Unidade 1 preparacao-e_distribuicao

INSTITUTO FEDERAL SUL-RIO-GRANDENSE - CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL (PNEUMÁTICA) – Prof. TAYLOR SOARES ROSA - 25/2/2010

UNIDADE 1 - A PREPARAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DO AR
COMPRIMIDO
1.1 PROPRIEDADES DO AR E PRINCÍPIOS BÁSICOS
Utilização do ar comprimido (vantagens e limitações):
Vantagens:
- Aumento da produção com investimento relativamente pequeno.
- Redução dos custos operacionais.
- Robustez dos componentes pneumáticos.
- Facilidade de implantação.
- Resistência a ambientes hostis.
- Simplicidade de manipulação.
- Segurança.
- Redução do número de acidentes.
Limitações:
- O ar comprimido necessita de tratamento adequado para realizar o trabalho
proposto: remoção de impurezas, eliminação de umidade.
- Os componentes pneumáticos são normalmente projetados e utilizados para
trabalhar com forças de intensidade pequena se comparados a outros sistemas.
- Velocidades muito baixas são difíceis de ser obtidas com o ar comprimido
devido às suas propriedades físicas. Neste caso, recorre-se a sistemas mistos
(hidráulicos e pneumáticos).
- O ar é um fluido altamente compressível, portanto, é impossível se obterem
paradas intermediárias e velocidades uniformes.
- O ar comprimido é um poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões para a
atmosfera. Esta poluição pode ser evitada com o uso de silenciadores nos
orifícios de escape.
Propriedades Físicas do Ar
O ar é composto pelo oxigênio, nitrogênio, gás carbônico e mais seis gases – argônio,
criptônio, hélio, neônio, radônio e xenônio. Estes últimos são denominados gases raros,
porque existem em pequenas quantidades no ar. Esta mistura de gases têm como
características principais, não ter gosto (insípido), não ter cheiro (inodoro) e não ter cor
(incolor). As principais propriedades do ar são:
Compressibilidade - Podemos concluir que o ar permite reduzir o seu volume quando
sujeito à ação de uma força exterior.

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Elasticidade - Propriedade que possibilita ao ar voltar ao seu volume inicial uma vez
extinto o efeito (força) responsável pela redução do volume.
Difusibilidade - Propriedade do ar que lhe permite misturar-se homogeneamente com
qualquer meio gasoso que não esteja saturado.
Expansibilidade - Propriedade do ar que lhe possibilita ocupar totalmente o volume de
qualquer recipiente, adquirindo o seu formato.
LEI GERAL DOS GASES PERFEITOS
As leis de Boyle-Mariotte, Charles e Gay Lussac referem-se a transformações de estado,
nas quais uma das variáveis físicas permanece constante. Geralmente, a transformação
de um estado para outro envolve um relacionamento entre todas, sendo assim, a relação
generalizada é expressa pela fórmula, apresentada na figura abaixo:

Fonte - PARKER

PRINCÍPIO DE PASCAL
"A pressão exercida em um líquido confinado em forma estática atua em todos os
sentidos e direções, com a mesma intensidade, exercendo forças iguais em áreas iguais".
TEOREMA DE BERNOULLI
O teorema de Bernoulli expressa a lei da conservação da energia para o escoamento de
fluidos. As parcelas de energia que compõe um fluido em movimento podem ser
teoricamente agrupadas em três tipos:
1º - Parcela referente à energia cinética (Ec)
2º - Parcela referente à energia de pressão (Ep)
3º - Parcela referente à energia potencial de altura (Eh)

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Um fluido em movimento, em regime permanente e sem alteração de altura, se sofrer a
mudança da velocidade (Ec) provoca alteração na pressão (Ep).

1.2 PRODUÇÃO DO AR COMPRIMIDO
O equipamento fundamental e indispensável para a automação industrial pneumática é
denominado compressor, sendo que será feita uma revisão breve sobre o funcionamento
dos principais tipos de compressores utilizados.
Compressores - São máquinas destinadas a elevar a pressão de um certo volume de ar,
admitido nas condições atmosféricas, até uma determinada pressão, exigida na execução
dos trabalhos realizados pelo ar comprimido.
Podem ser classificados e definidos segundo os princípios de trabalho que os mesmos
utilizam, conforme a figura abaixo:

Fonte - PARKER

Compressor tipo deslocamento positivo
Baseia-se fundamentalmente na redução de volume. O ar é admitido em uma câmara
isolada do meio exterior, onde seu volume é gradualmente diminuído, processando-se a
compressão.
Quando o nível de pressão é atingido, provoca a abertura de válvulas de descarga, ou
simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga durante a contínua diminuição
do volume da câmara de compressão.
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Compressor tipo deslocamento dinâmico
A elevação da pressão é obtida por meio de conversão de energia cinética em energia de
pressão, durante a passagem do ar através do compressor. O ar admitido é colocado em
contato com impulsores (rotor laminado) dotados de alta velocidade. Este ar é
acelerado, atingindo velocidades elevadas e consequentemente os impulsores
transmitem energia cinética ao ar. Posteriormente, seu escoamento é retardado por meio
de difusores, obrigando a uma elevação na pressão.
Tipos de compressores
a) Compressor de fluxo radial (desloc. dinâmico)
O ar é acelerado a partir do centro de rotação, em direção à periferia, ou seja, é
admitido pela primeira hélice (rotor dotado de lâminas dispostas radialmente),
axialmente, é acelerado e expulso radialmente.

FONTE: PARKER

Os compressores de fluxo radial requerem altas velocidades de trabalho, como por
exemplo, 334, 550, 834 até 1667 r.p.s. Isto implica também em um deslocamento
mínimo de ar (0,1667 m3/s).
b) Compressor de Parafuso (desloc. positivo)
Este compressor é dotado de uma carcaça onde giram dois rotores helicoidais em
sentidos opostos. Um dos rotores possui lóbulos convexos, o outro uma depressão
côncava e são denominados, respectivamente, rotor macho e rotor fêmea. Os rotores são
sincronizados por meio de engrenagens; entretanto existem fabricantes que fazem com
que um rotor acione o outro por contato direto.

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O processo mais comum é acionar o rotor macho, obtendo-se uma velocidade menor do
rotor fêmea. Estes rotores revolvem-se numa carcaça cuja superfície interna consiste de
dois cilindros ligados como um "oito".
O ar entra pela abertura de admissão
preenchendo o espaço entre os parafusos
Rotor macho
Rotor fêmea

À medida que os rotores giram, o ar é
isolado, e começa a compressão

O movimento de rotação produz
uma compressão suave, que
continua até o começo da abertura
da descarga.

O ar comprimido é suavemente
descarregado do compressor,com a
abertura de descarga selada até a
passagem do volume comprimido do
ciclo seguinte
FONTE: PARKER

c) Compressor de simples efeito (desloc. positivo)

FONTE: PARKER

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d) Compressor de duplo efeito – cruzeta (desloc. positivo)

FONTE: PARKER

Este compressor é assim chamado por ter duas câmaras, ou seja, as duas faces do
êmbolo aspiram e comprimem. O virabrequim está ligado a uma cruzeta por uma biela;
a cruzeta, por sua vez, está ligada ao êmbolo por uma haste. Desta maneira consegue
transmitir movimento alternativo ao êmbolo, além do que, a força de empuxo não é
mais transmitida ao cilindro de compressão e sim às paredes guias da cruzeta.
O êmbolo efetua o movimento descendente e o ar é admitido na câmara superior,
enquanto que o ar contido na câmara inferior é comprimido e expelido. Procedendo-se o
movimento oposto, a câmara que havia efetuado a admissão do ar realiza a sua
compressão e a que havia comprimido efetua a admissão. Os movimentos prosseguem
desta maneira, durante a marcha do trabalho.
Sistema de Refrigeração dos Compressores (Resfriamento Intermediário)
Remove o calor gerado entre os estágios de compressão, visando:
- Manter baixa a temperatura das válvulas, do óleo lubrificante e do ar que está sendo
comprimido (com a queda de temperatura do ar a umidade é removida).
- Aproximar a compressão da isotérmica, embora esta dificilmente possa ser atingida,
devido à pequena superfície para troca de calor.
- Evitar deformação do bloco e cabeçote, devido às temperaturas.
- Aumentar a eficiência do compressor.
O resfriamento do compressor pode ser realizado através da circulação forçada de água
nas paredes duplas do cilindro, ou através de circulação de ar (para compressores de
menor capacidade de produção de ar).

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1.3 PREPARAÇÃO FINAL DO AR COMPRIMIDO
Após receber a energia e ter a sua pressão aumentada, outras operações são necessárias
para adequar a sua utilização nos equipamentos e processos de automação industrial
pneumática.
Estas operações são necessários devido ao fato de que o ar atmosférico é uma mistura
de gases, principalmente de oxigênio e nitrogênio, e contém contaminantes de três tipos
básicos: água, óleo e poeira.
Portanto, é necessário:
- Retirar a umidade;
- Regular a pressão no ponto de aplicação;
- Lubrificar.
As partículas de poeira, em geral abrasivas, e o óleo queimado no ambiente de
lubrificação do compressor, são responsáveis por manchas nos produtos.
1.3.1 RETIRADA DA UMIDADE
A quantidade de umidade que o ar possui depende de fatores climáticos e atmosféricos
da região onde o equipamento pneumático se encontra operando, sendo, portanto, mais
crítico em regiões de elevada média de umidade do ar.
Existem duas importantes características que estabelecem a quantidade de umidade que
o ar tem capacidade de reter, e que são inerentes ao processo de compressão e utilização
do ar comprimido. Estes fenômenos têm explicações físicas que não serão abordadas
aqui, porém podem ser entendidas de modo simplificado, conforme colocado a seguir:
1ª – a capacidade de retenção de vapor de água em mistura com o ar depende da
temperatura em que o ar se encontra.
“quanto maior a temperatura, maior a quantidade de vapor de água”
2ª – a redução de volume, altera a capacidade de retenção de água no ar.
“quanto maior a pressão , menor a quantidade de retenção de água”

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Obs 1.: A água se precipita somente se houver retirada de calor.
Obs 2.: Num processo normal ocorre um aumento de temperatura que atua de modo
contrário a redução de volume e compensa o efeito.
Onde ocorre a condensação da umidade?
A precipitação de água ocorrerá quando o ar sofrer um resfriamento, seja no resfriador
ou na linha de distribuição. Isto explica porque no ar comprimido existe sempre ar
saturado com vapor d'água em suspensão, que se não for retirado, se precipita ao longo
das tubulações na proporção em que se resfria.
A presença desta água condensada nas linhas de ar, causada pela diminuição de
temperatura, proporciona:
- Oxidação da tubulação e componentes pneumáticos;
- Destruição da película lubrificante existente entre as duas superfícies que estão
em contato, acarretando desgaste prematuro e reduzindo a vida útil das peças, válvulas,
cilindros, etc;
- Prejuízo na produção de peças;
- Arraste partículas sólidas que prejudicarão o funcionamento dos componentes
pneumáticos;
- Aumento do índice de manutenção;
- Impossibilita a aplicação em equipamentos de pulverização.
- Provoca golpes de ariete nas superfícies adjacentes, etc.
Portanto, é de extrema importância que grande parte da água, bem como dos resíduos de
óleo, sejam removidos do ar para minimizar os efeitos citados.
1.3.2 MÉTODOS PARA A RETIRADA DE UMIDADE
- Secagem por refrigeração
- Secagem por absorção
- Secagem por adsorção
a) Secagem por Refrigeração
O ar presente no ar comprimido é prejudicial aos componentes pneumáticos, a
quantidade de retenção de umidade do ar é, por exemplo:
Temperatura do ar (ºC)
130

Capacidade de retenção de umidade (kg/m³)
1,496

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Para resolver de maneira eficaz o problema inicial da água nas instalações de ar
comprimido, o equipamento mais completo é o resfriador posterior.
O resfriador posterior é simplesmente um trocador de calor utilizado para resfriar o ar
comprimido. Como conseqüência deste resfriamento, permite-se retirar de 75% a 90%
do vapor de água contido no ar, bem como vapores de óleo. A figura abaixo
esquematiza uma instalação típica.

FONTE: PARKER

b) Secagem por Absorção
Processo químico de secagem, que utiliza uma substância, é um método que utiliza em
um circuito uma substância sólida ou líquida, com capacidade de absorver outra
substância líquida ou gasosa.
O ar é conduzido no interior de um volume através de uma massa higroscópica,
insolúvel ou deliqüescente que absorve a umidade do ar, processando-se uma reação
química.
As substâncias higroscópicas são classificadas como insolúveis quando reagem
quimicamente com o vapor d'água, sem se liquefazerem. São deliqüescentes quando, ao
absorver o vapor d'água, reagem e tornam-se líquidas.
As principais substâncias utilizadas são: Cloreto de Cálcio, Cloreto de Lítio, Dry-o-Lite.

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FONTE: PARKER

c) Secagem por Adsorção
Acontece a adsorção quando as moléculas de uma substância (água) se depositam na
superfície de outra substância, geralmente sólida (SiO2). Este método também é
conhecido por Processo Físico de Secagem.
O processo é regenerativo; a substância adsorvente, após estar saturada de umidade,
permite a liberação de água quando submetida a um aquecimento regenerativo.
As torres são preenchidas com Óxido de Silício SiO2 (Silicagel), Alumina Ativa Al2O3,
Rede Molecular (Na Al O2 Si O2) ou ainda Sorbead.
Na outra torre ocorrerá a regeneração da substância adsorvente, que poderá ser feita por
injeção de ar quente; na maioria dos casos por resistores e circulação de ar seco.
Havendo o aquecimento da substância, provocaremos a evaporação da umidade. Por
meio de um fluxo de ar seco a água em forma de vapor é arrastada para a atmosfera.
Deve ser montado um filtro de Carvão Ativo antes da entrada do secador, para eliminar
os resíduos de óleo, que, em contato com as substâncias de secagem, causam sua
impregnação, reduzindo consideravelmente o seu poder de retenção de umidade.

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Fonte: PARKER

Fonte: FESTO DIDATIC

Esquema do funcionamento do sistema regenerativo

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1.3.3 UNIDADES DE PREPARAÇÃO E CONDICIONAMENTO FINAL
- LUBREFIL –

Fonte: PARKER

Após ser realizada a compressão e retirada a maior parte da umidade presente no ar
comprimido, o ar está em condições de ser utilizado para as suas aplicações em
equipamentos e instalações pneumáticas.
A preparação final do ar se dá no ponto de utilização através das seguintes operações:
a)
b)
c)
d)

Filtragem
Retirada de condensado
Regulagem de pressão
Lubrificação

a) Filtragem
A retirada de impurezas geradas no processo de compressão do ar, da oxidação interna
de tubulações e reservatórios, bem como as que eventualmente foram introduzidas do
ambiente exterior, podem vir a prejudicar a operação das válvulas e atuadores
pneumáticos.
A filtragem do ar consiste na passagem do ar através de um elemento filtrante de bronze
sinterizado ou malha de nylon.

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b) Retirada de condensado
A movimentação do ar em contato com o defletor e as paredes do copo do filtro faz com
que a umidade contida se aglutine, e por gravidade se acumule na parte inferior do
mesmo. Periodicamente o mesmo deve ser drenado através do dispositivo de purga.

c) Regulagem de pressão
Os atuadores pneumáticos necessitam uma pressão de trabalho uniforme para
realizarem seu papel. O nível de pressão que os equipamentos pneumáticos funcionam
depende das suas especificações, portanto é fundamental a regulagem da pressão na
utilização. A válvula reguladora de pressão cumpre este papel, estabelecendo o valor
desejado para cada tipo de equipamento, e evitando que a pressão na utilização aumente
com o aumento da carga ou mesmo quando o atuador chegar ao fim de curso.
O funcionamento esta representado pela figura a seguir:

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Orifício responsável
pela exaustão em
caso de sobre pressão
na utilização

Mola responsável por regular
a pressão de utilização


d) Lubrificação
Os atuadores e válvulas possuem
movimentos
relativos
de
seus
elementos móveis, e os elementos de
vedação devem ser lubrificados para
reduzir o atrito e conseqüentemente
aumentar a durabilidade e vida útil dos
mesmos.
O tipo de óleo utilizado deve ser
compatível com o material do
elemento vedante, seguindo a risca as
recomendações dos fabricantes, sob
pena de ataque e danificação do
mesmo.
A aplicação do lubrificante segue o
princípio
do
venturi
e
está
esquematizado na figura ao lado:

1.3.4 FILTRO COALESCENTE
Retiram 99,9% das impurezas e umidade, sendo utilizado em situações onde não pode
haver presença de umidade e outras impurezas. Utilizados em situações de produção
presentes em indústrias químicas, farmacêuticas, eletrônicas...
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O mecanismo de operação de um filtro coalescente baseia-se em dois processos
distintos: a retenção mecânica e a coalescência.
A retenção mecânica é a simples obstrução da passagem do
contaminante através do elemento, permitindo apenas que o ar
comprimido siga adiante.
A Colescência é a aglutinação de partículas minúsculas de líquidos
em suspensão em partículas de maior tamanho, ou a ação pela qual,
partículas líquidas em suspensão unem-se para formar partículas
maiores.
O princípio de funcionamento de um elemento filtrante tipo
coalescente está baseado nos seguintes mecanismos: Interceptação
direta, impacto inercial, difusão.

fonte: zenoar

Fonte: ZENOAR

A coalescência não impede que a contaminação líquida atravesse todo o meio filtrante,
ao contrário, ela permite que isso ocorra para que os contaminantes coalescidos
(aglutinados) possam dirigir-se ao fundo da carcaça do filtro pela ação da gravidade e
sejam drenados para o exterior a partir desse ponto.

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1.4 EQUIPAMENTOS PARA AS INSTALAÇÕES DE AR COMPRIMIDO
Resumidamente a figura abaixo mostra os principais elementos necessários para uma
instalação industrial de produção e distribuição de ar comprimido. Os principais
equipamentos que serão abordados são:
• Reservatórios
• Tubulações
• Separadores de condensado
• Purgadores

Fonte: PARKER

1.4.1 RESERVATÓRIO DE AR COMPRIMIDO
As funções principais dos reservatórios são:
- Armazenar o ar comprimido.
- Resfriar o ar auxiliando a eliminação do
condensado.
- Compensar as flutuações de pressão em todo o
sistema de distribuição.
- Estabilizar o fluxo de ar.
- Controlar as marchas dos compressores, etc.

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Fonte: PARKER


1.4.2 TUBULAÇÕES, SEPARADORES DE CONDENSADO E PURGADORES
O aspecto a ser enfatizado está relacionado com a inclinação da instalação, e
dispositivos auxiliares que proporcionam o direcionamento e retenção do condensado a
ser retirado pelos purgadores instalados ao longo da linha de distribuição de ar
comprimido. As figuras abaixo enfatizam alguns aspectos a serem observados:


FONTES:
FESTO DIDATIC – INTRODUÇÃO A SISTEMAS ELETRO PNEUMÁTICOS –1994.
FESTO DIDATIC - INTRODUÇÃO À PNEUMÁTICA; 2 ed. – 1994.
PARKER Training –Tecnologia Pneumática Industrial –Apostila M1001BR – 2000.
PARKER Training – Tecnologia Eletro pneumática Industrial – Apostila M1002-2BR – 2001.
ZENOAR – Manual de ar comprimido – 1ª ed – 2006.

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