Material Pneumatica

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Figura 2.1.1 - Pressões relativa e absoluta.

Onde: 0 - zero absoluto da pressão; 1 - pressão atmosférica;

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2 - pressão absoluta (pa); 3 - pressão relativa positiva +pe; 4 - pressão relativa negativa +-pe;

Por definição pe=pa-1bar. Assim, usando o zero absoluto (vácuo) como ponto de referência, os dados de pressão se definem como pressão absoluta, enquanto que usando a pressão atmosférica como ponto de referência os dados de pressão se definem como pressão relativa. Note que a pressão relativa pode ser positiva ou negativa, mas a pressão absoluta é sempre positiva. A figura 2.1.2 indica as medições de pressão absoluta e relativa nos pontos 1 e 2.

Figura 2.1.1 - Exemplo de medição de pressões absoluta e relativa.

Assim, no ponto 1 a pressão absoluta vale 2,5 bar e a relativa 1,5 bar, enquanto no ponto 2 a pressão absoluta vale 0,2 bar e a relativa vale -0,8 bar.

O valor da pressão é normalmente indicado com um manômetro. Existem três tipos de manômetro: manômetro de tubo de Bourdon (ver figura 2.1.3), diafragma ondulado, êmbolo com mola.

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Figura 2.1.3 - Manômetro de tubo de Bourdon.

2.2 Gás Ideal

Os gases ocupam a totalidade do volume disponível e produzem forças de compressão devido ao movimento das moléculas que é produzido pelo efeito do calor. Numa mistura de gases, cada gás se comporta como se os outros não existissem. A pressão total da mistura é igual a soma das pressões individuais (pressão parcial) de cada gás.

O vapor é produzido pela evaporação de líquidos. Dependendo da temperatura pode haver evaporação até a pressão máximade vapor, tratando-se nesse caso de vapor saturado. Os gases podem ser entendidos como vapores superaquecidos e obedecem aproximadamente às leis físicas dos gases. Já vapores saturados não obedecem às leis físicas dos gases. No estudo dos gases são comuns os termos gases ideais e gases reais. O gás real é como definido acima, um vapor superaquecido que apresenta uma certa temperatura de condensação (se torna líquido). Já o gás ideal não condensa no resfriamento até o ponto zero absoluto, consistindo num estado ideal (modelo) que facilita o equacionamento teórico do seu comportamento, mas não ocorre na prática. No entanto, visto que o ponto de condensação dos gases reais ocorre em baixas temperaturas e altas pressões, pode-se na pneumática a princípio, tratar o gás real com suficiente exatidão como gás ideal.

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O estado de um gás é determinado por três grandezas físicas: pressão (P), volume (V) e temperatura (T). Essas três grandezas estão relacionadas pela equação geral de estado, descrita a seguir:

.cte T

=(2.2.1)
mRTPV=(2.2.2)

onde a unidade da temperatura é Kelvin (K). Outra forma dessa equação, considerando uma massa de ar m, é: onde R é a constante do gás que é igual à 287 J/Kg.K para o ar. Assim, a densidade (ρ) do gás é dada por:

RTpV

==ρ(2.2.3)

Da equação (2.2.1) observa-se que se a temperatura for mantida constante (processo isotérmico) o produto pressão pelo volume é constante. Se a pressão for mantida constante, a razão entre volume e temperatura é mantida constante. Se o volume for mantido constante, a razão entre pressão e temperatura é mantida constante.

2.3 Ar e Ar Comprimido

O ar da atmosfera é uma mistura de gases composto de 78% de Nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases (ver figura 2.3.1).

Figura 2.3.1 - Composição do ar.

O ar contém adicionalmente água em forma de vapor. A capacidade de absorção de vapor d'água no ar depende da temperatura, porém não da pressão. Se a capacidade

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Pneumática máxima de absorção for ultrapassada o vapor d'água condensa e precipita na forma de água condensada (neblina, pingos, etc.). A umidade máxima do ar (fmax) é o volume máximo de vapor d'água possível numa temperatura t. A umidade absoluta do ar (f ) é a quantidade de vapor d'água expressa em gramas efetivamente contida numa unidade de volume. A umidade relativa do ar (ϕ) é também chamada de grau de saturação e é expressa por:

maxff=ϕ(2.3.1)

A tabela 2.3.1 indica o conteúdo máximo de água no ar saturado em cada temperatura.

Tabela 2.3.1 - Conteúdo de água no ar saturado em cada temperatura.

Como a umidade máxima varia com a temperatura é comum se expressar a umidade máxima pelo seu valor de temperatura correspondente que é chamado ponto de orvalho. O ponto de orvalho também pode ser definido como a temperatura à qual deve ser esfriado um gás para obter a condensação do vapor d'água.

O ar comprimido é o ar atmosférico condensado, que possui energia de pressão armazenada e portanto está em condição de realizar trabalho. Durante a compressão se produz calor. Quando o ar comprimido se expande, ocorre um resfriamento. Vejamos alguns exercícios que envolvem os conceitos fornecidos até aqui.

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O reservatório de ar comprimido de um compressor tem um volume de 10 m3 como mostrado na figura 2.3.2. O reservatório se encontra preenchido com ar comprimido com uma pressão relativa igual à 7 bar e uma temperatura de 20ºC.

Figura 2.3.2 - reservatório de um compressor.

1. Qual a quantidade de ar, considerando o estado normalizado (1 bar, 20ºC) que contém o reservatório e qual a quantidade máxima utilizável? 2. Que pressão se forma com o reservatório fechado num aumento de temperatura para 65ºC? (desprezar dilatação do reservatório). Solução:

Uma ferramenta pneumática é operada por um cilindro de gás cheio de ar comprimido como mostrado na figura 2.3.3. A pressão de preenchimento é de 205 bar absoluto, a uma temperatura de 20ºC e a capacidade do cilindro de gás é de 40 litros. A ferramenta é operada com uma pressão de trabalho igual à 4 bar e consome 200 litros/min de ar, referentes a 1 bar e 20ºC.

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Figura 2.3.3 - Cilindro de gás.

1. Por quanto tempo a ferramenta poderá ser operada com o cilindro, em operação contínua? 2. Qual o tempo de funcionamento com 20% de vazão de utilização? 3. A qual valor de pressão se reduz o cilindro de gás que foi preenchido à 20ºC quando este for empregado ao ar livre a uma temperatura ambiente de -5ºC? Solução:

1. A operação ocorre até que a pressão final seja igual à 5 bar, assim:

= 205 bar; Vi= 40 L;Pf =4+1 = 5 bar ; Vf=40 L

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Considere o percurso do ar aspirado numa central compressora como mostrado na figura 2.3.4. O ar atravessa as estações: compressor, resfriador, rede e chega ao comsumidor. As características do ar aspirado (umidade, temperatura e pressão), e a sua temperatura ao longo do percurso são dados na figura 2.3.4. O ar é comprimido no compressor a uma pressão de 6 bar relativa.

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Figura 2.3.4 - Fluxo de ar numa central compressora.

Calcule a quantidade de água que condensa em cada estação. Solução:

1. Sucção: P0=1bar61*

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