UNIVERSIDADE COMUNITARIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ – UNOCHAPECÓ

DISCIPLINA: TUBULAÇÕES INDUSTRIAIS

PERIODO: 7

ACADEMICOS: FELIPE ROVER, GILMAR SARTORI, DOUGLAS THOMAE

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE AR

COMPRIMIDO

CHAPECÓ – SC. 23 MARÇO DE 2014

INTRODUÇÃO

O ar comprimido é uma importante forma de energia, insubstituível em diversas aplicações e resultado da compressão do ar ambiente, cuja composição é uma mistura de oxigênio (~20,5%), nitrogênio (~79%) e alguns gases raros. Atualmente, 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 que provocam um grande impacto no meio ambiente, mas que poderiam ser substancialmente reduzidos com medidas racionais. Na indústria, um metro cúbico de ar à pressão de 7 bar custa cerca de meio centavo de dólar (1,0 m³ ar ~ R$ 0,025) 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 elétrica para realizar uma aplicação similar, embora isso seja normalmente compensado pelas vantagens de flexibilidade, conveniência e segurança

proporcionadas pela energia pneumática. Neste trabalho apresentaremos alguns aspectos importantes para o correto dimensionamento de uma rede de ar comprimido, bem como o desenvolvimento de alguns cálculos realizados para um sistema anelar de ar comprimido. O correto dimensionamento do sistema é uma das formas mais eficientes de economizar, pois 7% do custo é da aquisição 23% manutenção e 70% energia elétrica. Assim devemos ter um sistema bem planejado para que não ocorram perdas excessivas.

Dimensionamento de uma rede de ar – empresa

Para o correto dimensionamento de um compressor, os fatores mais importantes a serem

considerados são:

• Vazão (volume de ar)

• Pressão (força do ar)

É fundamental considerar ainda, que nos compressores de pistão há um terceiro fator que é o

regime de intermitência: ou seja, a relação de tempo que um compressor fica parado ou em

funcionamento. Neste tipo de compressor a intermitência ideal é de 30%, de forma que num

determinado período de trabalho, um compressor permaneça 70% do tempo em carga e 30%

em alívio.

Para uma perfeita cobertura das expectativas, o dimensionamento de qualquer

compressor de ar deve atender aos requisitos básicos de pressão, vazão e regime de

intermitência. Secundariamente considera-se fatores outros como facilidade de locomoção,

tensão da rede, etc., mas sempre após garantir os três requisitos fundamentais (pressão,

vazão, intermitência).

Dimensionamento de um compressor

Para a correta seleção de um compressor, é necessário saber:

1 - Equipamentos pneumáticos que serão utilizados;

2 - Quantidade;

3 - Taxa de utilização (fornecido pelo usuário);

4 - Pressão de trabalho (dado técnico de catálogo);

5 - Ar efetivo consumidor por equipamento (dado técnico de catálogo).

Calculo do diâmetro da tubulação

Segundo (TELLES, 2004) o cálculo do diâmetro, feito para cada tubulação, basicamente

em função das perdas de carga, que por sua vez, dependem do comprimento, configuração,

tipo e quantidade de acidentes da tubulação, bem como da vazão e viscosidade do fluido

circulante e da rugosidade das paredes da tubulação.

Descrição e Dimensões da Empresa

Temos por exemplo: Uma empresa que apresenta as dimensões de 70m por 30m e 7m de

altura, a mesma decidiu por motivos econômicos usar um sistema completo de maquinas e

ferramentas pneumáticas, até por meio de segurança dos funcionários, pois em outros locais

acorrerem mortes com acidentes elétricos.

A empresa apresenta 11 equipamentos os quais são usados diariamente, além de um

cilindro pneumático. A empresa pretende aumentar a sua capacidade em 50 % no futuro. Você

como engenheiro devera encontrar os diâmetros da tubulação bem como decidir qual o

melhor tipo de tubulação e acessórios do sistema de ar comprimido, levando em conta os

vários aspectos como: custos, manutenção, expectativa de crescimento da empresa. Dados: A

velocidade para ar comprimido fica entre 15 a 20 m/s.

Equipamentos utilizados:

Exemplo: Uma pequena fábrica tem os seguintes equipamentos listados. Vamos selecionar o

compressor correto:

Equipamento Quantidade Consumo de Ar Pressão de trabalho lbf/pol²

Taxa de utilização %

Cilindro Pneumático 1 50

Lixadeira 1 12 pcm ou 0,3398 m³/min 60 40

Furadeira 1 8 pcm ou 0,2265 m³/min 60 25

Parafusadeira 1 0,13 m³/min 4,7 pcm 60

Guincho pneumático 1 3 pcm 0,085 m³/min 125 20

Politrizes - POL-32/8 PEP 1 0,79 m³/min 27,9 pcm 80

Serra - TTR-25/60 EP 1 0,25 m³/min 8,65 pcm 30

Bico de limpeza 1 6 pcm ou 0,17 m³/min 80

Cortadores - CCR-25/50 EP 1 0,5 m³/min 17,7 pcm 70

Motores - MTR-01/16 RELD 1 0,25 m³/min 8,8 pcm 40

Alicates - APR-750/001 1 0,06 m³/min 2,1 pcm 20

Pistola de pintura 1 6 pcm ou 0,17 m³/min 60

Consumo total de ar

104,88 pcm ou 2,97 m³/ min 0,0495 m³/s

Primeiramente devemos calcular o consumo de ar efetivo considerando a intermitência de

cada equipamento. Como:

Consumo de ar ( vazão do equipamento ) : quantidade de equipamentos * Consumo de ar *

Taxa de utilização = Consumo de ar real

Exemplos: Furadeira = 1 x 8 x 0,25 = 2,0 pcm ; Guincho pneumático = 1 x 6 x 0,10 = 0,6 pcm

Bico de limpeza = 1 x 6 x 0,10 = 0,6 pcm

Total = pcm ( vazão real utilizada no dia-a-dia )

Pressão = 125 psi (deve ser sempre utilizada a maior, pois só assim o equipamento que

necessita de maior pressão ira funcionar, porém deve se observar a faixa de pressão de cada

equipamento para que não danifique os mesmos, utilizando redutores de pressão nos

equipamentos que necessitem).

Como podemos observar todas essas ferramentas acima poderão estar em dado momento em

funcionamento simultâneo por isso é preciso dimensionar a vazão total consumida ( Qt ), para

que os equipamentos possam funcionar.

A partir disso conseguimos definir o tipo do compressor, diâmetro da tubulação primaria e

secundaria de ar comprimido.

É importante também definir o tamanho da tubulação (comprimento) e todos os

equipamentos do sistema tais como: Válvulas, curvas, filtros entre outros acessórios. Para que

possamos calcular as perdas de carga na rede de ar e com isso dimensiona-la de forma correta.

Apesar disso normalmente o diâmetro é calculado pela velocidade econômica do ar

comprimido ( 15 à 20 m/s ).

Assim que a vazão total do sistema for definida, estabeleça um fator entre 20% e 50% para

futuras ampliações e selecione dois compressores que, somados, atendam essa vazão. Um

terceiro compressor, da mesma capacidade, pode ser adicionado ao sistema como stand by.

Para dimensionar o tamanho dos tubos devemos observar o consumo total de ar comprimido

bem como o consumo individual de cada equipamento, tendo sempre como objetivo manter o

fluxo Laminar (Re > 2100 ) assim diminuindo as perdas de carga e o aquecimento no sistema.

Assim podemos fazer os cálculos: ( Planilha do Excel )

Consideramos a velocidade do Ar comprimido 20 m/s

O diâmetro interno da tubulação principal será de 4” (70m x 2 + 30m x 2 + 7 =207m) ( existem

vários tipos de tubo disponíveis, três modelos os quais serão analisados )

- Aço carbono galvanizado ( ASTM A 120 );

- 2440 aço perfilado;

-Tubos Plásticos PPCR Conforme as normas DIN 8077 e 8078;

O diâmetro interno da tubulação secundaria será de 1” ( 10 x 6m = 60m )

Nos dois casos escolhemos o tubo plástico PPCR devido o mesmo ter menor peso, custo,

rugosidade e ter uma durabilidade muito maior (aproximadamente 100 anos), facilidade de

manutenção ( mais rápida e eficiente ), porem devemos atentar para que a temperatura não

seja muito alta, comprometendo as características mecânicas do tubo.

O tipo de compressor: Compressores de Parafuso Rotativo de 20 a 40 HP - Linha CPB

Compressores de alta eficiência, completo e silencioso. Podem ser fornecidos nas versões

simples (CPB), com secador integrado (CPB D) ou acoplado a um reservatório de 500 l mais

secador de ar e filtros coalescentes (CPB TDF). Possuem capacidade entre 51 a 122 pcm,

funcionando a pressão nominal de 8 ou 10 ou 13 bar (ajustável desde 4 bar).

Possuem módulo eletrônico de controle com sinais visuais de operação, manutenção e falhas.

Lista de materiais:

Compressores: 2 compressores ( deve atender a uma vazão de 181,44 m³/h e terá que ter uma pressão maior que 125 Psi ou seja deve ser um compressor de 10 BAR ) compressor 1 + compressor 2 = vazão total + C3 estand by. O volume exigido para fornecimento de ar incluirá então: o consumo total determinado para os equipamentos +5% para perdas +10% para reservas e +15% para erros de cálculo. Qt= Vazão necessária atual x ( 100% + 5%perdas + 10% reservas +15 % erros de calculo + Aumento de vazão no futuro). Compressor de Pistão ou Compressor de Parafuso ( mais econômica ) como nossa pressão de trabalho não é muito alta iremos adotar o compressor de parafuso, o mesmo apresenta uma economia de 35% em relação ao compressor de pistão, porem esses valores podem ser diferentes dependendo das características do processo.

Equipamentos Quantidade

Compressor 3

Secador de ar 1

Resfriador 1

Filtros regulador e lubrificador de Ar 11

Reservatório 1 m³ de ar 1

Purgadores automáticos 3

Tubo diâmetro interno 4” Plástico PPCR 207 m

Tubo diâmetro interno 1” Plástico PPCR 60 m

Curvas de 90 ˚ longa 4

Curvas de 180 ˚ 11

Curvas de 45 ˚ 22

Válvulas de Bloqueio (esfera ) 9

Válvula de segurança ( alivio ) 1

Purgadores:

Purgadores automáticos com boia: 1 no reservatório e 1 em cada equipamento (“Conjunto

lubrifil” filtro com regulador de pressão filtro de agua e óleo) também no final da rede de ar,

(ponto mais baixo da tubulação ). É importante que dentro do sistema não acumule água, não

prejudicando os equipamentos.

Reservatório:

Para cálculo rápido do volume de um reservatório de ar, adota-se a seguinte regra: Volume do reservatório = 20% da vazão total do sistema medida em m³/min. - Vazão total = 5,44 m³/min - Volume do reservatório = 20% x 5,44 m³/min = 1,08 m³ = 1080 litros. Vcil= 3,1415* d²* h = Dependendo do espaço na empresa o equipamento pode ser mais

comprido ou ter um diâmetro maior, isso dependera do espaço disponível. Abaixo adotaremos

um comprimento de 1,5 metros ( h = 1,5 m ), então nosso diâmetro será definido de acordo

com a formula abaixo:

1,08m³ = 3,14* ( d²)* 1,5m d = 0,48m =~ 50 cm de Diâmetro.

Sistema de distribuição em forma de anel (sistema fechado).

O sistema acima apresente 12 pontos de ar e 9 válvulas de bloqueio (válvulas esfera).

Adotamos o sistema anelar por possuir melhor uniformidade na pressão e vazão da rede,

deixando assim os equipamentos sempre trabalhando nas condições ideias. Também

apresenta perdas de carga menores que o sistema em forma de Ramos.

Sistema de acoplamento e distribuição da rede

O sistema de acoplamento e distribuição será da seguinte forma, apresentado nas figuras

abaixo:

Dimensionamento do sistema de ar Comprimido

Invariavelmente, o usuário deve determinar a provável necessidade de ar comprimido antes

de iniciar o dimensionamento de um sistema de ar comprimido. Isso requer considerações da

aplicação prática dos equipamentos que serão conectados a esse sistema (p.ex.: as

ferramentas pneumáticas), bem como a quantidade dos equipamentos. Quando essa

informação estiver disponível, então podem ser determinados o número e tamanho do

compressor e reservatórios de ar comprimido.

Demanda de ar comprimido

O primeiro passo para o dimensionamento correto de um compressor e do sistema de

fornecimento de ar comprimido é obter o valor do consumo total de ar comprimido necessário

para o funcionamento da rede e assim, como resultado, obter o volume de fornecimento de ar

exigido do compressor. Os valores de consumo individuais de ar comprimido dos

equipamentos são somados e adaptados às condições de trabalho aplicando alguns fatores

multiplicadores. Dessa forma, o compressor pode ser selecionado de acordo com o volume de

fornecimento determinado/necessário. O dimensionamento da rede é um processo

semelhante. Primeiramente, o tipo e o número de equipamentos que serão disponibilizados ao

longo de uma rede devem ser especificados e determinados. O consumo de ar comprimido de

cada equipamento deve ser somado e adaptado com os fatores multiplicadores apropriados.

Com base no resultado final, o usuário pode então dimensionar o diâmetro da tubulação da

rede correspondente.

Importante: perdas por vazamentos também devem ser levadas em conta quando o consumo

de ar comprimido for determinado.

Consumo total de ar comprimido

O consumo total teórico de ar comprimido é o total do consumo de ar comprimido dos

equipamentos automáticos e dos demais equipamentos conectados à rede de ar. Porém,

somente o consumo total de ar comprimido desses equipamentos não é suficiente para o

dimensionamento do compressor e da rede de fornecimento, pois outras considerações

adicionais devem ser levadas em conta. Para calcular e obter o consumo total de vários

equipamentos e determinar o volume de fornecimento realmente necessário de um

compressor, o usuário tem que considerar os seguintes fatores adicionais, como:

► Perdas

► RESERVAS

► Erros de cálculo

Perdas

Entende-se por perdas a fuga de ar comprimido ocorrida por vazamento e/ou atritos que

ocorrem entre todas as partes do sistema de ar comprimido. No caso de um sistema de ar

comprimido novo, o usuário tem que estimar que aproximadamente 5% do volume total de

fornecimento consiste em perdas. A experiência mostra que as perdas de ar provenientes de

vazamento e/ou atrito aumentam com o tempo de vida das instalações do sistema de ar. Para

as redes de ar antigas, o percentual dessas perdas pode chegar até 25%.

RESERVA

O dimensionamento de um sistema de ar comprimido está baseado no consumo estimado de

ar comprimido em um determinado momento. A experiência mostra que o consumo de ar

aumenta gradativamente. Por isso, é recomendado estimar também, no cálculo de

dimensionamento do compressor e da rede de fornecimento, a inclusão de extensões na rede

para curto e médio prazos. Se esses fatores não forem considerados no dimensionamento,

futuras e necessárias extensões causarão, certamente, despesas desnecessárias. Dependendo

das perspectivas futuras, reservas de até 100% podem ser projetadas.

Erros de cálculo

Apesar de cálculos cuidadosos, em alguns casos o dimensionamento estimado do sistema de

ar comprimido é falho. O valor exato do consumo de ar raramente pode ser determinado

devido às condições marginais e circunstâncias normalmente obscuras. Quando um sistema de

ar comprimido é subdimensionado e deve ser estendido em uma fase posterior com despesas

extras (tempos de manutenção de máquina), o usuário deveria incluir um percentual extra de

5% a 15% para erros de cálculo. O volume exigido para fornecimento de ar incluirá então: o

consumo total determinado para os equipamentos, +5% para perdas, +10% para reservas e

+15% para erros de cálculo.

Tamanho de compressor

A decisão básica durante a escolha do compressor adequado refere-se ao tipo de compressor.

Para quase todos os campos de aplicação das ferramentas pneumáticas, o compressor de

parafuso ou compressor de pistão é a escolha mais correta. Para certas aplicações, os

compressores de parafuso são recomendados particularmente no caso de:

► Longos períodos de funcionamento

► Alto consumo de ar comprimido sem altos picos de carga

► Grandes volumes de fornecimento

► Fluxo de volumes contínuo

► Capacidade de compressão de 5 a 14 bar Compressores de parafuso são a escolha perfeita

em sistemas de compressores compostos. Para altos volumes de fornecimento, o compressor

de parafuso é a escolha mais econômica.

► Compressores de pistão também têm seus campos específicos de aplicação. Eles

complementam os compressores de parafuso. Seus pontos fortes são:

► Demanda de ar intermitente;

► Picos de carga;

► Mudanças frequentes de carga;

► Baixos volumes de fornecimento;

► Capacidade de compressão até 35 bar.

Os compressores de pistão são indicados para consumo de ar comprimido flutuante e com

picos de demanda. Eles podem ser usados como máquinas de picos de demanda em um

sistema composto de compressor. No caso de frequentes mudanças de demanda, o

compressor de pistão é a melhor escolha. No caso de baixos volumes de fornecimento, o

compressor de pistão é mais econômico que o de parafuso. Se flutuação no consumo de ar

comprimido é esperada e a extensão da rede está planejada para o futuro, então um

compressor é necessário para operação largamente intermitente. Nesse caso, um compressor

de pistão seria a escolha lógica. Se o volume de fornecimento do compressor puder garantir a

demanda de ar comprimido constante, o usuário deve optar por um compressor de parafuso.

Compressores de pistão trabalham em regime intermitente. Eles não têm períodos ociosos.

Devido a sua reduzida lacuna de aplicação e seu reservatório relativamente pequeno, os

compressores de parafuso têm que funcionar automaticamente devagar para evitar que o

motor tenha muitos ciclos de trabalho. A escolha certa de um sistema de ar não deveria

depender do preço de compra, o qual se paga muito rapidamente em função da economia

com os custos operacionais. Esses custos (operacionais) não só incluem os custos atuais com

energia para a geração de ar comprimido, mas também os custos inúteis.

Pressão máxima do compressor

As bases para a pressão máxima (pressão de corte para funcionamento) são as diferenças

(entre as pressões máxima e mínima) do controlador do compressor – a máxima pressão de

trabalho exigida pelo equipamento consumidor de ar comprimido (p.ex.: ferramentas

pneumáticas) e o total das perdas de pressão no sistema. A pressão fornecida, a qual flutua

entre a pressão máxima e a pressão mínima, deve ser, por todo o tempo, substancialmente

mais alta que a pressão de trabalho dos equipamentos conectados ao sistema.

Visto que sempre existem perdas de pressão em sistemas de ar comprimido, o usuário tem

que levar em conta as perdas de pressão que são causadas pelos diferentes componentes do

sistema de ar comprimido. Os seguintes valores para perdas de pressão têm que ser levados

em conta durante a definição da pressão de corte de funcionamento do compressor:

► Sistemas básicos de fornecimento de ar comprimido deveriam ser projetados de tal forma

que o total das perdas de pressão na rede de fornecimento não exceda 0,1 bar

► No caso de grandes e amplas redes de fornecimento de ar comprimido, por exemplo: em

minas, pedreiras ou em grandes edifícios, uma queda de pressão de até 0,5 bar é permissível

► Condicionamento de ar comprimido via secador ou secador de diafragma com filtro até 0,6

bar

► Secador de adsorção com filtro até 0,8 bar

► Precipitador ciclone até 0,05 bar

► Filtros geralmente até 0,6 bar. (A queda de pressão em filtros aumenta durante a aplicação

por contaminação. O especificado é o limite ao qual o elemento do filtro tem que ser

substituído – vida útil)

► O diferencial para compressores de parafuso é de 0,5 a 1,0 bar

► O diferencial para compressores de pistão pmax é de -20%

► Reservas. Durante operação pode haver sempre perdas de pressão imprevistas nos

sistemas de ar comprimido. Por isso, o usuário sempre deve planejar A RESERVA suficiente de

pressão para evitar perdas de força no sistema

Pressão de trabalho

A pressão de trabalho dos equipamentos de ar comprimido deve ser mantida durante todo o

tempo. O desempenho de um equipamento de ar comprimido fica comprometido mais que

proporcionalmente quando a pressão do sistema cai abaixo da pressão de funcionamento do

equipamento. Se alguns equipamentos de baixa demanda de ar comprimido requerem uma

pressão de trabalho substancialmente mais alta que a maioria dos demais equipamentos, o

usuário deve instalar um segundo compressor, menor, com sistema de fornecimento de ar

comprimido separado e com pressão de corte apropriadamente mais alta. Isso porque uma

desnecessária super compressão do fluxo volumétrico principal do sistema de ar comprimido

acarretará custos consideráveis. Esses custos adicionais justificam na maioria dos casos a

instalação de um segundo compressor para fornecimento de ar comprimido. O sistema

separado rapidamente se pagará, reduzindo assim os custos operacionais.

Sistemas de compressores múltiplos

Para equipamentos de ar comprimido com consumo flutuante alto não é recomendado

instalar somente um único compressor grande. Nesse caso, a alternativa é um sistema de

compressor composto que consiste em vários compressores. Os resultados e a confiança

operacional são aumentados com eficiência econômica mais alta. Um ou vários compressores

garantem a demanda contínua básica de ar comprimido (carga básica). Se a demanda

aumentar, os compressores adicionais entram em funcionamento um depois do outro (carga

intermediária e pico de carga) até que o volume de fornecimento garanta a demanda. Se a

demanda diminui, eles param de funcionar novamente um depois do outro. Os benefícios

fundamentais de um sistema composto são:

► Confiança operacional

► Opções favoráveis de manutenção

► Eficiência econômica

Operações que dependem em grande parte de ar comprimido podem garantir seus

fornecimentos através de um sistema de compressor composto. Se um compressor fica

defeituoso ou requer conserto ou manutenção, os outros compressores assumem o

fornecimento de ar. Vários compressores pequenos podem ser mais bem adaptados às

necessidades de consumo de ar comprimido que um compressor grande. Essa situação

compõe uma melhor e mais alta eficiência para o sistema. Se somente uma parte da carga

operacional é requerida, os custos operacionais de um compressor grande não são

considerados, mas sim, somente os baixos custos operacionais dos compressores auxiliares

menores conectados ao sistema composto.

Volume do reservatório

Os reservatórios de ar comprimido são dimensionados de acordo com o volume de

fornecimento do compressor, o sistema de controle e o consumo de ar comprimido.

Reservatórios de ar comprimido nos sistemas de fornecimento de ar comprimido têm várias

funções importantes. O compressor fornece o ar de acordo com a capacidade de

armazenamento do reservatório de ar. O consumo de ar comprimido pode ser garantido, por

algum tempo, pela capacidade de armazenamento desse reservatório. O compressor não

fornece ar comprimido durante o tempo que o reservatório mantém estoque, mas sim,

permanece em “standby” (inércia) e não consome energia elétrica. Além disso, o consumo

flutuante de ar comprimido no sistema é compensado e os picos de demanda são garantidos.

O motor é acionado menos vezes e seu uso fica reduzido. Possivelmente diversos reservatórios

de ar comprimido podem ser necessários para manter a capacidade de armazenamento

suficiente. Normalmente, as grandes redes e sistemas de fornecimento de ar comprimido têm

uma capacidade de armazenamento suficiente. Nesse caso, o usuário pode instalar

apropriadamente um reservatório menor. Devido ao seu especial princípio de funcionamento,

os compressores de pistão geram um volume de fluxo pulsante. As variações de pressão

interferem no desempenho dos diferentes equipamentos conectados à rede. Particularmente

interruptores de controle e sensores de medida reagem com os erros de um volume de fluxo

pulsante. O reservatório tem o propósito de aliviar os efeitos das variações de pressão. No

caso de compressores de parafuso, essa função é desnecessária visto que eles geram um

volume de fluxo quase uniforme/constante.

O volume do reservatório é determinado com base nas especificações dos fabricantes, as quais

foram estabelecidas por experiência prática. Sempre que possível, o usuário deve selecionar os

reservatórios da linha básica. A pressão máxima para a qual um reservatório é dimensionado

deve, por motivo de segurança, estar a todo momento com pelo menos 1 bar a mais que a

pressão máxima produzida na saída do compressor. A válvula de segurança é definida /

preparada com esse valor. O volume de fornecimento do sistema de ar comprimido pode ser

considerado uma parte do volume do reservatório.

Rede de ar

Um sistema centralizado de fornecimento de ar comprimido requer uma rede que alimente

individualmente os equipamentos com ar comprimido necessário. Para garantir uma operação

segura e barata dos equipamentos, a rede tem que estar adaptada a certas condições:

► Volume de fluxo suficiente

Cada equipamento conectado à rede deve ser alimentado a qualquer momento com o volume

de fluxo exigido.

► Pressão de trabalho

Cada equipamento conectado à rede deve ser alimentado a qualquer momento com a pressão

de trabalho necessária.

► Qualidade do ar comprimido

Cada equipamento conectado à rede deve ser alimentado a qualquer momento com ar

comprimido na qualidade exigida.

► Baixa queda de pressão

Por questões econômicas, a queda de pressão na rede deve ser tão baixa quanto possível.

► Confiança operacional

O fornecimento de ar comprimido deve ser garantido com extrema segurança. No caso de

danos à tubulação, manutenções e consertos, a rede deve ter alternativas para que não seja

necessário seu fechamento completo.

► Normas de segurança

Todas as relevantes instruções de segurança devem ser seguidas incondicionalmente. As linhas

de distribuição são instaladas pela planta inteira e por elas o ar é fornecido a diversos

equipamentos em curtas distâncias. Se possível, as redes de distribuição devem ser instaladas

em forma de anel (sistema fechado). Um sistema em forma de anel (fechado) aumenta a

eficiência econômica e a confiança operacional da rede. A queda de pressão nas linhas de

distribuição não deve exceder 0,03 bar.

Sistema em forma de anel (fechado)

Um sistema em forma de anel é também chamado de sistema de distribuição fechada. Nesse

sistema, é possível fechar setores individuais da rede sem interromper o fornecimento de ar

comprimido às outras áreas. Isso assegura o fornecimento de ar comprimido para a maioria

dos equipamentos, até mesmo durante os consertos, manutenções e a instalação de

extensões do sistema. Se o ar comprimido é fornecido dentro de um sistema fechado de

distribuição, esse ar tem que percorrer distâncias mais curtas que no caso de um sistema de

ramificações (galhos). Por isso, a queda de pressão fica reduzida. O dimensionamento de um

sistema fechado pode ser calculado com a metade da tubulação de transporte e metade do

volume de fluxo.

Sistema de ramificações (galhos)

As linhas de distribuição são instaladas pela planta inteira e por elas o ar é fornecido para os

equipamentos em distâncias curtas. Essas linhas também podem ser organizadas na forma de

ramificações ou galhos. A queda de pressão nas linhas de distribuição não deve exceder 0,03

bar. Neste sistema, essas linhas se ramificam para grandes áreas de distribuição e terminam no

equipamento pneumático. Linhas de ramificações individuais podem alimentar equipamentos

que estão à parte um dos outros (não necessariamente na mesma área de trabalho). Também

é possível programar uma linha inteira de fornecimento de ar comprimido através do sistema

de ramificações. Eles têm a vantagem de necessitar menos material que os sistemas em forma

de anel (fechado). Sua desvantagem, contudo, é que eles têm que ser mais bem e mais

amplamente dimensionados que os sistemas fechados, pois frequentemente causam perdas

de pressão severas.

Rede de fornecimento

Se possível, as redes de fornecimento de ar comprimido devem ser instaladas em linha reta. Se

os cantos não podem ser evitados completamente, eles não devem ser reforçados por

cotovelos ou ligações em “T”. Curvas e conexões longas têm qualidades de fluidez melhores e

causarão menores quedas de pressão. Também devem ser evitadas mudanças súbitas de

diâmetro das tubulações por causa da grande queda de pressão. Longas redes de

fornecimento devem ser divididas em vários setores, cada um equipado com uma válvula de

parada (shut-off) individual. A possibilidade de fechar partes do sistema é particularmente

importante para inspeções, consertos e troca de operação. Uma segunda estação de

compressor suprindo a rede de outra localização pode ser possivelmente uma alternativa e

vantagem para grandes redes. Como resultado, o ar comprimido percorre distâncias mais

curtas e a queda de pressão tende a ser menor. Redes principais e grandes redes de

distribuição têm que ser soldadas em conjunto, com uma única conexão em “V”, que evita

cantos vivos. Além disso, a resistência do fluxo de ar na tubulação fica reduzida e ambos, filtros

e ferramentas, não ficam sujeitos a prejuízos desnecessários causados por resíduos de solda

(ferrugem).

Redes de fornecimento sem secadores

A compressão do ar promove a eliminação da umidade contida no ar em forma de gotículas de

água (produto de condensação). Se o condicionamento do ar comprimido não é feito por um

secador de ar, o usuário tem que estar ciente que haverá a presença de água na rede inteira.

Nesse caso, certas regras têm que ser observadas durante a instalação do sistema de ar,

evitando assim os danos nos equipamentos pneumáticos.

Tubulações com inclinação

As tubulações devem ser instaladas com inclinação aproximada de 1,5º a 2º em direção ao

fluxo de ar.

Linha principal vertical

A condensação da água aparece quando o ar resfria e pode voltar para o reservatório de ar

comprimido.

Dreno de condensação

Deve estar posicionado no ponto mais baixo do sistema de fornecimento de ar comprimido

para fácil eliminação.

Conexões da rede

Elas devem se ramificar na direção de fluxo de ar. Sempre deve haver uma unidade de

manutenção com um filtro, um dreno de água e um redutor de pressão instalados.

Dependendo da aplicação do equipamento pneumático, um lubrificador também deveria estar

disponível.

Redes de fornecimento com secadores

Com um secador de ar comprimido e com um sistema de filtro satisfatório instalado no

sistema de fornecimento de ar comprimido, o usuário pode trabalhar sem preocupações

relativas à condensação da água. Isso também reduz as despesas da instalação da rede. Até

certo ponto, os custos menores são argumentos suficientes para justificar a compra de um

secador de ar comprimido.

As características de fluxo do ar comprimido

O ar comprimido em movimento está mais sujeito a regras físicas diferentes do que o ar

comprimido parado / estacionário. O volume do fluxo é calculado pela superfície de percurso e

pela velocidade. A fórmula seguinte aplica-se à transição do ar de um tubo para outro em uma

secção de corte:

V = volume do fluxo

A1, A2 = secção de corte

V1, V2 = velocidade

Essa fórmula mostra que a velocidade do fluxo é inversamente proporcional à secção de corte.

O movimento do fluxo pode ser também linear ou turbulento (fluxo de retorno e redemoinho).

Fluxo linear

Um fluxo linear é definido como um movimento uniforme e retilíneo onde as linhas de fluxo

são paralelas e alinhadas entre si. Um fluxo linear é conhecido por:

► Baixa queda de pressão

► Baixa transferência de calor

Fluxo turbulento

Um fluxo turbulento é definido como um movimento de fluxo indefinido, onde as linhas de

fluxo não são alinhadas paralelamente uma com as outras, mas movem-se em todas as

direções. Um fluxo turbulento é conhecido por:

► Alta queda de pressão

► Alta transferência de calor

Linha de resistência

De acordo com as leis da mecânica dos fluidos, a queda de pressão Δp aumenta ao quadrado a

redução do volume do fluxo. Em uma velocidade crítica, as mudanças de tipo de fluxo de linear

para turbulento, a linha de resistência aumenta abruptamente. O dimensionamento da

pressão da tubulação aponta então para a realização de um movimento de fluxo linear.

Queda de pressão no sistema de ar

O fluxo de ar é obstruído a cada mudança de direção que ele deve fazer, seguindo o

posicionamento da rede de fornecimento. Como conseqüência, há distúrbios no movimento

de fluxo linear e a queda de pressão fica acentuada. O nível da queda de pressão é

influenciado pelos seguintes fatores e componentes da rede:

► Comprimento da tubulação

► Diâmetro interno da tubulação

► Pressão interna da rede

► Ramificações e cotovelos

► Extensões

► Válvulas, acessórios e conexões

► Filtros e secadores

► VAZAMENTOS

► Qualidade da superfície interna da tubulação

Para evitar uma queda de pressão acentuada, esses fatores devem ser levados em conta

quando uma rede de ar comprimido for projetada. Com o propósito de simplificar as

resistências de fluxo dos diferentes acessórios, conexões e cotovelos, estes são convertidos

aos comprimentos equivalentes da tubulação. Esses valores devem ser acrescentados ao

comprimento real da tubulação para obter a fluidez do ar na tubulação. Na maioria dos casos,

porém, todas as especificações sobre acessórios, conexões e cotovelos já devem estar

disponíveis no começo da fase de planejamento de uma rede. Por isso, a fluidez no

comprimento da rede “L” é calculada multiplicando o comprimento da tubulação pelo fator

1,6.

Fatores de correção da rede

Acessórios, cotovelos e conexões dobradas aumentam a resistência de fluxo de ar.

Experiências práticas têm conduzido ao desenvolvimento e busca de fatores correspondentes

ao fator de comprimento, os quais são incluídos como comprimento extra da tubulação (em

metros) nos cálculos de fornecimento dos sistemas de ar.

Linha de resistência do fluxo

Tubulações para Ar comprimido

De acordo com Telles o ar comprimido é também um fluido de baixa corrosão, para o qual os

seguintes materiais podem ser recomendados:

1. Tubulações de baixa pressão ( até 0,7 Mpa = 7 kg/cm²):

Tubos, até 4” de diâmetro : Aço carbono galvanizado ( ASTM A 120 ), com

extremidades rosqueadas.

Válvulas, até 4”de diâmetro: Carcaça de bronze, com mecanismo interno de

bronze, extremidades rosqueadas.

Tubos, diâmetro de 2”, ou maior: Aço-carbono ( ASTM A 120 ou A134), com

margem para corrosão de 1,2 mm, com extremidades de solda de topo.

Válvulas, diâmetro de 3”, ou maior: Carcaça de ferro fundido, com mecanismo

interno de bronze, extremidades com flange de face plana.

2. Tubulações de alta pressão ( mais de 0,7 Mpa):

Tubos: Aço-carbono ( ASTM A53 ou API5L), com margem para corrosão de

1,2mm, com extremidades lisas em diâmetro até 1 ½”, e para solda de topo

em diâmetros maiores.

Válvulas: carcaça de aço-carbono forjado, com extremidades para solda de

encaixe, para diâmetro de até 1 ½”, e de aço-carbono fundido, com

extremidades com flanges de face com ressalto, para diâmetros maiores; em

todos os casos o mecanismo interno será de aço inoxidável tipo 410. Para

qualquer caso, todos os flanges devem ser de aço-carbono, com face de

ressalto. Para temperaturas até 60 C, ou pressão de 1 Mpa ( 10 kg/cm² ), as

juntas poderão ser de borracha natural; para temperaturas ou pressões mais

elevadas deverão ser de papelão hidráulico, conforme EB- 212.

Em todas as tubulações de ar comprimido existe o problema da drenagem da agua

proveniente da umidade que se condensa pelo resfriamento do ar, ou que se forma quando o

fluxo no sistema é interrompido. Por essa razão devem ser instalados separadores de agua em

todos os pontos baixos, antes das valvulas de bloqueio e nas extremidades de linhas. Se

possivel, a agua condensada deve correr por gravidade para os separadores.

Quando se exige que o ar seja limpo, com a finalidade principalmente da preservação dos

equipamentos onde o mesmo será utilizado, devem também ser instalados filtros para reter

poeiras, umidade e óleo carreado. A presença de oleos e graxas em linhas de ar comprimido é

perigosa porque pode dar origem a explosões causadas pelo aquecimento consequente da

compressão do ar.

As tubulações de ar comprimido para a transmissão de sinais para instrumentos automaticos e

valvulas de controle, costumam ser construidas com tubos de aluminio, cobre, latão ou

materiais plasticos. Os diametros dos tubos são sempre pequenos ( até ¾”) e as pressões

muito baixas. Nos tubos metálicos usam-se ligações de compressão.

Tubulações

Diferentes materiais podem ser usados para a tubulação de um sistema de ar comprimido. Os

possíveis materiais são:

► Tubos de aço perfilados

► Tubos de aço sem costura

► Tubos de aço inoxidável

► Tubos plásticos PPCR

As características e propriedades desses diferentes materiais devem ser observadas.

Tubos de aço perfilados

Conforme as normas DIN 2440, 2441 e 2442 (tipo de pesos médio e pesado) os tubos

perfilados são feitos de aço. A máxima pressão de trabalho é de 10 a 80 bar e a máxima

temperatura de trabalho é de 120 °C.

Vantagem: tubos perfilados são baratos e rápidos para instalar. As conexões são separáveis e

os componentes individuais podem ser reutilizados.

Desvantagens: tubos perfilados oferecem alta resistência para o fluxo de ar. As juntas

começam a apresentar VAZAMENTOS após certo tempo de uso. A instalação desse tipo de

tubulação requer certa experiência. Tubos perfilados que não sejam galvanizados não devem

ser utilizados em sistemas de fornecimento de ar comprimido sem que haja um secador

acoplado ao sistema, visto que eles são sensíveis à corrosão.

Tubos de aço sem costura

Conforme a norma DIN 2448, os tubos de aço sem costura (nas versões galvanizados ou com

recozimento) normalmente, são instalados em sistemas de ar comprimido. A pressão máxima

de trabalho é de 12,5 a 25 bar e a temperatura máxima de trabalho é de 120 °C.

Vantagens: esses tubos são baratos e nas instalações profissionais os vazamentos de ar são

quase totalmente descartados.

Desvantagens: a instalação requer certa experiência, visto que esses tubos têm que ser

soldados ou colados. Tubos de aço sem costura que não sejam galvanizados não devem ser

utilizados em sistemas de fornecimento de ar comprimido sem que haja um secador acoplado

ao sistema, visto que eles são sensíveis à corrosão.

Tubos de aço inoxidável

Conforme as normas DIN 2462 e 2463, os tubos de aço inoxidável são escolhidos para

satisfazer as demandas de qualidade mais altas. A pressão máxima de trabalho é de até 80 bar

e a temperatura máxima de trabalho é de 120 °C.

Vantagens: tubos de aço inoxidável são resistentes à corrosão e oferecem baixa resistência ao

fluxo de ar. Nas instalações profissionais, os VAZAMENTOS são quase que totalmente

descartados.

Desvantagens: a instalação requer certa experiência visto que os tubos devem ser soldados ou

colados. Inicialmente, os custos são altos.

Tubos Plásticos PPCR

Conforme as normas DIN 8077 e 8078, os tubos de plástico PPCR são escolhidos para

solucionar os problemas mais comuns que ocorrem nas instalações metálicas, tais como:

incrustações, vazamentos, corrosões, uniões difíceis, dissipação de calor. Seu uso permite altas

pressões e temperaturas de forma constante, durante longo período, conforme normas

técnicas. As redes realizadas com tubos e conexões TOPFUSION, apresentam grandes

vantagens desde o início de sua instalação e por toda vida útil, de pelo menos 100 anos.

Atendem a grande maioria das obras, já que sua pressão de trabalho é de 20 kgf/cm². Testados

por uma hora a 52 kgf/cm² a 20°C, de acordo com a norma.

Vantagens:

► Coloração - Os tubos e conexões TF são da cor azul, obedecendo a padronização para

sistemas de ar comprimido. Como sua pigmentação é de toda massa, não é necessário pintá-

los em toda sua vida útil (100 anos).

► Montagem - A diferença de peso entre o tubo PPCR e o tubo metálico é muito grande (70%

mais leve), isso exige um esforço muito menor, tanto na hora da montagem, como no caso de

uma manutenção, resultando em economia nas estruturas de fixação.

► Resistência - Os tubos e conexões de PPCR têm uma resistência de trabalho de 20 kgf/cm²,

ou seja, 60% maior que a pressão de regime de 12 Kgf/cm². Os tubos são testados por uma

hora a uma pressão de 52 kgf/cm² a uma temperatura de 20°C.

► Perda de carga - O sistema apresenta uma baixa perda de carga. As paredes internas dos

tubos têm uma superfície muito lisa (7µ), o que reduz muito o atrito interno e a consequente

perda de carga durante toda sua vida útil.

► Termo fusão - A Termo fusão (fusão molecular) transforma varias peças em uma única,

eliminando qualquer possibilidade de vazamento e garantindo estanqueidade na rede. O

processo é fácil, rápido e de baixo custo.

► Pressão - A perda de pressão da rede, gerada por pequenos vazamentos, é totalmente

eliminada. Isto gera uma menor demanda de funcionamento dos compressores, resultando

maior economia de energia.

► Resíduos - O sistema não gera resíduos nocivos ao funcionamento das máquinas

conectadas. Assim, o risco de entupimento de válvulas por crostas de corrosão é nula.

► Químicos - O PPCR tem excelente resistência a vários produtos químicos, devido a seu alto

peso molecular. A resistência inclui ácidos graxos e óleos, provenientes do funcionamento de

compressores e também soluções com pH de 1 a 14.

► Alterações - Alta versatilidade na alteração ou inclusão de novas máquinas no sistema. O

processo de remoção ou ligação de novos pontos é muito mais rápido e prático que sistema

convencional.

► Economia - A soma de todas estas vantagens, gera uma economia de recursos a curto,

médio e longo prazo. Além da economia, o sistema PPCR proporciona um acabamento estético

mais limpo, moderno e inovador.

CONCLUSÃO

O trabalho apresenta o projeto de um dimensionamento de uma rede de ar

comprimido, onde a empresa decidiu por motivos de segurança usar equipamentos

pneumáticos, é importante ressaltar que os cálculos para dimensionamento devem ser

precisos, e devem obedecer algumas regras para que no futuro o sistema não seja prejudicado

pela ampliação da empresa, bem como eventuais aumentos na perda de carga e vazamentos

de ar ocasionados pelo desgaste de componentes do sistema.

Nesse dimensionamento tentamos buscar o máximo de custo beneficio para a rede de

ar, sabendo que hoje existem vários materiais e equipamentos, usamos os tubos de plástico

PPCR, pois apresenta as melhores características, como: menor peso, fácil manutenção (Termo

fusão), é fabricado na cor azul de acordo com as normas, apresenta menor rugosidade, assim

diminuído as perdas de carga entre outros fatores que quando comparados a outros materiais

fica evidente que essa é a melhor escolha, o único fator limitante é a temperatura, oque pode

ser resolvido com um resfriador. Também decidimos optar por utilizar 3 compressores

parafuso, pois apresenta Confiança operacional, opções favoráveis de manutenção e pelo

motivo do mesmo ser até 35% mais econômico que os de pistão.

Em cada equipamento foram utilizados filtros com regulagem de ar e óleo com

purgadores automáticos, oque deixa o sistema bem equalizado evitando acumulo de água e

também melhorando o funcionamento das ferramentas pneumáticas devido ao mesmo

possuir regulagem de ar e óleo. Outro fator importante foi o uso da rede de ar em forma de

anel ( fechado ), esse sistema apresenta vantagens em relação ao sistema de ramos, como

melhor fornecimento de ar, pressões constantes e menor perdas de carga.

REFERENCIAS

Disponível em: <http://www.consuar.com.br/index_arquivos/adimensionamento.htm>.

Acessado em: 20/07/2014.

TELLES. Silva; Tubulações industriais. Pg.105, 10 ed. Rio de Janeiro março de 2004.