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Dimensionamento de Uma Rede de Ar 1
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UNIVERSIDADE COMUNITARIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ – UNOCHAPECÓ
DISCIPLINA: TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS
PERIODO: 7
ACADEMICOS: FELIPE ROVER, GILMAR SARTORI, DOUGLAS THOMAE
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE AR
COMPRIMIDO
CHAPECÓ – SC. 23 MARÇO DE 2014
INTRODUÇÃO
O ar comprimido é uma importante forma de energia, insubstituível em diversas aplicações e resultado da compressão do ar ambiente, cuja composição é uma mistura de oxigênio (~20,5%), nitrogênio (~79%) e alguns gases raros. Atualmente, cerca de 5 bilhões de toneladas de ar são comprimidas por ano em todo o planeta, gerando um consumo de 400 bilhões de kWh a um custo de 20 bilhões de dólares. São números que provocam um grande impacto no meio ambiente, mas que poderiam ser substancialmente reduzidos com medidas racionais. Na indústria, um metro cúbico de ar à pressão de 7 bar custa cerca de meio centavo de dólar (1,0 m³ ar ~ R$ 0,025) apenas em energia. Em função das perdas decorrentes da transformação de energia, o ar comprimido (energia pneumática) pode custar de sete a dez vezes mais do que a energia elétrica para realizar uma aplicação similar, embora isso seja normalmente compensado pelas vantagens de flexibilidade, conveniência e segurança
proporcionadas pela energia pneumática. Neste trabalho apresentaremos alguns aspectos importantes para o correto dimensionamento de uma rede de ar comprimido, bem como o desenvolvimento de alguns cálculos realizados para um sistema anelar de ar comprimido. O correto dimensionamento do sistema é uma das formas mais eficientes de economizar, pois 7% do custo é da aquisição 23% manutenção e 70% energia elétrica. Assim devemos ter um sistema bem planejado para que não ocorram perdas excessivas.
Dimensionamento de uma rede de ar – empresa
Para o correto dimensionamento de um compressor, os fatores mais importantes a serem
considerados são:
• Vazão (volume de ar)
• Pressão (força do ar)
É fundamental considerar ainda, que nos compressores de pistão há um terceiro fator que é o
regime de intermitência: ou seja, a relação de tempo que um compressor fica parado ou em
funcionamento. Neste tipo de compressor a intermitência ideal é de 30%, de forma que num
determinado período de trabalho, um compressor permaneça 70% do tempo em carga e 30%
em alívio.
Para uma perfeita cobertura das expectativas, o dimensionamento de qualquer
compressor de ar deve atender aos requisitos básicos de pressão, vazão e regime de
intermitência. Secundariamente considera-se fatores outros como facilidade de locomoção,
tensão da rede, etc., mas sempre após garantir os três requisitos fundamentais (pressão,
vazão, intermitência).
Dimensionamento de um compressor
Para a correta seleção de um compressor, é necessário saber:
1 - Equipamentos pneumáticos que serão utilizados;
2 - Quantidade;
3 - Taxa de utilização (fornecido pelo usuário);
4 - Pressão de trabalho (dado técnico de catálogo);
5 - Ar efetivo consumidor por equipamento (dado técnico de catálogo).
Calculo do diâmetro da tubulação
Segundo (TELLES, 2004) o cálculo do diâmetro, feito para cada tubulação, basicamente
em função das perdas de carga, que por sua vez, dependem do comprimento, configuração,
tipo e quantidade de acidentes da tubulação, bem como da vazão e viscosidade do fluido
circulante e da rugosidade das paredes da tubulação.
Descrição e Dimensões da Empresa
Temos por exemplo: Uma empresa que apresenta as dimensões de 70m por 30m e 7m de
altura, a mesma decidiu por motivos econômicos usar um sistema completo de maquinas e
ferramentas pneumáticas, até por meio de segurança dos funcionários, pois em outros locais
acorrerem mortes com acidentes elétricos.
A empresa apresenta 11 equipamentos os quais são usados diariamente, além de um
cilindro pneumático. A empresa pretende aumentar a sua capacidade em 50 % no futuro. Você
como engenheiro devera encontrar os diâmetros da tubulação bem como decidir qual o
melhor tipo de tubulação e acessórios do sistema de ar comprimido, levando em conta os
vários aspectos como: custos, manutenção, expectativa de crescimento da empresa. Dados: A
velocidade para ar comprimido fica entre 15 a 20 m/s.
Equipamentos utilizados:
Exemplo: Uma pequena fábrica tem os seguintes equipamentos listados. Vamos selecionar o
compressor correto:
Equipamento Quantidade Consumo de Ar Pressão de trabalho lbf/pol²
Taxa de utilização %
Cilindro Pneumático 1 50
Lixadeira 1 12 pcm ou 0,3398 m³/min 60 40
Furadeira 1 8 pcm ou 0,2265 m³/min 60 25
Parafusadeira 1 0,13 m³/min 4,7 pcm 60
Guincho pneumático 1 3 pcm 0,085 m³/min 125 20
Politrizes - POL-32/8 PEP 1 0,79 m³/min 27,9 pcm 80
Serra - TTR-25/60 EP 1 0,25 m³/min 8,65 pcm 30
Bico de limpeza 1 6 pcm ou 0,17 m³/min 80
Cortadores - CCR-25/50 EP 1 0,5 m³/min 17,7 pcm 70
Motores - MTR-01/16 RELD 1 0,25 m³/min 8,8 pcm 40
Alicates - APR-750/001 1 0,06 m³/min 2,1 pcm 20
Pistola de pintura 1 6 pcm ou 0,17 m³/min 60
Consumo total de ar
104,88 pcm ou 2,97 m³/ min 0,0495 m³/s
Primeiramente devemos calcular o consumo de ar efetivo considerando a intermitência de
cada equipamento. Como:
Consumo de ar ( vazão do equipamento ) : quantidade de equipamentos * Consumo de ar *
Taxa de utilização = Consumo de ar real
Exemplos: Furadeira = 1 x 8 x 0,25 = 2,0 pcm ; Guincho pneumático = 1 x 6 x 0,10 = 0,6 pcm
Bico de limpeza = 1 x 6 x 0,10 = 0,6 pcm
Total = pcm ( vazão real utilizada no dia-a-dia )
Pressão = 125 psi (deve ser sempre utilizada a maior, pois só assim o equipamento que
necessita de maior pressão ira funcionar, porém deve se observar a faixa de pressão de cada
equipamento para que não danifique os mesmos, utilizando redutores de pressão nos
equipamentos que necessitem).
Como podemos observar todas essas ferramentas acima poderão estar em dado momento em
funcionamento simultâneo por isso é preciso dimensionar a vazão total consumida ( Qt ), para
que os equipamentos possam funcionar.
A partir disso conseguimos definir o tipo do compressor, diâmetro da tubulação primaria e
secundaria de ar comprimido.
É importante também definir o tamanho da tubulação (comprimento) e todos os
equipamentos do sistema tais como: Válvulas, curvas, filtros entre outros acessórios. Para que
possamos calcular as perdas de carga na rede de ar e com isso dimensiona-la de forma correta.
Apesar disso normalmente o diâmetro é calculado pela velocidade econômica do ar
comprimido ( 15 à 20 m/s ).
Assim que a vazão total do sistema for definida, estabeleça um fator entre 20% e 50% para
futuras ampliações e selecione dois compressores que, somados, atendam essa vazão. Um
terceiro compressor, da mesma capacidade, pode ser adicionado ao sistema como stand by.
Para dimensionar o tamanho dos tubos devemos observar o consumo total de ar comprimido
bem como o consumo individual de cada equipamento, tendo sempre como objetivo manter o
fluxo Laminar (Re > 2100 ) assim diminuindo as perdas de carga e o aquecimento no sistema.
Assim podemos fazer os cálculos: ( Planilha do Excel )
Consideramos a velocidade do Ar comprimido 20 m/s
O diâmetro interno da tubulação principal será de 4” (70m x 2 + 30m x 2 + 7 =207m) ( existem
vários tipos de tubo disponíveis, três modelos os quais serão analisados )
- Aço carbono galvanizado ( ASTM A 120 );
- 2440 aço perfilado;
-Tubos Plásticos PPCR Conforme as normas DIN 8077 e 8078;
O diâmetro interno da tubulação secundaria será de 1” ( 10 x 6m = 60m )
Nos dois casos escolhemos o tubo plástico PPCR devido o mesmo ter menor peso, custo,
rugosidade e ter uma durabilidade muito maior (aproximadamente 100 anos), facilidade de
manutenção ( mais rápida e eficiente ), porem devemos atentar para que a temperatura não
seja muito alta, comprometendo as características mecânicas do tubo.
O tipo de compressor: Compressores de Parafuso Rotativo de 20 a 40 HP - Linha CPB
Compressores de alta eficiência, completo e silencioso. Podem ser fornecidos nas versões
simples (CPB), com secador integrado (CPB D) ou acoplado a um reservatório de 500 l mais
secador de ar e filtros coalescentes (CPB TDF). Possuem capacidade entre 51 a 122 pcm,
funcionando a pressão nominal de 8 ou 10 ou 13 bar (ajustável desde 4 bar).
Possuem módulo eletrônico de controle com sinais visuais de operação, manutenção e falhas.
Lista de materiais:
Compressores: 2 compressores ( deve atender a uma vazão de 181,44 m³/h e terá que ter uma pressão maior que 125 Psi ou seja deve ser um compressor de 10 BAR ) compressor 1 + compressor 2 = vazão total + C3 estand by. O volume exigido para fornecimento de ar incluirá então: o consumo total determinado para os equipamentos +5% para perdas +10% para reservas e +15% para erros de cálculo. Qt= Vazão necessária atual x ( 100% + 5%perdas + 10% reservas +15 % erros de calculo + Aumento de vazão no futuro). Compressor de Pistão ou Compressor de Parafuso ( mais econômica ) como nossa pressão de trabalho não é muito alta iremos adotar o compressor de parafuso, o mesmo apresenta uma economia de 35% em relação ao compressor de pistão, porem esses valores podem ser diferentes dependendo das características do processo.
Equipamentos Quantidade
Compressor 3
Secador de ar 1
Resfriador 1
Filtros regulador e lubrificador de Ar 11
Reservatório 1 m³ de ar 1
Purgadores automáticos 3
Tubo diâmetro interno 4” Plástico PPCR 207 m
Tubo diâmetro interno 1” Plástico PPCR 60 m
Curvas de 90 ˚ longa 4
Curvas de 180 ˚ 11
Curvas de 45 ˚ 22
Válvulas de Bloqueio (esfera ) 9
Válvula de segurança ( alivio ) 1
Purgadores:
Purgadores automáticos com boia: 1 no reservatório e 1 em cada equipamento (“Conjunto
lubrifil” filtro com regulador de pressão filtro de agua e óleo) também no final da rede de ar,
(ponto mais baixo da tubulação ). É importante que dentro do sistema não acumule água, não
prejudicando os equipamentos.
Reservatório:
Para cálculo rápido do volume de um reservatório de ar, adota-se a seguinte regra: Volume do reservatório = 20% da vazão total do sistema medida em m³/min. - Vazão total = 5,44 m³/min - Volume do reservatório = 20% x 5,44 m³/min = 1,08 m³ = 1080 litros. Vcil= 3,1415* d²* h = Dependendo do espaço na empresa o equipamento pode ser mais
comprido ou ter um diâmetro maior, isso dependera do espaço disponível. Abaixo adotaremos
um comprimento de 1,5 metros ( h = 1,5 m ), então nosso diâmetro será definido de acordo
com a formula abaixo:
1,08m³ = 3,14* ( d²)* 1,5m d = 0,48m =~ 50 cm de Diâmetro.
Sistema de distribuição em forma de anel (sistema fechado).
O sistema acima apresente 12 pontos de ar e 9 válvulas de bloqueio (válvulas esfera).
Adotamos o sistema anelar por possuir melhor uniformidade na pressão e vazão da rede,
deixando assim os equipamentos sempre trabalhando nas condições ideias. Também
apresenta perdas de carga menores que o sistema em forma de Ramos.
Sistema de acoplamento e distribuição da rede
O sistema de acoplamento e distribuição será da seguinte forma, apresentado nas figuras
abaixo:
Dimensionamento do sistema de ar Comprimido
Invariavelmente, o usuário deve determinar a provável necessidade de ar comprimido antes
de iniciar o dimensionamento de um sistema de ar comprimido. Isso requer considerações da
aplicação prática dos equipamentos que serão conectados a esse sistema (p.ex.: as
ferramentas pneumáticas), bem como a quantidade dos equipamentos. Quando essa
informação estiver disponível, então podem ser determinados o número e tamanho do
compressor e reservatórios de ar comprimido.
Demanda de ar comprimido
O primeiro passo para o dimensionamento correto de um compressor e do sistema de
fornecimento de ar comprimido é obter o valor do consumo total de ar comprimido necessário
para o funcionamento da rede e assim, como resultado, obter o volume de fornecimento de ar
exigido do compressor. Os valores de consumo individuais de ar comprimido dos
equipamentos são somados e adaptados às condições de trabalho aplicando alguns fatores
multiplicadores. Dessa forma, o compressor pode ser selecionado de acordo com o volume de
fornecimento determinado/necessário. O dimensionamento da rede é um processo
semelhante. Primeiramente, o tipo e o número de equipamentos que serão disponibilizados ao
longo de uma rede devem ser especificados e determinados. O consumo de ar comprimido de
cada equipamento deve ser somado e adaptado com os fatores multiplicadores apropriados.
Com base no resultado final, o usuário pode então dimensionar o diâmetro da tubulação da
rede correspondente.
Importante: perdas por vazamentos também devem ser levadas em conta quando o consumo
de ar comprimido for determinado.
Consumo total de ar comprimido
O consumo total teórico de ar comprimido é o total do consumo de ar comprimido dos
equipamentos automáticos e dos demais equipamentos conectados à rede de ar. Porém,
somente o consumo total de ar comprimido desses equipamentos não é suficiente para o
dimensionamento do compressor e da rede de fornecimento, pois outras considerações
adicionais devem ser levadas em conta. Para calcular e obter o consumo total de vários
equipamentos e determinar o volume de fornecimento realmente necessário de um
compressor, o usuário tem que considerar os seguintes fatores adicionais, como:
► Perdas
► RESERVAS
► Erros de cálculo
Perdas
Entende-se por perdas a fuga de ar comprimido ocorrida por vazamento e/ou atritos que
ocorrem entre todas as partes do sistema de ar comprimido. No caso de um sistema de ar
comprimido novo, o usuário tem que estimar que aproximadamente 5% do volume total de
fornecimento consiste em perdas. A experiência mostra que as perdas de ar provenientes de
vazamento e/ou atrito aumentam com o tempo de vida das instalações do sistema de ar. Para
as redes de ar antigas, o percentual dessas perdas pode chegar até 25%.
RESERVA
O dimensionamento de um sistema de ar comprimido está baseado no consumo estimado de
ar comprimido em um determinado momento. A experiência mostra que o consumo de ar
aumenta gradativamente. Por isso, é recomendado estimar também, no cálculo de
dimensionamento do compressor e da rede de fornecimento, a inclusão de extensões na rede
para curto e médio prazos. Se esses fatores não forem considerados no dimensionamento,
futuras e necessárias extensões causarão, certamente, despesas desnecessárias. Dependendo
das perspectivas futuras, reservas de até 100% podem ser projetadas.
Erros de cálculo
Apesar de cálculos cuidadosos, em alguns casos o dimensionamento estimado do sistema de
ar comprimido é falho. O valor exato do consumo de ar raramente pode ser determinado
devido às condições marginais e circunstâncias normalmente obscuras. Quando um sistema de
ar comprimido é subdimensionado e deve ser estendido em uma fase posterior com despesas
extras (tempos de manutenção de máquina), o usuário deveria incluir um percentual extra de
5% a 15% para erros de cálculo. O volume exigido para fornecimento de ar incluirá então: o
consumo total determinado para os equipamentos, +5% para perdas, +10% para reservas e
+15% para erros de cálculo.
Tamanho de compressor
A decisão básica durante a escolha do compressor adequado refere-se ao tipo de compressor.
Para quase todos os campos de aplicação das ferramentas pneumáticas, o compressor de
parafuso ou compressor de pistão é a escolha mais correta. Para certas aplicações, os
compressores de parafuso são recomendados particularmente no caso de:
► Longos períodos de funcionamento
► Alto consumo de ar comprimido sem altos picos de carga
► Grandes volumes de fornecimento
► Fluxo de volumes contínuo
► Capacidade de compressão de 5 a 14 bar Compressores de parafuso são a escolha perfeita
em sistemas de compressores compostos. Para altos volumes de fornecimento, o compressor
de parafuso é a escolha mais econômica.
► Compressores de pistão também têm seus campos específicos de aplicação. Eles
complementam os compressores de parafuso. Seus pontos fortes são:
► Demanda de ar intermitente;
► Picos de carga;
► Mudanças frequentes de carga;
► Baixos volumes de fornecimento;
► Capacidade de compressão até 35 bar.
Os compressores de pistão são indicados para consumo de ar comprimido flutuante e com
picos de demanda. Eles podem ser usados como máquinas de picos de demanda em um
sistema composto de compressor. No caso de frequentes mudanças de demanda, o
compressor de pistão é a melhor escolha. No caso de baixos volumes de fornecimento, o
compressor de pistão é mais econômico que o de parafuso. Se flutuação no consumo de ar
comprimido é esperada e a extensão da rede está planejada para o futuro, então um
compressor é necessário para operação largamente intermitente. Nesse caso, um compressor
de pistão seria a escolha lógica. Se o volume de fornecimento do compressor puder garantir a
demanda de ar comprimido constante, o usuário deve optar por um compressor de parafuso.
Compressores de pistão trabalham em regime intermitente. Eles não têm períodos ociosos.
Devido a sua reduzida lacuna de aplicação e seu reservatório relativamente pequeno, os
compressores de parafuso têm que funcionar automaticamente devagar para evitar que o
motor tenha muitos ciclos de trabalho. A escolha certa de um sistema de ar não deveria
depender do preço de compra, o qual se paga muito rapidamente em função da economia
com os custos operacionais. Esses custos (operacionais) não só incluem os custos atuais com
energia para a geração de ar comprimido, mas também os custos inúteis.
Pressão máxima do compressor
As bases para a pressão máxima (pressão de corte para funcionamento) são as diferenças
(entre as pressões máxima e mínima) do controlador do compressor – a máxima pressão de
trabalho exigida pelo equipamento consumidor de ar comprimido (p.ex.: ferramentas
pneumáticas) e o total das perdas de pressão no sistema. A pressão fornecida, a qual flutua
entre a pressão máxima e a pressão mínima, deve ser, por todo o tempo, substancialmente
mais alta que a pressão de trabalho dos equipamentos conectados ao sistema.
Visto que sempre existem perdas de pressão em sistemas de ar comprimido, o usuário tem
que levar em conta as perdas de pressão que são causadas pelos diferentes componentes do
sistema de ar comprimido. Os seguintes valores para perdas de pressão têm que ser levados
em conta durante a definição da pressão de corte de funcionamento do compressor:
► Sistemas básicos de fornecimento de ar comprimido deveriam ser projetados de tal forma
que o total das perdas de pressão na rede de fornecimento não exceda 0,1 bar
► No caso de grandes e amplas redes de fornecimento de ar comprimido, por exemplo: em
minas, pedreiras ou em grandes edifícios, uma queda de pressão de até 0,5 bar é permissível
► Condicionamento de ar comprimido via secador ou secador de diafragma com filtro até 0,6
bar
► Secador de adsorção com filtro até 0,8 bar
► Precipitador ciclone até 0,05 bar
► Filtros geralmente até 0,6 bar. (A queda de pressão em filtros aumenta durante a aplicação
por contaminação. O especificado é o limite ao qual o elemento do filtro tem que ser
substituído – vida útil)
► O diferencial para compressores de parafuso é de 0,5 a 1,0 bar
► O diferencial para compressores de pistão pmax é de -20%
► Reservas. Durante operação pode haver sempre perdas de pressão imprevistas nos
sistemas de ar comprimido. Por isso, o usuário sempre deve planejar A RESERVA suficiente de
pressão para evitar perdas de força no sistema
Pressão de trabalho
A pressão de trabalho dos equipamentos de ar comprimido deve ser mantida durante todo o
tempo. O desempenho de um equipamento de ar comprimido fica comprometido mais que
proporcionalmente quando a pressão do sistema cai abaixo da pressão de funcionamento do
equipamento. Se alguns equipamentos de baixa demanda de ar comprimido requerem uma
pressão de trabalho substancialmente mais alta que a maioria dos demais equipamentos, o
usuário deve instalar um segundo compressor, menor, com sistema de fornecimento de ar
comprimido separado e com pressão de corte apropriadamente mais alta. Isso porque uma
desnecessária super compressão do fluxo volumétrico principal do sistema de ar comprimido
acarretará custos consideráveis. Esses custos adicionais justificam na maioria dos casos a
instalação de um segundo compressor para fornecimento de ar comprimido. O sistema
separado rapidamente se pagará, reduzindo assim os custos operacionais.
Sistemas de compressores múltiplos
Para equipamentos de ar comprimido com consumo flutuante alto não é recomendado
instalar somente um único compressor grande. Nesse caso, a alternativa é um sistema de
compressor composto que consiste em vários compressores. Os resultados e a confiança
operacional são aumentados com eficiência econômica mais alta. Um ou vários compressores
garantem a demanda contínua básica de ar comprimido (carga básica). Se a demanda
aumentar, os compressores adicionais entram em funcionamento um depois do outro (carga
intermediária e pico de carga) até que o volume de fornecimento garanta a demanda. Se a
demanda diminui, eles param de funcionar novamente um depois do outro. Os benefícios
fundamentais de um sistema composto são:
► Confiança operacional
► Opções favoráveis de manutenção
► Eficiência econômica
Operações que dependem em grande parte de ar comprimido podem garantir seus
fornecimentos através de um sistema de compressor composto. Se um compressor fica
defeituoso ou requer conserto ou manutenção, os outros compressores assumem o
fornecimento de ar. Vários compressores pequenos podem ser mais bem adaptados às
necessidades de consumo de ar comprimido que um compressor grande. Essa situação
compõe uma melhor e mais alta eficiência para o sistema. Se somente uma parte da carga
operacional é requerida, os custos operacionais de um compressor grande não são
considerados, mas sim, somente os baixos custos operacionais dos compressores auxiliares
menores conectados ao sistema composto.
Volume do reservatório
Os reservatórios de ar comprimido são dimensionados de acordo com o volume de
fornecimento do compressor, o sistema de controle e o consumo de ar comprimido.
Reservatórios de ar comprimido nos sistemas de fornecimento de ar comprimido têm várias
funções importantes. O compressor fornece o ar de acordo com a capacidade de
armazenamento do reservatório de ar. O consumo de ar comprimido pode ser garantido, por
algum tempo, pela capacidade de armazenamento desse reservatório. O compressor não
fornece ar comprimido durante o tempo que o reservatório mantém estoque, mas sim,
permanece em “standby” (inércia) e não consome energia elétrica. Além disso, o consumo
flutuante de ar comprimido no sistema é compensado e os picos de demanda são garantidos.
O motor é acionado menos vezes e seu uso fica reduzido. Possivelmente diversos reservatórios
de ar comprimido podem ser necessários para manter a capacidade de armazenamento
suficiente. Normalmente, as grandes redes e sistemas de fornecimento de ar comprimido têm
uma capacidade de armazenamento suficiente. Nesse caso, o usuário pode instalar
apropriadamente um reservatório menor. Devido ao seu especial princípio de funcionamento,
os compressores de pistão geram um volume de fluxo pulsante. As variações de pressão
interferem no desempenho dos diferentes equipamentos conectados à rede. Particularmente
interruptores de controle e sensores de medida reagem com os erros de um volume de fluxo
pulsante. O reservatório tem o propósito de aliviar os efeitos das variações de pressão. No
caso de compressores de parafuso, essa função é desnecessária visto que eles geram um
volume de fluxo quase uniforme/constante.
O volume do reservatório é determinado com base nas especificações dos fabricantes, as quais
foram estabelecidas por experiência prática. Sempre que possível, o usuário deve selecionar os
reservatórios da linha básica. A pressão máxima para a qual um reservatório é dimensionado
deve, por motivo de segurança, estar a todo momento com pelo menos 1 bar a mais que a
pressão máxima produzida na saída do compressor. A válvula de segurança é definida /
preparada com esse valor. O volume de fornecimento do sistema de ar comprimido pode ser
considerado uma parte do volume do reservatório.
Rede de ar
Um sistema centralizado de fornecimento de ar comprimido requer uma rede que alimente
individualmente os equipamentos com ar comprimido necessário. Para garantir uma operação
segura e barata dos equipamentos, a rede tem que estar adaptada a certas condições:
► Volume de fluxo suficiente
Cada equipamento conectado à rede deve ser alimentado a qualquer momento com o volume
de fluxo exigido.
► Pressão de trabalho
Cada equipamento conectado à rede deve ser alimentado a qualquer momento com a pressão
de trabalho necessária.
► Qualidade do ar comprimido
Cada equipamento conectado à rede deve ser alimentado a qualquer momento com ar
comprimido na qualidade exigida.
► Baixa queda de pressão
Por questões econômicas, a queda de pressão na rede deve ser tão baixa quanto possível.
► Confiança operacional
O fornecimento de ar comprimido deve ser garantido com extrema segurança. No caso de
danos à tubulação, manutenções e consertos, a rede deve ter alternativas para que não seja
necessário seu fechamento completo.
► Normas de segurança
Todas as relevantes instruções de segurança devem ser seguidas incondicionalmente. As linhas
de distribuição são instaladas pela planta inteira e por elas o ar é fornecido a diversos
equipamentos em curtas distâncias. Se possível, as redes de distribuição devem ser instaladas
em forma de anel (sistema fechado). Um sistema em forma de anel (fechado) aumenta a
eficiência econômica e a confiança operacional da rede. A queda de pressão nas linhas de
distribuição não deve exceder 0,03 bar.
Sistema em forma de anel (fechado)
Um sistema em forma de anel é também chamado de sistema de distribuição fechada. Nesse
sistema, é possível fechar setores individuais da rede sem interromper o fornecimento de ar
comprimido às outras áreas. Isso assegura o fornecimento de ar comprimido para a maioria
dos equipamentos, até mesmo durante os consertos, manutenções e a instalação de
extensões do sistema. Se o ar comprimido é fornecido dentro de um sistema fechado de
distribuição, esse ar tem que percorrer distâncias mais curtas que no caso de um sistema de
ramificações (galhos). Por isso, a queda de pressão fica reduzida. O dimensionamento de um
sistema fechado pode ser calculado com a metade da tubulação de transporte e metade do
volume de fluxo.
Sistema de ramificações (galhos)
As linhas de distribuição são instaladas pela planta inteira e por elas o ar é fornecido para os
equipamentos em distâncias curtas. Essas linhas também podem ser organizadas na forma de
ramificações ou galhos. A queda de pressão nas linhas de distribuição não deve exceder 0,03
bar. Neste sistema, essas linhas se ramificam para grandes áreas de distribuição e terminam no
equipamento pneumático. Linhas de ramificações individuais podem alimentar equipamentos
que estão à parte um dos outros (não necessariamente na mesma área de trabalho). Também
é possível programar uma linha inteira de fornecimento de ar comprimido através do sistema
de ramificações. Eles têm a vantagem de necessitar menos material que os sistemas em forma
de anel (fechado). Sua desvantagem, contudo, é que eles têm que ser mais bem e mais
amplamente dimensionados que os sistemas fechados, pois frequentemente causam perdas
de pressão severas.
Rede de fornecimento
Se possível, as redes de fornecimento de ar comprimido devem ser instaladas em linha reta. Se
os cantos não podem ser evitados completamente, eles não devem ser reforçados por
cotovelos ou ligações em “T”. Curvas e conexões longas têm qualidades de fluidez melhores e
causarão menores quedas de pressão. Também devem ser evitadas mudanças súbitas de
diâmetro das tubulações por causa da grande queda de pressão. Longas redes de
fornecimento devem ser divididas em vários setores, cada um equipado com uma válvula de
parada (shut-off) individual. A possibilidade de fechar partes do sistema é particularmente
importante para inspeções, consertos e troca de operação. Uma segunda estação de
compressor suprindo a rede de outra localização pode ser possivelmente uma alternativa e
vantagem para grandes redes. Como resultado, o ar comprimido percorre distâncias mais
curtas e a queda de pressão tende a ser menor. Redes principais e grandes redes de
distribuição têm que ser soldadas em conjunto, com uma única conexão em “V”, que evita
cantos vivos. Além disso, a resistência do fluxo de ar na tubulação fica reduzida e ambos, filtros
e ferramentas, não ficam sujeitos a prejuízos desnecessários causados por resíduos de solda
(ferrugem).
Redes de fornecimento sem secadores
A compressão do ar promove a eliminação da umidade contida no ar em forma de gotículas de
água (produto de condensação). Se o condicionamento do ar comprimido não é feito por um
secador de ar, o usuário tem que estar ciente que haverá a presença de água na rede inteira.
Nesse caso, certas regras têm que ser observadas durante a instalação do sistema de ar,
evitando assim os danos nos equipamentos pneumáticos.
Tubulações com inclinação
As tubulações devem ser instaladas com inclinação aproximada de 1,5º a 2º em direção ao
fluxo de ar.
Linha principal vertical
A condensação da água aparece quando o ar resfria e pode voltar para o reservatório de ar
comprimido.
Dreno de condensação
Deve estar posicionado no ponto mais baixo do sistema de fornecimento de ar comprimido
para fácil eliminação.
Conexões da rede
Elas devem se ramificar na direção de fluxo de ar. Sempre deve haver uma unidade de
manutenção com um filtro, um dreno de água e um redutor de pressão instalados.
Dependendo da aplicação do equipamento pneumático, um lubrificador também deveria estar
disponível.
Redes de fornecimento com secadores
Com um secador de ar comprimido e com um sistema de filtro satisfatório instalado no
sistema de fornecimento de ar comprimido, o usuário pode trabalhar sem preocupações
relativas à condensação da água. Isso também reduz as despesas da instalação da rede. Até
certo ponto, os custos menores são argumentos suficientes para justificar a compra de um
secador de ar comprimido.
As características de fluxo do ar comprimido
O ar comprimido em movimento está mais sujeito a regras físicas diferentes do que o ar
comprimido parado / estacionário. O volume do fluxo é calculado pela superfície de percurso e
pela velocidade. A fórmula seguinte aplica-se à transição do ar de um tubo para outro em uma
secção de corte:
V = volume do fluxo
A1, A2 = secção de corte
V1, V2 = velocidade
Essa fórmula mostra que a velocidade do fluxo é inversamente proporcional à secção de corte.
O movimento do fluxo pode ser também linear ou turbulento (fluxo de retorno e redemoinho).
Fluxo linear
Um fluxo linear é definido como um movimento uniforme e retilíneo onde as linhas de fluxo
são paralelas e alinhadas entre si. Um fluxo linear é conhecido por:
► Baixa queda de pressão
► Baixa transferência de calor
Fluxo turbulento
Um fluxo turbulento é definido como um movimento de fluxo indefinido, onde as linhas de
fluxo não são alinhadas paralelamente uma com as outras, mas movem-se em todas as
direções. Um fluxo turbulento é conhecido por:
► Alta queda de pressão
► Alta transferência de calor
Linha de resistência
De acordo com as leis da mecânica dos fluidos, a queda de pressão Δp aumenta ao quadrado a
redução do volume do fluxo. Em uma velocidade crítica, as mudanças de tipo de fluxo de linear
para turbulento, a linha de resistência aumenta abruptamente. O dimensionamento da
pressão da tubulação aponta então para a realização de um movimento de fluxo linear.
Queda de pressão no sistema de ar
O fluxo de ar é obstruído a cada mudança de direção que ele deve fazer, seguindo o
posicionamento da rede de fornecimento. Como conseqüência, há distúrbios no movimento
de fluxo linear e a queda de pressão fica acentuada. O nível da queda de pressão é
influenciado pelos seguintes fatores e componentes da rede:
► Comprimento da tubulação
► Diâmetro interno da tubulação
► Pressão interna da rede
► Ramificações e cotovelos
► Extensões
► Válvulas, acessórios e conexões
► Filtros e secadores
► VAZAMENTOS
► Qualidade da superfície interna da tubulação
Para evitar uma queda de pressão acentuada, esses fatores devem ser levados em conta
quando uma rede de ar comprimido for projetada. Com o propósito de simplificar as
resistências de fluxo dos diferentes acessórios, conexões e cotovelos, estes são convertidos
aos comprimentos equivalentes da tubulação. Esses valores devem ser acrescentados ao
comprimento real da tubulação para obter a fluidez do ar na tubulação. Na maioria dos casos,
porém, todas as especificações sobre acessórios, conexões e cotovelos já devem estar
disponíveis no começo da fase de planejamento de uma rede. Por isso, a fluidez no
comprimento da rede “L” é calculada multiplicando o comprimento da tubulação pelo fator
1,6.
Fatores de correção da rede
Acessórios, cotovelos e conexões dobradas aumentam a resistência de fluxo de ar.
Experiências práticas têm conduzido ao desenvolvimento e busca de fatores correspondentes
ao fator de comprimento, os quais são incluídos como comprimento extra da tubulação (em
metros) nos cálculos de fornecimento dos sistemas de ar.
Linha de resistência do fluxo
Tubulações para Ar comprimido
De acordo com Telles o ar comprimido é também um fluido de baixa corrosão, para o qual os
seguintes materiais podem ser recomendados:
1. Tubulações de baixa pressão ( até 0,7 Mpa = 7 kg/cm²):
Tubos, até 4” de diâmetro : Aço carbono galvanizado ( ASTM A 120 ), com
extremidades rosqueadas.
Válvulas, até 4”de diâmetro: Carcaça de bronze, com mecanismo interno de
bronze, extremidades rosqueadas.
Tubos, diâmetro de 2”, ou maior: Aço-carbono ( ASTM A 120 ou A134), com
margem para corrosão de 1,2 mm, com extremidades de solda de topo.
Válvulas, diâmetro de 3”, ou maior: Carcaça de ferro fundido, com mecanismo
interno de bronze, extremidades com flange de face plana.
2. Tubulações de alta pressão ( mais de 0,7 Mpa):
Tubos: Aço-carbono ( ASTM A53 ou API5L), com margem para corrosão de
1,2mm, com extremidades lisas em diâmetro até 1 ½”, e para solda de topo
em diâmetros maiores.
Válvulas: carcaça de aço-carbono forjado, com extremidades para solda de
encaixe, para diâmetro de até 1 ½”, e de aço-carbono fundido, com
extremidades com flanges de face com ressalto, para diâmetros maiores; em
todos os casos o mecanismo interno será de aço inoxidável tipo 410. Para
qualquer caso, todos os flanges devem ser de aço-carbono, com face de
ressalto. Para temperaturas até 60 C, ou pressão de 1 Mpa ( 10 kg/cm² ), as
juntas poderão ser de borracha natural; para temperaturas ou pressões mais
elevadas deverão ser de papelão hidráulico, conforme EB- 212.
Em todas as tubulações de ar comprimido existe o problema da drenagem da agua
proveniente da umidade que se condensa pelo resfriamento do ar, ou que se forma quando o
fluxo no sistema é interrompido. Por essa razão devem ser instalados separadores de agua em
todos os pontos baixos, antes das valvulas de bloqueio e nas extremidades de linhas. Se
possivel, a agua condensada deve correr por gravidade para os separadores.
Quando se exige que o ar seja limpo, com a finalidade principalmente da preservação dos
equipamentos onde o mesmo será utilizado, devem também ser instalados filtros para reter
poeiras, umidade e óleo carreado. A presença de oleos e graxas em linhas de ar comprimido é
perigosa porque pode dar origem a explosões causadas pelo aquecimento consequente da
compressão do ar.
As tubulações de ar comprimido para a transmissão de sinais para instrumentos automaticos e
valvulas de controle, costumam ser construidas com tubos de aluminio, cobre, latão ou
materiais plasticos. Os diametros dos tubos são sempre pequenos ( até ¾”) e as pressões
muito baixas. Nos tubos metálicos usam-se ligações de compressão.
Tubulações
Diferentes materiais podem ser usados para a tubulação de um sistema de ar comprimido. Os
possíveis materiais são:
► Tubos de aço perfilados
► Tubos de aço sem costura
► Tubos de aço inoxidável
► Tubos plásticos PPCR
As características e propriedades desses diferentes materiais devem ser observadas.
Tubos de aço perfilados
Conforme as normas DIN 2440, 2441 e 2442 (tipo de pesos médio e pesado) os tubos
perfilados são feitos de aço. A máxima pressão de trabalho é de 10 a 80 bar e a máxima
temperatura de trabalho é de 120 °C.
Vantagem: tubos perfilados são baratos e rápidos para instalar. As conexões são separáveis e
os componentes individuais podem ser reutilizados.
Desvantagens: tubos perfilados oferecem alta resistência para o fluxo de ar. As juntas
começam a apresentar VAZAMENTOS após certo tempo de uso. A instalação desse tipo de
tubulação requer certa experiência. Tubos perfilados que não sejam galvanizados não devem
ser utilizados em sistemas de fornecimento de ar comprimido sem que haja um secador
acoplado ao sistema, visto que eles são sensíveis à corrosão.
Tubos de aço sem costura
Conforme a norma DIN 2448, os tubos de aço sem costura (nas versões galvanizados ou com
recozimento) normalmente, são instalados em sistemas de ar comprimido. A pressão máxima
de trabalho é de 12,5 a 25 bar e a temperatura máxima de trabalho é de 120 °C.
Vantagens: esses tubos são baratos e nas instalações profissionais os vazamentos de ar são
quase totalmente descartados.
Desvantagens: a instalação requer certa experiência, visto que esses tubos têm que ser
soldados ou colados. Tubos de aço sem costura que não sejam galvanizados não devem ser
utilizados em sistemas de fornecimento de ar comprimido sem que haja um secador acoplado
ao sistema, visto que eles são sensíveis à corrosão.
Tubos de aço inoxidável
Conforme as normas DIN 2462 e 2463, os tubos de aço inoxidável são escolhidos para
satisfazer as demandas de qualidade mais altas. A pressão máxima de trabalho é de até 80 bar
e a temperatura máxima de trabalho é de 120 °C.
Vantagens: tubos de aço inoxidável são resistentes à corrosão e oferecem baixa resistência ao
fluxo de ar. Nas instalações profissionais, os VAZAMENTOS são quase que totalmente
descartados.
Desvantagens: a instalação requer certa experiência visto que os tubos devem ser soldados ou
colados. Inicialmente, os custos são altos.
Tubos Plásticos PPCR
Conforme as normas DIN 8077 e 8078, os tubos de plástico PPCR são escolhidos para
solucionar os problemas mais comuns que ocorrem nas instalações metálicas, tais como:
incrustações, vazamentos, corrosões, uniões difíceis, dissipação de calor. Seu uso permite altas
pressões e temperaturas de forma constante, durante longo período, conforme normas
técnicas. As redes realizadas com tubos e conexões TOPFUSION, apresentam grandes
vantagens desde o início de sua instalação e por toda vida útil, de pelo menos 100 anos.
Atendem a grande maioria das obras, já que sua pressão de trabalho é de 20 kgf/cm². Testados
por uma hora a 52 kgf/cm² a 20°C, de acordo com a norma.
Vantagens:
► Coloração - Os tubos e conexões TF são da cor azul, obedecendo a padronização para
sistemas de ar comprimido. Como sua pigmentação é de toda massa, não é necessário pintá-
los em toda sua vida útil (100 anos).
► Montagem - A diferença de peso entre o tubo PPCR e o tubo metálico é muito grande (70%
mais leve), isso exige um esforço muito menor, tanto na hora da montagem, como no caso de
uma manutenção, resultando em economia nas estruturas de fixação.
► Resistência - Os tubos e conexões de PPCR têm uma resistência de trabalho de 20 kgf/cm²,
ou seja, 60% maior que a pressão de regime de 12 Kgf/cm². Os tubos são testados por uma
hora a uma pressão de 52 kgf/cm² a uma temperatura de 20°C.
► Perda de carga - O sistema apresenta uma baixa perda de carga. As paredes internas dos
tubos têm uma superfície muito lisa (7µ), o que reduz muito o atrito interno e a consequente
perda de carga durante toda sua vida útil.
► Termo fusão - A Termo fusão (fusão molecular) transforma varias peças em uma única,
eliminando qualquer possibilidade de vazamento e garantindo estanqueidade na rede. O
processo é fácil, rápido e de baixo custo.
► Pressão - A perda de pressão da rede, gerada por pequenos vazamentos, é totalmente
eliminada. Isto gera uma menor demanda de funcionamento dos compressores, resultando
maior economia de energia.
► Resíduos - O sistema não gera resíduos nocivos ao funcionamento das máquinas
conectadas. Assim, o risco de entupimento de válvulas por crostas de corrosão é nula.
► Químicos - O PPCR tem excelente resistência a vários produtos químicos, devido a seu alto
peso molecular. A resistência inclui ácidos graxos e óleos, provenientes do funcionamento de
compressores e também soluções com pH de 1 a 14.
► Alterações - Alta versatilidade na alteração ou inclusão de novas máquinas no sistema. O
processo de remoção ou ligação de novos pontos é muito mais rápido e prático que sistema
convencional.
► Economia - A soma de todas estas vantagens, gera uma economia de recursos a curto,
médio e longo prazo. Além da economia, o sistema PPCR proporciona um acabamento estético
mais limpo, moderno e inovador.
CONCLUSÃO
O trabalho apresenta o projeto de um dimensionamento de uma rede de ar
comprimido, onde a empresa decidiu por motivos de segurança usar equipamentos
pneumáticos, é importante ressaltar que os cálculos para dimensionamento devem ser
precisos, e devem obedecer algumas regras para que no futuro o sistema não seja prejudicado
pela ampliação da empresa, bem como eventuais aumentos na perda de carga e vazamentos
de ar ocasionados pelo desgaste de componentes do sistema.
Nesse dimensionamento tentamos buscar o máximo de custo beneficio para a rede de
ar, sabendo que hoje existem vários materiais e equipamentos, usamos os tubos de plástico
PPCR, pois apresenta as melhores características, como: menor peso, fácil manutenção (Termo
fusão), é fabricado na cor azul de acordo com as normas, apresenta menor rugosidade, assim
diminuído as perdas de carga entre outros fatores que quando comparados a outros materiais
fica evidente que essa é a melhor escolha, o único fator limitante é a temperatura, oque pode
ser resolvido com um resfriador. Também decidimos optar por utilizar 3 compressores
parafuso, pois apresenta Confiança operacional, opções favoráveis de manutenção e pelo
motivo do mesmo ser até 35% mais econômico que os de pistão.
Em cada equipamento foram utilizados filtros com regulagem de ar e óleo com
purgadores automáticos, oque deixa o sistema bem equalizado evitando acumulo de água e
também melhorando o funcionamento das ferramentas pneumáticas devido ao mesmo
possuir regulagem de ar e óleo. Outro fator importante foi o uso da rede de ar em forma de
anel ( fechado ), esse sistema apresenta vantagens em relação ao sistema de ramos, como
melhor fornecimento de ar, pressões constantes e menor perdas de carga.
REFERENCIAS
Disponível em: <http://www.consuar.com.br/index_arquivos/adimensionamento.htm>.
Acessado em: 20/07/2014.
TELLES. Silva; Tubulações industriais. Pg.105, 10 ed. Rio de Janeiro março de 2004.