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SISTEMAS HIDRÁULICOS & PNEUMÁTICOS Professor: José Antonio S. Corbacho Hidráulica e Pneumática - são tecnologias associadas a geração, controle e transmissão de fluídos pressurizados. Fluído - substância que se deforma continuamente sob a aplicação de uma pressão (tensão de cisalhamento), não importando quão pequena possa ser. Conceitos e princípios básicos Hidráulica e Pneumática Existem situações em que somente a energia hidráulica e/ou pneumática oferece uma solução mais eficiente e de baixo custo, pois em algumas aplicações não é permitido a ocorrência de faíscas elétricas (pintura de automóvel, mina de carvão, fábrica de armamentos, etc.). Conceitos e princípios básicos Hidráulica e Pneumática Conceitos e princípios básicos Hidráulica e Pneumática Conceitos e princípios básicos Hidráulica e Pneumática A seleção da tecnologia para atuação depende de vários aspectos como custos, condições ambientais, mantenabilidade, confiabilidade, etc. Sob o ponto de vista de requisitos técnicos, o gráfico apresenta os domínios de utilização dos sistemas em função Força x Velocidade de atuação: São acionamentos que utilizam o fluido líquido sob pressão. São utilizados quando cargas da ordem de até centenas de toneladas estão envolvidas. Exemplo: tratores, guindastes. Ou quando se deseja uma alta precisão de posicionamento. Exemplo: máquinas de usinagem de precisão, micro manipuladores, etc., que em geral não podem ser obtidos com motores e sistemas elétricos. Sistemas Hidráulicos São acionamentos que utilizam o fluido gasoso sob pressão. São utilizados quando estão envolvidas cargas da ordem de até uma tonelada onde se deseja movimentos de duas posições (início e fim) limitadas por batentes mecânicos, como em máquinas de fixação ou transporte de peças, ou quando se deseja altas rotações (milhares de r.p.m.), como no caso de fresadoras pneumáticas, broca de dentista, etc. Sistemas Pneumáticos Introdução à pneumática Pneumática - parte da física que se ocupa da dinâmica e dos fenômenos físicos relacionados com os gases ou vácuos. Pneumática - estudo da conservação da energia pneumática em energia mecânica, através dos respectivos elementos de trabalho. O termo pneumática é derivado do grego Pneumos ou Pneuma (respiração, sopro). Introdução à pneumática Como meio de racionalização do trabalho, o ar comprimido vem encontrando, cada vez mais, campo de aplicação na indústria, assim como a água, a energia elétrica, etc. Somente na segunda metade do século XIX é que o ar comprimido adquiriu importância industrial. Sua utilização é anterior ao inventor Leonardo Da Vinci, que em diversos inventos dominou e usou o ar. Introdução à pneumática No velho testamento, são encontradas referências ao emprego do ar comprimido: na fundição de prata, ferro, chumbo e estanho. A história demonstra que há mais de 2000 anos os técnicos construíam máquinas pneumáticas, produzindo energia pneumática por meio de um pistão - como instrumento de trabalho utilizavam um cilindro de madeira dotado de êmbolo. Introdução à pneumática Um longo caminho foi percorrido, das máquinas impulsionadas por ar comprimido na Alexandria - centro cultural vigoroso no mundo helênico - onde foram construídas as primeiras máquinas reais, no século III a. C., aos engenhos pneumoeletrônicos de nossos dias - Evangelista Torricelli, o inventor do barômetro, um tubo de mercúrio para medir a pressão atmosférica, James Watts - com a invenção da máquina a vapor, tendo início a era da máquina, entre outros nomes. Introdução à pneumática Portanto, o homem sempre tentou aprisionar esta força para colocá-la a seu serviço, com um único objetivo: controlá-la e fazê-la trabalhar quando necessário. Atualmente, o controle do ar suplanta os melhores graus da eficiência, executando operações sem fadiga, economizando tempo, ferramentas e materiais, além de fornecer segurança ao trabalho. Introdução à pneumática Na pratica, pneumática é uma técnica em que o ar comprimido é empregado como principal elemento de trabalho. A energia pneumática provém da compressão do ar atmosférico por meios mecânicos, confinado em um reservatório, transformando-o em ar comprimido a uma dada pressão de trabalho. Introdução à pneumática Vantagens da pneumática Quantidade - o ar existe em quantidades ilimitadas; Incremento da produção - com investimento relativamente pequeno; Transporte - o ar comprimido é transportado por meio de tubulações, não existe a necessidade de linhas de retorno como nos sistemas hidráulicos; Vantagens da pneumática Armazenagem - o ar pode ser comprimido e armazenado em um reservatório sem a necessidade do compressor trabalhar continuamente. O compressor somente irá operar quando a pressão no reservatório cair a um determinado valor mínimo ajustado em um pressostato. No caso da hidráulica, há a necessidade do contínuo trabalho da bomba; Vantagens da pneumática Segurança - o ar comprimido não apresenta perigos de explosão ou incêndio. A pressão do ar comprimido utilizado na pneumática é relativamente baixa (6 a 12 bar) comparada a hidráulica (350 bar); Temperatura - o ar é insensível às variações de temperatura. Já o óleo tem sua viscosidade afetada pela temperatura; Vantagens da pneumática Limpeza - como o fluido de utilização é o ar comprimido, não há risco de poluição ambiental, mesmo com eventuais vazamentos. Este fato torna a pneumática a opção mais eficiente para as indústrias alimentícias e farmacêuticas; Construção - o custo construtivo é relativamente menor comparado aos sistemas hidráulicos. Isso se deve ao fato das pressões serem mais baixas possibilitando que os elementos sejam menos robustos e mais leves. Vantagens da pneumática Velocidade - o ar comprimido permite alta velocidade de deslocamento, entre 1 e 2m/s, pode chegar a 10m/s em cilindros especiais e 500.000 r.p.m. em turbinas pneumáticas; Regulagem - as velocidades e forças são reguláveis conforme a necessidade da aplicação; Segurança contra sobrecarga – os elementos pneumáticos podem ser solicitados em carga até parar sem danificá-los. Desvantagens da pneumática Preparação - para que se tenha um ar de boa qualidade, isento de impurezas e umidade, é necessário uma boa preparação do ar, isso é possível através da utilização de filtros e purgadores; Compressibilidade - esta é uma característica de todos os gases, o que impossibilita a utilização da pneumática com velocidades precisas, constantes e uniformes, além disso, é impossível obter paradas intermediárias; Força - os elementos pneumáticos são normalmente projetados para uma pressão relativamente baixa, as forças envolvidas são pequenas se comparadas a outros sistemas; Desvantagens da pneumática Escape de ar - sempre que o ar é expulso de um atuador provoca um ruído relativamente alto, este problema pode ser atenuado através do uso de silenciadores; Custos - os custos de produção (compressão), armazenamento, distribuição e manutenção podem ser considerados significativos. Entretanto o custo da energia é em parte compensado pelos elementos de preços vantajosos e da rentabilidade do equipamento; Propriedades físicas do ar O ar, assim como todos os gases, tem a propriedade de ocupar todo o volume de qualquer recipiente, adquirindo seu formato, já que não tem forma própria. Apesar de insípido, inodoro e incolor, percebemos o ar através dos ventos, aviões e pássaros que nele flutuam e se movimentam, sentimos também o seu impacto sobre o nosso corpo. Concluímos, facilmente, que o ar tem existência real e concreta, ocupando lugar no espaço. Propriedades físicas do ar Compressibilidade - é a propriedade que o ar tem de permitir a redução do seu volume sob a ação de uma força exterior. Propriedades físicas do ar Elasticidade – é a propriedade que possibilita ao ar voltar ao seu volume inicial uma vez extinto o efeito (força) responsável pela redução do volume. Propriedades físicas do ar Difusibilidade – é a propriedade do ar que lhe permitemisturar-se homogeneamente com qualquer meio gasoso que não esteja saturado. Propriedades físicas do ar Expansibilidade – é a propriedade do ar que lhe possibilita ocupar totalmente o volume de qualquer recipiente, adquirindo o seu formato. Propriedades físicas do ar Peso do ar – como toda matéria concreta, o ar tem peso. Colocando dois balões idênticos, numa balança de precisão, hermeticamente fechados, contendo ar com a mesma pressão e temperatura, os pratos da balança se equilibram. Propriedades físicas do ar Se de um dos balões, retira-se o ar através de uma bomba de vácuo, e o coloca sobre a balança (já sem o ar), haverá um desequilíbrio causado pela falta do ar. Um litro de ar, a 0°C e ao nível do mar, pesa 1,293x10-3 Kgf. Propriedades físicas do ar Atmosfera - camada formada por gases, principalmente por oxigênio (O2 - 21%), nitrogênio (N2 - 78%) e 1% de outros gases, que envolve toda a superfície terrestre, responsável pela existência de vida no planeta. Propriedades físicas do ar Pelo fato do ar ter peso, as camadas inferiores são comprimidas pelas camadas superiores. As camadas inferiores são mais densas que as superiores, portanto, um volume de ar comprimido é mais pesado que o ar à pressão normal ou à pressão atmosférica. Quando dizemos que um litro de ar pesa 1,293x10-3 Kgf ao nível do mar, isto significa que, em altitudes diferentes, o peso tem valor diferente. Propriedades físicas do ar Pressão Atmosférica - a atmosfera exerce sobre nós uma força equivalente ao seu peso, mas não a sentimos, pois ela atua em todos os sentidos e direções com a mesma intensidade. O valor da pressão atmosférica ao nível do mar, a uma temperatura de 20°C e a uma umidade relativa de 36% é de 1 atm ou 760 mmHg (milímetros de coluna de mercúrio) ou 1 bar ou 14,5 lbf/pol2. Propriedades físicas do ar A pressão atmosférica varia proporcionalmente à altitude considerada, esta variação pode ser notada. Propriedades físicas do ar Medição da pressão atmosférica – geralmente pensa-se que o ar não tem peso, mas, o oceano de ar cobrindo a terra exerce pressão sobre ela. Torricelli, o inventor do barômetro, mostrou que a pressão atmosférica pode ser medida por uma coluna de mercúrio. Enchendo-se um tubo com mercúrio e invertendo-o em uma cuba cheia com mercúrio, ele descobriu que a atmosfera padrão, ao nível do mar, suporta uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura. Qualquer elevação acima desse nível deve medir evidentemente menos do que isso. Num sistema hidráulico, as pressões acima da pressão atmosférica são medidas em kgf/cm2. As pressões abaixo da pressão atmosférica são medidas em unidade de milímetros de mercúrio (mmHg). Conceitos de força, pressão e temperatura Força - é um agente capaz de deformar (efeito estático) ou acelerar (efeito dinâmico) um corpo. A unidade no SI é denominada 1 newton = 1N, em homenagem a Isaac Newton. Embora seja bastante usada no dia a dia, o kgf não é a unidade de força no SI, tendo sua correspondência de 1kgf = 9,81N. Conceitos de força, pressão e temperatura Pressão - é o quociente da divisão da intensidade de uma força pela área onde ela atua. A pressão é resultante da colisão das moléculas do gás com as paredes do recipiente que o contém, é força por unidade de área. É medida em atmosfera (atm), milímetros de mercúrio (mmHg), torricelli (torr), Bar (bar) ou kilograma força por centímetro quadrado (kgf/cm2). 1 atm = 760 mmHg = 76 cmHg 1mmHg = 1 torr 1 atm = 1,0332275 kgf/cm2 ]/[ A P 2 cmkgf F = Conceitos de força, pressão e temperatura Unidades de Pressão Conceitos de força, pressão e temperatura Temperatura - é uma medida da energia cinética das moléculas que constituem o gás. Quanto mais alta a temperatura do gás, mais altas serão as velocidades das moléculas que o formam. A escala Kelvin considera como ponto zero a situação de total ausência de movimento das partículas que constituem a matéria. Para converter a temperatura Celsius em Kelvin (temperatura absoluta): T(K) = T(°C) + 273.15 Nos cálculos envolvendo gases, costuma-se definir as condições normais de temperatura e pressão (CNTP), que seria o gás na temperatura de 0 °C (273.15 K) e 1 atm (760 mmHg) de pressão. Leis dos gases Lei de Boyle-Mariotte - estabelece que à temperatura constante, a massa de um dado gás ocupa um volume que é inversamente proporcional à pressão exercida sobre o mesmo. Se a pressão é dobrada, o volume cai para a metade. Se a pressão cai para a metade, o volume dobra. Transformações gasosas à temperatura constante são chamadas de isotérmicas. 2211 PP VV ×=× Leis dos gases Lei de Charles/Gay-Lussac estabelece que à pressão constante, o volume ocupado por uma massa gasosa é diretamente proporcional à temperatura absoluta. Transformações gasosas à pressão constante são chamadas de isobáricas. Se a temperatura do gás dobra, seu volume também dobrará. Se a temperatura do gás cair para metade, o volume também cairá para metade. 2 2 1 1 T V T V = Leis dos gases Outra constatação de Charles/Gay-Lussac é a de que à volume constante, a pressão exercida por uma massa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta. Transformações gasosas à volume constante são chamadas de isocóricas ou isovolumétricas. 2 2 1 1 T P T P = Equação Geral dos Gases As equações apresentadas se prestam a situações em que uma das variáveis do gás se mantém constante. Para o caso em que as três variáveis se modifique durante o processo temos a equação geral dos gases, que é obtida a partir das leis apresentadas anteriormente. 2 22 1 11 T VP T VP × = × Cálculo envolvendo a equação geral dos gases (Estácio-RJ) Mediu-se a temperatura de 20 L de gás hidrogênio (H2) e o valor encontrado foi de 27 ºC a 700 mmHg. O novo volume desse gás, a 87 ºC e 600 mmHg de pressão, será de: a. 75 L. b. 75,2 L. c. 38 L. d. 40 L. e. 28 L. Cálculo envolvendo a equação geral dos gases (Estácio-RJ) Um volume de 10 L de um gás perfeito teve sua pressão aumentada de 1 para 2 atm e sua temperatura aumentada de -73 °C para +127 °C. O volume final, em litros, alcançado pelo gás foi de: a. 50 L b. 40 L c. 30 L d. 20 L e. 10 L Cálculo envolvendo a equação geral dos gases (UCDB-MS) Certa massa de gás estava contida em um recipiente de 20L, à temperatura de 27ºC e pressão de 4 atm. Sabendo que essa massa foi transferida para um reservatório de 60L, à pressão de 4 atm, podemos afirmar que no novo reservatório: a. A temperatura absoluta ficou reduzida a 1/3 da inicial. b. A temperatura em º C triplicou o seu valor inicial. c. A temperatura em º C ficou reduzida a 1/3 de seu valor inicial. d. A temperatura absoluta triplicou seu valor inicial.
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