Projeto - Dimensionamento de Compressor

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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
		
PROJETO
Dimensionamento de Compressor
André Luiz Ramos de Melo
Emilly Cristine Pereira da Silva
Recife – PE
Janeiro 2015 – 2014.2
	 
	
	 
	 
	
PROJETO
Dimensionamento de Compressor
Projeto de pesquisa
 apresentado ao professor 
Flávio Augusto Bueno Figueiredo
, como requisito à aprovação na disciplina 
Máquinas Hidráulicas
, referente ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Pernambuco.
Recife – PE
Janeiro 2015 – 2014.2
SUMÁRIO
Introdução ............................................................................................................................ 04
Objetivos .............................................................................................................................. 05
Desenvolvimento Teórico ................................................................................................... 06
Sistema ............................................................................................................................... 11
Dimensionamento ............................................................................................................... 13
Conclusão ........................................................................................................................... 16
Refrências Bibliográficas ................................................................................................... 17
INTRODUÇÃO
O ar comprimido é uma importante forma de energia, a energia pneumática, que é resultado da compressão do ar ambiente (atmosférico), cuja composição é uma mistura de aproximadamente 21% oxigénio, 78% nitrogénio e 1% de outros gases (gás carbônico, vapor de água, gases nobres/raros, entre outros). Apesar de sua utilização ser anterior a Cristo, somente na segunda metade do século XIX é que o ar comprimido adquiriu importância industrial.
Em muitas empresas esta é a energia que move a maioria dos equipamentos, pois o consumo de energia elétrica necessária para mover individualmente cada um dos equipamentos, se concentra em um único equipamento, no caso um compressor, que abastece uma rede de ar comprimido, que por sua vez alimenta os mecanismos pneumáticos dos equipamentos.
Em função das perdas decorrentes da transformação de energia, a energia pneumática pode custar de sete a dez vezes mais do que a energia elétrica para uma aplicação similar, embora isso seja normalmente compensado pelas vantagens de flexibilidade, conveniência e segurança que apresenta.
OBJETIVOS
Pesquisar sistema pneumático de um processo industrial.
Extrair o máximo de informações dimensionais do processo, o que não for possível deve-se estipular.
A partir dos dados, dimensionar o compressor mais adequada ao processo.
Se o sistema encontrado informar a especificação do compressor utilizado, comparar esta com a especificação encontrada.
DESENVOLVIMENTO TEÓRICO
Dimensionamento
Aplicar, para cada máquina ou dispositivo automatizado, um compressor próprio, é possível somente em casos esporádicos e isolados. Onde existem vários pontos de aplicação, o processo mais conveniente e racional é efetuar a distribuição do ar comprimido situando as tomadas nas proximidades dos utilizadores.
Um sistema de distribuição perfeitamente executado deve apresentar os seguintes requisitos: 
Pequena queda de pressão entre o compressor e as partes de consumo (a fim de manter a pressão dentro de limites toleráveis em conformidade com as exigências das aplicações)
Não apresentar escape de ar (do contrário haveria perda de potência)
Grande capacidade de realizar separação de condensado
Então as redes de ar comprimido devem ser dimensionadas a fim de manter a quantidade de equipamentos nela instalada, e para isso devem ser considerados os seguintes itens:
Equipamentos pneumáticos que serão utilizados
Quantidade de equipamentos
Taxa de utilização de cada equipamento (fornecido pelo usuário)
Pressão de trabalho de cada equipamento (dado técnico de catálogo)
Ar efetivo consumido por cada equipamento (dado técnico de catálogo)
Perdas de carga (através do comprimento e formato da rede de distribuição e seus componentes intermediários)
O compressor deve ser dimensionado para garantir pelo menos 1,5 a 2 vezes a capacidade total de todos os equipamentos em operação, pois temos que lembrar que se trabalharmos no limite terá de reforçar o sistema sempre que a capacidade for excedida, pois qualquer acréscimo de equipamento e ou ponto de consumo, implicará na compra de um compressor maior.
Tratamento do Ar
Como citado anteriormente o ar atmosférico é uma mistura de gases, e este contém contaminantes de três tipos básicos: água, óleo e poeira (sólido). Então o compressor, ao admitir ar, aspira também os seus compostos e contaminantes.
Durante o processo de compressão, o ar também é contaminado pelo óleo lubrificante do compressor e por partículas sólidas provenientes do desgaste das peças móveis do mesmo. Além de adicionar calor sob a forma de pressão e temperatura, que potencializam os efeitos prejudiciais dos contaminantes.
Já na tubulação de distribuição, o ar comprimido ainda pode arrastar ferrugem e outras partículas. 
O resultado da mistura de todos os contaminantes é uma emulsão ácida e abrasiva que compromete o correto funcionamento do sistema de ar comprimido em qualquer tipo de aplicação, através dos seguintes efeitos:
Obstrução de orifícios;
Desgaste de vedações;
Erosão nos componentes pneumáticos;
Redução de eficiência de produtividade da máquina;
Custos elevados com paradas de máquinas.
Portanto, é da maior importância que esses contaminantes sejam removidos do ar para evitar redução de todos os dispositivos e máquinas pneumáticas. Por isso é realizado um tratamento do ar entre o compressor e a aplicação. Além de qualificar o ar comprimido para o uso pneumático de acordo com as normas da ISO, o tratamento de ar tem como principal objetivo reduzir os custos de uma empresa, através de reduções em intervenções de manutenção, paradas de hora máquina, hora homem e até mesmo melhoria no produto final. Estudos comprovam que o tratamento de ar reduz em 50% as despesas geradas na utilização do ar comprimido.
	
	Processo de tratamento de ar comprimido (Sequência padrão de equipamentos recomendada 
pela norma ISO 8573-1 de 2004, os símbolos seguem a norma ISO 1219-1).
	
	Efeito de cada componente no processo tratamento de ar comprimido sobre os contaminantes básicos.
Resfriador posterior:
Os compressores reduzem o volume do ar para que a pressão aumente. Como pressão e temperatura são diretamente proporcionais, o ar atinge temperaturas elevadas. O ar comprimido a alta temperatura, além de reduzir a eficiência do compressor, poderia ainda causar acidentes ao operador, danificar os componentes pneumáticos e provocar a dilatação da linha de distribuição.
O resfriador posterior é simplesmente um trocador de calor utilizado para resfriar o ar comprimido. Como consequência deste resfriamento, permite-se retirar cerca de 75% a 90% do vapor de água contido no ar, bem como vapores de óleo. E é constituído basicamente de duas partes: um corpo onde se alojam tubos confeccionados com materiais de boa condução de calor e um separador de condensado dotado de dreno.
Devido ao resfriamento, o volume de ar disponível é reduzido e, portanto, a sua energia também sofre redução. Contudo, o emprego do resfriador posterior não representa perda real de energia, já que o ar deveria, de qualquer forma, ser resfriado na tubulação de distribuição, causando os efeitos indesejáveis já mencionados. Com o resfriador estes problemas são minimizados.Secador de ar comprimido:
	A água (umidade) já penetra na rede com o próprio ar aspirado pelo compressor, os secadores servem para retirar a umidade do fluxo de ar, esteja ela em estado líquido ou em forma de vapor.
O ideal seria eliminar a umidade do ar comprimido de modo absoluto, o que é praticamente impossível. Então, é reduzida a um valor tolerável que não acarrete qualquer inconveniente.
A aquisição de um secador de ar comprimido pode figurar no orçamento de uma empresa como um alto investimento. Em alguns casos, verificou-se que um secador chegava a custar 25% do valor total da instalação de ar. Mas concluiu-se que o emprego do secador tornou-se altamente lucrativo, sendo pago em pouco tempo de trabalho, considerando os prejuízos causados pelo ar úmido (substituição de componentes pneumáticos, filtros, válvulas, cilindros danificados, impossibilidade de aplicar o ar em determinadas operações como pintura, pulverizações e os refugos causados na produção de produtos).
Filtro:
A função do filtro de ar é reter as partículas de impurezas, bem como a água condensada, presente no ar que passa por ele. O filtro de ar comprimido aparece geralmente em três posições diferentes: antes e depois do secador de ar comprimido e também junto ao ponto-de-uso.
A função do pré-filtro é separar o restante da contaminação sólida e líquida (≈30%) não totalmente eliminada pelo separador de condensados do resfriador-posterior, protegendo os trocadores de calor do secador contra o excesso de óleo oriundo do compressor de ar, o que poderia impregná-los, prejudicando sua eficiência de troca térmica. O excesso de condensado no secador também reduz sua capacidade de resfriamento do ar comprimido, pois se consome energia para resfriar um condensado que já poderia ter sido eliminado do sistema.
O pós-filtro é responsável pela eliminação da umidade residual (≈30%) não removida pelo secador por refrigeração, além da contenção dos sólidos não retidos no pré-filtro.
Também é importante observar que o condensado acumulado no fundo do copo deve ser eliminado até atingir a marca do nível máximo, do contrário será arrastado novamente pelo ar que passa, e o elemento filtrante deve ser limpo ou substituído em intervalos regulares.
Tomadas de Ar
Em tubulações horizontais as instalações de ramais de tomada devem ser sempre feitas pela parte superior da tubulação principal, para evitar os problemas de condensado de água. Recomenda-se ainda que não se realize a utilização direta do ar no ponto terminal do tubo de tomada. Para que a drenagem eventual seja feita, devem ser instalados drenos (purgadores), que podem ser manuais ou automáticos, com preferência para o último tipo. Os pontos de drenagem devem-se situar em todos os locais baixos da tubagem, no fim da linha, onde houver elevação da linha, etc.
Antes do ar comprimido ser utilizado, é indicado que passe novamente por um filtro e próximo dispor de uma válvula para controle do ar passante.
	
	Tomada de ar com seus componentes auxiliares (filtro e válvula).
SISTEMA
Utilizamos como base um sistema isométrico encontrado referência bibliográfica [4], realizando no mesmo algumas modificações e estipulando suas medidas. 
	
	Croqui da instalação.
	
	
	Medida das tubulações.
	Dispomos de 9 tomadas de ar, e escolhemos equipamentos referentes a um estabelecimento destinado a área automotiva para serem ligadas as mesmas. Também foi estipulada a taxa de utilização de cada equipamento.
	Equipamento
	Quantidade
	Consumo
	Pressão de Operação
	Taxa de Utilização %
	
	
	pés3/min
	l/min
	bar
	psi
	
	Bico limpeza
	1
	6
	170
	2,8
	40
	25
	Calibrador de pneus eletrônico
	1
	2,0
	57
	6,38/8,3
	90/120
	20
	Descolador de pneus
	1
	18,5
	534
	4,9/8,3
	70/120
	60
	Desmontador de pneus
	1
	8,0
	226
	9,8/12,3
	140/175
	45
	Elevador hidropneumático 1,5T
	1
	3,5
	99
	9,8/12,3
	140/175
	25
	Parafusadeira de impacto 
	1
	9,1
	258
	6,3
	90
	35
	Pistola de pintura de alta pressão
	1
	8,0
	226
	4,9/7,0
	70/100
	40
	Teste de freios
	1
	3,5
	99
	4,9/7,0
	70/100
	30
	Teste de radiadores
	1
	2,0
	57
	4,9/7,0
	70/100
	20
Devido ao fato da falta de informações, consideramos que:
O processo tratamento do ar é feito na sequencia recomendada pela norma ISO 8573-1 de 2004. 
 Cada tomada de ar possui um purgador, um filtro e uma válvula gaveta. 
Tubulação é de aço.
A queda de pressão entre o começo e o final da tubulação é admitida como Δp = 0,1 bar, pois uma queda maior de pressão prejudica a rentabilidade do sistema e diminui consideravelmente a sua capacidade.
Como não temos um compressor especificado, então não será possível fazer a comparação.
DIMENSIONAMENTO
O ar na passagem pelos encanamentos sofre uma perda de pressão por causa do atrito e também pelas mudanças de direção. Essa perda é denominada como perda de carga no compressor e depende muito do comprimento da tubulação, diâmetro interno, peso específico do ar, velocidade do ar e pode ser calculada através da seguinte fórmula: 
Sendo : 
Hf – Perda de pressão manométrica, em kgf/m²
l – Comprimento do encanamento, em metros
δ – Peso específico do ar
α – Coeficiente variável com o diâmetro
v – Velocidade do ar, em metros por segundo
d – Diâmetro do encanamento, em metros 
Com base nessa fórmula, deve-se estabelecer o valor de cada grandeza a fim de saber qual a perda de carga total.
	Cálculo do consumo de ar efetivo de cada equipamento
	Bico limpeza
	1 x 6 x 0,25 =
	1,5 pcm
	Calibrador de pneus eletrônico
	1 x 2 x 0,2 =
	0,4 pcm
	Descolador de pneus
	1 x 18,5 x 0,6 =
	11,1 pcm
	Desmontador de pneus
	1 x 8 x 0,45 =
	3,6 pcm
	Elevador hidropneumático 1,5T
	1 x 3,5 x 0,25 =
	0,875 pcm
	Parafusadeira de impacto 
	1 x 9,1 x 0,35 =
	3,185 pcm
	Pistola de pintura de alta pressão
	1 x 8 x 0,4 =
	3,2 pcm
	Teste de freios
	1 x 3,5 x 0,3 =
	1,05 pcm
	Teste de radiadores
	1 x 2 x 0,2 =
	0,4 pcm
	Total
	30,31 pcm
Com uma vazão total de 1716 l/min ou 103 m³/h, Δp = 0,1 bar e a pressão de trabalho em 12,3 bar. Nesse caso, calcula-se o diâmetro interno do encanamento pelo nomograma da tubulação.
	
	Nomograma para cálculo do diâmetro interno da tubulação.
Com o nomograma, tem-se o valor do diâmetro interno, que equivale a aproximadamente 38 mm = 3,8 cm = 1 polegadas.
	Comprimento Real
	= (10 + 30 + 20 + 12 + 13) = 100 m
	Comprimento Equivalente
6 Tês (Fluxo dividido)
3 Curvas de raio longo de 90º
1 Cotovelo de 90º
6 Válvulas de gaveta
Perda de carga a cada 10m de comprimento
	
= (6 x 2,4) = 14,4 m
= (3 x 1) = 3 m
= (1 x 2,25) = 2,25 m
= (6 x 0,37) = 2,22 m
= (10 x 0,08) = 0,8 m
	Total
	= 122,67 m
	O peso específico do ar comprimido na temperatura ambiente (25°C) e na pressão de trabalho (10 bar) que se tenha no interior do encanamento é δ = 13,028. O coeficiente variável (α) com o diâmetro é calculado pela expressão:
	Como a vazão foi de 103 m³/h e o diâmetro do tubo de 3,8 cm, se torna fácil de calcular a velocidade do ar em metros por segundo, usando a fórmula:
	
Com todas as grandezas encontradas, pode-se colocar na fórmula da perda de carga:
	
	
	Diagrama para escolha do tipo de compressor mais indicado para atender os parâmetros vazão e pressão.
Para o sistema adotado, o compressor que melhor se adéqua a planta é o Lóbulo.
CONCLUSÃO
Este projeto de pesquisa contribuiu muito para nossa formação acadêmica. Pois nos foi dada a oportunidade de aprender na prática a teoria repassada em aula sobre o dimensionamento de um compressor.
Com este trabalho observamos a importância de se conhecer as principais variáveis que influenciam no dimensionamento de um compressor, de forma o escolher o mais adequado ao processo, bem como a importânciade se realizar um dimensionamento correto e adequado ao processo de forma a atender as necessidades e expectativas de forma eficiente. Pois, além da redução da pressão do ar comprimido provocada por uma rede de distribuição inadequada (diâmetro da tubulação inferior ao necessário, layout incorreto da tubulação, curvas e conexões em excesso, etc.), um sistema de ar comprimido também pode estar operando numa pressão muito superior à exigida pela aplicação. 
O cálculo correto das redes de distribuição principal e secundárias, a manutenção (substituição) periódica de elementos filtrantes saturados, a regulagem precisa da pressão de cada ponto de consumo, a escolha de componentes e acessórios com menor restrição ao fluxo de ar, bem como a seleção correta do compressor em função das necessidades de pressão do sistema, poderão contribuir de forma fundamental para a redução do consumo de energia associado à perda de carga. Desta forma, equilibrando os custos de energia e custos operacionais tornando o processo o mais rentável e eficiente possível.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Apostila M1004 BR: Dimensionamento de Redes de Ar Comprimido. São Paulo: Parker Hannifin Ind. Com. Ltda., 2006.
[2] Macintyre, Archibald Joseph. Máquinas Motrizes Hidráulicas. Editora: Guanabara.
[3] Silva, Osvaldo. Dimensionamento de uma Rede de Ar Comprimido. Luanda – Angola: Universidade Agostinho Neto, 2010.
[4] http://www.consuar.com.br/index_arquivos/adimensionamento.htm