Automação Pneumática 1

Automação Pneumática 1

MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/200118

Atualmente, as empresas instaladas em nosso país estão, cada vez mais, preocupadas com a evolução da concorrência internacional, as quais oferecem produtos de alta qualidade e com preços competitivos, resultados dos investimentos realizados ao longo destes anos na Automação Industrial. Seja na área produtiva, controle de materiais, controle de qualidade, embalagens, produtividade, segurança, entre outros, estas empresas estão procurando a melhor solução para enfrentar a concorrência acirrada provocada pelas necessidades de consumo cada vez maior em nosso Planeta. E o caminho encontrado está relacionado na “Automação”.

No Brasil, são poucas as

Empresas preocupadas em orientar seus Engenheiros, Técnicos em Instrumentação e/ou em Mecatrônica, para o campo da “Automação Industrial” devido à falta de pessoal qualificado.

O objetivo principal desta série de artigos será preparar os leitores para o segmento da “Automação Pneumática”, enfocando temas como, por exemplo, desde a instalação de um compressor de ar comprimido até os comandos de controladores lógicos, onde a Pneumática e a Eletrônica se fazem presentes, percorrendo juntas para as mais diversas aplicações.

Este programa será desenvolvido através de partes publicadas nesta revista, cuja pretensão não será a de transformá-las num “Manual Completo de Automação Pneumática” e sim, fornecer requisitos básicos para que os leitores possam ter uma iniciação aos projetos pneumáticos, levando em consideração: a geração do ar comprimido, sua preparação e tratamento, seus comandos, cálculos de consumo, vazão, entre outros pontos de fundamental importância para que no final atenda suas expectativas de utilização.

Em resumo, estaremos sempre enviando informações atualizadas e seguras, complementando com artigos técnicos, visando a preparação dos alunos para o desenvolvimentos nos mais variados setores da Automação Industrial e com as mais modernas utilizações desta fonte de energia, o ar comprimido.

O ar comprimido adquiriu importância em aplicações industriais, somente na segunda metade do século XIX. No entanto, sua utilização é anterior à Da Vinci que, em seus inúmeros inventos, utilizou a energia do ar comprimido.

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José Carlos Amadeo Centro Universitário Salesiano de São Paulo

19MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

Na fundição da prata, do ferro, do chumbo e do estanho, são encontradas referências do ar comprimido datadas no Velho Testamento. A história conta que, há mais de 2.0 anos, técnicos da época construíram máquinas pneumáticas, utilizando para tal fim, um Cilindro de madeira dotado de um êmbolo. Já o vento era aproveitado pelo antigos, utilizando sua força gerada pela dilatação do ar aquecido.

Em Alexandria, centro cultural do mundo helênico, foram construídas as primeiras máquinas, no I século A C.

Neste período, Ctesibios fundou a Escola de Mecânicos em Alexandria, tornando-se o precursor da técnica para comprimir o ar. Na mesma época, um grego chamado Hero, escreveu um artigo de dois volumes sobre as aplicações do ar comprimido e do vácuo.

Tais inventos, por falta de recursos e de materiais adequados, não foram amplamente utilizados. Suas técnicas eram depreciadas, a não ser que estivesse à serviço dos reis e do exército, para aprimoramento de armas de guerra.

Durante um longo período, a energia pneumática sofreu uma paralisação, renascendo somente nos séculos XVI e XVII, com as descobertas de Galileu, Otto Von Guericke, Robert Boyle, Bacon e outros, que passaram a observar as leis naturais sobre compressão e expansão dos gases. Leibiniz, Huyghnes, Papin e Newcomem são considerados os pais da Física Experimental, sendo que os dois últimos consideravam a pressão atmosférica como uma força enorme contra o vácuo efetivo, que era o objeto das Ciências Naturais, Filosóficas e da Especulação Teológica desde Aristóteles até o final da época Escolástica.

No final deste período, o Evangelista Torricelli, inventa o barômetro, um tubo de mercúrio para medir a pressão atmosférica.

Com a invenção da máquina de vapor, por Watts, tem início a era da “máquina” e, no decorrer dos séculos, surgiram várias maneiras de utilização do ar, proporcionando, desta forma, maiores conhecimentos físicos e alguns instrumentos de medição.

Neste longo caminho, das máquinas impulsionadas por ar comprimido, na Alexandria, até nos dias de hoje, com o desenvolvimento da Eletrônica, o homem sempre tentou “aprisionar esta energia”, colocando-a aos seus serviços, controlando e transformando-a em trabalho.

O termo pneumática é derivado do grego Pneumos ou Pneuma, que quer dizer: respiração, sopro, e é definido como o segmento da Física que se ocupa da dinâmica e dos fenômenos físicos relacionados com os gases e com o vácuo, bem como com os estudos da conversão da energia pneumática em energia mecânica, através de seus elementos de trabalho.

Voltaremos em outros capítulos a contar um pouco mais sobre a “História do Ar Comprimido.

Propriedades físicas do ar

Sem a existência do ar, não haveria vida em nosso planeta. Apesar de não possuir uma forma física, podemos notar sua presença em todos os lugares. Por ser elástico e compressível ocupa todo o espaço onde está contido. Sua composição principal é constituída por Nitrogênio (78,09%) e Oxigênio (20,95%). Os resíduos de Dióxido de Carbono, Argônio, Hidrogênio, Neônio, Hélio, Criptônio e Xenônio formam os de- mais componentes desta mistura gasosa que respiramos (figura 1).

Compressibilidade

Um volume de ar, quando submetido por uma força exterior, como por exemplo, em um atuador pneumático (cilindro), seu volume inicial será reduzido, revelando uma de suas propriedades: a compressibilidade, que é mostrada na figura 2.

Figura 2 - Compressibilidade do ar.

Figura 1 - Propriedades físicas do ar.

Elasticidade

Como já mencionado, o ar possui a propriedade de elasticidade, que faz com que, uma vez desfeita a função da compressibilidade, este volte ao seu volume incial (figura 3).

Figura 3 - Elasticidade do ar.

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Difusibilidade

Em processos industrias, é comum a aplicação da “difusibilidade do ar”, que faz com que haja uma mistura homogênea com qualquer meio gasoso não saturado (figura 5).

Figura 4 - Difusibilidade do ar.

Expansibilidade

Como mencionado anteriormente, o ar ocupa o volume total de um recipiente. Sendo assim, é importante ter em mente esta propriedade de expansibilidade quando formos projetar qualquer reservatório de ar comprimido, tubulações contendo tanques, ou mesmo quando se for instalar uma rede de ar comprimido. Este importante assunto será abordado mais tarde (figura 5).

Peso do Ar

Será que o ar tem peso? É possível verificar isso através de uma experiência. Se colocarmos, numa balança de precisão, dois recipientes de mesmo formato e peso, hermeticamente fechados, iremos notar, obviamente, que a balança irá registrar o mesmo peso, conforme

Figura 5 - Expansibilidade do ar.

Figura 6 - O peso do ar. Na situação (a), os dois recipientes contém a mesma quantidade de ar enquanto que na situação (b), somente o recipiente 2 contém ar ao passo que o 1 está sem ar (vácuo).

demonstrado na figura 6(a). Em seguida, se retirarmos o ar de um dos recipientes, com o uso de uma bomba de vácuo e os colocarmos novamente na balança, notaremos que o recipiente “sem ar“ estará mais leve que o outro, que ainda contém ar, conforme é mostrado na figura 6(b).

Apenas como notação, um litro de ar, a uma temperatura de 0ºC e ao nível do mar, pesa 1,293 x 10-3 Kg.

Podemos afirmar que ar quente é mais leve que o ar frio ?

Quando utilizado em processos de automação industrial, notamos esta propriedade do ar comprimido.

O ar atmosférico é aspirado pelas válvulas de admissão dos compressores de ar e neste processo, o ar comprimido atinge uma temperatura de, aproximadamente, 200 º C, tornando-se mais leve. Além disso, arrasta consigo, partículas de vapores de água para a rede de ar comprimido.

Esta importante preocupação, será revista no capítulo: "Tratamento e Preparação do Ar Comprimido" que será publicado futuramente.

Voltemos a nossa questão: no texto acima, mencionamos que o ar quente torna-se mais leve quando submetido ao processo de compressão. Para comprovar isso, pode-se fazer uma experiência, semelhante

21MECATRÔNICA FÁCIL Nº 1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 à descrita anteriormente, com a diferença de que agora, ao invés de retirarmos o ar de um dos recipientes vamos elevar a sua temperatura. Ao fazer isso, e retornarmos o recipientes de volta na balança, notaremos que aquele com o ar mais quente estará mais leve.

O Barômetro de Torricelli

Torricelli provou que é possível medir a pressão atmosférica, presente em todos os lugares, inclusive sobre o nosso corpo, através de seu invento, que se tornou muito famoso, o barômetro de mercúrio.

A idéia principal contida na experiência realizada por Torricelli é que ao colocar um tubo de vidro, sem ar dentro dele e, portanto sem a atuação da pressão atmosférica, na posição vertical em um recipiente contendo água, é possível notar que o nível deste líquido irá subir e se manter numa determinada altura, porque a pressão atmosférica irá exercer uma força, que se equilibrará ao peso desta coluna de água. No caso deste líquido, especificamente, o equilíbrio se dá, quando a coluna estiver com 10,3 metros (desde que se esteja no nível do mar e numa temperatura de 0º)

Por conta do tamanho do tubo que é necessário utilizar, a experiência torna-se muito incômoda, pois onde conseguir um tubo de vidro de, pelo menos, 10,3 metros de altura, sem deixar que este caia e quebre?

Esta foi a mesma conclusão que

Torricielli chegou. Daí, este físico teve a idéia de utilizar um líquido mais denso que a água. No caso foi utilizado o mercúrio, pois uma mesma massa deste líquido, ocupa um menor volume, em comparação com a água.

Dessa forma, Torricelli provou que a pressão atmosférica é capaz de equilibrar uma coluna de apenas 0,76

Para visualizar esta experiência em relação ao tamanho do tubo, observe a figura 15, onde é possível notar a relação entre as colunas de

Figura 7 - O ar quente (T) possui uma densidade menor que o ar frio (T).

Figura 8 - Comparação entre os barômetros de mercúrio e de água.

mercúrio e a água. Se compararmos as duas, iremos notar que a coluna de mercúrio é 13,6 vezes menor que a coluna de água.

Com tudo isso, pode-se deduzir que aquela coluna (que ficou incomoda para se conseguir) de 10,3 metros de coluna de água, será igual, em peso, à uma coluna de mercúrio de 0,76 metros.

Efetuando nossas contas, iremos concluir que10,3 dividido por 13,6 será igual a 0,759, ou seja, praticamente os 0,76 m.

O que Torricelli nos comprovou, portanto, é que a pressão atmosférica atua em todos os sentidos e direções com, praticamente, a mesma intensidade e é equivalente a 760 m de uma coluna de mercúrio de qualquer seção transversal a 0º C ao nível do mar. E a grande utilidade deste invento é que conhecendo-se a relação entre a pressão e a altura da coluna de mercúrio, é possível descobrir qual é a pressão numa determinada situação, bastando para isso medirmos a altura da coluna de mercúrio.

Na próxima lição, iremos abordar algumas características físicas dos gases e como se dão as transformações de pressão, volume e temperatura de um gás. Até lá!

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