Apostila de PMR2485_R2010

Universidade de São Paulo Escola Politécnica

PMR

PMR2485 Automação Fluido Mecânica

CIRCUITOS DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS

Resumo de Teoria

Prof. Dr. Rodolfo Molinari

1996 2002 2006 2010

PMR2485 – Automação Fluido Mecânica Resumo de teoria

2010, Prof. Dr. Rodolfo Molinari

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1 INTRODUÇÃO Os sistemas hidráulicos de atuação, controle e automação já há muito tempo vêm sendo utilizados pela indústria mecânica nas mais diversas aplicações. Nos primórdios da atividade industrial consistiam quase que a única alternativa para essas aplicações. Com o passar do tempo e com a evolução tecnológica, principalmente a dos dispositivos de vedação, assistiu-se a uma lenta migração para os sistemas pneumáticos. Mais recentemente, excluindo-se os atuadores dessa tendência, têm-se visto os elementos elétricos e eletrônicos substituindo os dispositivos de controle hidráulicos e pneumáticos. A parte de controle dos sistemas geralmente envolve potências de baixa ordem de grandeza, nicho de aplicação onde os sistemas elétricos e eletrônicos encontram campo fértil. Quando se pensa em atuadores, entretanto, a situação muda drasticamente, uma vez que em geral são dispositivos que envolvem grandes potências de acionamento em espaços relativamente pequenos e velocidades de acionamento relativamente altas, onde motores elétricos não se adaptam muito bem. Mesmo nos circuitos de controle, ainda hoje em dia, a confiabilidade de elementos hidráulicos é superior e esta é a razão de sua utilização nos circuitos de apoio de segurança. Entretanto, o alto custo relativo dos dispositivos hidráulicos e pneumáticos faz com que se persiga o desenvolvimento e a conseqüente maior aplicação dos modernos circuitos elétricos e eletrônicos. 2 ELEMENTOS ATUADORES A esmagadora maioria das aplicações é desenvolvida com cilindros hidráulicos e/ou pneumáticos. A oferta desse produto é muito grande tanto em termo de tipos como em capacidade. O campeão de utilização é sem dúvida o cilindro de deslocamento linear da haste. Mesmo em aplicações onde se exige o movimento rotativo, o que se encontra com mais freqüência são versões adaptadas de cilindros lineares com mecanismos de cremalheira.

Na figura ao lado está mostrado o esquema

básico de um cilindro hidráulico onde se pode observar os componentes básicos desse dispositivo :

(1) Camisa, ou corpo do cilindro (2) Tampa posterior (3) Tampas anterior (4) Haste (5) Anel de vedação da Haste (6) Bucha de guia (7) Anel limpador (8) Vedação bi-direcional do pistão, ou êmbolo (9) Junta “O-ring” de vedação entre as partes

Dependendo da constituição particular de um

dado cilindro poderemos encontrar outros elementos diversos, mas de uma forma geral terão funções semelhantes às dos elementos aqui mostrados.

)



2

Os cilindros atuadores são encontrados com algumas características específicas de aplicação com alguns exemplos a seguir mostrados, mas é importante que se nota duas configurações básicas :

a) “SIMPLES AÇÃO” : são cilindros com apenas uma entrada de fluido, com “ação” em um

único sentido, ou seja, energia de alimentação apenas para um dos sentidos. Nestes cilindros o retorno se dá automaticamente pela ação de um dispositivo interno de retorno, em geral uma mola, ou pela ação de uma força externa.

b) “DUPLA AÇÃO” : são cilindros com duas entradas de fluido, uma para cada movimento:

“avanço”, quando a haste sai do corpo do cilindro e “recuo”, quando entra.

O tipo de cilindro mais simples que se pode imaginar é o chamado cilindro de membrana, cujo esquema está mostrado abaixo. Sua construção é bastante simples e confiável,

já que não há possibilidade de vazamentos de uma câmara para outra, causa maior de perda de eficiência em cilindros atuadores. Entretanto, em função da necessidade de uma característica de elasticidade acentuada que deve ter a membrana, a construção real fica limitada ou pelo curso limitado da haste, quando se utilizam materiais resistentes à

pressões internas altas, ou pela pressão interna possível no caso de materiais mais elásticos porém com menos capacidade. Já o cilindro mostrado a seguir tem também uma única entrada de ar, sendo portanto de simples ação, mas já tem a característica construtiva bem mais desenvolvida e adaptada para projetos onde os fatores curso e potência possam ser melhor controlados e definidos. Neste ponto vamos chamar a atenção para o fato de que um cilindro de simples ação como este possui uma posição NATURAL, ou seja, se não alimentado assume uma posição bem definida, seja de haste recolhida como no exemplo acima, seja de haste avançada, dependendo apenas de seu projeto. Esta característica, ter “posição natural” ou não, como é o caso do cilindro de dupla ação que não tem, é de muita importância na definição do circuito de controle em que o cilindro está inserido.

)



3

No cilindro abaixo temos um exemplo de caso simples de cilindro dupla ação, em que se alimentamos a câmara anterior, a haste é recolhida e se alimentamos a câmara posterior então a haste irá avançar.

Não há uma posição previamente definida, não há “posição natural”neste caso. Entretanto, dependendo do carregamento da haste, portanto do circuito em que o cilindro está inserido, poderá ocorrer uma posição definida pela operação, quando não houver alimentação em qualquer dos lados. É relevante considerar que esta situação, a da ação de uma força externa, pode não definir uma posição desejada de parada. É preciso ponderar bastante sobre todas as situações possíveis para definir adequadamente a posição da haste nas diversas circunstâncias. Quando da aplicação de pressão no movimento do pistão, se esta for constante, teremos uma força constante agindo sobre ele e, com isto, a haste irá continuamente aumentar sua velocidade. Como conseqüÊncia pode ocorrer o choque do êmbolo com a tampa, seja no avanço seja no retrocesso.

Por esta razão, muitas vezes se utiliza a solução mostrada acima, quando no final de curso, seja o de avanço seja o de recuo, restringe-se a passagem do fluido através de duas



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válvulas de controle que podem ser reguladas para que não ocorra, ou que pelo menos se minimize os efeitos de impacto. Outras vezes o que se deseja é exatamente o contrário : produzir impactos. É o que se consegue com a configuração abaixo :

Na seqüência operacional deste dispositivo a câmara (A) é mantida sob pressão enquanto a câmara B é preenchida. Como inicialmente a pressão (B) é exercida apenas sobre a superfície (C) ocorre uma resultante que inicia o movimento de avanço da haste. Ao se liberar a pressão em (A), a aceleração aumenta rapidamente, provocando grandes velocidades finais na haste e, conseqüentemente, grande força de impacto. Em geral são aplicados em operações de corte, rebitagem, e mesmo como martelete. Nos cilindros de dupla ação, é muito comum que o volume do fluido utilizado em um dos ciclos, ou de avanço ou de recuo, seja desperdiçado por não realizar trabalho útil.

Uma alternativa para melhorar o rendimento operacional como um todo, quando se dispõe de mais de um dispositivo acionado, é utilizar um cilindro de haste passante, como mostrado na figura acima. Seu funcionamento é idêntico ao de um cilindro de dupla ação comum e assim será portanto o do conjunto de controle. A definição de uso depende do circuito acionado.

)



5

Outra configuração interessante, porém também de aplicação específica é a dos cilin-dros montados em “TANDEM”, ou cilindros geminados, conforme mostrado abaixo :

A vantagem deste tipo de cilindro está no fato de que a capacidade de movimentação de carga está diretamente relacionada com o diâmetro do pistão :

sFWrrr

∧= mas, sA

PW

rr

r∧= , então : s

D

PW

rr

r∧=

2.

2

π

Assim, mantendo-se a mesma pressão mas aumentando-se a área ( não chega a dobrar ), Consegue-se uma maior capacidade de carga para o cilindro como um todo, sem ter de aumentar o seu diâmetro, coisa importante quando espaço físico é uma limitação séria. O prejuízo fica por conta do fato de que o curso diminui para menos que a metade do possível pelo tamanho da camisa do cilindro. Todo cilindro deve ser considerado como tendo apenas duas posições realmente estáveis, à menos que se disponha de circuitos de controle retroativos. Para compensar esta limitação, quando se deseja posições intermediárias estáveis ao longo do curso possível da haste de um cilindro, pode-se utilizar a configuração esquematizada abaixo :

)



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Controlando-se adequadamente as duas câmaras, é possível considerar até quatro posições estáveis. Observar que se as duas câmaras forem idênticas serão apenas três posições. Podemos verificar a existência de muitas opções construtivas para cilindros de deslocamento linear, cada uma delas relacionada com uma característica específica que se deseje aproveitar mas existem também cilindros cujo movimento da haste é rotativo. O mais comum deles é construído a partir de um cilindro comum, de deslocamento linear:

Este tipo de cilindro tem a vantagem da escala de produção e a confiabilidade consagrada dos cilindros lineares e também, dependendo do conjunto roda-cremalheira, pode ter o angulo limite de rotação projetado com bastante flexibilidade. A desvantagem fica por conta do tamanho relativamente avantajado. Uma outra opção para se conseguir movimento de rotação está em se utilizar o dispositivo esquematizado abaixo :

Como se pode observar, o seu curso não chega a uma volta completa e também padece de limitações relativas à capacidade e ao desgaste. Entretanto, é construtivamente simples e, principalmente, bastante compacto.

)



7

3 VÁLVULAS Válvulas são os dispositivos responsáveis pelo controle da operação de um cilindro e, portanto, dos circuitos em estão inseridos. São encontradas nas mais diversas formas, concepções e materiais mas, fundamentalmente, todas têm um único objetivo : controlar o fluxo de fluido, seja de forma continuamente variada, seja simplesmente abrindo ou fechando a sua passagem. A mais conhecida de todas as válvulas é um dispositivo de controle capaz de controlar o fluxo de forma continuamente variada :

Obviamente não se utilizam torneiras nos circuitos industriais (a não ser os das instalações hidráulicas de banheiros e assemelhados ). Entretanto, alguns dispositivos muito utilizados, como a válvula manual de controle de fluxo apresentada na figura ao lado não é muito diferente de uma torneira, guardando-se as devidas proporções. Esta idéia de simplicidade apresentada aqui não constitui nenhum absurdo. Aliás, as grandes soluções de Engenharia sempre surpreenderam pela simplicidade de sua concepção. Isto vale também para os circuitos de controle que serão estudados. Constitui um erro desperdiçar elementos na realização das tarefas ou funções que se espera de um circuito atuador. Como já foi escrito em parágrafo anterior, as válvulas podem ter os mais diversos desenhos. Isto significa que, mesmo no âmbito de um único fabricante, é possível encontrar uma variedade muito grande de tipos. Entretanto, suas funções não divergem muito e, em assim

)



8

sendo, a abordagem daqui para diante será em função da lógica operacional e não mais na construção, 3 SIMBOLOGIA DE VÁLVULAS A simbologia para válvulas de controle é totalmente construida a partir de duas variáveis importantes : a) número de estados possíveis; b) número de vias de ligação Na construção do símbolo de uma válvula, cada estado definido é representado por um quadrado. O símbolo de uma válvula terá dispostos lado a lado tantos quadrados quantos forem os estados possíveis : Uma vávula de dois estados. Uma vávula de quatro estados. As vias de ligação de uma vávula são desenhadas como traços colocados externamente a apenas um dos quadrados do símbolo de um válvula, precisamente naquele que será representativo de um “estado natural”, nos casos em que a válvula o tiver, e no “estado inicial”da válvula dentro do circuito, quando não houve estado natural. Em geral o estado natural de uma válvula, quando existe, corresponde ao estado inicial dela no circuito. Voltando às vias : Uma vávula de dois estados e duas vias Uma vávula de dois estados e três vias

)



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Uma vávula de dois estados e quatro vias É quase óbvio supor que não existe uma válvula com apenas uma via ! (seria uma tampa ! ) Dentro dos quadrados representativos de cada estado de uma válvula coloca-se todas as linhas de interligação demonstrativas do funcionamento : Válvula de três vias e dois estados, um naturalmente ou

inicialmente fechado com drenagem e outro aberto com drenagem bloqueada.

Válvula de quatro vias e dois estágios, um naturalmente ou

inicialmente com passagens revertidas e outro com passagens diretamente ligadas.

Válvula de duas vias e dois estágios, um naturalmente ou

inicialmente bloqueado e outro diretamente ligado. Válvula de quatro vias e dois estágios, um naturalmente ou

inicialmente diretamente ligado e outro bloqueado. Percebe-se que as linhas de ligação interna contêm setas, que são indicativas de sentido permitido de fluxo. Em teoria, uma válvula aberta deveria possibiltar o fluxo em ambos os sentidos. Em geral possibilita, mas não deve ser assim considerada. A razão disto é que a perda de carga na passagem do fluxo pela válvula representa ineficiência do processo como um todo e o desenho dessas passagens internas obedece a critérios que visam obter a menor perda de carga possível. O que acontece é que, na maioria das vezes isto só é possível quando se define um sentido preferecial para o fluxo.

)



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Da mesma forma que não se deve utilizar uma válvula com o fluxo em sentido inverso ao indicado, também não se pode contar que não haverá a passagem de fluxo nesse sentido contrário se as condições assim o permitirem. O problema aqui envolvido é de desempenho e não de ligação entre as vias da válvula. Desnecessário é dizer que quando duas flechas opostas são indicadas pode-se utilizar esse fato no desenho do circuito. Uma válvula tem que ser acionada de alguma forma. Existem vários tipos de acionamento, manuais ou não :

a) b)



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c) d) e) Combinando os símbolos forma podemos montar completamente o esquema de uma válvula a partir da sua funcionalidade : Assim, este é o esquema de uma válvula de três vias

e dois estados com as vias na sua posição natural definida pelo retorno mecânico dado pela mola, com acionamento também mecânico por rolete apalpador

P R

)



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Alguns símbolos complementares precisam ser definidos para podermos construir circuitos completos. É o caso por exemplo das linhas de conexão entre os elementos. As regras gerais são simples :

a) Linhas de alimentação de fluido para o atuador são desenhadas com traços contínuos. b) Linhas de fluido de controle são desenhadas tracejadas. c) A conexão de linhas deve ser indicada por um ponto cheio. d) A simples passagem sem conexão deve ser indicada por um semi-círculo. Alimentação Controle Conexão Passagem

Outra convencão com respeito à simbologia diz respeito à nomenclatura utilizada para identificar os elementos do circuito bem como as linas de conexão : a) As linhas de fluido de alimentação são nominadas pelas letras iniciais do alfabeto: A, B,

C, D...até L, seguidas de números quando forem insuficientes : A1, A2, etc.., devendo-se evitar o uso de mais de uma letra e um algarismo para não congestionar o desenho.

b) As linhas de comando devem ser nominadas pelas letras finais do alfabeto : X, Y, Z e

W, seguidas de números quando forem insuficientes, com a mesma recomendação feita para as linhas de fluido de alimentação do ítem (a)

c) As linhas de distribuição ligadas ao sistema de bombas de alimentação de fluido devem

ser nominadas pela letra P. Se houver mais de uma então deve-se acrescentar um algarismo diferenciador.

d) As linhas de drenagem devem ser identificadas pela letra R. Se houver mais de uma

então deve-se acrescentar um algarismo diferenciador. A identificação dos atuadores e válvulas deve ser feita considerando-se primeiramente os atuadores, que devem ser numerados por um número seguido de um ponto separador e de um zero, como por exemplo : 1.0 . Cada atuador do circuito deverá ter uma identificação diferente. As válvulas do circuito serão numeradas tomando-se como base o atuador a que estão ligadas. Elas terão o mesmo número da esquerda do ponto que tiver o atuador. À esquerda do ponto deverão então ser identificadas por números diferentes : 1.2 , 1.3, etc.. Não há obrigatoriedade de seguir uma seqüência mas a ordem crescente deverá se dar no sentido anti-horário do desenho. Quando uma válvula participa do circuito de dois atuadores, seguindo-se a regra do sentido anti-horário, ela deverá ter o mesmo número do atuador mais à esquerda no desenho.

)



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A figura a seguir fornece um exemplo de como nominar os componentes do desenho de um circuito completo :

4 CIRCUITOS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS Neste tópico serão apresentados alguns circuitos básicos de montagem de circuitos maiores, utilizando-se várias formas de implementar uma TAREFA, que é a descrição das funções que determinado circuito deve executar e como isto deve ser efetuado. O primeiro caso, apresentado abaixo, é o caso mais simples de controle que se pode

conceber. Um cilindro de simples ação com posição natural com a haste recuada é comandado por uma válvula de dois estados acionada manualmente por um botão e com retorno por mola. A alimentação é controlada por um regulador de pressão. Ao se acionar a botoeira da válvula 1.1, esta muda de estado alimentando a cÂmara posterior do cilindro e, como conseqüÊncia, o cilindro avança. Se a botoeira for largada a qualquer instante, o pistão recuará, pois a câmara posterior do cilindro será esvaziada pelo dreno R.

Para interpretar o funcionamento de um circuito a partir de seu desenho esquemático é preciso que se imagine a troca dos desenho dos estados das válvulas quando de seu acionamento, sem que se movam as vias de conexão.

)



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A mesma tarefa implementada com um cilindro de dupla ação teria a configuração mostrada ao lado. A válvula a ser utilizada agora não é mais uma de três vias e sim uma de quatro vias, necessidade ditada pela característica do cilindro. É importante notar que mesmo neste caso, em que o cilindro não tem uma posição natural definida, existe uma posição inicial dada pela constituição do circuito já que tão logo seja alimentado em (P) ele irá assumir a posição de haste recolhida. Entretanto a posição da haste é indefinida no caso em que não exista alimentação, coisa que não ocorre no exemplo anterior, onde o cilindro é de simples ação. Nos dois exemplos a seguir ocorre um fator de semelhança que é a necessidade de que as duas válvulas botoeiras sejam acionadas simultaneamente para que ocorra o avanço da haste. Se qualquer uma das duas for desacionada então a haste recolhe, a qualquer tempo.

倀)



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Este caso agora tem uma característica peculiar : a haste avança pelo comando de apenas uma das válvulas 1.2 ou 1.4 selecionadas pela válvula 1.6. Aliás o nome deste tipo de válvula é bastante sugestivo : “válvula selecionadora”. Ela tem grande utilidade no desenvolvimento dos circuitos pois um dos grandes pecados capitais do projetista de circuitos é permitir que ocorra a duplicidade de comandos : repare que se não fosse a existência da válvula seletora, o acionamento de qualquer uma das válvulas seria inócuo, pois todo o fluxo sairia pelo escape da outra, que está normalmente conectado pela posição normal das válvulas de controle. Regra número um dos circuitos hidráulicos e pneumáticos : jamais permitir o duplo comando ! Sempre que houver essa possibilidade devem ser utilizadas válvulas seletoras. Ponto.

Outra situação interessante é esta em que, aparentemente, existe duplicidade de recursos com a utilização de duas válvulas de controle iguais. No entanto existe uma razão para isso, ou melhor duas possíveis. A primeira possibilidade é a de que o cilindro atuador seja de potência muito alta, o que define que a válvula que o alimenta diretamente, a 1.2, seja também bastante avantajada, o que inviabiliza na maioria das vezes o acionamento manual ( força humana ). Neste caso lança-se mão do artifício de inserir uma válvula menor, manuseável, a 1.2, cuja única função é alimentar o cabeçote de comando por pressão da 1.1, aproveitando a potÊncia disponível no sistema. Outra possibilidade que também exige este tipo de artifício é quando a válvula de comando manual deve ficer distante do cilindro

atuador. Neste caso, se o acionamento manual, ainda que possível, fosse diretamente sobre a 1.1 todas as tubulações de grande porte de alimentação do cilindro teriam que “passear” pelas instalações, ocupando muito espaço e produzindo grande perda de carga. Com o artifício, apenas as pequenas tubulações da linha de controle “passeiam”, pois a válvula 1.1 pode ser colocada tão perto do cilindro quanto se queira. Por esta razão, também é que se utiliza a válvula 1.01, uma válvula de alívio rápido, utilizada para drenar rapidamente a câmara do pistão.

)



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O circuito ao lado é uma variante de outro já visto anteriormente, mas contendo válvulas de controle de fluxo tanto na linha de alimentação como na linha de drenagem. Estas válvulas permitem que se ajuste o tamanho da passagem de fluido e, consequentemente, o volume de fluido por unidade de tempo, ou seja, a vazão. Como elas são continua-mente reguláveis, o que está indi-cado pela seta atravessada, podemos ajustar a vazão para controlar o tempo que demora para ocorrer tanto o enchimento quanto a drenagem das câmaras dos cilindro. A conseqüência direta disto é que podemos assim controlar a velocidade de avanço e a de recuo do cilindro independentemente uma da outra. Se extendermos esta idéia, poderemos chegar no circuito visualizado abaixo, onde uma

válvula reguladora é utilizada para controlar o tempo desde a pressurização da tomada 4 da válvula 1.1 até o acionamento da válvula 1.3, que controla o retorno da válvula 1.1. Assim, o funconamento do circuito será o seguinte: ao se acionar a válvula 1.2, ainda que por muito pouco tempo, isso será suficiente para provocar a mudança de estado de 1.1, que fará a haste do cilindro avançar. Enquanto estiver avan-çando a pressão na linha 4 de 1.1 não aumenta. Ao chegar no final do curso ela irá alimentar o temporizador de 1.3 que, depois, irá acionar 1.1, fazendo tudo retornar.

)



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5 LÓGICA DE CONTROLE Muitos circuitos de controle, dada a sua característica de que cada um dos seus elementos admite normalmente apenas dois estados, aberto ou fechado e, quando admitem mais do que esses dois estados, ainda assim podem ser decompostos. Com isto, é possível modelar tais circuitos a partir do uso de de lógica binária no seu funcionamento. Uma vez modelado, é necessário que se tenha a ferramenta adequada para manipular os dados com o objetivo de não só verificar o seu funcionamento correto como também visualizar melhor as possibilidades de redução, com conseqüente economia de dispositivos. Em consideração a isto incluiu-se nesta apostila uma breve recordação das noções fundamentais de álgebra booleana. NOÇÕES DE ÁLGEBRA BOOLEANA Considere-se duas variáveis binárias A e B ∈∈∈∈ { 0, 1 } Aos seus dois valores possíveis podem ser associadas duas condições lógicas : VERDADE e FALSO . O conceito de Álgebra Booleana foi formulado pelo matemático inglês George Boole por volta de 1850 e estabeleceu relações formais que permitem de modo bastante simples relacionar e simplificar proposições lógicas. Os operadores lógicos básicos são a UNIÃO ou operador lógico OU, representado pelo símbolo + ( o mesmo da adição ) , a INTERSECÇÃO ou operador lógico E, representado pelo símbolo x ( o mesmo da multiplicação ) e a NEGAÇÃO ou operador lógico NÃO, representado por uma barra ( ) colocada acima do símbolo da variável. Desta forma, a expressão A + B representa a operação lógica OU e se lê " A OU B " Já a expressão A x B representa a operação lógica E , lendo-se " A E B "

E a expressão A representa a operação lógica " NÃO A " TABELA-VERDADE é uma tabela onde se mostram todos as possíveis combinações de estado das variáveis de uma expressão lógica. Algumas tabelas-verdade são especiais na medida em que mostram EXPRESSÕES LÓGICAS FUNDAMENTAIS : OU E OU exclusivo

A B A+B 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0

A B AxB 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0

A B A⊕B 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0

A Não A 1 0 0 1

)



18

POSTULADOS DA ÁLGEBRA DE BOOLE : Representam as operações lógicas básicas, estruturais para todo o desenvolvimento posterior :

1 ) 11 =+A

2 ) AA =+ 0

3 ) AA =×1

4 ) 00 =×A

5 ) AAA =×

6 ) 1=+ AA

7 ) 0=× AA

8 ) AA = PROPRIEDADES DA ÁLGEBRA DE BOOLE : Associativa : (A + B) + C = A + (B + C) (A x B) x C = A x (B x C) Comutativa : A + B = B + A A x B = B x A Absorciva : (A x B) + A = A (A + B) x A = A Distributiva : A + (B x C) = (A + B) x (A + C) A x (B + C) = (A x B) + (A x C) Teorema de DeMorgan :

A B Não(A+B) Não( AxB) 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1

_______ _ _

( A x B ) = A + B

_______ _ _

( A + B ) = A x B

)

PMR2485 – Automação Fluido Mecânica

6 CIRCUITOS HÍBRIDOS Os dispositivos elétricos e eletrônicos de controle evoluiram muito, tanto em qualidade quanto em confiabilidade, a partir da segunda metade do século 20. Como consequência, uma significativa parcela dos componentes dos modernos circuitos de automação hidráulica e pneumática é hoje composta por dispositivos elétricos e eletrônicos. Dentro da tecnologia atual, a definição por qual tipo de dispositivo essencialmente efetuada em termos da potência de acionamento. Aqueles que demandam maior potência têm características hidráulicas, elétricas e os elementos de baixa ou muito baixa potência são do tipo eletrônico. O custo de fabricação, instalação e operação de engenharia para viabilizar cada vez mais a substituição de elementos hidráulicos por elementos elétricos e estes por elementos eletrônicos. De qualquer forma, os circuitos híbridos já são, hoje, uma realidade indus Os elos de conexão entre os dispositivos elétricos de controle e os hidráulicos e pneumáticos são os acionadores eletromagnéticos, comumente chamados de solenóidesmaneira geral, que são nada mais do que válvulas cujo obturador é movimentamaterial ferroso cuja posição é determinada pelo campo magnético produzido em uma bobina pela alimentação controlada de corrente elétrica. As figuras abaixo mostram este conceito aplicado a uma válvula de bloqueio simples

Solenoide Fechada Esquematicamente, esta válvula seria representada pelo símbolo :

Automação Fluido Mecânica


elétricos e eletrônicos de controle evoluiram muito, tanto em qualidade quanto em confiabilidade, a partir da segunda metade do século 20. Como consequência, uma significativa parcela dos componentes dos modernos circuitos de automação hidráulica e

ica é hoje composta por dispositivos elétricos e eletrônicos.

Dentro da tecnologia atual, a definição por qual tipo de dispositivo essencialmente efetuada em termos da potência de acionamento. Aqueles que demandam maior

as hidráulicas, os de média ou baixa potência têm características elétricas e os elementos de baixa ou muito baixa potência são do tipo eletrônico. O custo de fabricação, instalação e operação cai na mesma sequência e, por isto, existe um esforço grande de engenharia para viabilizar cada vez mais a substituição de elementos hidráulicos por elementos elétricos e estes por elementos eletrônicos. De qualquer forma, os circuitos híbridos já são, hoje, uma realidade industrial.

Os elos de conexão entre os dispositivos elétricos de controle e os hidráulicos e pneumáticos são os acionadores eletromagnéticos, comumente chamados de solenóidesmaneira geral, que são nada mais do que válvulas cujo obturador é movimentamaterial ferroso cuja posição é determinada pelo campo magnético produzido em uma bobina pela alimentação controlada de corrente elétrica. As figuras abaixo mostram este conceito aplicado a uma válvula de bloqueio simples :

( ref. fig. burketglobal.com.br )

Solenoide Fechada Solenóide Aberta

Esquematicamente, esta válvula seria representada pelo símbolo :

P

A

L

Automação Fluido Mecânica Resumo de teoria


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elétricos e eletrônicos de controle evoluiram muito, tanto em qualidade quanto em confiabilidade, a partir da segunda metade do século 20. Como consequência, uma significativa parcela dos componentes dos modernos circuitos de automação hidráulica e

Dentro da tecnologia atual, a definição por qual tipo de dispositivo usar é essencialmente efetuada em termos da potência de acionamento. Aqueles que demandam maior

de média ou baixa potência têm características elétricas e os elementos de baixa ou muito baixa potência são do tipo eletrônico. O custo de

e, por isto, existe um esforço grande de engenharia para viabilizar cada vez mais a substituição de elementos hidráulicos por elementos elétricos e estes por elementos eletrônicos. De qualquer forma, os circuitos híbridos já

Os elos de conexão entre os dispositivos elétricos de controle e os hidráulicos e pneumáticos são os acionadores eletromagnéticos, comumente chamados de solenóides de uma maneira geral, que são nada mais do que válvulas cujo obturador é movimentado por um eixo de material ferroso cuja posição é determinada pelo campo magnético produzido em uma bobina pela alimentação controlada de corrente elétrica. As figuras abaixo mostram este conceito

Solenóide Aberta

矀Ю



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Expandindo o conceito da formação do esquema da válvula de bloqueio, podemos definir a representação esquemática para todos os demais tipos de válvulas de controle híbridas: a) uma válvula de dois estados com três vias, acionada eletricamente por solenóide, com o estado drenado natural definido por um elemento elástico. b) analogamente, uma válvula de dois estados reversos, com quatro vias, acionada eletricamente por solenóide, com o estado natural de alimentação direta definido por um elemento elático c) com o mesmo conceito, é possível obter uma válvula de dois estados reversos, com quatro vias, sem estado natural, com as duas posições definidas pelo acionamento de duas solenóides. Para o controle de acionamento das solenóides em dispositivos híbridos são utlizados dispositivos elétricos equivalentes aos acionamentos mecânicos das válvulas simplesmente hidráulicas ou pneumáticas :

P R

A

L

P R

A

L1

B

L2

P R

A

L

B

1.1

a) interruptor manual por toque, com retorno automático. NA : normalmente aberto NF : normalmente fechado

NA

1.1

a) interruptor acionado por rolete apalpador com retorno automático. NA : normalmente aberto NF : normalmente fechado

NF

1.1

NA NF

1.1

Ьمي



21

A simbologia esquemática dos circuitos híbridos recebe algumas alterações em relação à dos circuitos hidráulicos e pneumáticos simples, mas dentro de uma lógica compatível com os circuitos elétricos. Assim, um sistema de acionamento de um pistão hidráulico de dupla ação, controlado de forma bi-estável por duas válvulas botoeiras hidráulicas de retorno automático, tem por esquema o mostrado na figura abaixo : Se um circuito com exatamente a mesma função fosse implementado com dispositivos hidráulicos e elétricos, de forma híbrida, com os dispositivos elétricos aplicados ao setor do sistema com menor potência processada, seu esquema tomaria a forma da figura :

P R

P R P R

A

X

B

Y

1.0

1.1

1.3 1.4

P R

A B

1.0

1.1

L1 L2

L1

R1 NA

1.3

R1

1.4

R2 L2

R2 NA

Э



22

7 SISTEMAS ALIMENTADORES Um outro capítulo ligado ao projeto de circuitos hidráulicos e pneumáticos de controle é o do projeto dos sistemas de alimentação. No âmbito deste curso o objetivo a alcançar é a capacidade de selecionar adequadamente um sistema. Em assim sendo aqui será apresentada apenas a revisão de conceitos e a formulação principal para a determinação dos parâmetros principais necessários à definição dos sistemas. Definição:

MÁQUINA HIDRÁULICA É AQUELA QUE TRANSFORMA

A ENERGIA DE UM FLUIDO INCOMPRESSÍVEL (*) EM TRABALHO E VICE-VERSA.

Classificação: A ) CONFORME O SENTIDO DA TRANSFORMAÇÃO DA ENERGIA:

A1 - Quando o fluido cede energia para a máquina

MOTOR HIDRÁULICO

Turbinas Moinhos etc...

A1 - Quando o fluido recebe energia da máquina

GERADOR HIDRÁULICO

Bombas Ventiladores (*)

etc... (*) Quando as variações extremas de pressão no circuito forem suficientemente pequenas, da ordem de ∆P ≤ 0,1P, os gases podem ser tratados como fluidos imcompressíveis e as máquinas como hidráulicas. Assim, moinhos de vento podem ser tratados como motores hidráulicos e ventiladores como geradores hidráulicos.

Зمي



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B ) CONFORME A DIREÇÃO DO ESCOAMENTO:

B1 - Escoamento predominantemente radial

MÁQUINAS RADIAIS

B2 - Escoamento predominantemente axial

MÁQUINAS AXIAIS

B3 - Escoamento em parte radial, em parte axial

MÁQUINAS MISTAS

BOMBAS A energia transmitida ao fluido por uma bomba faz com que a pressão ou altura manométrica aumente. Existe uma grande variedade de tipos de bombas, cada um com características próprias de adequabilidade. Basicamente, entretanto, existem apenas duas categorias de bomnbas:

Bombas volumétricas ( ou estáticas )

Bombas de escoamento ( ou dinâmicas) ( ou de fluxo ).

Зمي



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Bombas volumétricas ou estáticas

AS VELOCIDADES RELATIVAS ENTRE O FLUIDO E AS PARTES MÓVEIS SÃO

INDEPENDENTES DAS FORÇAS APLICADAS.

A QUANTIDADE DE FLUIDO É FIXADA PELA GEOMETRIA E DIMENSÕES DA MÁQUINA.

Tipos: Alternativas ( reciprocadoras ou de êmbolo) : O escoamento intermitente é uma característica importante. Rotativas : O escoamento contínuo é uma característica importante.

Bombas volumétricas alternativas : A vazão guarda proporcionalidade direta com a velocidade. : A pressão é limitada somente por características construtivas ( folgas, resistência mecânica da estrutura, etc. ) Valores limítrofes práticos: Q = 400 l/s ( 1440 m3/h ) P = 1000 atm O exemplo mais comum de bombas volumétricas alternativas são as bombas de pistão. Para grandes vazões estas bombas se tornam extremamente volumosas, sendo esta uma das grandes limitações de uso. O aumento da rotação resolve parcialmente o problema, pois implica em aumento da velocidade e, pela própria característica de trabalho do pistão, em aumento de desgaste diminuindo, portanto, a vida útil da máquina. Em tese não existem limitações de pressão, a não ser por razões de projeto.

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25

Q = A.s.n onde: A = área transversal do pistão s = curso do pistão n = frequência do movimento.

O PROBLEMA DA CAVITAÇÃO. No funcionamento deste tipo de bomba o pistão, ao se movimentar, aumenta o volume da câmara, abrindo a vávula de aspiração e "sugando" o fluido da alimentação. Se a altura equivalente na sucção for aumentada em demasia, a alimentação pode ser insufuciente e a depressão pode atingir a pressão de vapor do líquido na sucção. Este fato, associado a outros não tão evidentes, pode fazer com que vapor adentre à câmara de compressão, onde será condensado pela compressão sequente, produzindo ondas de choque e instabilidade operacional perniciosa. Esse fenômeno é chamado de CAVITAÇÃO e deve ser sempre evitado pois a vibração que provoca pode comprometer definitivamente o conjunto mecânico. Além disto, a cavitação é sempre acompanhada por um processo destrutivo de EROSÃO.

Um problema característico destas bombas é que uma obstrução acidental da descarga pode provocar o aumento descontrolado da pressão, com todas as más consequências que daí possam advir. Uma solução simples é a utilização de uma válvula de segurança de retorno de descarga, como indicado no esquema.

)



26

EQUACIONAMENTO

movimento da barra rígida AB

( )u v.cos .cosπ

α θ α2

− +

=

tambem, u r= ω . então,

( )v

r=

+ω α θ

α

. . sen

cos

ou seja,

( )v

r=

+ω α θ α θ

α

. sen .cos cos .sen

cos

Do triângulo OAB podemos relacionar:

sen senα θ=

r

d

Substituindo na relação anterior, vem :

Зک



27

tg

r

dαθ

α=

−

sen

sen1 2 ou

tg

r

d

r

d

αθ

θ

=

−

sen

sen12

2

rearrumando,

v r

r

d

r

d

= +

−

ω θθ θ

θ

. . sensen cos

.sen12

22

é a expressão que fornece a velocidade instantânea do pistão.

Se consideramos rd

<15

então r

d

2

2 pode ser considerada uma grandeza desprezível e,

então, a equação anterior simplifica:

v rr

d= +

ω θ θ. . sen sen2

2

considerando que q A vo= . , a vazão instantânea será, então:

q A rr

do= +

. . . sen senω θ θ

22

Para obter a vazão média é preciso efetuar a integral de q(t) ao longo de um ciclo, considerando a inexistência de vazão na metade do ciclo correspondente à sucção.

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28

Q q d= +

∫

1

2

10

0πθ

π.

Resolvendo-se para unidades convencionais, obtêm-se:

QA s no=

. .

60

com A0 = área do pistão, em [m2] s = deslocamento do pistão, em [m] n = rotação, em [r.p.m.] Q = vazão média, em [ m3/s ] É fácil perceber que as forças agindo sobre um pistão têm variações ao longo do ciclo que acarretam condição operacional bastante desfavorável. Para melhorar esta situação e também para obter uma vazão média mais uniforme costuma-se utilizar N pistões em defasagem angular de 2.π / n radianos, acionados pelo mesmo sistema O fechamento repentino das vávulas de uma bomba alternativa pode, em função das condições externas, provocar variações bruscas na pressão com o aparecimento do fenômeno de propagação de ondas de choque, vulgarmente conhecido como "golpe de aríete", extremamente prejudicial para a integridade das tubulações e da prórpia máquina. Nestes casos convém prover o sistema com "camaras de ar" capazes de amortecer o impulso.

Outros Tipos de Bombas Volumétricas Bomba de duplo efeito Idêntica à bomba de pistão já estudada com a variante de possuir câmara de compressão dos dois lados do pistão. Quando um lado está em sucção o outro está em compressão. Bombas Volumétricas Rotativas : Bomba de Engrenagens : Bomba de Palhetas

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29

Com funcionamento semelhante, o deslocamento do fluido é obtido diretamente da rotação dos elementos da bomba. Estas bombas são bastante adequadas quando o fluido é um lubrificante. O limite prático de altura para estas bombas, por razões puramente construtivas, é da ordem de 300 atm. Bombas de Dinâmicas ou de Fluxo

São bombas rotativas cuja principal característica é manter um fluxo contínuo de

fluido.

Tipos de bombas de fluxo: CENTRÍFUGAS:

- escoamento preponderantemente radial, do centro para a periferia do rotor.

AXIAIS: - escoamento preponderantemente axial.

MISTAS

- combinação de rotores centrífugos e rotores axiais em uma mesma máquina.

Uma bomba de fluxo é composta de dois sistemas: Sistema rotativo

- eixo e rotor ; responsáveis pela transferência de energia do eixo para o fluido em forma de cinética.

Sistema auxiliar fixo

- voluta e difusor ; responsáveis pela transformação da energia cinética do fluido em potencial.

Também são ítens importantes para o resultado operacional das bombas de fluxo: mancais, vedações, lubrificação, etc...

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30

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO A rotação do rotor da bomba provoca depressão no bocal de aspiração, promovendo a admissão do fluido que é, então, conduzido para as câmaras internas do rotor, onde recebe energia do mesmo e, por isto, é acelerado. Ao sair, o fluido é direcionado pela voluta e pelo difusor, perdendo velocidade sem perder (idealmente) a sua energia, que é apenas transformada de cinética em potencial. As bombas de fluxo são bastante adequadas para grandes vazões com baixa altura de saida, ao contrário das bombas volumétricas, adequadas para grandes alturas com pequena vazão.

O rotor é o elemento principal de uma bomba de fluxo. A principal ação de suas pás é modificar a velocidade de escoamento, tanto em módulo como em direção. Uma partícula do fluido, ao atravessar o rotor, será acelerada e animada de movimento radial devido, à ação centrífuga da rotação. Assim, já que o rotor é o elemento responsável pelo movimento do fluido, é fácil concluir que a geometria do rotor é fator determinante para o desempenho final da máquina.

EQUACIONAMENTO Se considerarmos o perfil de uma pá de um rotor e uma partícula qualquer do fluido em contato com ela, podemos estabelecer algumas relações: Seja u a velocidade de rotação do rotor e w a velocidade relativa da partícula em relação ao rotor. Então a velocidade absoluta da partícula será v = u + w. Assim, é posível construir um triângulo de velocidades para cada ponto do rotor. Em particular, são de especial importância os pontos de entrada e de saida do rotor, identificados pelos índices 1 e 2, respectivamente. v w vr vu u

ωωωω

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31

Estas considerações são verdadeiras apenas para aquelas partículas que estejam em contato com o rotor. Para as que estejam em qualquer ponto do interstício já não poderíamos afirmar qualquer coisa em relação às componentes u e w , por consequência também sobre v .

BOMBA CENTRÍFUGA IDEAL ( Teoria de Euler ) Para poder desenvolver o equacionamento foi necessário estabelecer um modelo hipotético de rotor com um número infinito de pás. Neste rotor é possível que se afirme que todas as partículas do fluido estejam, durante toda a sua trajetória, em contato com sua superfície, tornando assim válidas todas as considerações analíticas já efetuadas. Assim sendo, para qualquer ponto do interior do rotor, w é tangente à curvatura da pá que passa pelo ponto e u é tangente à circunferência que passa pelo ponto considerado, concêntrica com o rotor. Se estas considerações são válidas para qualquer ponto, então também são válidas para os pontos P1 e P2 , respectivamente na entrada e na saída do rotor. Tomando como superfície de controle o diâmetro maior do rotor e aplicando a equação representativa da quantidade de movimento, é possível obter o valor do momento aplicado ao eixo, assumindo eficiência máxima, ou seja, 100%:

EXT oSC

M R v vxn= ∫ ρ. . .( )r r

onde: Mext : momento aplicado ao eixo. vo : componente tangencial de v, velocidade absoluta

do fluido, na SC

( )r rvxn ds

cc∫ : vazão volumétrica.

Verifica-se, portanto, que:

( )EXTM Q R v R v= −ρ α α. . . .cos . .cos2 2 2 1 1 1

ou,

( )EXT U UM

gQ R v R v= −

γ. . . .2 2 1 1

A potência fornecida ao fluido , N, será então:

( )NgQ R v R vU U= −

γω. . . . .2 2 1 1

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32

Mas, ωωωω.R1= u1 e ωωωω.R2= u2 e, então, podemos escrever:

N Q Ht= ∞γ . . onde:

( )H

gu v u vt U U∞ = −

12 2 1 1. .

que é a equação de Euler e representa a energia recebida pela unidade de peso do fluido ao atravessar o rotor do ponto 1 ao ponto 2. Se a entrada do fluido no rotor for axial, então a velocidade vu1 será nula e a equação de Euler simplifica:

( )Hg

u vt U∞ =1

2 2. .

A vazão Q que se estabelece através do rotor é:

Q R b v R= 2 1 1 1. . . .π ou Q R b v R= 2 2 2 2. . . .π onde b1 e b2 são as espessuras do rotor, respectivamente na entrada e saida Manipulando algebricamente as equações já obtidas, podemos então deduzir:

Hg

u uQ ctg

R bt∞ = −

1

22 22

2 2

. ..

. . .

βπ

Nesta última equação podemos notar que o parâmetro Ht∞∞∞∞ está definido como função apenas da vazão Q , pois os demais valores são todos dependentes apenas da geometria do motor que, para uma dada bomba, é invariável. Fazendo variar a vazão e considerando três tipos de rotores, construidos com ângulos ββββ diferentes, podemos construir as curvas características ideais para estes três tipos de rotores.

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33

Ht ∞∞∞∞ ββββ2 > ππππ/2 g-1u2

2 ββββ2 = ππππ/2 ββββ2 < ππππ/2 Q Verifica-se facilmente a influência da geometria do rotor no desempenho da bomba, principalmente o ângulo ββββ2 . Podemos também notar duas condições incoerentes: uma, mais evidente, é aquela em que a capacidade da bomba cresceria com a vazão, mesmo mantido o aporte de energia para o sistema; na outra a capacidade da bomba permanece constante com o aumento de vazão. Ora, se Ht ∞∞∞∞ é um valor diretamente ligado à potência aplicada ao sistema, é lógico e coerente esperar que a altura capaz da bomba diminua com a vazão, para a mesma potência. Assim, das três possibilidades apresentadas no gráfico, somente aquela em que ββββ2 < ππππ/2 tem viabilidade. Na realidade, valores práticos para este ângulo estão na faixa entre 14° e 30°, principalmente entre 20° e 25°.

BOMBA REAL ( Rotor com N°. Finito de Pás. ) Os rotores reais possuem número finito de pás, em geral entre 6 e 12. Este fato afeta diretamente os resultados obtidos da idealização de Euler. No rotor real, as partículas do fluido não estão, em geral, em contato com alguma das pás do rotor. O perfil de velocidades que se estabelece no espaço entre duas pás acaba por propiciar uma certa circulação do fluido em sentido contrário ao da rotação que, como consequência, afeta negativamente o desempenho da máquina. O efeito circulatório assim originado provoca diminuição na componente tangencial da velocidade absoluta na saida do rotor vu2 . Como consequência ocorre também diminuição no valor teórico Ht ∞∞∞∞ .Podemos designar a nova altura, já afetada, por Ht z , valor dependente do número real de pás, z. Verifica-se felizmente a existência de um coeficiente de influência µµµµz que nos permite escrever uma relação direta de proporcionalidade:

H Htz z t= ∞µ .

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34

Para a determinação do coeficiente de influência, um método bastante utilizado é o desenvolvido por Pfeider, segundo o qual:

µ ψz

zR

R

=+

−

1

12

1 1

2

2

.

.

O parâmetro ψψψψ da equação de Pfeider pode ser obtido em função do ângulo ββββ2 , segundo a expressão:

ψ β= +0 6 2, . s e n k

onde k é uma constante entre 0,55 e 0,65 escolhida experimentalmente conforme o número de pás do rotor. Investigações efetuadas mostraram que µµµµz é um número que não depende da condição de trabalho da bomba, mas tão somente da sua geometria. A tabela abaixo exemplifica a variação de µµµµz para uma bomba com rotor de geometria ββββ2 = 30° e relação de diâmetros igual a 0,5.

z 4 6 8 10 12 ∞ µµµµz 0,624 0,714 0,768 0,806 0,834 1,000

Além da circulação interna devida ao número finito de pás, o desvio da condição ideal tem ainda outras causas, como a perda de potência devida a atrito indesejado entre o fluido e as paredes do rotor bem como atrito interno do fluido, quando ocorre a separação entre camadas. As perdas por atrito com as partes da bomba ocorrem parcialmente no rotor e parcialmente na voluta. De maneira geral podemos dizer que estas perdas correspondem a uma perda de altura manométrica proporcional ao quadrado da vazão, com coeficiente de proporcionalidade K dependente de uma série de razões, como acabamento superficial, geometria, incrustações e desgstes devido a uso, etc... Sua formulação é bastante simples:

h K Qa = . 2

As perdas por separação de fluxo, hc , ocorrem principalmente na entrada das pás. O fenômeno ocorre principalmente devido a choques e é provocado pela entrada das partículas do fluido numa trajetória não tangencial à pá do rotor. Assim, o ajuste da geometria de entrada da

삐Л



35

bomba ( ββββ1 , d1 e b1 ) são fatores fundamentais para minimizar as perdas por separação de fluxo e, até mesmo, torná-las desprezíveis. Considerando todos os fatores de desvio da condição teórica ideal, podemos construir a curva abaixo, H Ht ∞∞∞∞ Ht z Q representativa do desempenho de uma bomba real.

RENDIMENTO Além das causas intrínsicas de desvio da condição ideal, ainda outros fatores influenciam negativamente para o desempenho final da bomba, como vazamentos e outros. Um ponto muito importante a considerar, porém, tem origem na propria forma construtiva da maioria das bombas de fluxo, que é possibilidade de recirculação de fluido entre a saida e a entrada do rotor, devido a falhas na vedação que, diga-se, é um dos aspectos de construção mais difícil. O fluxo recirculado, além de afetar o rendimento global diretamente, pela diminuição do volume efetivamente bombeado, ainda prejudica secundariamente através da geração de turbulências e aquecimentos indesejáveis que acabam por diminuir ainda mais o rendimento final. O rendimento global da bomba é, por definição, dado pela relação entre a potência cedida pelo eixo e a potência efetivamente transmitida ao fluido:

η =N

N

ef

eixo

]

왠Л



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Se considerarmos as relações de potência anteriormente verificadas, então:

η =− −

∞

H h h

H

tz a c

t

Valores de rendimento total entre 0,7 e 0,85 são normais para bombas comuns. Projetos mais sofisticados que incluem geometria variável e volutas direcionadoras podem atingir valores de rendimento até cerca de 0,95. Em função das incertezas entre valores calculados a partir de hipóteses ideais e as condições reais de um projeto, as curvas características das bombas são normalmente obtidas a partir de ensaio em laboratório, onde se procura determinar os pontos de trabalho para diversos valores de vazão. BIBLIOGRAFIA DE APOIO “Cadernos de Hidráulica e Pneumática”, SENAI, SP, 1990 Exner, H. Et alli, “Hidráulica : Princípios Básicos e Componentes da Tecnologia dos Fluidos”, Mannesmann Rexroth GmbH, 1991, ISBN 3-8023-0266-4 Getschko, N., “Introdução aos Elementos de Comando e Controle Hidráulico”, PMC, 1990

Apostila de PMR2485_R2010

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