A1 SCHP-Polliana, Salim, Guilherme, Bruno

A1 SCHP-Polliana, Salim, Guilherme, Bruno

GEM 37 – Sistemas de Controle Hidráulico e Pneumático

A1: -Origem e Comparação entre as Energias (Pneumática,Vácuo, Hidráulica Industrial e Eletro-Eletrônica)

Introdução

Conceito de Energia

Muitos livros definem energia como "capacidade de realizar trabalho". Mas esta é uma definição limitada a uma área restrita: a Mecânica. Um conceito mais completo de energia deve incluir outras áreas (calor, luz, eletricidade, por exemplo).

À medida que procuramos abranger áreas da Física no conceito de energia, avolumam-se as dificuldades para se encontrar uma definição concisa e geral.

A quantidade que chamamos energia pode ocorrer em diversas formas. Energia pode ser transformada, ou convertida, de uma forma em outra (conversão de energia).

A quantidade que chamamos energia pode ocorrer em diversas formas. Energia pode ser transformada, ou convertida, de uma forma em outra (conversão de energia).

Unidades de Energia

  • A unidade de energia no sistema internacional de unidades é o joule (J). O joule é uma unidade derivada, equivalente a 1 newton metro (1J = 1N.1m) ou ainda a 1 quilograma metro quadrado por segundo quadrado (1J=1Kg \frac {m^2}{s^2} ).

  • 1 joule corresponde à energia transferida a um objeto por uma força resultante constante de 1N que, atuando de forma sempre paralela à trajetória descrita, o faz durante o intervalo de tempo necessário para que este objeto mova-se 1 metro ao longo da trajetória.

  • Embora a unidade oficial seja o joule, outras unidades de energia são freqüentemente utilizadas em função do contexto. Destacam-se o (quilo)watt-hora (KWh), unidade utilizada na medida do consumo de energia elétrica residencial ou industrial, o elétron-volt (eV), muito utilizada em física nuclear e de física de partículas, e o erg, unidade muito comum em países que ainda não adotaram por completo o estabelecido pelo Sistema Internacional de Unidades.

O watt-hora corresponde à energia transformada quando um dispositivo cuja potencia seja de 1 watt opera durante um intervalo de tempo de 1 hora. Uma lâmpada cuja potência nominal é 60W transforma 720Wh (ou seja, 0,72KWh) de energia elétrica em outras formas de energia a cada 12 horas de funcionamento (720Wh = 60W x 12h).

  • O watt-hora corresponde à energia transformada quando um dispositivo cuja potencia seja de 1 watt opera durante um intervalo de tempo de 1 hora. Uma lâmpada cuja potência nominal é 60W transforma 720Wh (ou seja, 0,72KWh) de energia elétrica em outras formas de energia a cada 12 horas de funcionamento (720Wh = 60W x 12h).

  • O elétron-volt corresponde à energia cinética ganha quando um elétron move-se entre dois pontos separados por uma diferença de potencial de 1 volt.

  • O erg é a unidade utilizada ao empregar-se o sistema de unidade cgs, comum em alguns países mesmo hoje em dia. Um erg equivale à um grama centímetro quadrado por segundo quadrado, ou seja, à décima milhonésima parte do joule (1 erg = 10-7 joules).

Pneumática

Pneumática- História

 

  • A produção do ar comprimido e os aparelhos pneumáticos não pararam de evoluir. Em Paris, nasceu em 1888 uma instalação de 24.000 CV distribuindo ar comprimido as diferentes industrias. Nesta primeira fase industrial , a utilização do ar comprimido limitou se aos motores  rotativos ou de choque . Estes últimos 20 anos permitiram o desenvolvimento de componentes pneumáticos .

  •  As vantagens dos aparelhos pneumáticos foram reconhecidos por todos os setores industriais .  Hoje em dia , o ar comprimido faz parte integrante da industria .  Há poucas industrias que ainda não utilizam os elementos pneumáticos .

Pneumática- Definições

  • A existência física do ar, bem como a sua utilização como forma de energia, é reconhecida há milhares de anos. Derivado do termo grego πνευματικός (pneumatikos que significa "fôlego", "sopro"), a pneumática é o uso de fluido pressurizado na ciência e tecnologia.

  • É também o estudo da conservação da energia pneumática em energia mecânica, através dos respectivos elementos de trabalho. A Energia Pneumática provém da compressão do ar atmosférico em um reservatório, transformando-o em ar comprimido a uma dada pressão de trabalho. O equipamento que executa este processo é chamado de compressor.

  • Conforme estabelecido pela ISO 5598 a pneumática refere-se à ciência e tecnologia que trata do uso do ar ou gases como meio de transmissão de potência.

Conceitos

Energia Pneumática

  • Provém da compressão do ar atmosférico em um reservatório, que transforma-o em ar comprimido a uma dada pressão de trabalho. Tal processo é feito por um compressor. Somente a partir de 1950 essa energia foi aplicada industrialmente, principalmente na automação e na racionalização da força humana para trabalhos cíclicos e metódicos. Alguns marcos históricos relevantes na história desta do aproveitamento desta energia são: invenção do barômetro (Torricelli) e Máquina a Vapor (Watts).

Ar comprimido

  • O ar comprimido é, provavelmente, uma das mais antigas formas de transmissão de energia que o homem conhece, empregada e aproveitada para ampliar sua capacidade física. O reconhecimento da existência física do ar, bem como a sua utilização consciente para o trabalho, são comprovados há milhares de anos.

  • Somente na segunda metade do século XIX é que o ar comprimido adquiriu importância industrial. No entanto, sua utilização é anterior a Da Vinci, que em diversos inventos dominou e usou o ar.

Ar comprimido

  • O ar comprimido possibilita uma rápida movimentação de atuadores, com velocidade controlada e uma razoável precisão de posicionamento e apesar de não ter a mesma velocidade de processamento de informações que a elétrica ou a eletrônica pode, em ambientes que assim o permitem, receber estas formas de comando, permitindo com isso uma redução de custos e incremento na versatilidade. Pode também ser associado a circuitos hidráulicos dando a estes maior versatilidade, reduzindo-lhe o custo e aumentando o campo de utilização.

  • Muito embora o ar seja facilmente encontrado na natureza, o ar comprimido é uma fonte de energia que está longe de ser econômica. Já que para comprimi-lo é necessário um grande investimento inicial em compressores, filtros, secadores e outros equipamentos que lhe dão a qualidade adequada ao uso.

Instalação de rede ar comprimido

circuito pneumático

  • O circuito pneumático é entendido como parte de um sistema pneumático o qual engloba também sensores, controladores, circuitos elétricos e demais componentes que viabilizam a automação e controle de um processo.

  • Os circuitos pneumáticos são alimentados por fontes de ar comprimido que incluem válvulas e cilindros interligados através de tubulações, tendo como objetivo a conversão, de forma controlada da energia pneumática em energia de transição ou de rotação.

Sistemas Pneumáticos

  • Gerador: Compressores (êmbolo, palhetas, pistões, parafusos, entre outros).

Sistemas Pneumáticos

  • Distribuidor: Válvulas direcionais, válvulas de pressão, válvulas de bloqueio entre outras.

Sistemas Pneumáticos

  • Consumidor: Cilindros lineares, motores, cilindros rotativos, válvulas de vácuo, bicos sopradores, entre outros).

Vantagens- Pneumática

  • Incremento da produção com investimento relativamente pequeno. Uma vez que as pressões de trabalho são relativamente baixas quando comparadas a hidráulica, seus elementos de comando e ação são menos robustos e mais leves, podendo ser construídos em liga de alumínio, tornando seu custo relativamente menor, portando mais vantajoso.

  • Redução dos custos operacionais. A rapidez nos movimentos pneumáticos e a libertação do operário (homem) de operações repetitivas possibilitam o aumento do ritmo de trabalho, aumento de produtividade e, portanto, um menor custo operacional.

  • Robustez dos componentes pneumáticos. A robustez inerente aos controles pneumáticos torna-os relativamente insensíveis a vibrações e golpes, permitindo que ações mecânicas do próprio processo sirvam de sinal para as diversas sequências de operação. São de fácil manutenção.

Resistência a ambientes hostis. Poeira, atmosfera corrosiva, oscilações de temperatura, umidade, submersão em líquidos, raramente prejudicam os componentes pneumáticos, quando projetados para essa finalidade.

  • Resistência a ambientes hostis. Poeira, atmosfera corrosiva, oscilações de temperatura, umidade, submersão em líquidos, raramente prejudicam os componentes pneumáticos, quando projetados para essa finalidade.

  • Simplicidade de manipulação. Os controles pneumáticos não necessitam de operários superespecializados para sua manipulação.

  • Segurança. Como os equipamentos pneumáticos envolvem sempre pressões moderadas, tornam-se seguros contra possíveis acidentes, quer no pessoal, quer no próprio equipamento, além de evitarem problemas de explosão.

  • Redução do número de acidentes. A fadiga é um dos principais fatores que favorecem acidentes; a implantação de controles pneumáticos reduz sua incidência (liberação de operações repetitivas).

Regulagem: a pneumática não possuem escala de regulagem, isto e, os elementos são regulados em velocidade e forca, conforme a necessidade da aplicação, sendo da escala de zero ao Maximo do elemento.

  • Regulagem: a pneumática não possuem escala de regulagem, isto e, os elementos são regulados em velocidade e forca, conforme a necessidade da aplicação, sendo da escala de zero ao Maximo do elemento.

  • Facilidade de implantação. Pequenas modificações nas máquinas convencionais, aliadas à disponibilidade de ar comprimido, são os requisitos necessários para implantação dos controles pneumáticos.

Limitações - Pneumática

  • Preparação. O ar comprimido necessita de uma boa preparação para realizar o trabalho proposto: remoção de impurezas, eliminação de umidade para evitar corrosão nos equipamentos, engates ou travamentos e maiores desgastes nas partes móveis do sistema.

  • Força.Os componentes pneumáticos são normalmente projetados e utilizados a uma pressão máxima de 1723,6 kPa. Portanto, as forças envolvidas são pequenas se comparadas a outros sistemas. Assim, não é conveniente o uso de controles pneumáticos em operação de extrusão de metais. Provavelmente, o seu uso é vantajoso para recolher ou transportar as barras extrudadas.

  • Velocidade. Velocidades muito baixas são difíceis de ser obtidas com o ar comprimido devido às suas propriedades físicas. Neste caso, recorre-se a sistemas mistos (hidráulicos e pneumáticos).

Compressibilidade. O ar é um fluido altamente compressível, portanto, é impossível se obterem paradas intermediárias e velocidades uniformes. O ar comprimido é um poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões para a atmosfera. Esta poluição pode ser evitada com o uso de silenciadores nos orifícios de escape.

  • Compressibilidade. O ar é um fluido altamente compressível, portanto, é impossível se obterem paradas intermediárias e velocidades uniformes. O ar comprimido é um poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões para a atmosfera. Esta poluição pode ser evitada com o uso de silenciadores nos orifícios de escape.

  • Escape de ar – sempre que o ar e expulso de dentro de um atuador, apos seu movimento de expansão ou retração, ao passar pela válvula comutadora, espalhando-se na atmosfera ambiente, provoca um ruído relativamente alto, apesar de que nos dias de hoje, este problema foi quase totalmente eliminado com o desenvolvimento de silenciadores.

Hidráulica Industrial

Hidráulica- Histórico

  • A força fluida tem sua origem, a milhares de anos antes de Cristo. O marco inicial, de que se tem conhecimento, foi o uso da potência fluida em uma roda d’água, que emprega a energia potencial da água armazenada a uma certa altura, para a geração de energia. Os romanos por sua vez, tinham um sistema de armazenamento de água e transmissão, através de canais ou dutos para as casas de banho ou fontes ornamentais.O uso do fluido sob pressão, como meio de transmissão de potência, já é mais recente, sendo que o seu desenvolvimento ocorreu, mais precisamente, após a primeira grande guerra.

Energia Hidráulica

  • Obtida a partir da energia potencial de uma massa de água. Pode ser convertida na forma de energia mecânica (rotação de um eixo) através de turbinas hidráulicas ou moinhos de água. As turbinas por sua vez podem ser usadas como acionamento de um equipamento industrial, como um compressor, ou de um gerador elétrico, com a finalidade de prover energia elétrica para uma rede de energia.

potência hidráulica

  • A potência hidráulica máxima que pode ser obtida através de um desnível pode ser calculada pelo produto:

  • P = ρQHg

  • Em unidades (SI)

  • Potência(P): Watt(W)

  • Queda(H): m

  • Densidade(ρ): kg / m3

  • Vazão volumétrica(Q): m3 / s

  • Aceleração da gravidade(g):m / s2

Hidráulica

O termo Hidráulica derivou-se da raiz grega Hidro, que tem o significado de água, por essa razão entendem-se por Hidráulica todas as leis e comportamentos relativos à água ou outro fluido, ou seja, Hidráulica é o estudo das características e uso dos fluidos sob pressão.

Hidráulica

Experiências têm mostrado que a hidráulica vem se destacando e ganhando espaço como um meio de transmissão de energia nos mais variados segmentos do mercado, sendo a Hidráulica Industrial e Móbil as que apresentam um maior crescimento.

Definição de sistema hidráulico

Conjunto de elementos físicos associados que, utilizando um fluido como meio de transferência de energia, permite a transmissão e o controle de força e movimento.

Esquema de Sistema Hidráulico

  • Sistema de reservatório, filtros, bombas, motores, acumuladores, intensificadores de pressão e outros.

  • Sistema de distribuição e controle constituído por válvulas controladoras de vazão e pressão.

  • Sistema de aplicação de energia atuadores (cilindros, motores hidráulicos).

Tipos de Sistemas hidráulicos

  • Sistemas de potência utilizando fluidos: Circuitos para realizar trabalho (Foco da Automação) ;

  • Sistemas de transporte de fluidos: Redes de distribuição de água e gás ;

Aplicação do principio de pascal

Divisão da Hidráulica

  • Para fins didáticos, a hidráulica divide-se em dois ramos: a hidráulica industrial e a hidráulica móbil.

  • A hidráulica industrial cuida de máquinas e sistemas hidráulicos utilizados nas indústrias, tais como máquinas injetoras, prensas, retificadoras, fresadoras, tornos etc.

Divisão da Hidráulica

  • A hidráulica móbil cuida de mecanismos hidráulicos existentes nos sistemas de transportes e cargas como caminhões, automóveis, locomotivas, navios, aviões, motoniveladoras, basculantes etc.

Vantagens e desvantagens da utilização da energia hidráulica

  • A grande vantagem da utilização da energia hidráulica consiste na facilidade de controle da velocidade e inversão, praticamente instantânea, do movimento. Além disso os sistemas são auto lubrificados e compactos se comparados com as demais formas de transmissão de energia.

  • As desvantagens dos sistemas é que se comparados com a eletricidade, por exemplo, os sistemas têm um rendimento baixo, de modo geral em torno de 65%, principalmente devido a perdas de cargas e vazamentos internos nos componentes. A construção dos elementos necessita de tecnologia de precisão encarecendo os custos de produção.

Desvantagens dos Sistemas Hidráulicos

  • Perdas de carga nas tubulações e acessórios;

  • Fugas internas que afetam os rendimentos;

  • Sensibilidade à alteração de condições físicas: temperatura, viscosidade do fluido hidráulico, compressibilidade, etc;

  • Vapores de Óleo: Poluição do meio ambiente, perigo de incêndio);

  • Ruído devido a vibração hidrodinâmica;

  • Exige alta qualidade mecânica dos órgãos hidráulicos;

  • Custos elevados;

  • Velocidades mais baixas.

Vantagens dos Sistemas Hidráulicos

  • Tempo de resposta mais rápido;

  • Força constante;

  • Suavidade de movimentos;

  • Facilidade na obtenção de velocidade variáveis;

  • Proteção contra sobre-cargas;

  • Ausência de transmissões mecânicas complexas;

  • Flexibilidade na disposição dos órgãos componentes;

  • Facilidade de controle por meio de instrumentos de medição;

  • Durabilidade e fiabilidade – auto-lubrificação.

Aplicações da Energia Hidráulica

    • Hidráulica no setor móvel: Escavadoras, dragas, gruas e guindastes, máquinas rodoviárias e agrícolas e mecânica automobilística.

Aplicações da Energia Hidráulica

Hidráulica em aplicação as técnicas especiais:

  • Acionadores de telescópios e antenas;

  • Bóias de investigação marítima;

  • Trens de aterragem;

  • Controle de aeronaves.

Manutenção de circuitos hidráulicos

  • Analisar previamente o funcionamento do circuito;

  • Analisar as regulagens das válvulas;

  • Verificar se a tubulação não apresenta pontos de vazamento;

  • Verificar a limpeza do óleo existente no reservatório.

Vácuo

Vácuo

  • energia do vácuo ou energia do vazio é uma energia de fundo existente no espaço inclusive na ausência de todo tipo de matéria. A energia do vácuo tem uma origem puramente quântica e é responsável por efeitos físicos observáveis como o efeito Casimir.

  • Vácuo é a ausência de matéria (como moléculas e átomos) em um volume de espaço ou energia, pois segundo Albert Einstein o Universo é composto de matéria e energia. 

Um vácuo energético parcial é expresso em unidades de pressão. No sistema de medidas SI, a unidade para a pressão chama-se Pascal (Pa). A pressão também pode ser expressa como uma porcentagem da pressão atmosférica usando o bar ou a escala barométrica. Descoberto e provado no século XVI pelo físico alemão Otto von Guericke na cidade de Magdeburgo.

  • Um vácuo energético parcial é expresso em unidades de pressão. No sistema de medidas SI, a unidade para a pressão chama-se Pascal (Pa). A pressão também pode ser expressa como uma porcentagem da pressão atmosférica usando o bar ou a escala barométrica. Descoberto e provado no século XVI pelo físico alemão Otto von Guericke na cidade de Magdeburgo.

Graus do Vácuo

  • Pressão atmosférica = 760 torr ou 100 kPa;

  • Aspirador = cerca de 300 torr ou 40 kPa;

  • Bomba de vácuo mecânica = cerca de 10 millitorr ou 1.3 Pa;

  • Próximo do espaço = cerca de 10−6 torr ou 130 μPa;

  • Pressão na Lua = cerca de 10−8 torr ou 1.3 μPa;

  • Câmara de vácuo cryopump MBE (molecular beam epitaxy) = 10−9 - 10−11 torr;

  • Espaço interestelar = cerca de 10−10 torr ou 13 nPa.

Vantagens do uso do vácuo

  • Grandes volumes de sucção e baixo consumo de energia;

  • Preço baixo, sem emissão de calor e compacta ;

  • Grande acúmulo de energia com trabalho das bombas durante todo o ciclo de operação;

  • Bomba pode ser desligada quando o vácuo não é mais necessário.

Desvantagens do uso do vácuo

  • Técnica simples e competitiva;

  • Sem desgaste (nenhuma peça em movimento);

  • Reduzidas dimensões, compacto, grande ligeireza permitindo a sua montagem diretamente sobre os sistemas utilizados em robótica;

  • Reduz o comprimento das tubagens e melhora o tempo de resposta.

Bombas de vácuo

Bombas de Membrana (Sem Óleo)

Instalação de Sistema de Vácuo

Aplicações de Sistemas de Vácuo

Eletro-Eletrônica

Energia Elétrica

  • Facilidade de Geração, Transmissão, Distribuição e Utilização

  • Transformação em outras formas de energia

  • Universalização

Energia Elétrica

  • Dificuldade de armazenamento em termos econômicos

  • Variações em tempo real da demanda, e na produção em caso de fontes renováveis

  • Falhas randômicas em tempo real na geração, transmissão e distribuição

  • Necessidade de atender as restrições físicas para operação confiável e segura da rede elétrica

Estruturação organizacional

  • O setor elétrico atual segue o modelo abaixo:

Sistema de ;

Sistema de ;

Sistema de ;

Sistema de ;

Sistema de Geração

  • Na geração de energia elétrica uma tensão alternada é produzida, a qual é expressa por uma onda senoidal, com frequência fixa e amplitude variável.

  • O fenômeno físico da geração é a indução eletromagnética, onde a energia mecânica é transformada em energia elétrica.

Sistema de Geração

  • Transformamos as energias primárias em energia elétrica. Abaixo, tipos de energia primária:

Sistema de Transmissão

  • Os centros de energia, geralmente, são distantes dos centros consumidores. Então o sistema de transmissão é o meio que possibilita a energia de se transportar da geração para a distribuição.

Sistema de Transmissão

  • Do gerador sai uma energia com alta potência e voltagem de 13.8 kV. Considerando uma perda por efeito jaule de 2.5%, observe:

Sistema de Transmissão

  • Então, existe um processo feito pelo transformador elevador que eleva a tensão de 13.8 kV para 130 kV.

Sistema de Distribuição

  • Depois de tranmitida, a energia deve ser distribuida. Mas antes deve-se rebaixar a tensão para novamente 13.8 kV ou 11.96 kV. Processo feito pelo tranformador abaixador. A energia se desloca pra a rede primária:

Sistema de Distribuição

  • Da rede primária, a energia deve se deslocar para os consumidores finais, na rede secundária. Para tanto, a tensão é rebaixada novamente ( por exemplo, para 220 ou 127 V) nos transformadores de distribuição (aqueles nos postes nas ruas):

Sistema de Utilização

  • Vamos diferenciar a utilização em dois tipos:

Utilização Elétrica

  • São os motores elétricos que encontramos tanto em aplicações domésticas, quanto em aplicaçòes industriais.

Utilização Elétrica-Mecânica doméstica

  • A necessidade é transformar a energia elétrica em mecânica. Alguns itens que usamos com frequência em casa:

Utilização Elétrica-Mecânica Industrial

  • Os motores das indústrias variam a potência dependendo da aplicação. Abaixo: a) motor de exaustor de caldeira de média potência (80 cv); b) um motor de super potência (6000 cv).

  • a) b)

Utilização Elétrica-Efeito Joule

  • A necessidade é transformar a energia eletrica em calor ou luminosidade, atravéz do fluxo de energia por uma resistência.

Utilização Eletrônica

  • A necessidade é representar, armazenar, transmitir ou processar informações além do controle de processos e servo mecanismos.

  • Para tanto, há de se controlar a energia elétrica, onde os elétrons tem papel fundamental.

  • Aplicações: Sitemas de telecomunicações; Sistemas internos de computadores,Transdutores, Sensores...

Utilização Eletrônica

    • Placa de Circuito Impresso de um HD
    • Sensores

Conclusões

Conclusão

  • Na automação de movimentos na indústria, pode-se utilizar energia de diferentes formas, a energia elétrica em suas formas tradicionais, a energia hidráulica quando a necessidade de grandes esforços e a pneumática quando precisamos de esforço moderado e grandes velocidades, quando o ambiente limpo é de fundamental importância, a exemplo da indústria alimentícia, ou quando o ambiente é inflamável ou hostil, na presença de pó ou vapor.

O vácuo é muito usado na indústria alimentícia, para limpeza de carcaças de animais e para as embalagens.

Utilização de energia elétrica no setor industrial do Paraná 2003

Referências

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