Baixe fundamentos da pneumática I e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! SMC Pneumáticos do Brasil Fundamentos da Pneumática Eng. Renato Dall’Amico 1 FUNDAMENTOS DA PNEUMÁTICA I Introdução Muito já foi escrito a respeito do ar comprimido, de sua existência desde a civilização grega até os dias atuais em que foi definida como Pneumática, portanto não é o intuito deste trabalho repeti-lo. Por estar fundamentada em conceitos da Física, da Química e da Matemática podemos sintetizar a Pneumática como a ciência que estuda a utilização do ar atmosférico como fonte de energia, cabendo aos equipamentos pneumáticos e outros artefatos a transformação desta energia em trabalho. A Pneumática abrange também o estudo sistemático da utilização do ar comprimido na tecnologia de acionamentos, comando e controle de sistemas automáticos. Este trabalho não pretende acrescentar nada ao que já existe em outras obras do gênero assim como não tem o intuito de esgotar o assunto. Mas tem a finalidade de lembrar àqueles que não estudarem com a devida seriedade esta matéria com certeza jamais terão o domínio desta tecnologia. SMC Pneumáticos do Brasil Fundamentos da Pneumática Eng. Renato Dall’Amico 2 1.0 - Fundamentos Físicos da Pneumática O que veremos a seguir visa principalmente entender e fixar os principais conceitos que definem e explicam os fenômenos inerentes à Pneumática e ao ar comprimido propriamente dito 1.1 - Unidades Básicas Grandeza Símbolo Sistema Internacional S.I. Sistema Técnico . Comprimento l Metro ( m ) Metro ( m ) . Massa m Quilograma ( kg ) kp • s²/ m . Tempo t Segundo ( s ) Segundo ( s ) . Temperatura T Kelvin ( K ) grau Celsius ( ºC ) . Intensidade da corrente I Ampère ( A ) Ampère ( A ) . Intensidade luminosa l Candela ( cd ) -- . Quantidade de substância n Mol ( mol ) -- . 1.2 - Unidades Derivadas Grandeza Símbolo Sistema Internacional S.I. Sistema Técnico . Força F Newton ( N ) Kilopond ( kp ) 1N=1kg • m/s² Kilogr. Força (kgf) Área A Metro quadrado (m²) Metro quadrado (m²) Volume V Metro cúbico ( m³ ) Metro cúbico ( m³ ) Vazão Q m³ / s m³ / s Pressão p Pascal ( Pa ) Atmosfera (atm ) 1 Pa = 1 N/ m² kp/cm² . 1 bar = 100 kPa kgf/cm² . 1.3 - Indicação e Medição de Pressão O ar atmosférico, (não poluído) embora insípido, inodoro e incolor tem sua presença perfeitamente perceptível através dos ventos que balançam as árvores e dos pássaros e aviões que nele se sustentam para voar. Isto prova que o ar tem corpo (massa) e ocupa um lugar no espaço. SMC Pneumáticos do Brasil Fundamentos da Pneumática Eng. Renato Dall’Amico 5 A gráfico abaixo esclarece melhor este conceito. A soma da pressão atmosférica e da pressão manométrica é chamada de pressão absoluta que deverá ser utilizada nos cálculos de vazão e consumo de ar comprimido. 1.4.1 - Gráfico simplificado da pressão atmosférica, relativa e absoluta As unidades de medida de pressão utilizadas atualmente na maioria dos Países são as do S.I. Mas é comum ainda encontrarmos unidades antigas e mesmo as de origem anglo/americana como o psi, gl/m etc.. Abaixo temos uma tabela de conversão simplificada das unidades de pressão. 1.4.2 - Tabela de conversão de algumas unidades de pressão Definição de pressão 0 Ausência de pressão (vácuo absoluto) 1 Pressão Atmosférica 2 Pressão Absoluta pa 3 Pressão Relativa positiva +pe 4 Pressão Relativa negativa –pe ou depressão (vácuo relativo) O ponto ( linha tracejada) que define a pressão relativa é variável pois depende da altitude de referência em relação ao nível do mar. SMC Pneumáticos do Brasil Fundamentos da Pneumática Eng. Renato Dall’Amico 6 1.4.3 - Valores característicos para o ar Constante do gás R: 287 (J/Kg * K) Temperatura crítica tk: -140,7 ( ºC ) Pressão crítica pk: 37,7 ( bar ) Densidade ( 0ºC, 1,013 bar ): 1,29 ( Kg/m³ ) Densidade (15ºC, 1,013 bar): 1,21 ( Kg/m³ ) Ponto de ebulição ( 1 bar ): -193 ( ºC ) Ponto de congelamento ( 1 bar ): -216 ( ºC ) Peso molecular: 28,96 ( Kg/Kmol ) Volume molar p/ 1 mol de gás: 22,4 l (1bar – 27ºC) 1.5 - Mudança de estado dos gases O ar tem um comportamento similar ao de gases perfeitos, portanto é possível utilizar a “lei dos gases” sem muitos problemas pois as diferenças são pequenas. Estas leis levam em conta as variáveis envolvidas na mudança de estado, sendo elas o volume do ar, a pressão, a temperatura e o peso molecular ou volume molar ( mol ). 1.5.1 - Transformação isotérmica A lei de Boyle ( Robert Boyle-1627-1691) propõe: a uma temperatura constante, a pressão de uma determinada massa de gás é inversamente proporcional ao seu volume, isto é, se a pressão aumenta o volume diminui, se o volume aumenta a pressão diminui. Então teremos uma pressão inicial p1 multiplicado pelo volume inicial V1 igual a uma pressão final p2 multiplicado pelo volume final V2 ou seja: SMC Pneumáticos do Brasil Fundamentos da Pneumática Eng. Renato Dall’Amico 7 Exemplo: se um volume de 1 Nm³ de ar for reduzido a um volume de 0,5m³ teremos uma pressão p2, a uma temperatura constante, igual a: KPaPa m mPap 65,202650.202 ³5,0 ³1*325.101 2 ⇒== ( 2 bar ). 1.5.2 - Transformação isobárica A lei de Charles ( J. A. C. Charles –1746~1823 ) propõe: a uma pressão constante, o volume de uma determinada massa de gás aumenta (se expande) em 1/273 a cada grau ºC (A . Celsius 1701~1744) de aumento da temperatura. Esta definição foi ratificada pela lei de Gay-Lussac (J.L. Gay-Lussac-1778~1850) que define que a relação V/T= constante. Assim um volume inicial V1 dividido pelo volume final V2 é igual a uma temperatura inicial T1 dividido pela temperatura final T2. Portanto teremos: Exemplo: Um volume V1 = 100m³ a uma temperatura T1 = 0ºC, sofre uma alteração para T2 = 20ºC, qual será o volume final V2? Lembrando que teremos que usar a escala Kelvin para temperatura absoluta temos: V2 = V1 • T2 ÷ T1 = 100 m3 • 293 K ÷ 273 K = 107,326 m3 1.5.3 - Transformação isocórica ou isométrica Sempre de acordo com a lei de Gay-Lussac define-se que a um volume constante a pressão é diretamente proporcional à temperatura, isto é, se a temperatura aumenta a pressão também aumenta e vice-versa. SMC Pneumáticos do Brasil Fundamentos da Pneumática Eng. Renato Dall’Amico 10 Esta equação se aplica também para os gases desde que sua velocidade não supere 330 m/s aprox. ( velocidade do som = 334 m/s ). Em aplicações normais a velocidade do ar depende do delta pi e da características da tubulação, em geral ela varia de 6m/s a 25m/s. Um exemplo de aplicação desta equação é o tubo de Venturi e os chamados geradores de vácuo. Ilustração simplificada da Lei de Bernouilli 1.6.2 - Regime de fluxo O comportamento de um fluido dentro de uma tubulação depende muito da geometria desta. Quando a tubulação apresenta trechos longos e retos teremos um fluxo laminar, e dependendo da rugosidade interna do tubo é o que apresenta a menor perda de carga . As conexões, curvas acentuadas, cotovelos, derivações em “T” , válvulas e registros de fechamento alem de gerarem uma acentuada perda de carga (perda de pressão) contribuem para provocar o chamado fluxo turbulento, que muitas vezes desestabilizam o sistema. Por isto, instrumentos de indicação e medição, não devem ser instalados muito próximo destes pontos. Fluxo laminar fluxo turbulento 2.0 - Umidade do ar O ar atmosférico contém sempre uma porcentagem de água em forma de vapor. A quantidade depende da umidade da atmosfera e principalmente da temperatura. Quando o ar atmosférico esfria, chega-se a um certo ponto em que ocorre a saturação. Este fenômeno é conhecido como ponto de condensação ou ponto de orvalho. Se o ar esfria mais, a umidade se condensa formando pequenas gotas de água que se separam do ar em forma de condensado. A quantidade de água que o ar pode reter depende inteiramente da temperatura; 1 m³ de ar comprimido é capaz de reter a mesma quantidade de vapor de água que 1 m³ de ar a pressão atmosférica. SMC Pneumáticos do Brasil Fundamentos da Pneumática Eng. Renato Dall’Amico 11 A tabela abaixo nos mostra a quantidade de água, em gramas por metro cúbico (g/m³) que o ar pode conter, para uma ampla faixa de temperaturas, desde –40ºC até + 40ºC, e um gráfico que mostra uma faixa de –30ºC a +80ºC. Em caso de ter de calcular a quantidade de condensado que se produz numa instalação recomenda-se o uso do Nm³/h (ar aspirado pelo compressor). 2.0.1 - Tabela da saturação de vapor de água no ar 2.0.2 - Gráfico do ponto de condensação (ponto de orvalho) em relação à SMC Pneumáticos do Brasil Fundamentos da Pneumática Eng. Renato Dall’Amico 12 temperatura. A linha em negrito indica o conteúdo de água para um metro cúbico e a uma dada temperatura, a linha fina para um volume em normal metro cúbico (N/m³). 2.1 - Umidade relativa do ar Com exceção de condições atmosféricas extremas, como uma queda brusca da temperatura, o ar atmosférico nunca se satura. O coeficiente do conteúdo real de água e da quantidade máxima de água que o ar pode reter ( ponto de saturação) é chamado de umidade relativa do ar e se expressa em porcentagem. Umidade relativa (U.R.) = Conteúdo real de água x 100% ou Umidade absoluta x 100% Quantidade de saturação Ponto de saturação Exemplo 1: Temperatura = 25ºC, umidade relativa do ar 65%. Qual a quantidade de água em 1 m³ de ar ? O ponto de condensação a 25ºC é aprox. 24 g/m³ • 0,65 = 15,6 g/m³. Quando o ar atmosférico é comprimido a capacidade de retenção de vapor de água é o equivalente ao seu “volume reduzido”, a menos que a temperatura não aumente substancialmente, a água excedente será eliminada por condensação. Exemplo 2: 10 m³ de ar atmosférico a 15ºC e umidade relativa 65% se comprime a uma pressão relativa de 6 bar, a temperatura sofre um incremento de 10ºC e chega a 25ºC. Qual a quantidade de água que será eliminada? Pela tabela, 1 m³ de ar atmosférico a 15ºC, pode conter um máx. de 13,04 g/m³, em 10 m³ teremos 130,4 g ; a 65% de umidade relativa o ar poderá conter 130,4 x 0,65 = 84,9 g (a) Agora resta calcular qual o volume do ar a uma pressão relativa de 6 bar: p1 • V1 = p2 • V2 onde V2 = p1/p2 • V1 = 1,013/ 1,013 + 6 bar • 10 m³ = 1,44 m³. Pela tabela, 1 m³ de ar a 25ºC, pode conter até 23,76 g/m³ • 1,44 m³ = 34,2 g (b). A condensação será igual à quantidade total de água no ar, menos o volume que o ar comprimido pode reter, assim nas fases (a) e (b) ao comprimir o ar, 84,9 g – 34,5 g = 50,6 g de água que se condensa e se separa do ar comprimido pela redução do volume após a compressão. Observar que esta água deve ser eliminada antes que ela chegue ao sistema, para evitar atingir os equipamentos pneumáticos. Resfriadores, secadores, filtros e principalmente tubulações corretamente calculadas e instaladas reduzem substancialmente os efeitos nocivos que o condensado causa aos equipamentos pneumáticos. Segue em Fundamentos da Pneumática II