dimensionamento de uma rede ar comprimido

OPERAÇÕES MINEIRAS II_

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2010

Universidade Agostinho Neto/Faculdade Engenharia

Osvaldo Silva

Página | 4Dimensionamento de uma rede de ar comprimido

U.A.N/faculdade de Engenharia

Osvaldo Silva

Agradecimentos

Agradeço antes de mais a DEUS todo-poderoso por me dar a oportunidade de levantar todos os dias.

Agradeço ao senhor professor Engº Carvalho pelo trabalho de investigação proposto com o objectivo de nos levar a unir as aulas teórico-práticas com o mundo do ar comprimido.

Agradeço também a minha família em particular minha esposa pela compreensão, aos meus colegas pela troca de ideias, a todos aqueles que directa ou indirectamente tornaram esse trabalho possível.

Operações Mineiras II 2010 Dimensionamento de rede A.CEngª MINAS U.A.N



Osvaldo Silva

Índice

Introdução 3

Desenvolvimento 4

Compressores e sua classificação 5

Lubrificação dos compressores 5

O critério de instalação dos compressores depende dos seguintes factores 6

Medição do caudal de ar comprimido 7

Localização dos compressores 7

Redes de distribuição de ar comprimido 8

Condições de uma base de rede de A.C 8

Vazamento de A.C 9

Quantidade de Compressores 10

Tratamento de A.C 11

Dimensionamento da rede AC 12

Cálculo do caudal total (produção da fonte) Qt. 13

Cálculo da perda de carga e dos diâmetros em cada troço.

Correcção de caudal 19

Tabela dos cálculos 22

Conclusão 23

Referências bibliográficas 24Operações Mineiras II 2010 Dimensionamento de rede A.C

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Osvaldo Silva

Introdução

O ar comprimido é uma importante forma de energia, insubstituível em diversas aplicações é resultado da compressão do ar ambiente (atmosférico), cuja composição é uma mistura de oxigénio (~20,5%), nitrogénio (~79%) e alguns gases raros.

Actualmente, cerca de 5 bilhões de toneladas de ar são comprimidas por ano em todo o planeta. Gerando um consumo de 400 bilhões de kWh a um custo de 20 bilhões de dólares.

São números astronómicos, que provocam um grande impacto no meio-ambiente, mas que poderiam ser substancialmente reduzidos com medidas racionais. Nas indústrias, um metro cúbico de ar à pressão de 7 barg custa em torno de meio centavo de dólar (1,0 m³ ar ~ US$ 0,005) apenas em energia. Em função das perdas decorrentes da transformação de energia, o ar comprimido (energia pneumática) pode custar de sete a dez vezes mais do que a energia eléctrica para uma aplicação similar, embora isso seja normalmente compensado pelas vantagens de flexibilidade, conveniência e segurança apresentadas pela energia pneumática.




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Desenvolvimento

Nas minas o ar comprimido pode ser utilizada quer a altas e abaixas pressões

A baixas pressões–(0,5– 0,7MPa) A altas pressões–(15– 20MPa)

A baixa pressão é usada em martelo perfurador, transporte de material solido e liquido, pulverizador de água para iliminação de poeira, enchimentos de cavidades minerais.

As altas pressões são utilizadas nas locomutivas, nas escavações de rochas brandas.

O ar comprimido tem muitas vantagens em comparação com a energia electrica no que concerne a:

Robustez Segurança (quanto a explosões, incêndios, etc.) Benefícios ambientais

Pode–se citar algumas desvantagens como:

Rendimento baixo Ruido dos motores Fonte de poeira Baixa visibilidade devido o vapor dos motores Interrupção dos motores devido a congelação. Gases nocivos apesar de raros.




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Compressores e sua classificação

Os compressores de êmbolo são os mais utilizados na indústria mineira, em instalações fixas de grande capacidade.

Quanto ao número de fases ou andares de compressão ou compressores podem ser monofasicos e bifasicos.

É de lembrar que na indústria mineira importa as compressões de dois andares ou bifásico.

Quanto as disposições que podem assumir os cilindros de compressores de êmbolo temos:

Horizontais Verticais Forma de V Forma de L, ou ângulo recto Em forma de estrela

Lubrificação dos compressores

A lubrificação dos compressores quando produzem o ar comprimido deve ser feita por:

Bombas de óleo (lubrificacão forçada) Chapilhagem ( como nos automóveis) Copos de gota a gota( lubrificacão na válvulas)

A lubrificacão deve ser executada e vigiada periodicamente para evitar que haja inflamacão.




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Na prática sabe-se que convem lubrificar a menos do que a mais, visto que a quantidade excessiva de óleo pode provocar infamacões e o vapor transforma-se num motor de combustão interna.

Deve ser evitada a limpeza dos cilindros com petróleo, gasolina e empregando panos em vez de desperdicio.

E de reterquir:

Os compressores de êmbolo são usados para capacidade superior a 10m3/min podendo nos compressores modernos atingir capacidade de 300m3/min

Alguns modelos com disposicão de L ou V, com a capacidade de 10m3/min bem equilibrado exigem uma pequenas fundacões.

O critério de instalação dos compressores depende dos seguintes factores:

Tempo de utilizacão do do ar comprimido Producão ou consumo exigido Fonte de energia desponivel Preco ou custo de producão (imposto e depreciacão) A natureza da rede de distribuicão A natureza das maquinas

Estes e outros factores que permitem determinar, caso se montarmos estalacões ficxas ou moveis.




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Medição do caudal de ar comprimido

E uma operacão nessecaria nos compressores e faz-se da seguinte maneira:

Contador volumetrico da turbina Metodo do reservatorio Metodo das turbinas comvergentes( e o metodo mais adequado), basea-

se na medicão da diferenca de pressão entre dois pontos de uma turbina sepados por um extrangulante.

Localização dos compressores

A localização dos compressores depende dos seguintes factores:

A natureza dos compressores. Se for semi-permanente os locais de instalacão são determinados pelas despezas . para semi-permanenete as centrais são sinplificadas para facilitar as reparacões.

Os factores serão ainda maiores como o caso de que a alimentacão dos compressores tem de ser feita por ar limpo (puro) isento de poerasn e de outras particulas que podem provocar os desgatos dos silindros e outros assecorios e dai se pode verificar o incremento das despezas.

Para se evitar, deve se colocar as instacões longe das calderas britadeiras e em locais onde a muita producão de poeras.

Deve-se evitar tambem que o ar livre entra com material corrosivo. O numero de compressores depende muito das instalacões, no emtanto, pode-se instalar um e manter outros em reserva ou tambem no minimo pode-se usar 3 compressores; se for ficxa geralmente por regra multiplica-se o caudal.




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Redes de distribuição de ar comprimido

Quando se instala redes de ar comprimido (A.C) é preciso simplificar para evitar a complexidade.

As redes devem ser bem concebidas para que o ar comprimido chega em perfeitas condições para os consumidores.

Condições de uma base de rede de A.C

A perda de carga deve ser (pequena perda de carga ou de pressões nas canalizacões)

Rigoroza estafucidade, boa montagen, pequenas despezas de comservacões, boa eguranca na utlizacão.

Eliminacão comveniente da agua de condessacão e de particulas de oleo comtido no ar comprimido.

Custos de instalacões ou mais baixo sem compremeter as restantes condioes.

Vazamento de A.COperações Mineiras II 2010 Dimensionamento de rede A.C

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Todos os sistemas de ar comprimido têm vazamentos e são comuns perdas de até 40% de todo o ar comprimido produzido.

Portanto, identificar, eliminar e reduzir os vazamentos de ar comprimido é uma das maneiras mais simples e eficientes de economizar a energia necessária para a compressão.

Além da redução da pressão do ar comprimido provocada por uma rede de distribuição inadequada (diâmetro da tubulação inferior ao necessário, layout incorrecto da tubulação, curvas e conexões em excesso, etc.), um sistema de ar comprimido também pode estar operando numa pressão muito superior à exigida pela aplicação.

O cálculo correcto das redes de distribuição principal e secundárias, a manutenção (substituição) periódica de elementos filtrantes saturados, a regulagem precisa da pressão de cada ponto de consumo, a escolha de componentes e acessórios com menor restrição ao fluxo de ar, bem como a selecção correcta do compressor em função das necessidades de pressão do sistema, poderão contribuir de forma fundamental para a redução do consumo de energia associado à perda de carga.

Quantidade de Compressores




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Assim que a vazão total do sistema for definida, estabeleça um factor entre 20% e 50% para futuras ampliações e seleccione dois compressores que, somados, atendam essa vazão. Um terceiro compressor, da mesma capacidade, pode ser adicionado ao sistema como stand by.

Em conjunto, os três compressores podem ser programados para operar num sistema de rodízio, proporcionando o mesmo nível de desgaste para todos. Essa configuração é, sob qualquer aspecto, a mais vantajosa para o usuário, pois garante o suprimento de ar comprimido, presente e futuro, com o menor risco de falha. Verifique a potência e a vazão efectivamente produzida pelo compressor. Cuidado com informações do tipo. Volume deslocado., pois costumam omitir as perdas ocorridas no processo de compressão.

Tratamento de A.C




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A contaminação do ar comprimido é a soma da contaminação do ar ambiente com outras substâncias que são introduzidas durante o processo de compressão.

O ar ambiente é contaminado por partículas sólidas (poeira, microrganismos, etc.), vapor d'água (humidade relativa), vapores de hidrocarbonetos (fumaça de óleo diesel, etc.), dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxido nitroso, dióxido de enxofre, etc.

Durante o processo de compressão, o ar comprimido também é contaminado pelo óleo lubrificante do compressor e por partículas sólidas provenientes do desgaste das peças móveis do mesmo. Na tubulação de distribuição, o ar comprimido ainda pode arrastar ferrugem e outras partículas.

A pressão e a temperatura do ar comprimido potencializam os efeitos prejudiciais de todos esses contaminantes.

A redução gradual da temperatura do ar comprimido ao longo da tubulação causa a condensação de alguns contaminantes gasosos.

Ao atingirem a fase líquida (condensado), esses contaminantes estarão presentes no fluxo de ar comprimido sob diferentes aspectos, desde um conjunto amorfo (filete de condensado) depositado nas partes inferiores da tubulação e dos equipamentos, passando por pequenas gotas e chegando até a aerossóis microscópicos dispersos entre as moléculas do ar comprimido.

Dimensionamento da rede ACOperações Mineiras II 2010 Dimensionamento de rede A.C

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LEGENDA:

Ponto E: Maquina carregadora com 50m3/min

Ponto D: 4 martelos com 5,5m3/min para cada

Ponto C: 2 Vagon-drills com 10m3 /min para cada

Distancia para cada troço em metro.

DADOS:

Ps = 7kgf/ cm2 = 700kPaOperações Mineiras II 2010 Dimensionamento de rede A.C

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hmax = 0,1kgf/ cm2 = 10 kPa

Cálculo do caudal total (produção da fonte) Qt.

Dados:

QE = 50m3/min

QD =5,5m3/min

QC = 10m3 /min

Qt - ?

Qt = QE + 4*QD + 2*QC

Qt = 50 + 4*5,5 + 2*10 = 92m3/min = 1,53 m3/s

Qt = 1,53 m3/s

Cálculo da perda de carga e dos diâmetros em cada troço.

Troço K - A:




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LK-A = 100m

QK-A = 1,53m3/s

PK-A = 700kPa

Cálculo da perda de carga

hmaxh KA

= LkeLkA

⇒ 10kPah KA

=150m100m ⇒ hKA ¿6,67kPa

Cálculo de diâmetro utilizando a fórmula

Di= 5√ f∗li∗Q1.852

hi∗Ps

⇒ DK-A = 5√ 1.6∗1012∗100∗(1.53 )1.852

6.67∗700 ¿150mm

1’’→25.4mm

X’’ → 150mm ⇒X = 5,91’’ ⇒ Dk-A = 5.91’’

Dk-A ≈ 6’’

Troço A - E:

LA-E = 50m

QA-E = 50m3/min = 0,833m3/s

PA-E = (Ps - hKA) = 700 – 6,67 ⇒ PA-E = 693,33kPaOperações Mineiras II 2010 Dimensionamento de rede A.C

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hA-E = (hmax - hKA) = (10 – 6.67) ⇒ hA-E = 3,33kPa

Cálculo de diâmetro utilizando a fórmula

DA-E = 5√ 1.6∗1012∗50∗(0.833 )1.852

3.33∗693.33 = 119.825mm

DA-E = 119.825mm

1’’→25.4mm

X’’ → 119,825mm ⇒ X = 4,72’’ ⇒ DA-E = 4.72’’

DA-E ≈ 5’’

Troço A - B:

LAB = 30m

QAB = QKA – QAE = 92 – 50 = 42m3/min = 0,70m3/s




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QAB = 0,70m3/s

Cálculo da pressão

PAB = PAE - hAE ⇒ PAB = 693,33 – 3,33 ⇒ PAB = 690kPa

Calculo da perda de carga

hmaxh AB

= LkBLAB

⇒ 10kPah AB

=130m30m ⇒ hKA ¿ 2,3077kPa

⇒ hKA ¿ 2,31kPa

Calculo de diametro utilizando a formula

DA-E = 5√ 1.6∗1012∗30∗(0.70 )1.852

2.31∗690 = 109mm

1’’→25.4mm

X’’ → 109mm ⇒ X = 4,29’’ ⇒ DA-B = 4.29’’

DA-B ≈ 5’’

Troço B - D:

LBD = 20m

QBD = 22m3/min = 0,367m3/s




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Cálculo da pressão

PBD = PAB - hAB ⇒ PBD = 690 – 2,31 ⇒ PBD = 687,69kPa


hmaxh BD

= LkDLBD

⇒ 10 kPahBD

=150m20m ⇒ hBD ¿ 1,33kPa


DB-D = 5√ 1.6∗1012∗20∗(0.367 )1.852

1,33∗687,69 = 88,6mm

1’’→25.4mm

X’’ → 88,6mm ⇒ X = 3,49’’ ⇒ DA-B = 3,49’’

DA-B ≈ 4’’

Troço B - C:

LBC = 70m

QBC = 10m3/min = 0,667m3/s




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Calculo da presão

PBC = PBD - hBD ⇒ PBD =687,69 – 1,83 ⇒ PBC = 686,36kPa

Calculo da perda de carga

hmaxhBC

= LkCLBC

⇒ 10kPahBC

=200m70m ⇒ hBC ¿ 3,5kPa


DB-C = 5√ 1.6∗1012∗70∗(0.667 )1.852

3,5∗687,36 = 117mm

1’’→25.4mm

X’’ → 117mm ⇒ X = ’’ ⇒ DB-C = 4, 61’’ ⇒ DB-C ≈ 5’’

Correcção de caudal

Q = K1 * K2 *K 3 * K 4 * K 5 *( ∑ qi+qs)




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K1 → coeficiente de utilização da instalação; k1 = 1.

K2 → coeficiente de utilização quando o material é conservado; K2 = 1.05.

K 3 → coeficiente que depende do grau de utilização (GU); GU= 90%,

K 3 = 0,97.

K 4 → coeficiente relativo a fuga das tubagens

1,10 < K 4 <1,25, K 4 = 1,10+1,25

2 ⇒ K 4 = 1,175

K 5 → coeficiente de utilização que depende da altitude.

Como a nossa rede esta montada numa atura topográfica de 1500m. Pode se evitar a corrosão dos tubos de ferro através das águas de chuvas acidas.

K 5 = 1,20

qs → consumo complementar a inerte, qs = 0,25¿∑ qi

qi → consumo individual dos aparelhos.

Troço K-A: (3 consumidores)

Q = K1 * K2 *K 3 * K 4 * K 5 *( ∑ qi+qs)

∑ qi=¿qE +¿ qD +¿qC ⇒ ∑ qi=¿ 0, 8333 +¿ 0, 3667 +¿ 0, 3333

⇒ ∑ qi = 1,5333m3/s




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qS = 0,25¿∑ qi = 0,25*1,5333m3/s

QKA = 1*1,05*0,97*1.175*1,2*( 1,5333 +¿0,3832 )

QKA = 4,7222m3/s

Troço A-E: (1 consumidor)

Q = K1 * K2 *K 3 * K 4 * K 5 *( ∑ qi+qs)

∑ qi=¿ 0,8333m3/s

qS = 0,25¿∑ qi = 0,20825m3/s

QAE = 1*1,05*0,97*1.175*1,2*( 0,8333 +¿0,20825 )

QAE = 1,4953m3/s

Troço A-B: (2 consumidores)

Q = K1 * K2 *K 3 * K 4 * K 5 *( ∑ qi+qs)

∑ qi=0,3667+0,3333

∑ qi=¿ 0,7m3/s

qS = 0,25¿∑ qi = 0,175m3/s

QAB = 1*1,05*0,97*1.175*1,2*( 0,7 +¿0,175 )

QAB = 2,25657m3/s

Troço B-D: (1 consumidor)

Q = K1 * K2 *K 3 * K 4 * K 5 *( ∑ qi+qs)

∑ qi=¿ 0,3667m3/s

qS = 0,25¿∑ qi = 0,09167m3/s




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QBD = 1*1,05*0,97*1.175*1,2*( 0,3667 +¿0,09167 )

QBD = 1,65826m3/s

Troço B-C: (1 consumidor)

Q = K1 * K2 *K 3 * K 4 * K 5 *( ∑ qi+qs)

∑ qi=¿ 0,3333m3/s

qS = 0,25¿∑ qi = 0,0833m3/s

QBC = 1*1,05*0,97*1.175*1,2*( 0,3333 +¿0,0833 )

QBC = 1,5983m3/s

Tabela dos cálculos




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Perdas de Carga

K - A A – E A – B B – D B – C hKE

hKD

hKC

6,67 3,33 - - -6,67 — 2,308 1,33 -6,67 - 2,308 - 3,5

Conclusão


Troço Distância (Li) m

Caudal (Qi) m3/s

Pressão Serviço (PS) kPa

Perda de Carga(

hi), kPa

Diâmetro (Di) mm

K – A 100 92 700 6,678 150

A – E 50 0,833 693,33 3,333 120

A – B 30 0,7 690 2,308 109

B – D 20 0,092 687,69 1,333 55

B - C 70 0,167 686,36 3,5 70



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Com este trabalho, chego a conclusão que o A.C para mineração é muito importante quando bem manuseado, e quando mal pode ate ser prejudicial para a saúde. E quando bem dimensionada diminui a perda de carga, e aumenta a produção nas frentes de trabalho.

Para que o trabalho fosse executado houve a necessidade de se usar uma rede de distribuição de A.C bem dimensionado.

Ao longo do desenvolvimento foi analizado os diâmetros das tubagens das canalizações, as perdas de cargas admissiveis (máximas), Caudal máximo da rede ( Qmax), a pressão de servico (Ps) e o comprimento das tubagens.

Referências bibliográficas




Osvaldo Silva

Apontamentos de Operações Mineiras II (Professor Engº Carvalho, João Adão)

Manual de ar comprimido 4ª edição

Dimensionamento de Redes de ar Comprimido (Apostila M1004 BR- Setembro 2006) Parker Hannifin Ind.com.Ltda.


dimensionamento de uma rede ar comprimido

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