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GRUPO DE CONTROLO AUTOMAÇÃO E ROBÓTICAT15.1Departamento de Engenharia Mecânica / I.S.T.

Introdução à Pneumática

Projecto e dimensionamento de sistemas pneumáticos. Propriedades do ar comprimido. Produção, tratamento e regulação da pressão do ar comprimido. Grandezas nominais e relações matemáticas características dos principais componentes pneumáticos. Actuadores e Válvulas. Problema simples de projecto e dimensionamento.


Vantagens e desvantagens dos vários sistemas de automação

Fonte: Almeida Santos, Ferreira da Silva, Automação Pneumátca, Publindústria, Edições Técnicas, 2002





Fonte: UNESP

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Características do ar comprimido

• O fluido de trabalho (ar atmosférico) sem custo;

• Facilidade de condução do fluido de trabalho;

• Protecção simples contra sobrecargas;

• Movimentos rápidos;

• Geração de vácuo utilizando o ar comprimido;

• Armazenamento fácil do fluido de trabalho;

• Escape de fluido “não causa” poluição ambiental

(lubrificado com óleo mineral);

• Construção simples dos elementos de trabalho;

• Alto custo de preparação do ar comprimido;


Características do ar comprimido

• Compressibilidade do fluido de trabalho;

• Forças reduzidas, quando comparado a hidráulica;

• Escape do fluido de trabalho causa ruído e “perda de energia” (furo

ou vedação na tubulação);

• Actualmente existem sistemas com servoposicionamento (exatidão

máxima de curso 0,1 mm).


Factores que influenciam os sistemas pneumáticos



Factores que influenciam os sistemas pneumáticos


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Aplicações


Aplicações

Pintura

Aparafusadora

Lixadeira


Aplicações


Aplicações

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Aplicações


Aplicações


Sistemas PneumSistemas Pneumááticosticos

A distribuição do mercado americano pela pneumática e hidráulica é como se segue:

�Hidráulica Móvel (veículos comerciais pesados e pessoais): 50 %

�Hidráulica Industrial : 25 %� Pneumática: 25 %


Conceitos físicos relativos ao ar

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Unidades:

Pressão: Pascal (Pa) 1 Pa = N/m2

1 bar = 105 Pa = 10 N/cm2

1 psi = 68.95mbar

14.5 psi = 1bar

1 atm=1013 mbar≅≅≅≅1000 mbar


Lei dos gases perfeitos

• Num processo isotérmico, como numa compressão lenta, tem-se:

• No processo isobárico, como na expansão de um gás, tem-se:



• No processo isométrico, como o aquecimento de um reservatório, tem-se

Exemplo

• O reservatório de ar comprimido de um

compressor tem um volume de 10 m3. O

reservatório encontra-se preenchido com

ar comprimido com uma pressão relativa

igual a 7 bar e uma temperatura de

20ºC.



1. Qual a quantidade de ar no estado normalizado (1 bar, 20ºC) contido

no reservatório?

Trata-se de um processo isotérmico, logo:

22211 1108 VVPVP ×=×→=

3

2 80mV =

2. Qual a máxima quantidade de ar utilizável?

370mVVV ioreservatórtotalútil =−=


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• 3. Desprezando a dilatação do reservatório, que pressão se forma no

seu interior estando fechado e com um aumento da temperatura para

65ºC?.

• Trata-se de um processo isométrico, logo:

barPT

P

T

P23,92

2

2

1

1=→=



Elementos dos sistemas pneumáticos

Gerador: compressores (êmbolo, palhetas, pistões, parafusos etc.);

Distribuidor: válvulas direccionais, válvulas de pressão, válvulas de

bloqueio, etc.

Consumidor: cilindros lineares, motores, cilindros rotativos, válvulas de

vácuo, bicos sopradores etc.

Fluido de Trabalho: ar atmosférico.

Pressão de operação: 1 até 15 bar (normal 6 bar).


Produção do Ar Comprimido

• Pressão;

• Caudal;

• Teor de água;

• Teor de partículas sólidas;

• Teor de óleo.

• As seguintes variáveis são importantes na geração e distribuição

do ar:



• Quando o ar é comprimido a sua temperatura eleva-se;

• O vapor de água contido no ar (humidade relativa) é concentrado

e transforma-se em vapor com alta temperatura;

• No arrefecimento do ar comprimido o vapor condensa-se;

• Partículas sólidas também podem estar presentes (fragmentos de

óleo queimado, partículas metálicas do compressor e partículas

aspiradas pelo compressor).

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• Em que consiste preparar ar comprimido?

• Compressão;

• Redução da temperatura;

• Remoção de água;

• Remoção de partículas sólidas;

• Controlo da pressão;

• Adição de lubrificante.


Fonte: Almeida Santos, Ferreira da Silva, Automação Pneumática, Publindústria, Edições Técnicas, 2002

Unidade de produção de ar


Compressores

Princípios de compressão a que o ar é sujeito:

Dinâmica


Princípios de compressão a que o ar é sujeito:

Volumétrica

Compressores

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Centrífugo Axial

Dinâmicos

(fluxo-contínuo)

Turbo-Compressor

Alternativo

Dentes Espiral Parafuso Roots Anel Líquido Alhetas

Rotativo

Volumétricos

(fluxo-intermitente)

Deslocamento Positivo

Compressores

Tipo de compressores


Compressores dinâmicos

Na indústria Aeronáutica ou Espacial, as unidades centrífugas atingem 50000 a 100000 r.p.m. por força dos problemas de massa, na medida em que a altitude interfere, negativamente, na densidade do ar.Na indústria, de um modo geral, operam à volta de 20000 r.p.m., embora velocidades superiores sejam cada vez mais comuns.

Um compressor dinâmico é análogo a uma turbina porque, salvo as devidas diferenças, uma turbina é um compressor a funcionar ao contrário. De facto, a partir de uma queda de água, de um gás ou vapor, a turbina transforma a pressão em velocidade, ao passo que um compressor dinâmico transforma a velocidade do ar em pressão.


Compressores dinâmicos centrífugos ou radiais

Estes compressores denominam-se centrífugos porque a compressão processa-se perpendicularmente ao veio motor e a descarga do ar efectua-se segundo a tangente ao raio das pás impulsoras.São unidades indicadas para produzirem ar isento de óleo.


Compressores dinâmicos axiais

Por analogia, a compressão nesta unidade processa-se paralelamente ao veio motor, daí a designação de axial.O caudal mínimo em jogo é de tal forma elevado (900 m3/min) que dificilmente se destina à produção de ar comprimido, pelo menos, para dimensões industriais como as nossas.

No entanto, constitui uma hipótese a sua utilização, na qualidade de compressor de processo, como por exemplo, no fornecimento de gás natural, através de condutas com quilómetros de extensão ao longo do país.

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Compressores dinâmicos axiais


Compressores volumétricos alternativos

De pistão

Quando se pretende a produção de ar comprimido até 14 bar, este tipo de compressores tem vindo a ser progressivamente substituído, preferencialmente, por compressores rotativos de parafuso.


Compressores volumétricos alternativos

• Suporta pressões acima de 10 bar• Contamina o ar com óleo• Compressão pulsante• Baixo custo

De pistão


Compressores volumétricos alternativosDe diafrágma

Mediante uma membrana, o êmbolo fica separado da câmara de sucção e compressão, quer dizer, oar não terá contacto com as partes deslizantes. O ar, portanto, ficarásempre livre de resíduos de óleo,Estes compressores são os preferidos e mais empregados na Industria alimentícia, farmacêutica e química.

• Isento de contaminação• Não atinge alta pressão• Compressão pulsante• Baixo caudal• Pequenas aplicações

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Compressor volumétrico rotativo de parafuso

Estado 1; as extremidades dos rotores descobrem a admissão e o ar atmosférico enche por completo o espaço livre (bolsa helicoidal móvel) que se cria entre macho e fêmea;

Estado 2; o fluido é retido no ‘compartimento’, dando-se início àcompressão (azul claro);



Estado 3; à medida que os rotores giram, o volume helicoidal torna-se menor e o ar vai sendo progressivamente comprimido (azul mais escuro);

Estado 4; finalmente, o ar à pressão de serviço (azul escuríssimo) abandona o elemento parafuso pela via de saída.



Na actual indústria transformadora, os compressores rotativos de parafuso são os mais utilizados (CENFIM)



• Compressão contínua

• Isento de lubrificação

• Alta vazão• Baixa manutenção

• Custo elevado

• Grande aplicação na indústria

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Compressor volumétrico rotativo roots

Nestes compressores o ar étransportado de um lado para o outro, sem alteração de volume. A compressão (vedação) efectua-se no lado da pressão pelos cantos dos êmbolos.

Este tipo de compressores consisteem duas ciclóides, cada uma com dois dentes.Alguns carros de 1920 a 1980 usaram este tipo de compressores


Compressor volumétrico rotativo de palhetas

Num compartimento cilíndrico, com aberturas de entrada e saída, gira um rotor alojado excentricamente. O rotor tem nos rasgos, palhetas que em conjunto com e parede, formam pequenos compartimentos (células).

Quando animado de rotação, as palhetas serão, pela força centrífuga, atiradas contra a parede. Devido à excentricidade de localização do rotor há uma diminuição e aumento das células.


Compressor volumétrico rotativo de palhetas

As vantagens destes compressores estão na sua construção um tanto económica em espaço, bem como em funcionamento contínuo e equilibrado, e no uniforme fornecimento de ar livre de qualquer pulsação.


Compressores volumétricos rotativo de palhetas

• Isento de lubrificação

• Não atinge alta pressão

• Compressão contínua

• Pode ser utilizado também como bomba de vácuo

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Compressores volumétricos rotativo de dentes

Nestes compressores o ar é transportado de um lado para o outro, (sem alteração de volume) através dos espaços entre os dentes, das engrenagens. A compressão (vedação) efectua-se no lado da pressão, pelos dentes das rodas dentadas.


Compressores volumétricos rotativo tipo espiral

Este tipo de compressor possui compreende uma espiral fixa e outra orbitante e a compressão do ar processa-se pela interacção destas duas espiras.Assim, à medida que a espiral móvel orbita, graças a um excêntrico, o ar vai sendo progressivamente comprimido numa ‘bolsa’ cada vezmenor.

(fonte: Wikipedia)

Aplicações: ar condicionado, bombas de vácuo, …


Compressores volumétricos rotativo de anel líquido

Este tipo de compressor compreende uma espiral fixa e outra orbitantee a compressão do ar processa-se pela interacção destas duas espiras.Assim, à medida que a espiral móvel orbita, graças a um excêntrico, o ar vai sendo progressivamente comprimido numa ‘bolsa’ cada vezmenor.


Tamanhos de compressores:

Pequenos: até 40 litros por minuto e potência de entrada menor que15 kW.

Médios: de 40 até 300 litros por minuto e potência de entrada entre 15 e 100 kW;

Grandes: acima de 300 litros por minuto e potência de entrada acimade 100 kW.

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Fonte: Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”


Reservatório

1. Manómetro2. Válvula de registo3. Saída do ar comprimido4. Entrado do ar5. Placa de Identificação6. Válvula de alívio7. Escotilha para inspecção8. Dreno


Reservatório


Distribuição do ar comprimido

Rede em circuito aberto

É a mais simples. Deve ser montada com um declive de 1 a 2% na direcção do fluxo para garantir a eliminação da água que se condensa

Drenos

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Rede em circuito fechado (anel)



1. Compressor2. Resfriador posterior ar/ar3. Separador de condensados4. Reservatório5. Purgador automático6. Pré-filtro coalescente7. Secador8. Purgador automático eletrônico9. Pré-filtro coalescente grau x10. Pré-filtro coalescente grau y11. Pré-filtro coalescente grau z12. Separador de água e óleo


Secadores: secagem por arrefecimentoAr húmido

Ar seco

Separador

Dreno

Compressor(arrefecimento)

Pré-arrefecedor

Arrefecedor principal

freon

• Arrefece o ar

• Necessita de energia externa

• Reduz a humidade pela

condensação do ar

• Muito utilizado na indústria

metalúrgica


Secadores: secagem absorção

• Processo químico

• Não necessita de energia

externa

• Instalação e manutenção

simples

• Utiliza-se geralmente Cloreto

de Cálcio

Ar Seco

Ar húmido

Purgador

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Secadores: secagem adsorção

• Elemento secante regenerável

• Manutenção simples

• Não é preciso parar o

fornecimento para regenerar o

elemento secante

• Utiliza-se geralmente Sílica-Gel

Ar Seco

Secagem

Ar húmido

Regeneração

Adsorvente


Preparação final do ar comprimido

- Regulador de Pressão com Manômetro: para ajustar a pressão de 90 lb/pol² ou 6,3 bar;

- Lubrificador: para que as palhetas estejam lubrificadas, evitando seu desgasteprematuro.

É muito importante manter o ar limpo, sem humidade e impurezas, com a pressão correcta e que permite a lubrificação de ferramenta associadas ao arproduzido.

Unidade de Conservação:

- Filtro: para retirar humidade e impurezas acumuladas no ar proveniente do compressor;



Unidade de Conservação

Simbologia simplificada

Simbologia detalhada



Unidade de Conservação

Simbologia detalhada

Já existem vários produtos que trabalham sem lubrificação

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Tipos de Filtros

Cyclone separador Pré-filtro Micro-filtro Carbono activo Estéril

Água, pó> 50 µm

Água, pó40 ... 5 µm

Água, pó, óleo0.01 µm

Odores Bactérias, vírus



Filtro de Impurezas

Saída do ar

Placa deflectora

Elemento filtrante

Copo do filtro

Condensado

Parafuso purgador

FiltroSinteri-zado



Purgador Automático



Válvula Reguladora de Pressão

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Manómetros



Lubrificador de Ar Comprimido



ACTUADORES

Lineares Outros Rotativos

GarrasAcçãoSimples

AcçãoDupla Músculo

Anti-giro

Rotaçãolimitada

Motores


Sistemas PneumSistemas PneumááticosticosActuadores de acção simples

Diâmetro: 6 a 320 mmCurso: 1 mm a 2000 mmForça: 2 a 50.000 NewtonsVel. de avanço: 0,02 a 1m/s

Características gerais:

FixaçãoExpulsãoExtraçãoPrensagem de peças entre outras

Aplicação:

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Cilindros simples efeito

Qual a diferença?



Cilindros simples efeito de membrana

membrana de projecção

membrana plana



Cilindros duplo efeito



Cilindros duplo efeito com amortecimento

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Cilindro com dupla haste passante

Vantagens:A haste é melhor guiada devido a dois mancais de guia. Isto possibilita a admissão de uma ligeira carga lateral. Neste caso, a força obtida é igual em ambos os lados (mesma área de pressão).



Cilindro tipo tandem

Desta forma, com simultânea carga nos dois êmbolos, a força é uma soma das forças dos dois cilindros.O uso desta construção é necessário para obter grande força, quando o diâmetro, do cilindro é problemático (espaço pequeno).



Cilindro tipo tandem



Cilindro sem haste

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Sistemas PneumSistemas PneumááticosticosGarras Pneumáticas

Paralela Radial 3 pontos Angular


Sistemas PneumSistemas PneumááticosticosMúsculo Pneumático

• Alta velocidade, alcança até 2000

mm/s• Diâmetro de 10, 20 e 40 mm

• Curso de 40 até 9000 mm

• Possibilita contracção de 15% até25% do comprimento

• Frequência até 90 Hz



Movimento de VaivMovimento de Vaivéém Circularm Circular

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Movimento de VaivMovimento de Vaivéém Circularm Circular

O Accionamento giratório emprega-se para virar peças, curvar tubos, regular instalações de ar condicionado, accionamento de válvulas de fecho e válvulas de borboleta, etc.

Os campos de rotação usuais são vários, isto é, de 45º, 90º, 180º, 270º até 720º. Um parafuso de regulação possibilita porém a determinação do campo de rotação parcial, dentro do total.



Motores PneumáticosOs motores pneumáticos têm uma correspondência total com os compressores com sentido de funcionamento inverso

Motor de palhetas: graças à sua construção simples e pequeno peso, os motores pneumáticos geralmente são fabricados segundo este tipo construtivo



Motores Pneumáticos: motor de pistão axial

Um disco oscilante transforma a força de 5 cilindros, axialmente posicionados, em movimento giratório. Dois pistões são alimentados simultaneamente com ar comprimido. Com isto obtém-se um momento de inércia equilibrado, garantindo um movimento do motor uniforme e sem vibrações.



Motores Pneumáticos: motor de pistão axial

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Motores Pneumáticos: motor de engrenagens

A geração do momento torsor efectua-se nesta construção pela projecção da pressão de ar contra os flancos dos dentes de duas rodas dentadas engrenadas ( montadas uma no veio motor e outra livre).



Motores Pneumáticos: turbo motores

Este tipo construtivo somente pode ser aplicado em trabalhos leves. Porém a faixa de rotação é muito ampla (em equipamentos dentários até 500000 rpm). O seu funcionamento corresponde ao contrário de um turbo – compressor.

O sentido do fluxo é do mais escuro para o mais claro.



VÁLVULAS

Direccionais

Bloqueio

Pressão

Fluxo

Combinadas



VVáálvulas Direccionais lvulas Direccionais

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CaracterizaCaracterizaçção, Representaão, Representaçção ão SimbSimbóólica e Designalica e Designaççõesões

�� NNúúmero de orifmero de orifíícioscios�� NNúúmero de posimero de posiççõesões�� Natureza do comandoNatureza do comando



CaracterizaCaracterizaçção, Representaão, Representaçção ão SimbSimbóólica e Designalica e Designaççõesões



Exemplo

O que fazO que faz??



VVáálvulas Direccionais 5/2 lvulas Direccionais 5/2

24



VVáálvulas Direccionais 5/2 lvulas Direccionais 5/2



Cilindros duplo efeito

O que fazO que faz??


VVáálvulaslvulas 5/35/3�� Com o Com o cilindrocilindro nana posiposiççãoão mméédiadia a a portaporta de de entradaentrada estestáá ligadaligada a a ambasambas as as portasportas de de sasaíídada

14 2 35

14 12

1

24

5 3


14 2 35

14 12

31

24

5

�� Com o Com o cilindrocilindro parapara a a direitadireita a a portaporta 1 1 conectaconecta--se se àà 4 e a 4 e a portaporta 2 2 conectaconecta--se se àà 3 3

VVáálvulaslvulas 5/35/3

25


14 2 35

14 12

1

24

5 3

�� Com o Com o cilindrocilindro parapara a a esquerdaesquerda a a portaporta 1 1 conectaconecta--se se àà 2 e a 2 e a portaporta 4 4 conectaconecta--se se àà 55

VVáálvulaslvulas 5/35/3


TwistBotão depressão

ShroudedButton

MushroomButton

BotãoDe chave

Switch BotãoDe chave

Solenóide

Rolete

PilotagemPor ar

Came(Plunger)

BotãoEmergência

Sistemas PneumSistemas PneumááticosticosAccionamentoAccionamento



Accionamento (simbologia)Accionamento (simbologia)



AccionamentoAccionamento

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VVáálvulaslvulas e e accionamentoaccionamento



Accionamento elAccionamento elééctricoctrico



Accionamento elAccionamento elééctricoctrico


FieldbusFieldbus Valve IslandValve Island�� Valve islandValve island com com solensolenóóidesides prpréé--ligadosligados a a umauma interface interface

FieldbusFieldbus..�� AtAtéé 16 16 solensolenóóideide�� ProtocolosProtocolos: :

–– DeviceDevice--NetNet–– InterbusInterbus--SS–– ProfibusProfibus FMSFMS–– ProfibusProfibus DPDP–– ASAS--InterfaceInterface

POWER

RUNNING

ANYBUS

REMOTE VALVE DRIVER

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VVáálvulas de bloqueio lvulas de bloqueio

VVáálvulas de retenlvulas de retenççãoão




VVáálvulas de retenlvulas de retençção pilotada ão pilotada




VVáálvulas OU lvulas OU ouou alternadoras alternadoras




VVáálvulas E ou de simultaneidade lvulas E ou de simultaneidade

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VVáálvulas de escape rlvulas de escape ráápido pido



VVáálvulas de pressão lvulas de pressão

LimitadoraLimitadora de de PressãoPressão



VVáálvulas de pressão lvulas de pressão

ReguladoraReguladora de de PressãoPressão



VVáálvula de Retenlvula de Retençção ou ão ou NãoNão--RetornoRetorno

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VVáálvulas de fluxo lvulas de fluxo

VVáálvulalvula ReguladoraReguladora de de FluxoFluxo BidireccionalBidireccional



VVáálvulas de fluxo lvulas de fluxo

VVáálvulalvula ReguladoraReguladora de de FluxoFluxo UnidireccionalUnidireccional



Aplicação: controlo da velocidade


Actuadores - Cálculos

Cálculo da força nos cilindros de simples acção

APFtav .=

FtaFa

FmFaFtFreal avav

%203=

−−=

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Cálculo da força nos cilindros de dupla acção

APFtav .=

FtaFa

FaFtFreal avav

%203=

−=FaFtFreal

aAPFt

recrec

rec

−=

−= )(

a: área da haste



Consumo de ar num ciclo


Patm

PatmPsl

dD

Patm

PatmPsl

D

+××

−×=

+××

×=

4

)(V Recuo

4V Avanço

22

2

π

π

Justifique

Exemplo

Determine o caudal de ar que consome um cilindro de duplo efeito que efectua 10 ciclos por minuto. O êmbolo tem um êmbolo de 50 mm dediâmetro e uma haste de 12 mm de diâmetro e um curso de 100 mm. O sistema trabalha a uma pressão de 6 bar.



Resolução

Determine o caudal de ar que consome um cilindro de duplo efeito que efectua 10 ciclos por minuto. O êmbolo tem 50 mm de diâmetro e uma haste de 12 mm de diâmetro e um curso de 100 mm. O sistema trabalha a uma pressão de 6 bar.

013,1

013,16101

4

)12,05,0(

4

5,0min]/[

22+

×××

−×+

×=

ππlQ


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