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UNIVERSIDADE PAULISTA
LABORATÓRIO DE PNEUMÁTICA Prof. Marcos Dorigão Manfrinato
ARARAQUARA
2009
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INTRODUÇÃO
Esta apostila é uma compilação de partes de livros que abordam a ementa da disciplina
Acionamentos Fluido Mecânicos. Os livros utilizados para compor a ementa foram:
1. Ariveltro Bustamante Fialho. Automação Pneumática – projetos, dimensionamento e análise
de circuitos. 2° edição, Editora Érica, 2004.
2. Antonio Creus Solé. Neumática e Hidráulica. 1° edição, Ediciones Técnicas Marcombo, 2007.
3. Harry L. Stewart. Pneumática & Hidráulica. 3° edição, Editora Hemus, 2007
4. Nelso Gauze Bonacorso e Valdir Noll. Automação Eletropneumática. 11° edição, Editora
Érica, 2008.
5. FESTO DIDATIC, Introdução a Pneumática, São Paulo, Editora Festo Didact, 2004.
6. FESTO DIDATIC, Introdução a Sistemas Eletropneumáticos, São Paulo, Editora Festo
Didatic, 2004.
7. FESTO DIDATIC, Introdução a Controladores Lógicos Programáveis, São Paulo, Editora
Festo Didact, 2004.
8. FESTO DIDATIC, Técnicas de Automação Industrial - I, São Paulo, Editora Festo Didact,
2004.
9. PARKER HANNIFIN, Tecnologia Eletropneumática Industrial, São Paulo, Editora Parker
Training, 2001
Para maiores esclarecimentos dos assuntos abordados nesta apostila recomenda-se a leitura da
bibliografia acima.
Bons estudos!!!!!
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CARACTERÍSTICAS E VANTAGENS DA PNEUMÁTICA
Comparativamente à hidráulica, a pneumática é sem dúvida o elemento mais simples, de
maior rendimento e de menor custo que pode ser utilizado na solução de muitos problemas de
automatização de processos industriais discretos. Fato este devido a uma série de características
próprias de seu fluido de utilização, que no caso é o ar. Em seguida, serão apresentadas essas
características.
QUANTIDADE – o ar para ser comprimido existe em quantidades ilimitadas. Já na hidráulica
o fluido é limitado ao reservatório, caso exista algum vazamento o sistema poderá sofrer a
influência da falta do fluido hidráulico e o sistema não funciona.
TRANSPORTE – o ar comprimido é transportado por meio de tubulações, não existindo para
esse caso a necessidade de linhas de retorno, como é feito nos sistemas hidráulicos. A
mangueira de transporte de ar comprimido são mais baratas pois não precisa de reforço como
as mangueiras utilizadas na hidráulicos, fato este devido a pressão de trabalho. A pressão de
trabalho na hidráulica pode passar de 350 bar enquanto que na pneumática a pressão máxima
não passam de 15 bar.
ARMAZENAGEM – ao contrário da hidráulica em que durante o funcionamento do circuito
faz-se necessário o trabalho continuo da bomba hidráulica (na maioria dos casos) para a
circulação do fluido que se encontra armazenado em um tanque anexo ao equipamento, em
pneumática o ar é comprimido por um compressor e armazenado em um reservatório, não
sendo assim necessário que o compressor trabalhe continuamente, mas sim, somente, quando a
pressão cair a um determinado valor ajustado em um pressostato.
TEMPERATURA – diferentemente do oléo que tem sua viscosidade afetada pela variação da
temperatura, o ar comprimido é insensível às oscilações desta, permitindo um funcionamento
seguro, mesmo em condições extremas.
SEGURANÇA – o ar comprimido não apresenta perigos de explosão ou incêndio, e mesmo
que houvesse explosão por falha estrutural de um componente, tubulação, mangueira, ou
mesmo do reservatório de ar comprimido, a pressão do ar utilizado em pneumática é
relativamente baixa (6 a 12 bar), enquanto que na hidráulica trabalha-se com pressões que
chegam à ordem de 350 bar.
LIMPEZA – uma vez que o fluido de utilização é o ar comprimido, não há riscos de poluição
ambientam, mesmo ocorrendo eventuais vazamentos nos elementos mal vedados. Este fato
torna a pneumática um sistema excelente e eficiente para aplicação na industria alimentícia e
farmacêutica.
CONSTRUÇÃO – uma vez que as pressões de trabalho são relativamente baixas
quandocomparadas à hidráulica, seus elementos de comando e ação são menos robustos e mais
leves, podendo ser construídos em liga de alumínio, tornando seu custo relativamente menor,
portando mais vantajoso.
VELOCIDADE – é um meio de trabalho que permite alta velocidade de deslocamento, em
condições normais entre 1 e 2 m/s, podendo atingir 10 m/s no caso de cilindros especiais e
500.000 rpm no caso de turbinas pneumáticas. Na hidráulica a velocidade de deslocamento, em
condições normais é de 0,5 m/s.
REGULAGEM – a pneumática não possuem escala de regulagem, isto é, os elementos são
regulados em velocidade e força, conforme a necessidade da aplicação, sendo da escala de zero
ão máximo do elemento.
SEGURANÇA CONTRA SOBRECARGA – diferenemente dos sistemas puramente mecânicos
ou eletroeletrônicos, os elementos pneumáticos podem ser solicitados, em carga, até parar, sem
sofrer qualquer dano, voltando a funcionar normalmente tão logo cesse a resistência. Em
sistemas hidráulicos quando ocorre sobrecarga o sistema pode sofrer danos na bomba,
mangueiras e conexões.
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Nem só de vantagens vive a pneumática, existem também as suas desvantagens. A seguir será
apresentada as desvantagens da pneumática.
DESVANTAGENS DA PNEUMÁTICA
PREPARAÇÃO – a fim de que o sistema possa ter um excelente rendimento, bem como uma
prolongada vida útil de seus componentes, o ar comprimido requer um boa preparação da
qualidade do ar, isto é, isento de impurezas e umidades, o que é possível com a utilização de
filtros e purgadores. Dessa forma, variações na úmidade do ar e particulas suspensas afetam a
qualidade de produção de ar comprimido.
COMPRESSIBILIDADE – a compressibilidade é uma característica não apenas do ar, mas
também de todos os gases, que impossibilita a utilização da pneumática com velocidades
uniformes e constantes. Isto que dizer que diferentemente da hidráulica, ou mesmo da
eletrônica, em controle de servomotores para movimentos de precisão, a pneumática não
possibilita controle de velocidade preciso e constante durante vários ciclos seguidos. Já na
hidráulica por utilizar fluido incompressível a velocidade dos atuadores são uniformes o que
possibilita também a reversão de rotação instantânea.
FORÇA – a pneumática conseguer aplicar forças pequenas, fato esse se considerarmos que a
pressão normal de trabalho nas redes pneumáticas industriais, ou seja, uso econômico (6 bar),
com o uso direto de cilindros, chegar a forças de 4825 N (capacidade para erguer uma massa de
494 kg) com um atuador linear de diâmetro de pistão de 320 mm. Se utilizarmos o mesmo
atuador linear agora em um sistema hidráulico cuja a bomba forneça uma pressão de trabalho
de 350 bar a força pode chegar a 281486 N (capacidade para erguer uma massa de 28723 kg).
ESCAPE DE AR – sempre que o ar é expulso de dentro de um atuador, após seu movimento de
expansão ou retração, ao passar pela válvula comutadora, espalhando-se na atmosfera
ambiente, provoca um ruído relativamente alto, apesar de que nos dias de hoje, este problema
foi quase totalmente eliminado com o desenvolvimento de silenciadores.
CUSTOS – quando levados em consideração os custos de implantação dentro de uma indústria
(produção, preparação, distribuição e manutenção), eles podem ser considerados significativos.
Entretanto, o custo de energia é em parte compensado pelos elementos de preços vantajosos e
rentabilidade do equipamento.
PRODUÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO
A pneumática utiliza-se do ar comprimido como fonte de energia para acionamento de seus
automatismos. Esse ar, entretanto, necessita ser colocado em determinadas condições apropriadas para
sua utilização. São elas pressão adequada e qualidade (isenção de impurezas e umidade). A condição
de pressão adequada é conseguida com a utilização de compressores, já a de qualidade utiliza-se de
recursos como purgadores, secadores e filtros, os quais serão abordados mais adiante.
São 2 os principios conceptivos em que se fundamentam todas as espécies de compressores de
uso industrial, são eles o volumétrico e o dinâmico.
Nos compressores volumétricos ou de deslocamento positivo, a elevação de pressão é
conseguida com a redução do volume ocupado pelo gás. Na operação dessas máquinas podem ser
identificadas diversas fases, que constituem o ciclo de funcionamento: inicialmente, uma certa
quantidade de gás é admitida no interior de uma câmara de compressão, que então é cerrada e sofre
redução de volume. Finalmente, a câmara é aberta e o gás liberado para o consumo. Trata-se de um
processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sustema fechado, isto é,
sem qualquer contato com a sucção e a descarga. Podem haver algumas diferenças entre os ciclos de
funcionamento das máquinas dessa espécie, em função das características específicas de cada uma.
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Os compressores dinâmicos ou turbocompressores possuem dois orgãos principais: impelidor
e difusor. O impelidor é um orgão rotativo munido de pás que transfere o gás a energia recebida de um
acionador. Essa transferência de energia se faz em parte na forma cinética e em outro parte na forma de
entalpia. Posteriormente, o escoamento estabelecido no impelidor é recebido por um órgão fixo
denominado disfusor, cuja função é promover a transferência de energia cinética do gás em entalpia,
com consequencia ganho de pressão. Os compressores dinâmicos efetuam o processo de compressão
de maneira contínua, portanto corresponde exatamente ao que se denomina, em termodinâmica, um
volume de controle.
Os compressores de maior uso na indústria são os alternativos, de palhetas, de parafusos, de
lóbulos, centrifugos e axiais. No quadro geral, essas espécies podem ser assim classificadas, de acordo
com o seu principio conceptivo.
CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES NA ESCOLHA DE UM COMPRESSOR
As seguintes características devem ser sempre observadas quando procedemos à escolha de
um compressor:
• Volume de ar fornecido
- Volume teórico
- Volume efetivo
• Pressão
- Pressão de regime
- Pressão de trabalho • Acionamento
- Motor elétrico
- Mortor a explosão
• Sistema de regulagem
- Regulagem por descarga
- Regulagem por fechamento
COMPRESSORES
VOLUMÉTRICOS DINÂMICOS
ALTERNATIVOS ROTATIVOS
PALHETAS
LÓBULOS
PARAFUSOS
CENTRÍFUGOS AXIAIS
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- Regulagem por garras
- Regulagem por rotação
- Regulagem intermitente
DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO
A instalação de uma rede de ar comprimido não apenas em nível industrial, mas para qualquer
que seja a utilização, requer determinado cuidados que vão desde a localização da central geradora
(compressores), sistema de arrefecimento (quando necessário), dimensionamento da rede, sistemas de
montagem e fixação, tratamento do ar e identificação conforme normas.
LOCALIZAÇÃO DA CENTRAL GERADORA
É comum, na industria, delimitar uma área física externa à fábrica, porém anexa a ela, sendo
devidamente coberta e protegida. Isenta de poeira e com livre fluxo do ar, em que a temperatura possa,
durante todo o ano, manter-se o mais estável possível em cerca de 20 a 25°C. Acentral geradora deve
ainda estar bem nivelada e com fácil acesso para manutenção quando for necessária.
REFRIGERAÇÃO DA CENTRAL
Normalmente, para pequenas centrais de ar comprimido, o próprio aletamento existente no
compressor, em conjunto com o fluxo de ar livre dentro do ambiente da central, é o suficiente para
propiciar uma boa dissipação térmica que se origina do atrito do ar quando comprimido dentro ca
câmara. Entretanto, em se tratando de compressores mais potentes, com potências uperiores a 40HP,
aconselha-se a utilização de um sistema de ventilação apropriado, com ventiladores industriais, e
ainda, se necessário, um sistema de refrigeração a água recirculante.
IMPLANTAÇÃO DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO Antes de proceder ao dimensionamento da rede, com relação ao diâmetro das tubulações,
perdas de carga, tratamento do ar, etc., é necessário, estabelecer por quais pontos da área de trabalho
da empresa deverá passar a rede. Se por todos, ou apenas por alguns setores, e quantos pontos de
alimentação deverão existir. Em função dessas respostas, pode-se definir entre uma rede de circuito
aberto, ou uma rede de circuito fechado.
A rede de circuito aberto é indicada geralmente quando se deseja abastecer pontos isolados ou
distantes. Nesse tipo de rede, o ar flui numa única direção, impossibilitando com isso uma alimentação
uniforme em todos os pontos.
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Já o sistema de rede de circuito fechado é o mais comumente utilizado pela maioria das
industrias, pois se distribui por toda a extensão da fábrica, facilitando a instalação de novos pontos de
consumo ainda não previstos, bem como possibilita que todos os pontos sejam alimentados de modo
uniforme, uma vez que o ar flui nos dois sentidos.
Independente de qual dos sistemas de rede for adotado, é aconselhavel que em cada ponto de
tomada seja instalada uma válvula registro, de forma a facilitar a manutenção, permitindo assim que a
tomada em amnutenção seja isolada da rede, evitando deste modo seu desligamento geral.
ELEMENTOS DE MONTAGEM E FIXAÇÃO DA REDE
As redes de distribuição pneumáticas normalmente são aéreas, sendo fixadas às paredes, vigas
ou a forro por meio de ferragens apropriadas, como tirantes, pendurais, cantoneiras, etc.
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A figura a seguir apreseenta esquematicamente um trecho de uma rede pneumática
identificando seus elementos e componentes.
A linha principal (TRONCO), a tubulação secundária e a linha de alimentação devem ser
confeccionados em tubo de aço galvanizado ou preto (ASTM A 120).
A tubulação secundária deve possuir uam determinada inclinação no sentido do fluxo. Essa
inclinação facilita o recolhimento de eventuais condensações e impurezas ao longo da tubulação. A
inclinação recomendada deve ficar entre 0,5 a 2% do comprimento reto do tubo.
A linha de alimentação de cada equipamento deve sair pela parte superior da linha secundária
e ser munida de um registro para que possibilite a manutenção da unidade de conservação penumática
LUBRIFIL ou do dreno, sem com isso necessitar o desligamento de toda a linha secundária e afetar os
ooutros equipamentos a ela conectados.
A unidade de conservação pneumática LUBRIFIL tem por função filtrar e lubrificar o ar,
além de possibilitar a regulagem da pressão de alimentação necessária ao acionamento do
automatismo.
Em conformidade com o boletim NB 54/80 da ABNT, toda a rede penumética deve ser
pintada em azul, sendo em tonalidade de acordo com a classificação 2.5PB 4/10 do sistema Munsell.
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TRATAMENTO DO AR COMPRIMIDO
No processo de geração do ar comprimido, o ar atmosférico é aspirado pelo compressor,
comprimindo e comumente armazenando em um reservatório, como já fora visto. Entretanto, é
conveniente, antes do armazenamento, proceder a um tratamento desse ar, bem como, também, ao
tratamento do ar que deixa o reservatório.
A Figura a seguir representa esquematicamente o desenho de uma central completa de
tratamento e armazenamento do ar comprimido.
O ar então, após a compressão, tem sua temperatura elevada em função dos atritos, a uma
temperatura superior à de armazenamento, necessitanto assim passar por um resfriador, a fim de levar-
lhe a condição apropriada ao armazenamento no reservatório. Essa passagem através do resfriador
provoca, em função da diferença de pressão e temperatura, uma condensação de pequena parte do ar,
que será separada no separador de condensados e posteriormente eliminada pelo purgador. Uma vez
armazenado no reservarório a uma pressão de cerca de 12 kgf/cm2
(12 bar) e temperatura de 20 °C, o
ar pode ser utilizado quando for conveniente, entretanto sua utilização deve ser precedida de novo
tratamento, isso porque a ação da variação da temperatura ambiente (diferença de temperatura e
pressão entre ambiente e reservatório) coloca o ar em uma condição úmida, havendo a necessidade de
uma secagem prévia em um secador. Desse modo, parte do ar que não contenha partículas d á́gua
seguirá pelo Bypass alimentando a linha tronco, e o restante passará pelo secador, em que as pastículas
d á́gua serão eliminadas, “ retidas”, seguindo para a linha tronco somente ar seco. Um secador tipico é
mostrado na Figura a seguir.
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Mesmo com todo esse tratamrnto prévio, é necessário a utilização de purgadores nas linhas de
alimentação dos automatismos, pois o ar fica retido nas tubulações sofre, em parte, em função de
diferenças de temperatura e pressão, principalmente durante os meses de inverno, pequena
condensação, devendo assim ser eliminada pelos purgadores.
DIMENSIONAMENTO DA LINHA PRINCIPAL (TRONCO) Ao proceder ao domensionamento do diâmetro mínimo necessário à linha principal, de forma
que ela possa atender à pressão e vazão necessárias aos diversos pontos de alimentação que se
distribuirão por dentro da fábrica, é necessário já estimar um possível aumento de demanda ao longo
dos anos. Esse dimensionamento deve considerar uma queda de pressão de 0,3 a 0,5 kgf/cm2
do
reservatório (adotar 0,5 a partir de 500 m) até o consumidor. No dimensionamento da linha tronco,
devem ser considerados os sguintes itens:
• Volume de ar corrente (vazão)
• Comprimento total da linha tronco
• Queda de pressão admissível
• Número de ontos de estrangulamento
• Pressão de regime
VOLUME DE AR CORRENTE
É a quantidade de m3
de ar por hora que será consumida da rede, pelos automatismos,
supondo todos em funcionamento em um mesmo momento.
Para efeito de dimensionamento seguro e recordando a possibilidade de futura ampliação dos
pontos de consumo, deve-se somar a esse volume o percentual estimado para a dutura ampliação.
Q..............m3/h
COMPRIMENTO TOTAL DA LINHA TRONCO
É a soma do comprimento linear da tubulação tronco com o comprimento equivalente
originado dos pontos de estrangulamento
L t.................m
L t = L 1 + L 2
L 1 = comprimento retilíneo (m)
L 2 = comprimento equivalente (m)
