Dimensionamento de Rede de Ar Comprimido

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UFPE - Universidade Federal de Pernambuco
CTG - Centro de Tecnologia e Geociências
DEMEC - Departamento de Engenharia Mecânica
Dimensionamento de Rede de Ar Comprimido
Recife, Dezembro 2015
UFPE – Universidade Federal de Pernambuco
CTG – Centro de Tecnologia e Geociências
DEMEC – Departamento de Engenharia Mecânica
	
	
Disciplina: ME153 Instalações Industriais A - MM
Professor: Francisco Espedito de Lima
	Dimensionamento de Rede de Ar Comprimido
	
Marcelo Vinícius Troncoso Leite
César 
Recife, Setembro de 2017
 INTRODUÇÃO
A primeira máquina que a espécie humana usou para comprimir ar foi o próprio pulmão. Os pulmões humanos podem comprimir até cerca de 0,08 atm, o que é muito pouco para a metalurgia do ouro, cobre e outros metais, que se estima ter começado por volta de 3000 a.C., mas já era suficiente para o trabalho do vidro. Também há indícios que egípcios e sumérios usavam tubos para conduzir o vento até seus fornos. 
O fole manual foi o primeiro compressor mecânico, que depois de 1500 a.C. recebeu melhoramentos, como acionamento pelos pés ou por roda d'água, cumprindo seu ofício por mais 2000 anos. O primeiro cilindro compressor, acionado por roda d'água foi desenvolvido pelo engenheiro inglês John Smeaton em 1762. E em 1776 foi aperfeiçoado pelo inventor inglês John Wilkinson, fazendo um modelo primitivo dos compressores atuais. 
Apesar da sua utilização ser anterior a Da Vinci, que em diversos inventos dominou e usou o ar, somente na segunda metade do século XIX é que o ar comprimido adquiriu importância industrial.
Atualmente, o ar comprimido é utilizado como um insumo ou importante forma de energia que, além de ser quase insubstituível em diversas aplicações, pode complementar ou substituir a energia elétrica. É resultado da compressão do ar ambiente (cuja composição é uma mistura de oxigênio - 20,5%, nitrogênio - 79% e alguns gases raros) através de processos mecânicos (como bombas, compressores e outros aparelhos), então armazenado em galões, botijões ou cilindros, para posteriormente ser aplicado.
Suas vantagens são evidentes: é fácil de ser conduzido, os equipamentos são compactos e leves, não há risco de incêndio ou choque elétrico, não gera resíduos prejudiciais, etc. Em contrapartida, seu custo é alto. Portanto, em especial na indústria, seu uso deve ser limitado apenas ao necessário.
O ar comprimido existe para diversas aplicações, desde hospitais, construção civil, aviação e até mesmo em indústrias, onde desempenham papeis muito importantes na área da pneumática, que é indicada para situações que exigem esforços moderados e grandes velocidades. Em ambientes limpos a aplicação de ar comprimido é de suma importância, como por exemplo, na indústria alimentícia ou em ambientes inflamáveis ou hostis (na presença de pó ou vapor), visto que a necessidade de limpeza no ambiente é bastante necessária. 
Nos diversos processos industriais, os sistemas de ar comprimido desempenham papel fundamental na produção e representam parcela expressiva do consumo energético da instalação. Boa parte da energia gasta para a compressão do ar é perdida na forma de calor e o trabalho útil que ele pode fornecer é pequeno em relação a essa energia gasta. Entretanto, nem sempre estas instalações recebem os cuidados devidos, passando a ser uma fonte constante de desperdícios. 
Um sistema de ar comprimido projetado corretamente irá proporcionar maior confiabilidade e eficiência das ferramentas pneumáticas, bem como diminuirá esses custos com energia. Dessa forma o projeto, a operação e a manutenção dos sistemas devem procurar sempre a maximização da eficiência. Esse sistema compreende três componentes principais: o compressor, a rede de distribuição e os pontos de consumo.
A partir da versatilidade de utilização do ar comprimido, o trabalho abordará esse tema partindo de um exemplo prático de dimensionamento de uma rede de ar comprimido industrial, de acordo com as necessidades solicitadas.
OBJETIVOS
	A finalidade central deste trabalho é a instalação e o dimensionamento de uma rede de ar comprimido que deverá ser feita na base dos parâmetros fornecidos em sala de aula. Através dessas características devem ser feitos os seguintes cálculos:
Calcular a vazão corrigida;
Calcular potência e vazão do compressor;
Calcular o volume do acumulador;
Calcular potência de refrigeração;
Calcular o diâmetro das tubulações;
Calcular a quantidade de água do sistema;
Calcular quantidade de água retirada do sistema;
 DESENVOLVIMENTO
3.1. Rede de ar comprimido	
Figura 1
 – Tubulação de Ar Comprimido.
Tipo de compressores utilizados: Tipo parafuso
Pressão ambiente: 1 atm 
Temperatura ambiente: 28 C
Considerar a compressão isotérmica 
Umidade relativa do ar: 90 %
O Equipamento funciona por 10 horas diárias
Pressões relativas na linha:
	- Pressão de consumo = 5 kgf/cm²
	- Set point: 6 kgf/cm²
	- Pressão máxima: 9 kgf/cm²
O consumo global será calculado a partir do somatório de todos os consumos pontuais da planta:
O consumo médio global da instalação, utilizando a pressão normal de 1kgf/cm² e a pressão manométrica de 5kgf/cm², será dado por: 
No caso em questão serão considerados vazamentos e por isso será utilizado um valor de 20%, como fator de segurança.
E por consequência o consumo médio corrigido será:
TIPO DO COMPRESSOR
	Utilizamos o catálogo da ATLAS COPCO e para a situação estudada o modelo ZD é o mais apropriado, pois produz uma vazão volumétrica máxima de 68,5m³/min a uma pressão de 40kgf/cm2. Abaixo se encontra a tabela com suas especificações: 
Tabela 1 – Específicações do compressor da ATLAS COPCO (MODEL ZD)
	Especifícações técnicas
	Capacidade FAD (Vs)
	220 – 1141 Vs
	Pressão de trabalho
	25 – 40 bar(e)
	Potência instalada do motor
	155 – 780 kW
	Capacidade FAD (m³/h, cfm)
	792 – 4110 m³/h
	Capacidade
	728 – 3777 Nm³/h
	Gases manipulados
	Air, nitrogen
 ATLAS COPCO modelo ZD
5 VOLUME DO RESERVATÓRIO:
	Os reservatórios (na maioria das vezes é utilizado mais de um) são de extrema importância para o sistema. Ele amortece as pulsações na linha de descarga do motor, também serve para precipitar a umidade em seu interior depois do resfriador posterior e mantém a pressão estável nos momentos de pico da demanda.
	Projetar reservatórios de ar comprimido específicos e localizados para aplicações que demandem uma grande quantidade de ar em um curto espaço de tempo (e acionadas em intervalos distantes um do outro) é uma medida muito interessante e merece ser avaliada. Isso porque o reservatório atende a alta demanda momentânea e pode ser abastecido pelo sistema lentamente através de uma válvula de controle do fluxo de entrada no reservatório até a próxima demanda, evitando assim, que a alta demanda de pico momentânea tenha influência na rede principal, caso não haja o reservatório especificado para esse fim.
	É importante prestar muita atenção às normas exigidas para fabricação de reservatórios. Verificar se estão dentro das exigências padronizadas para esse fim e para o seu sistema de ar. Essa segurança é fundamental. Checar periodicamente o estado em que ele se encontra, quanto à ferrugem e o estado das soldas.
Os reservatórios tem como principais funções:
Resfriar o ar;
Estabilizador de pressão;
Estocagem por segurança de ar comprimido;
Otimização.
	Foi utilizado como base para o cálculo do reservatório o “Compressed Air Handbook (CAHB)”. Segundo a empresa Parker (de onde foi retirado o método de cálculo) o reservatório precisa ser de 10% a 20% da vazão total requerida.
Consumo requerido 55.8 m³/min
𝑉 =𝑄r × 𝑡
𝑉 = 55.8 × (0.2)*
𝑽 = 11.16 𝒎³
*condição de máxima.
Após a análise dos resultados foi comparado os dados obtidos, com o catálogo Chicago Pneumatic e assim se concluiu que seria utilizado o vaso com volume de 12 m³. Conforme a figura 2.
Especificações:
		
-Volume: 12 m³
-Altura 6774 mm
-Peso: 2711- 2717 Kg
-Pressão: 14 kgf/cm²
Figura 2
 – Reservatório Chicago 
Pneumatic
6 VOLUME DE ÁGUA 
Cálculo do volume de água presente no processo em um turno de 10h:
Durante a operação sem parada alguma em um intervalo de tempo de 10 horas, o sistema consome um volume (VH2O) correspondente a:
Segundo o diagrama a seguir é possível obter a quantidade de água contida em 1kg de ar pela pressão do ar comprimido.
Figura 3 –
 Ábaco da retenção de água.
55,8N.m³/min a 6khf/cm²; 10 horas de trabalho; consideramos a temperatura ambiente como sendo 28°C e umidade relativa do ar de 90%.
Sendo assim, para o sistema analisado, temos que a capacidade de retenção de água é 28,5g/m³. Ao substituirmos os valores na equação apresentada acima, encontramos o seguinte valor: VH2O = 1023,82 L 
7 TIPO DE RESFRIADOR
	A temperatura de saída, proveniente do compressor, é de aproximadamente 120 C e tem uma vazão 3210 m³/h, para essa necessidade foi utilizado o refrigerador AFC-43.
Tabela 2 –
 Especificações 
Fargon
 
Com o resfriador, agora se pode calcular a quantidade de água drenada, sabendo que o ar será resfriado para 28 ºC. Utiliza-se o ábaco:
 
Figura 4 –
 Ábaco pressão do ar comprimido X Gramas de Água
 
8 TIPO DO SECADOR 
O secador possui como finalidade diminuir o percentual de vapor d’água do ar absorvido, evitando prejudicar o funcionamento da linha. Existem dois tipos de secadores: 
Secador por adsorção: Para determinadas aplicações de ar comprimido, é requerido teor de umidade muito baixo. A adsorção é um processo físico que leva a fixação de moléculas de vapor de água na superfície de materiais adsorventes. É possível atingir pontos de orvalho próximos a -100°C. 
Secador por refrigeração: Consiste no tipo mais comum. Baseia-se na refrigeração do ar comprimido. Difere do secador de adsorção por trabalhar em pontos de orvalho de 3°C. O condensado é eliminado do sistema através de purgadores, o ar é aquecido novamente e segue seco para o restante do sistema.
Considerando que e a saturação do ar na saída do resfriador é de 100%, tem-se em vista a utilização de outro secador. Para cálculos de correção, a temperatura ambiente é de 35°C, a pressão de trabalho do secador de 7bar, a temperatura do ar comprimido na saída do secador de 35°C. Pela seguinte tabela, tem-se: 
A vazão solicitada QS é dada por: 
Pela tabela da Fagon:
𝑉𝑆𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 = 5 × 𝟐480,688 × 11000 × 10
𝑽𝑺𝒆𝒄𝒂𝒅𝒐𝒓 = 𝟏23,62𝑳
𝑉𝐷𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎′ = 𝑉𝑅𝑒𝑓𝑟𝑖𝑎𝑑𝑜𝑟 − 𝑉𝑆𝑒𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑉𝐷𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎′ = 184,4 – 123,62
𝑽𝑫𝒓𝒆𝒏𝒂𝒅𝒂′ = 60,78𝑳
9 CÁLCULO DA UMIDADE RELATIVA FINAL 
	Agora pode-se calcular a umidade relativa do ar no fim da linha com os valores anteriormente obtidos: 
𝝋𝟐 = (Q𝒖𝒂𝒏𝒕𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒅𝒆 á𝒈𝒖𝒂 𝒓𝒆𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 /𝑸𝒖𝒂𝒏𝒕𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆 𝒅𝒆 á𝒈𝒖𝒂 𝒓𝒆𝒕𝒊𝒓𝒂𝒅𝒂)∗ 𝟏𝟎𝟎% 
	Onde a quantidade de água restante é a água que está retida após o secador por refrigeração. Logo, 
𝝋𝟐 = 𝟏6,4%
10 CÁLCULO DO DIÂMETRO DOS TUBOS
	Com o método de aproximação das velocidades, é possível conseguir o valor do diâmetro da tubulação através da expressão abaixo, em função da vazão de ar normal, velocidade de escoamento e pressão de trabalho.
 
Sendo: 
𝑄𝑛 = vazão do trecho n; 
𝑣 = velocidade do fluido – Para o ar comprimido e um tubo de aço carbono adota-se 15 m/min (Anexo I);
P𝑡= Pressão de trabalho, em kgf/cm²; 
P𝑛= Pressão atmosférica, em kgf/cm²; 
O tubo utilizado foi escolhido por intermédio da DIN 2448, que aconselha para instalações de redes de ar comprimido, com tubos de aço sem costura. Os diâmetros encontrados, de acordo com o modelo matemático acima, foram definidos como teóricos, sendo aproximados para o respectivo valor comercial. Entretanto, é necessário saber se tal diâmetro comercial escolhido não gere uma perda de carga acima do limite especificado.
Com o auxílio de uma tabela interativa, criada no Excel, é possível ter o valor das perdas de carga em relação com o diâmetro. Com isso, os diâmetros reais utilizados deveriam respeitar o critério de perda de carga menor que 0,2 kgf/cm2, sendo este critério considerado como conservativo.
Portanto, o diâmetro utilizado precisava não somente atender a especificação de aproximação com o teórico, como também precisava fornecer uma perda de carga dentro dos limites. A seguir é possível observar os resultados obtidos com a ajuda do Excel:
 
	Diâmetro nominal dos tubos
	Trecho
	Qt
(m³/min)
	Qn
(m³/min)
	V
(m/min)
	Lt
(m)
	D
(cm)
	d
(pol)
	dnominal
(pol)
	R - 1
	7,75
	53,475
	15
	25
	9,859265
	3,943706
	4
	1 - 2
	7,25
	50,025
	15
	20
	9,535922
	3,814369
	4
	2 - 3
	6,40
	44,16
	15
	50
	8,959498
	3,583799
	4
	3 - 4
	5,20
	35,88
	15
	20
	8,075982
	3,230393
	3 (1/2)
	4 - 5
	4,95
	34,155
	15
	20
	7,879457
	3,151783
	3 (1/2)
	5 - 6
	4,45
	30,705
	15
	10
	7,470913
	2,988365
	3
	6 - 7
	3,85
	26,565
	15
	4
	6,949028
	2,779611
	3
	7 - 8
	3,20
	22,08
	15
	69
	6,335322
	2,534129
	3
	8 - 9
	2,60
	17,94
	15
	14
	5,710582
	2,284233
	2 (1/2)
	9 - 10
	1,80
	12,42
	15
	12
	4,751491
	1,900597
	2
	10 - 11
	1,10
	7,59
	15
	10
	3,714412
	1,485765
	1 (1/2)
	11 - 12
	0,70
	4,83
	15
	10
	2,963075
	1,18523
	1 (1/2)
	4 - 12
	0,25
	1,725
	15
	72
	1,770776
	0,708311
	1
	Para uma tubulação de ar comprimido, a variação na espessura da parede afeta somente o diâmetro interno. Podemos determinar o diâmetro dos tubos através da grandeza schedule, quanto maior o seu valor, mais grosso é o tubo, e é calculada pela relação abaixo. 
Onde: 
𝑃 = Pressão de trabalho (setpoint), em psi; 
𝑆 = 6% da tensão admissível, em psi; 
𝑃 = 5 𝑏𝑎𝑟 = 72 psig; 
Para o aço carbono: 
Lembrando que, para um mesmo diâmetro externo (nominal), temos diferentes diâmetros internos. 
A partir destes dados, utilizando a tabela de tubos comerciais do Anexo II, com Schedule 40, é possível obter os diâmetros interno e externo dos tubos. Para calcular o peso da tubulação, basta multiplicar o trecho pela perda de carga dos respectivos diâmetros nominais na tabela anexo III, que mostra o peso de acordo com o diâmetro nominal do tubo. 
Sabendo o comprimento linear da tubulação, e a perda de carga temos que o peso da tubulação será de: 
11 CONCLUSÃO
	A realização deste trabalho proporcionou ao grupo a abordagem prática dos fundamentos teóricos apresentados na disciplina de Instalações Industriais na aplicação do dimensionamento de uma planta real de ar comprimido industrial.	O exemplo analisado proporcionou aos alunos uma aproximação interessante do meio industrial, uma vez que apresentou uma situação de projeto que é confrontada diversas vezes por vários engenheiros mecânicos da área. 
	O incontável número de possibilidades de projeto para essas linhas de distribuição de ar comprimido permite a observação e o desenvolvimento de características fundamentais a um engenheiro mecânico,tais como a visão espacial (com o intuito de selecionar o melhor arranjo possível para a tubulação na indústria) e o senso de planejamento (habilidade de economizar recursos, otimizando o projeto ao máximo). Ainda foi possível coletar referências e desenvolver métodos bastante úteis para a escolha, especificação e projeto dos elementos constituintes de uma rede de ar comprimido.
12 BIBLIOGRAFIA
[1] ATLAS, COPCO AIRPOWER. Compressed Air Manual 7th edition. Bélgica. 2010. Disponível em: <http://www.atlascopco.com.br/Images/Compressed_Air_Manual_tcm173- 1249312.pdf>. Acesso em: 06 de dezembro de 2015 
[2] BORTOLIN, Eduardo. Dimensionamento de um sistema de ar comprimido para uma empresa de pequeno porte. Horizontina. 2014. Disponível em: <http://www.fahor.com.br/publicacoes/TFC/EngMec/2014/Eduardo_Bortolin.pdf>. Acesso em: 07 de dezembro de 2015. 
[3] FARGON (Org.). Catalogo Geral de Produtos. 2010. Disponível em: <http://www.fargon.com.br/catalogos/catalogo_geral.pdf>. Acesso em: 06 de dezembro de 2015. 
[4] FILHO, José Laurênio Accioly. A racionalização do uso do ar comprimido na indústria. Recife-PE.