendo assim, tanto a entrada de ar comprimido como a saída de escape automático permanecem fechadas, até que a pressão no pórtico de saída do regulador de pressão volte a oscilar, para cima ou para baixo. Portanto, para manter a pressão de saída regulada, há um constante abrir e fechar da válvula. A utilizaçãode um manômetro, alimentado pela pressão do pórtico de saída do regulador, é fundamental para auxiliar na regulagem da pressão. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 77 Lubrificação do ar comprimido Atualmente, a maioria dos fabricantes de equipamentos pneumáticos oferecem produtos livre de lubrificação, isto é, os atuadores e válvulas pneumáticas são projetados e construídos de forma a não exigirem lubrificação de suas partes móveis. Entretanto, é comum encontrarmos na indústria elementos pneumáticos mais antigos, principalmente devido a sua longa vida útil, os quais possuem peças móveis que devem ser submetidas a lubrificação. Os materiais lubrificantes são necessários para garantir desgaste mínimo nos elementos móveis, manter tão mínimas quanto possível as forças de atrito e proteger os equipamentos contra corrosão, provocada principalmente pela umidade do ar. Sendo assim, usamos lubrificadores cuja função é pulverizar óleo lubrificante, sob a forma de névoa, na massa de ar comprimido a ser utilizado pelas máquinas, equipamentos e dispositivos pneumáticos. Lubrificador de ar comprimido Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 78 O ar comprimido flui pelo lubrificador do pórtico de entrada para o de saída, passando pela válvula de retenção cuja mola gera um diferencial de pressão, forçando o ar a entrar no interior do copo reservatório de óleo. A pressão do ar, agindo na superfície do óleo lubrificante, empurra o mesmo pelo tubo condutor, até a parte superior do corpo do lubrificador, onde existe um conta-gotas. Um visor acrílico permite ao operador visualizar a quantidade de óleo a ser utilizada no processo de nebulização. Por meio de um parafuso dosador, pode-se regular a quantidade de óleo a ser utilizada para a lubrificação, de acordo com as especificações exigidas pelos fabricantes dos equipamentos pneumáticos. O óleo que cai pelo conta-gotas desce até o bocal nebulizador, se mistura com a massa do ar em movimento e, em forma de névoa, busca o pórtico de saída do lubrificador através do furo de passagem paralelo à válvula de retenção. O lubrificador possui, ainda, um plugue para reabastecimento de óleo do reservatório, o qual somente poderá ser utilizado com o equipamento despressurizado. Durante a despressurização, uma válvula anti-retorno evita que o óleo acumulado no conta-gotas retorne por gravidade ao reservatório, através do tubo condutor. É importante destacar, ainda, que a utilização dos lubrificadores está limitada ao tipo de processo produtivo. Na indústria alimentícia, farmacêutica ou, sempre que a presença de óleo lubrificante possa interferir na qualidade do produto, os lubrificadores não são empregados, mesmo com o risco de desgaste prematuro das máquinas e equipamentos pneumáticos. Unidades de condicionamento de ar comprimido Como já foi destacado, os processos de filtragem, regulagem de pressão e lubrificação do ar comprimido devem ser realizados o mais próximo possível dos consumidores pneumáticos. Geralmente, esses processos ocorrem na entrada de alimentação de ar comprimido de cada uma das máquinas, equipamentos e dispositivos pneumáticos. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 79 Dessa forma, com o intuito de facilitar esses procedimentos, os fabricantes de componentes pneumáticos desenvolveram as unidades de condicionamento de ar comprimido, as quais são conhecidas no mercado por várias designações diferentes: • unidade de conservação, • unidade de manutenção, • conjunto lubrefil. Na verdade, trata-se de dois ou mais componentes responsáveis pela preparação do ar para o trabalho, montados lado a lado, como se fosse um único elemento. As unidades de condicionamento têm a finalidade de purificar o ar comprimido, ajustar uma pressão constante do ar e acrescentar uma fina neblina de óleo ao ar comprimido, quando necessário, para fins de lubrificação. Assim, as unidades de condicionamento de ar comprimido aumentam consideravelmente a segurança de funcionamento dos equipamentos pneumáticos, sendo sua aplicação exigida por todos os fabricantes de máquinas. As unidades de condicionamento de ar comprimido são, portanto, uma ou mais combinações de: • filtro; • regulador de pressão com manômetro; • lubrificador. No emprego da unidade de condicionamento, devem-se observar os seguintes pontos: • A vazão total de ar em Nm3/h é determinada para o tamanho da unidade. O consumo de ar muito grande provoca queda de pressão nos equipamentos. Devem-se observar rigorosamente os dados indicados pelo fabricante. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 80 • A pressão de trabalho nunca deve ser superior à indicada no equipamento. A temperatura ambiente não deve ser superior a 50oC, máxima para copos de material sintético. Exemplos de combinações de unidades de condicionamento encontradas no mercado: Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 81 Unidade de condicionamento com regulador de pressão, válvula de fechamento, manômetro e filtro incorporados Manutenção das unidades de condicionamento de ar • Filtro de ar comprimido Quando o filtro não é dotado de dreno automático, o nível de condensado deve ser controlado regularmente, não devendo ultrapassar a altura determinada no copo. O condensado acumulado pode ser arrastado para a tubulação de ar comprimido e equipamentos. • Regulador de pressão de ar comprimido Quando existe um filtro de ar comprimido instalado antes do regulador, praticamente dispensa-se a manutenção desse regulador. • Lubrificador de ar comprimido O nível de óleo no copo reservatório deve ser controlado. Sempre que necessário, deve-se completar o óleo até o nível indicado. Devem ser utilizados somente óleos minerais de baixa viscosidade (máximo 200Engler). Filtros de material plástico e copo lubrificador devem ser limpos somente com água e sabão neutro. Solventes como "thinner", acetona e acetatos não são recomendados, pois os mesmos atacam o material plástico. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 82 Créditos Elaborador: Ilo da Silva Moreira Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 83 Atuadores Pneumáticos Os atuadores pneumáticos, também conhecidos como elementos de trabalho, são os componentes responsáveis em transformar a energia pneumática em mecânica, produzindo movimento. Os atuadores estão classificados em três grupos, quanto ao tipo de movimento produzido: • lineares: movimentos retilíneos de ida e volta; • giratórios: movimentos rotacionais com giro limitado de 0 a 350°; • rotativos: movimentos rotacionais nos dois sentidos de giro. Atuadores lineares (Cilindros) O cilindro pneumático, chamado também de pistão, é um elemento de máquina útil, já que permite a aplicação do movimento linear exatamente onde é necessário, sem qualquer complicação mecânica, como por exemplo em transmissões, eixos, ressaltos, etc. A geração de um movimento retilíneo com elementos mecânicos, conjugados com acionamentos elétricos, é relativamente custosa e está ligada a certas dificuldades de fabricação e durabilidade. Há no mercado uma infinidade de tipos de cilindros, desde os convencionais, produzidos de forma normalizada por todos os fabricantes, até os cilindros especiais confeccionados para fins específicos. A seguir, serão apresentados os cilindros mais utilizados na industria, na automatização dos processos de produção. Sistemas PneumáticosSENAI-SP – INTRANET DV013-08 84 Características construtivas Os cilindros pneumáticos consistem, basicamente, em um tubo cilíndrico ou camisa, tampas dianteira e traseira ou cabeçotes, êmbolo com juntas de vedação ou gaxetas, haste do êmbolo, bucha de guia e anel limpador. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 85 A camisa, na maioria dos casos, é feita de um tubo de aço trefilado a frio, sem costura. Para aumentar a vida útil dos elementos de vedação, a superfície interna do tubo é brunida. Atualmente, a maioria dos fabricantes produzem a camisa dos cilindro em alumínio ou latão ou, ainda, de aço com a superfície interna de cromo duro, para aplicações especiais onde existe possibilidade de corrosão muito acentuada. Para as tampas dianteira e traseira usa-se normalmente alumínio fundido ou ferro maleável. A fixação das tampas pode ser feita com tirantes, roscas ou flanges. A haste do êmbolo geralmente é feita com aço beneficiado e com proteção anticorrosiva. As roscas são geralmente laminadas, diminuindo assim o perigo de ruptura. Sob pedido, a haste do êmbolo pode ser temperada. Para a vedação da haste do êmbolo, existe um anel circular na tampa dianteira. A haste do êmbolo é mantida centralizada por uma bucha de guia, a qual pode ser confeccionada em bronze ou de material sintético metalizado. Na frente desta bucha encontra-se um anel limpador que evita a entrada de partículas de pó e de sujeira no cilindro. A junta de vedação do êmbolo, neste caso do tipo copo dupla, veda de ambos os lados. A escolha do material a ser utilizado na confecção das juntas de vedação depende das temperaturas de trabalho. Os materiais comumente empregados são: • Buna N • Perbunam • Viton • PTFL (Teflon) de -10ºC até +80ºC; de -20°C até +80ºC; de -20ºC até +190ºC; de -80ºC até +200ºC. Juntas toroidais ou anéis do tipo "O-Ring" são utilizados para vedação estática. Este tipo de vedação não é recomendado em vedações móveis, pois provoca relativa perda de carga por atrito. Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 86 Tipos de juntas de vedação para êmbolos As juntas de vedação utilizadas nos êmbolos dos cilindros, também conhecidas como gaxetas, têm por finalidade evitar vazamentos de ar entre as câmaras dianteira e traseira, durante os movimentos de avanço e de retorno da haste. A seguir, serão apresentados os principais tipos de juntas de vedação encontrados na maioria dos cilindros pneumáticos. Anel tipo "O-Ring" ou junta tipo toroidal Junta tipo toroidal achatada internamente Junta tipo quadring (perfil quadrado) Juntas tipo copo de encaixe bilateral Junta tipo faca de lábio simples Junta tipo copo de encaixe unilateral Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 87 Junta tipo faca de lábio duplo Junta tipo copo duplo com anel centralizante Junta de vedação em anel tipo "L" Tipos de fixação de cilindros A forma como os cilindros são fixados em máquinas e equipamentos pneumáticos depende do espaço disponível para a montagem e do tipo de trabalho a ser realizado. Os fabricantes de cilindros oferecem no mercado alguns tipos padronizados de fixação, o que não quer dizer que não se possa construir uma fixação especial para um tipo de montagem específica. Fixação pela tampa dianteira Fixação pela tampa traseira Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 88 Fixação por pés internos Fixação por pés externos Fixação por pé dianteiro ou traseiro Flange dianteira Flange traseira Basculante dianteira ou traseira Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 89 Cálculos das forças de avanço e de retorno de cilindros Onde: P = pressão de trabalho em bar Øe = diâmetro do êmbolo em cm Øh = diâmetro da haste em cm d = curso útil em cm (distância percorrida pela haste da posição final traseira à final dianteira) Aa = área de avanço em cm² (igual à área do êmbolo) Ar = área de retorno em cm² (igual à área do êmbolo menos a área da haste) Fa = Força de avanço em Kgf (força atuante durante o movimento de avanço) Fr = Força de retorno em Kgf (força atuante durante o movimento de retorno) Cálculos das áreas de atuação do ar durante os movimentos de avanço e de retorno Aa = 0,7854 x Øe² Ar = 0,7854 x (Øe² - Øh² ) Cálculos das forças atuantes do cilindro durante os movimentos de avanço e de retorno Fa = P x Aa Fr = P x Ar Exemplo O êmbolo e a haste de um cilindro medem, respectivamente, 40mm e 15mm de diâmetro. Sabendo-se que a pressão de trabalho é de 4bar, quais as forças desenvolvidas no avanço e no retorno? Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 90 Dados: P = 4bar Øe = 40mm = 4cm Øh = 15mm = 1,5cm Observação: como precisamos calcular as áreas de avanço e de retorno em cm², precisamos, antes de tudo, passar os diâmetros do êmbolo e da haste para cm. Cálculo da área de avanço: Cálculo da área de retorno: Aa = 0,7854 x Øe² Ar = 0,7854 x (Øe² - Øh² ) Aa = 0,7854 x 4² Ar = 0,7854 x ( 4² - 1,5² ) Aa = 0,7854 x 16 Ar = 0,7854 x (16 - 2,25) Aa = 12,56cm² Ar = 0,7854 x 13,75 Ar = 10,79cm² Cálculo da força de avanço: Cálculo da força de retorno: Fa = P x Aa Fr = P x Ar Fa = 4 x 12,56 Fr = 4 x 10,79 Fa = 50,24Kgf Fr = 43,16Kgf Podemos verificar que os cilindros convencionais possuem áreas desiguais expostas à pressão, durante os movimentos de avanço e de retorno. Sempre a área de avanço é maior que a de retorno. Enquanto a área de avanço constitui-se da própria área do êmbolo, no retorno, a área de atuação do ar comprimido corresponde à área da coroa circular ao redor da haste, formada pela área do êmbolo; descontando-se a área da haste. Os cálculos apresentados são teóricos, uma vez que não foram consideradas as forças de atrito que interferem nos movimentos dos cilindros. Essas forças de atrito surgem, normalmente, nas juntas de vedação do êmbolo e da haste, bem como na bucha guia e no anel limpador localizados na tampa dianteira. O comprimento de curso em cilindros pneumáticos não deve ser maior do que 2.000mm. A pneumática não é rentável quando o êmbolo tem um diâmetro superior a 300mm e curso muito longo, pois o consumo de ar é muito alto. Em cursos longos, a carga mecânica sobre a haste do êmbolo e nos mancais é grande. Para evitar uma flambagem, é necessário determinar um diâmetro pouco Sistemas Pneumáticos SENAI-SP – INTRANET DV013-08 91 maior para a haste do êmbolo. Além disto, é aconselhável prolongar as buchas de guias da haste do êmbolo. A velocidade de cilindros pneumáticos depende da carga, do comprimento da tubulação entre a válvula e o cilindro, da pressão de ar e da vazão da válvula de comando. A velocidade do êmbolo em cilindros normais varia de 0,1 a 1,5m/s. Em cilindros especiais podem ser alcançadas velocidades de até 10m/s. Tipos de cilindros Cilindros de ação simples Os cilindros de ação simples são acionados por ar comprimido somente em um dos sentidos de movimento e, portanto, trabalham pneumaticamente em uma só direção. O sentido oposto de movimento é produzido por mola, mediante atuação de uma força externa ou, ainda, pela ação da gravidade. Os mais utilizados são os que possuem acionamento por mola, inverso ao pneumático. A força da mola é calculada para que ela possa fazer o pistão retroceder à posição inicial, com uma velocidade suficientemente alta, sem despender grande energia. Avanço pneumático e retorno por mola Avanço por mola
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