1

Prof. Caruso

Transformação dos Gases

Unidades de medida

Pressão

Unidade padrão Pa (Pascal = N/m2)

Pn (pressão normal) = 101.325Pa (101.325N/m2 = 1,01325bar = 1atm)

Volume

m3,l

Temperatura

K = Kelvin (Sempre)

TC = temperatura °C

K = temperatura

TC=K-273

K=TC+273

Temperatura normal = 293K (20°C)

2

Prof. Caruso

Transformação Isotérmica (temperatura constante)

Lei de Boyle-Mariotte

cteVPVPVP 3.32.21.1

Aumenta a pressão, reduz o volume.

Exemplo: Na figura acima, considerando que V1=2.V2=3.V3,

barPPP

mV

VV

VV

V

P

mV

barP

3335,0

5,15,0.35,1.1

5,03

5,13

13

13

3.31

?3

?3

5,11

11

3

3

Transformação Isobárica (pressão constante)

Lei de Gay Lussac

cteT

V

T

V

2

2

1

1

3

Prof. Caruso

Aumenta o calor, aumenta o volume.

Exemplo: Na figura acima, possui inicialmente 0,5m3 de gás hélio a 20°C. Qual será o volume

ocupado por esse gás à temperatura de 35°C?

353,022293

154

308

2

293

5,0

2

2

1

1

mVVV

T

V

T

V

Transformação Isométrica ou Isocórica (volume constante)

cteT

P

T

P

2

2

1

1

Aumenta o calor, aumenta a pressão.

Exemplo: O recipiente acima possui um volume de 0,5m3 de gás hélio a 20°C e pressão de 6

bar. Qual será a pressão registrada no manômetro (aparelho que indica a pressão), quando a

temperatura atingir 35°C?

barPPP

T

P

T

P

31,622293

1848

308

2

293

6

2

2

1

1

Lei dos Gases Ideais

2

2.2

1

1.1

T

VP

T

VP

Exemplo: Uma certa massa de gás ideal sob pressão de 10bar e temperatura de 200K, ocupa

um volume de 0,5m3. Qual o volume ocupado pela massa de gás sob pressão de 20bar e

temperatura de 300K?

4

Prof. Caruso

3375,0224000

1500

300

2.20

200

5,0.10

2

2.2

1

1.1

mVVV

T

VP

T

VP

Exercício:

Uma dada massa de gás perfeito está em um recipiente de volume 8,0 litros, a

temperatura de 7,0°C, exercendo a pressão de 4,0 atm. Reduzindo-se o volume a 6,0

litros e aquecendo-se o gás, a sua pressão passou a ser 10 atm. Determine a que

temperatura o gás foi aquecido.

KTTT

T

VP

T

VP

5252232

16800

2

6.10

280

8.4

2

2.2

1

1.1

5

Prof. Caruso

Propriedades do Ar

Composição do ar seco Ar é o nome da mistura de gases presentes na atmosfera da Terra. O ar seco é composto (em massa) por 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio, 0,97% de gases nobres e 0,03% de gás carbônico (dióxido de carbono). O ar pode ainda conter de 0 a 7% de vapor de enxofre. A composição do ar altera-se com a latitude. O ar expirado (no processo da respiração dos animais) contém uma maior percentagem de dióxido de carbono, tipicamente 4,5%. O ar atmosférico não é apenas uma mistura de gases, apresenta também partículas sólidas de sujeira. Outros gases inclui 0,03% de gás carbônico e pequenas proporções de argônio (árgon), poluentes e vapor d'água. Composição do ar seco: Nome Fórmula Proporção Nitrogênio N2 78,08 % Oxigênio O2 20,95 % Argônio Ar 0,934 % Dióxido de Carbono CO2 382 ppm Neônio Ne 18,18 ppm Hélio He 5,24 ppm Monóxido de nitrogênio NO 5 ppm Criptônio Kr 1,14 ppm Metano CH4 1,7 ppm Hidrogênio H2 0,5 ppm Protóxido de nitrogênio N2O 0,5 ppm Xenônio Xe 0,087 ppm Dióxido de Nitrogênio NO2 0,02 ppm Ozônio O3 0 à 0,01 ppm Radônio Rn 6,0×10-14 ppm O ar pode ser comprimido, pode se expandir e pode realizar trabalho (colocar corpos em

movimento).

COMPRESSIBILIDADE DO AR: O AR PODE SER COMPRIMIDO: Exemplo da seringa: A compressibilidade do ar tem limite: o ar no interior da seringa é

comprimido pela pressão do êmbolo até um limite.

Em condições normais as moléculas ficam bem afastadas uma das outras. Quando

comprimimos o ar, as moléculas ficam mais próximas umas das outras, ou seja, o espaço entre

elas diminui e a quantidade de ar ocupa um volume menor.

Exemplos de utilização do ar comprimido:

Ar comprimido é um insumo ou forma de energia de ampla utilização. Certamente é difícil

listar todas, mas é possível mencionar algumas aplicações: acionamentos e controles

industriais, transporte pneumático, ejetores de fluidos, processos como produção de peças de

vidro ou plástico, jato de areia, pinturas, ferramentas (marteletes, perfuratrizes, etc),

acionamento de freios, operações submarinas, etc.

6

Prof. Caruso

As vantagens são evidentes: é fácil de ser conduzido, os equipamentos são compactos e leves,

não há risco de incêndio ou choque elétrico, não gera resíduos prejudiciais, etc. A

contrapartida para vantagens tão claras é o alto custo. Boa parte da energia gasta para a

compressão do ar é perdida na forma de calor e o trabalho útil que ele pode fornecer é

pequeno em relação a essa energia gasta.

Portanto, em especial na indústria, o uso do ar comprimido deve ser limitado ao estritamente

necessário e o projeto, a operação e a manutenção dos sistemas devem procurar sempre a

maximização da eficiência.

Estudos realizados por algumas empresas nos Estados Unidos demonstraram que,

considerando uma instalação nova de ar comprimido, nos primeiros 5 anos a energia elétrica

representa cerca de 80% dos custos. Os 20% restantes são divididos pelos custos do capital

investido, água e manutenção.

O AR PODE SE EXPANDIR: o ar é elástico.

Voltando ao exemplo da seringa, quando paramos de comprimir o ar, as suas moléculas se expandem e empurram o êmbolo e o ar volta a ter o mesmo volume que tinha antes, ocupando o mesmo espaço de antes. Isso acontece por causa da ELASTICIDADE DO AR. ELASTICIDADE DO AR: é o que faz o ar comprimido voltar ao volume que ele tinha antes.

Outros exemplos de expansão do ar:

- soprar um balão de borracha: se você soprar além do volume que cabe no balão ele estoura e

o ar interno mistura-se com o ar externo e passa a ocupar um volume maior.

- o ar quando é aquecido se expande, torna-se rarefeito, menos denso que o ar ao seu redor

A EXPANSIBILIDADE DO AR faz com que ele:

- exerça pressão nas paredes internas do recipiente;

- ocupe todo o espaço que lhe é oferecido.

Então, o que faz a expansibilidade do ar? Faz com que ele exerça pressão nas paredes internas

do recipiente e ocupe todo o espaço que lhe é oferecido.

O AR PODE REALIZAR TRABALHO:

EXEMPLOS:

- a força dos ventos move os moinhos (que pode gerar energia elétrica, bombear água de

poços)

- o vento move embarcações, caravelas, etc.

- em esportes como o iatismo, a força do vento é usada nas manobras.

Produzindo ar comprimido Compressores são equipamentos que elevam a pressão do ar através de acionamento

mecânico, em geral motor elétrico ou de combustão interna. Quase todos os fabricantes de

compressores disponibilizam boas e variadas informações em seus catálogos ou websites.

Basicamente os compressores de ar se classificam em dois grupos distintos, de forma

semelhante às bombas para líquidos:

Deslocamento positivo: a compressão se dá pela redução física do volume da câmara em

intervalos discretos. O clássico compressor a pistão (também chamado compressor

alternativo) é o exemplo mais evidente. Os compressores denominados rotativos também são

de deslocamento positivo, mas a redução de volume ocorre pelo movimento de rotação de um

conjunto de peças. Os tipos mais conhecidos são os de anel líquido, de palhetas, de lóbulos e

de parafusos.

7

Prof. Caruso

Dinâmicos: a compressão se dá pela ação de um rotor ou outros meios que aceleram o ar,

aumentando sua pressão total. Podem ser tipo ejetor (não muito comum) ou tipo axial ou

centrífugo, similar às bombas para água.

Numa comparação grosseira, pode-se dizer que os compressores de deslocamento positivo

são adequados para maiores pressões e menores vazões e os dinâmicos, para menores

pressões e maiores vazões.

Algumas vezes, compressores de alta vazão e pressão relativamente baixa, como os usados em

transportadores pneumáticos, são denominados sopradores.

8

Prof. Caruso

Central de tratamento e armazenamento do ar comprimido

O resfriador-posterior

Sua função é reduzir a temperatura do ar que deixa o compressor para níveis próximos da

temperatura ambiente. Com isso, obtém-se uma grande condensação dos contaminantes

gasosos, especialmente do vapor d’água.

O separador mecânico de condensados do resfriador-posterior responde pela remoção de

aproximadamente 70% dos vapores condensados do fluxo de ar comprimido.

Um purgador automático deve ser instalado sob o separador de condensados para garantir a

eliminação desta contaminação líquida para a atmosfera, com perda mínima de ar

comprimido.

Os purgadores são pequenos aparatos destinados a efetuar a drenagem dos contaminantes

líquidos do sistema de ar comprimido para o meio-ambiente. Podem ser manuais ou

automáticos, sendo que estes últimos dividem-se normalmente em eletrônicos e mecânicos.

9

Prof. Caruso

Os purgadores eletrônicos são encontrados nos tipos temporizado digital ou com sensor de

umidade.

Em termos construtivos, o resfriador-posterior é um trocador de calor convencional resfriado

pelo ar ambiente ou por água.

O filtro de ar comprimido

O filtro de ar comprimido aparece geralmente em três posições diferentes: antes e depois do

secador de ar comprimido e também junto ao ponto-de-uso.

A função do filtro instalado antes do secador por refrigeração (pré-filtro) é separar o restante

da contaminação sólida e líquida (~30%) não totalmente eliminada pelo separador de

condensados do resfriador-posterior, protegendo os trocadores de calor do secador contra o

excesso de óleo oriundo do compressor de ar, o que poderia impregná-los, prejudicando sua

eficiência.

O excesso de condensado no secador também reduz sua capacidade de resfriamento do ar

comprimido, pois se consome energia para resfriar um condensado que já poderia ter sido

eliminado do sistema.

O secador de ar comprimido

Sua função é eliminar a umidade (líquido e vapor) do fluxo de ar.

Um secador deve estar apto a fornecer o ar comprimido com o Ponto de Orvalho especificado

pelo usuário.

Ponto de Orvalho é a temperatura na qual o vapor começa a condensar.

Há dois conceitos principais de secadores de ar comprimido: por refrigeração (cujo Ponto de

Orvalho padrão é +3 ºC) e por adsorção (com Ponto de Orvalho mais comum de –40ºC).

Os secadores de ar comprimido possuem uma norma internacional (ISO-7183) de

especificações e testes.

Esta norma faz uma importante diferenciação dos secadores em função da localização

geográfica dos mesmos. Faixas de temperatura de operação mais altas são definidas para

equipamentos instalados em regiões mais quentes do planeta, exigindo uma adaptação dos

mesmos a condições mais adversas.

10

Prof. Caruso

Dimensionamento da Linha Principal

Visa atender à pressão e vazão aos diversos pontos de alimentação que se distribuirão pela

fábrica.

É necessário estimar um aumento de demanda ao longo dos anos. Considerando uma queda

de pressão de 0,3 a 0,5 kgf/cm2 do reservatório (adota-se 0,5 kgf/cm2 a partir de 500m) até o

consumidor.

Deve-se considerar: variável unidade

Volume de ar corrente (vazão) Q m3/h

Comprimento total da linha tronco Lt m

Queda de pressão admissível ∆P kgf/cm2

Número de pontos de estrangulamento L2 m

Pressão de regime (econômica = 6kgf/cm2) P kgf/cm2

Equacionamento

A fim de determinar o diâmetro mínimo necessário para atender a demanda, prevendo

expansão futura, utiliza-se o seguinte equacionamento, para dimensionamento do diâmetro

interno, que será fornecido em mm. O diâmetro comercial do tubo pode ser retirado através

da tabela da Norma ASTM A 120 Schedule 40, para tubos preto ou galvanizado.

5

85,13

.

..10.663785,1.10

PP

LtQd

Exemplo:

Dado:

Comprimento da tubulação linear (retilíneo) 300m

Perda de carga admitida 0,3kgf/cm2

Pressão de regime 9kgf/cm2

Volume de ar corrente 300m3/h

Aumento da capacidade prevista nos próximos 10 anos 60%

Primeiramente sem levar em considerações as singularidades.

10 anos – aumento de 60%

hmQ /4806,1.300 3

mmmkgfmkgf

mhmd 70

/9./3,0(

)300.()/480.(10.663785,1.10 5

33

85,133

d=70mm→3in (diâmetro nominal tabela ASTM A 120 Schedule 40)

11

Prof. Caruso

Tabelando as singularidades

Singularidades Quantidade Comprimento (m) Total (m)

Tê roscado com fluxo em ramal 10 5,2 52,00

Tê roscado com fluxo em linha 5 3,7 18,50

Válvula do tipo gaveta, roscada 7 0,58 4,06

Curva 90° de raio longo 6 1,2 7,20

Comprimento equivalente total (L1) 81,76

O comprimento total da linha tronco será:

mmmLLLt 76,38176,8130021

Reaplicando na equação anterior com o valor Lt

mmcmkgfcmkgf

mhmd 51,73

)/9./3,0

)76,381.()/480.(10.663785,1.10 5

22

85,133

d=73,51mm→3in (diâmetro nominal tabela ASTM A 120 Schedule 40)

12

Prof. Caruso

Válvulas Pneumáticas

A válvula pneumática é um componente do circuito pneumático que se destina a controlar a direção, pressão e/ou vazão do ar comprimido. Elas podem ser de controle direcional de 2, 3, 4 ou 5 vias, reguladores de vazão ou pressão e de bloqueio, com diversos tipos de atuadores.

Estados ou posições - Para representar as válvulas direcionais nos esquemas pneumáticos,

são utilizados símbolos. Estes símbolos não dão ideia da construção interna da válvula,

mas somente a função desempenhada por ela. Os estados ou posições das válvulas são representados por meio de quadrados. O número de quadrados unidos indica o número de posições que uma válvula pode assumir. Vias - Denominamos assim o número de bocais de conexão do elemento de distribuição. Podem-se ter válvulas de 2, 3, 4, 5 ou mais vias. Não é possível um número de vias inferior a dois. Conforme figura abaixo se pode ter uma ideia do funcionamento de uma válvula com duas vias e dois estados 2/2:

Tabela de identificação das vias ou orifícios de uma válvula direcional: