trabalho rede de ar comprimido, Manuais, Projetos, Pesquisas de Automação

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UNIVERSIDADE DA REGIÃO DE JOINVILLE – UNIVILLE

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA

REDE DE AR COMPRIMIDO

GRAZIELLI MATIOSKI

LUCAS AUGUSTO FERNANDES WERNER

PROFESSOR: MARCOS FRANCISO IETKA

JOINVILLE-SC

SUMÁRIO

1.0 INTRODUÇÃO

A necessidade e utilização de ar-comprimido nas instalações industriais, oficinas mecânicas e outros estabelecimentos comerciais é hoje uma realidade cada vez mais presente no dia-a-dia das pessoas que executam as mais diferentes atividades desde produção até a manutenção. Diante dessa realidade é importante que se obtenha a maior rentabilidade de um sistema que possa atender perfeitamente as necessidades requeridas através de um bom projeto e dimensionamento correto dos equipamentos utilizados, visando sempre à segurança das pessoas e a economia de energia, que é um fator de peso nos custos. Com este entendimento o presente trabalho se propõe a oferecer uma solução de projeto para uma rede de distribuição de ar comprimido.

2.0 PROBLEMA

Um mau dimensionamento na rede de ar comprimido pode acarretar em diversas consequências, ela deve ser planejada e deve considerar diferentes parâmetros de forma a garantir o atendimento de sua planta, como a economia e a segurança dos funcionários. O dimensionamento inadequado dos equipamentos também é uma causa comum de problemas na produtividade, pois é de extrema importância entender qual pressão deve ser utilizado para cada equipamento pneumático, para que não haja danificações e excesso de consumo de energia. A má qualidade do ar comprimido acarretando em uma alta temperatura é apenas um dos fatores que prejudicam a qualidade do ar comprimido, a umidade e o óleo estão entre os principais contaminantes que reduzem a eficiência energética e a vida útil dos equipamentos pneumáticos. Para evitar todos esses problemas e manter uma temperatura adequada para a rede de ar comprimido é importante limpar os refrigeradores do compressor, garantir que o compressor esteja instalado num ambiente arejado, utilizar dutos para direcionar o ar quente do compressor para fora da sala, utilizar equipamentos resfriados a água caso as condições não permitam um bom resfriamento a ar.

4.0 REVISÃO DA LITERATURA

4.1 PROPRIEDADES FÍSICAS DO AR

Para entender como é possível comprimir o ar e transforma-lo em energia, é necessário entender a física por trás disso, sendo assim, as três principais propriedades físicas do ar que fazem com que ela possa ser utilizado na pneumática, são a compressibilidade, expansibilidade e elasticidade. Pode-se dizer que a compressibilidade é uma característica que o ar apresenta de reduzir o seu volume, ocorre quando a matéria sofre ação de uma força, assim ela acaba se comprimindo, ou seja, forças essas que produzem um aumento de pressão e uma diminuição do volume ocupado por ele. Esta propriedade física relacionada ao ar atmosférico, talvez seja para a pneumática a mais significativa, por fato de que é por meio da compressão do ar atmosférico que é produzida a energia pneumática, que em seguida é transformada em transmissão de potência ou trabalho pelos atuadores. Fonte: Fialho (2011) A expansibilidade conforme Fialho (2011), é uma característica do ar de adquirir a forma do recipiente que o contém, ocupando totalmente seu volume podendo assim mudar a forma em um pequeno esforço; Figura 1 - Exemplo da propriedade de compressibilidade do ar

Fonte: Fialho (2011) E a elasticidade, segundo Fialho (2011), é a propriedade que possibilita ao ar retornar ao seu volume inicial, uma vez que o esforço que o comprimiu cessa. Fonte: Fialho (2011) 4.2 COMPONENTES DE UMA REDE DE AR COMPRIMIDO Para transformar o ar atmosférico em ar comprimido e manter a qualidade do ar da rede de ar comprimido até as unidade consumidoras (atuadores) é preciso de diversas máquinas e dispositivos, como purgadores, pós resfriadores, secadores, filtros entre outros componentes. Com o objetivo de realizar o dimensionamento da rede de ar comprimido de forma mais eficiente possível, é necessário conhecer esses componentes e suas funções. Figura 2 – Exemplo da propriedade de expansibilidade do ar do ar Figura 3 – Exemplo da propriedade de elasticidade do ar

O movimento de vai-e-vem do pistão gera o fluxo de ar, que pode ser utilizado imediatamente ou armazenado em reservatórios, que são acoplados diretamente no Compressor de Ar. Os Compressores a Pistão podem ser com reservatórios ou sobre base sem reservatório. Outro diferencial destes produtos é que eles possuem Válvulas Unidirecionais, que impedem que o ar comprimido vá para outro sentido, evitando assim que o ar retorne para bomba, aumentando assim a vida útil dos Compressores. O Pistão é uma das formas mais antigas de geração de Ar Comprimido, mas continua sendo o mais versátil do mercado, graças a grande variedade de tamanhos de Pistões disponíveis no mercado. O Compressor de Pistão é indicado também para a Compressão de Gases em altas pressões. Isso torna estes equipamentos ideais para Compressão de Oxigênio. Fonte: mtibrasil.com.br 4.2.1.2 Compressor a parafuso O compressor a parafuso, que é um compressor de ar que funciona a partir de um mecanismo de deslocamento positivo ou rotativo. Para que o Figura 5 – Compressor a pistão

compressor a parafuso funcione, ele possui um processo de movimento de varredura, fazendo com que haja pouca pulsação ou fluxo. O compressor a parafuso faz uso de dois parafusos helicoidais articulados, que são conhecidos como rotores, com a função de fazer a compressão do ar. Quando está em funcionamento, o compressor a parafuso faz com que as engrenagens que distribuem o ar façam um alinhamento preciso dos rotores macho e fêmea. O compressor a parafuso pode ser ainda lubrificado a óleo ou isento do mesmo. Porém, quando faz uso do óleo para lubrificação, ele proporciona um tipo de vedação hidráulica e de transferência da energia mecânica durante o tempo de condução do rotor. No compressor a parafuso, ocorre a entrada no ar no lado de sucção e vai se movendo por meio das roscas dos parafusos. Para ter eficiência, esse mecanismo depende das folgas que estão presentes na montagem entre os rotores. Uma das características do compressor a parafuso é que ele é muito mais compacto e possui um funcionamento quase que livre de vibração, o que não causa incômodo. Alguns compressores a parafuso são fabricados fazendo uso da vibração elastômero, que faz com que o compressor absorva as vibrações de alta frequência, principalmente em compressores que funcionam em alta velocidade. Fonte: mtibrasil.com.br Figura 6 – Compressor a parafuso

4.2.2.2 Resfriamento intermediário a ar Uma alternativa que possa ser vantajosa e conveniente para compressores pequenos e médios que possam ser instalados em locais onde o calor possa ser retirado facilmente das dependências, o resfriamento intermediário a ar pode ser realizado de duas formas: circulação onde os cilindros e cabeçotes do compressor são aletados proporcionando maior troca de calor por meio da circulação do ar ambiente e com auxílio de hélices nas polias de transmissão. Outra forma é a ventilação forçada onde a refrigeração interna dos cabeçotes e o resfriador intermediário é conseguida através de ventilação forçada ocasionada por uma ventoinha, expulsando uma parcela do calor gerado pela compressão do ar. 4.2.3 Pós resfriador (After cooler) Todo o ar atmosférico contém algumas quantidades de vapor de água principalmente quando o ar é comprimido aumentando a quantidade de água, para evitar problemas na instalação do compressor, é preciso tratar o ar comprimido utilizando pós resfriador. Após a compressão e saída do compressor, o ar comprimido apresenta altas temperaturas e com isso a umidade presente nele está em estado gasoso, sendo muito difícil de realizar a sua retirada, o pós resfriador busca realizar da diminuição da temperatura do ar comprimido proveniente do compressor antes da entrada do mesmo no reservatório, com a diminuição da temperatura do ar, a umidade em estado gasoso presente no ar se condensa, acumulando-se na superfície da tubulação, podendo fazer sua remoção de modo a não provocar danos às unidades consumidoras do ar comprimido. Um pós resfriador é constituído basicamente por duas partes: um corpo cilíndrico, onde se encontram feixes de tubos confeccionados com materiais de boa condução de calor, por onde a água de refrigeração irá circular. A segunda parte é um separador de condensado dotado de dreno onde o ar do compressor passa pelo meio dos tubos, fazendo com que ocorra troca de calor entre os fluídos e a precipitação da umidade que em seguida é eliminada da rede por meio do dreno.

Fonte: Iesa 4.2.4 Reservatório de ar comprimido O reservatório de ar comprimido é essencial para os sistemas de ar comprimido, pois tem a função de equilibrar e armazenar a pressão entre o compressor e o sistema de consumo. Como a capacidade máxima do compressor é maior que o consumo máximo do sistema e muito maior que o consumo mínimo, o compressor possui dispositivos que fazem variar a sua produção e essa alternância acarreta em variações de pressão no sistema de ar comprimido que são absorvidos pelo reservatório de ar comprimido. Os reservatórios de ar comprimido têm algumas funções tais como:  Diminuir a temperatura do ar comprimido  Aumentar a duração entre a carga e alívio do compressor  Expandir o ar para efetuar a troca de calor  Igualar a variação de pressão a partir das variações geradas pelo compressor de ar comprimido Além dessas funções, ele possui também, como a maioria dos equipamentos de tratamento de ar comprimido, tem a função de separar o condensado presente no ar comprimido, que será drenado por um purgador que preferencialmente deve ser automático, conforme mostrado na figura a seguir. Figura 8 – Esquema mostrando o pós resfriador

Fonte: Schulz 4.2.6 Pré Filtro Coalescente O filtro coalescente é um filtro que tem a capacidade de reter partículas sólidas, porém a disposição de suas fibras permite a retenção de aerossóis, eles são eficientes também para reter o óleo proveniente do compressor. Quando o ar comprimido sai pelo compressor possui, além da umidade, partículas micrométricas e óleo proveniente do compressor, que, se não retiradas podem acarretar em danos às máquinas e equipamentos que farão uso do ar comprimido, o filtro coalescente consegue eliminar partículas menores que 1 mícron, enquanto filtros normais conseguem eliminar no máximo em 2 mícron. O funcionamento do filtro coalescente é dividido em três partes: difusão, onde os contaminantes sólidos presentes no ar, ao se chocar com o elemento filtrante ficam presos pela força de Van Der Waals e os líquidos coalescem e caem pela ação da gravidade, a intercepção, que é o mecanismo utilizado para eliminar partículas de dimensões de 0,2 a 2 mícron e o impacto direto, utilizado para retirada de contaminantes acima de 2 mícron, que ocorre pela colisão dos contaminantes na parede do filtro e consequente retirada dos mesmos. Os elementos filtrantes coalescentes típicos apresentam uma porosidade de 8 a 10 mícron na superfície interna, com uma redução para Figura 10 – Purgador automático

poros de 0,5 mícron no interior do elemento, e aumentando para poros de 40 a 80 mícron na superfície externa. Fonte: Schulz 4.2.7 Secador de ar A principal função de um secador de ar comprimido é deixar o ar seco, eliminando a água do sistema, ele também tem a função de retirar a umidade do ar comprimido, e ele funciona levando a temperatura do ar comprimido ao ponto de orvalho da água (condensação da umidade). Um secador de ar comprimido é composto de compressor, condensador, evaporador e ventilador, esses quatro componentes são as principais peças de um secador de ar comprimido, porém para obter uma performance na qualidade do ar comprimido, os secadores precisam contar com um filtro coalescente, o pressostato que serve para proteger o secador de ar caso ocorra um aumento na pressão, o separador de líquidos e óleo que separa as impurezas e a água do ar comprimido e a válvula solenoide que tem a função de retirar a agua para fora do secador de ar comprimido, eliminando as impurezas e os condensados que são formados dentro do secador. Figura 11 – Pré-filtro coalescente

4.2.7.2 Secador por absorção A secagem por absorção é um processo puramente químico no qual o vapor de água é ligado ao material de absorção, podendo ser sólido ou líquido, combinando quimicamente com ele e diluindo na forma de uma combinação elemento secador̸ água. O cloreto de sódio e o ácido sulfúrico são frequentemente usados nesse sistema, podendo assim levar a corrosão caso não haja uma reposição regular e também por ser um processo puramente químico essa mistura deve ser removida periodicamente do absorvedor, caso contrário o processo torna-se deficiente. A umidade retirada e a substância diluída são depositadas na parte inferior, junto a um dreno, de onde são eliminadas para a atmosfera. Fonte: Apostila M1004 da Parker Training 4.2.7.3 Secador por adsorção O secador de ar por adsorção consiste basicamente de duas câmaras com dessecante, o dessecante pode ser de vários tipos e normalmente sua escolha depende muito do ponto de orvalho desejado, o dessecante possui Figura 13 – Esquema de funcionamento de um secador por absorção

maior atração pelo vapor de água do que pelo ar comprimido, e quando maior a capacidade de retenção de água do dessecante, menores pontos de orvalho podem ser obtidos, porém os custos do dessecante também são maiores. O funcionamento consiste do ar atravessando uma das câmaras a partir da entrada, que fica sempre localizada na parte inferior da câmara, e é forçado a atravessar todo o conteúdo do dessecante até atingir o topo da câmara onde fica localizada a saída de ar. Durante esse trajeto o dessecante fica saturado com vapor de água. Ao mesmo tempo a segunda torre esta desativada, e recebe parte do ar seco que acabou de atravessar a torre. Esse ar seco pressuriza a câmara desativada e abre uma válvula solenoide que fica localizada na parte inferior da câmara. Dessa forma toda a umidade que havia na câmara desativada, do ciclo anterior, é purgada e esta câmara ficará disponível para ser utilizada no próximo ciclo. O consumo do secador por adsorção é muito baixo, já que apenas os purgadores eletrônicos (válvulas solenoides) consomem energia elétrica e por um curto período de tempo. Fonte: Docplayer Figura 14 – Esquema de funcionamento de um secador por adsorção