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INSTITUTOS SUPERIORES DE ENSINO DO CENSA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS E DA SAÚDE CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DIMENSIONAMENTO DE UMA TUBULAÇÃO PARA UMA REDE DE AR COMPRIMIDO INDUSTRIAL Por Heitor Nogueira Manhães Campos dos Goytacazes RJ Julho / 2019

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Page 1: DIMENSIONAMENTO DE UMA TUBULAÇÃO PARA UMA ......Manhães, Heitor Nogueira Dimensionamento de uma tubulação para uma rede de ar comprimido industrial. / Heitor Nogueira Manhães

INSTITUTOS SUPERIORES DE ENSINO DO CENSA

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS E DA

SAÚDE

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

DIMENSIONAMENTO DE UMA TUBULAÇÃO PARA UMA REDE DE AR

COMPRIMIDO INDUSTRIAL

Por

Heitor Nogueira Manhães

Campos dos Goytacazes – RJ

Julho / 2019

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INSTITUTOS SUPERIORES DE ENSINO DO CENSA

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS E DA

SAÚDE

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

DIMENSIONAMENTO DE UMA TUBULAÇÃO PARA UMA REDE DE AR

COMPRIMIDO INDUSTRIAL

Por

Heitor Nogueira Manhães

Trabalho de Fim de Curso apresentado em

cumprimento às exigências para a

obtenção do grau no Curso de Graduação

em Engenharia Mecânica nos Institutos

Superiores de Ensino do CENSA.

Orientador: Benedito Antônio Azevedo Manhães

Campos dos Goytacazes – RJ

Julho / 2019

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Manhães, Heitor Nogueira

Dimensionamento de uma tubulação para uma rede de ar

comprimido industrial. / Heitor Nogueira Manhães - Campos

dos Goytacazes (RJ), 2019.

67f.: il

Orientador: Benedito Antônio Azevedo Manhães.

Graduação em Engenharia Mecânica – Institutos Superiores

do CENSA, 2019.

1. Engenharia Mecânica. 2. Tubulação Industrial. 3. Análises

Dinâmicas. I. Título.

CDD 665.744

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DIMENSIONAMENTO DE UMA TUBULAÇÃO PARA UMA REDE DE AR

COMPRIMIDO INDUSTRIAL

Por

Heitor Nogueira Manhães

Trabalho de Fim de Curso apresentado em

cumprimento às exigências para a

obtenção do grau no Curso de Graduação

em Engenharia Mecânica nos Institutos

Superiores de Ensino do CENSA.

Aprovado em de de .

BANCA EXAMINADORA

Benedito Antônio Azevedo Manhães, Esp. (Orientador) – ISECENSA

André Machado Ribeiro de Souza, MSc - ISECENSA

Laryce Souza da Silva, MSc - ISECENSA

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EPÍGRAFE

“O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em se chegar

a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vence obstáculos, no

mínimo fará coisas admiráveis.”

José de Alencar

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DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho a minha família e amigos que me apoiaram e foram

minha base para jamais pensar em desistir e duvidar das minhas capacidades.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço, em primeiro lugar a Deus, por me fortalecer e animar todos os

dias para que pudesse alcançar essa vitória.

Agradeço aos meus pais Amaro Ribeiro Manhães e Anameri Henriques

Nogueira Manhães, e também ao meu irmão, Henrique Nogueira Manhães por

sempre colocarem a educação como prioridade e pelo apoio e incentivo nessa

jornada.

Ao meu orientador Benedito Antônio Azevedo Manhães, pelo incentivo,

suporte, correções, apoio em todas as atividades, e clareza na transmissão do seu

conhecimento para realização do Trabalho de Conclusão de Curso.

Ao meu mestre Mauricio do Vale pela disponibilidade para transmitir o seu

conhecimento visando explorar o meu melhor neste trabalho.

A todos os familiares e amigos por estarem sempre presentes nos

momentos de dificuldade.

Aos professores e funcionários do ISECENSA, por todos os serviços

prestados com muito carinho e competência.

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LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

F - Força (N ou kg·m/s²);

P - Pressão (Pa ou kg/(m·s²) ou PSIG);

ºC - Graus Celsius;

PMTA - Pressão máxima de trabalho admissível;

NR - Norma Regulamentadora;

VR - Volume do Reservatório ( 𝑚3 ou l);

d - Diâmetro interno (mm);

∆𝑃 - Queda de Pressão Admitida (𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2);

P - Pressão de Regime (𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2);

Lt - Comprimento Linear Total da Tubulação (m);

Lt1 - Comprimento Linear da Tubulação (m);

Lt2 - Comprimento Linear das Singularidades (m);

Tt - Tempo total de Funcionamento por Mês (horas)

Fu - Fator de Utilização;

QT - Vazão de ar total do sistema ( 𝑚3/𝑚𝑖𝑛 ou 𝑚3/ℎ ou PCM);

Q1 - Vazão de Ar Total do Equipamento 1 ( 𝑚3/𝑚𝑖𝑛);

Q2 - Vazão de Ar Total do Equipamento 2 ( 𝑚3/𝑚𝑖𝑛);

Q3 - Vazão de Ar Total do Equipamento 3 ( 𝑚3/𝑚𝑖𝑛);

Q4 - Vazão de Ar Total do Equipamento 4 ( 𝑚3/𝑚𝑖𝑛);

Q5 - Vazão de Ar Total do Equipamento 5 ( 𝑚3/𝑚𝑖𝑛);

𝑄𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑜 - Vazão de Ar em cada linha de alimentação ( 𝑚3/ℎ).

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Composição do Ar atmosférico ............................................................. 14

Figura 2: Ar sendo comprimido por um êmbolo em um recipiente com válvula de

retenção. .............................................................................................................. 15

Figura 3: Princípio da expansibilidade .................................................................. 16

Figura 4: Princípio da elasticidade ....................................................................... 16

Figura 5: Processo de Mistura Homogênea entre Ar e Gases ............................. 17

Figura 6: Geração, tratamento e distribuição do ar comprimido ........................... 20

Figura 7: Tipos de compressores ......................................................................... 22

Figura 8: Admissão e descarga de um compressor de dupla ação ...................... 23

Figura 9: Compressor volumétrico alternativo de membrana ............................... 24

Figura 10: Compressor de palhetas (detalhe em corte frontal) ............................ 25

Figura 11: Compressor de parafuso (detalhe em corte lateral) ............................ 26

Figura 12: Compressor de lóbulos ....................................................................... 27

Figura 13: Turbocompressores ............................................................................ 27

Figura 14: Diagrama auxiliar para escolha do compressor .................................. 28

Figura 15: Sistema de refrigeração à água em um compressor de dois estágios e

duplo efeito. .......................................................................................................... 30

Figura 16: Reservatório de ar comprimido ........................................................... 32

Figura 17: Rede de circuito aberto ....................................................................... 36

Figura 18: Rede de circuito fechado ..................................................................... 36

Figura 19: Rede de circuito combinada ................................................................ 37

Figura 20: Layout Geral da Rede de Ar Comprimido ........................................... 52

Figura 21: Layout da Linha de Alimentação ......................................................... 53

Figura 22: Compressor Utilizado .......................................................................... 59

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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 – As variáveis dos Gases Perfeitos ...................................................... 19

Quadro 2 – Lixadeira Angular............................................................................... 44

Quadro 3 – Furadeira Tipo Pistola ....................................................................... 45

Quadro 4 – Esmerilhadeira Angular ..................................................................... 45

Quadro 5 – Pistola de Pintura com Tanque de Pressão ...................................... 45

Quadro 6 – Agulheiro Pneumático ....................................................................... 45

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Variação da Pressão Atmosférica com Atitude .................................... 17

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LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 1 – Lei dos Gases Ideais ....................................................................... 19

Equação 2 – Lei dos Gases Ideais considerando a massa do ar ......................... 19

Equação 3 – Densidade do Gás ........................................................................... 19

Equação 4 – Volume do Reservatório .................................................................. 33

Equação 5 – Diâmetro da Tubulação ................................................................... 38

Equação 6 – Fator de Utilização .......................................................................... 39

Equação 7 – Vazão de Ar .................................................................................... 46

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SUMÁRIO CAPÍTULO I: REVISÃO DE LITERATURA .......................................................... 13 1. AR COMPRIDO ................................................................................................ 13 1.1 Conceitos Preliminares .................................................................................. 13 1.2 Propriedades do Ar ........................................................................................ 15 1.2.1 Compressibilidade ....................................................................................... 15 1.2.2 Expansibilidade ........................................................................................... 15 1.2.3 Elasticidade ................................................................................................. 16 1.2.4 Difusibilidade ............................................................................................... 16 1.3 Pressão Atmosférica ...................................................................................... 17 1.4 Gás Ideal ........................................................................................................ 18 2. GERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO ................................................................... 20 2.1 Compressores ................................................................................................ 21 2.1.1 Compressor Volumétrico Alternativo ........................................................... 22 2.1.2 Compressor Volumétrico Rotativo ............................................................... 24 2.1.3 Turbocompressores Axial e Radial .............................................................. 27 2.1.4 Seleção do Compressor .............................................................................. 28 2.1.5 Resfriamento de Compressores .................................................................. 29 2.2 Reservatórios ................................................................................................. 31 2.3 Secadores ...................................................................................................... 33 2.4 Filtros de Ar .................................................................................................... 34 2.5 Rede de Ar Comprimido ................................................................................. 35 2.6 Tubulações de Ar Comprimido ....................................................................... 37 2.6.1 Dimensionamento das Tubulações ............................................................. 38 2.7 Fator de Utilização ......................................................................................... 39 2.8 NR 13 ............................................................................................................. 39 CAPÍTULO II – ARTIGO CIENTÍFICO ................................................................. 41 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 43 1.1 Justificativas e relevância ............................................................................... 43 2. OBJETIVOS ..................................................................................................... 43 2.1 Objetivo Geral ................................................................................................ 43 2.2 Objetivo Específicos ....................................................................................... 43 3. METODOLOGIA ............................................................................................... 44 3.1 Seleção de Equipamentos .............................................................................. 44 3.2 Fator de Utilização ......................................................................................... 46 3.3 Vazão de Ar .................................................................................................... 46 3.4 Layout............................................................................................................. 46 3.5 Dimensionamento da Tubulação .................................................................... 47 3.6 Seleção do Compressor ................................................................................. 48 3.7 Seleção do Reservatório ................................................................................ 48 4. RESULTADOS ................................................................................................. 48 4.1 Capacidade de Ar Necessária ........................................................................ 48 4.1.1 Equipamentos do Sistema ........................................................................... 48 4.1.2 Fatores de Utilização dos Equipamentos Pneumáticos .............................. 49 4.1.3 Vazão de Ar Total do Sistema ..................................................................... 50 4.2 Layout da Rede de Ar Comprimido ................................................................ 52 4.3 Dimensionamento da Linha de Distribuição ................................................... 53 4.4 Dimensionamento da Linha de Alimentação .................................................. 56 4.5 Seleção do Compressor de Ar ....................................................................... 59

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4.6 Dimensionamento do Reservatório de Ar Comprimido .................................. 60 5. CONCLUSÕES ................................................................................................ 60 6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................... 61 7. REFERÊNCIAS ................................................................................................ 61 CAPÍTULO III – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................... 62 ANEXOS .............................................................................................................. 63 ANEXO A – Norma ASTM A-120 Schedule 40 – Tubo de aço para condução de fluidos e outros afins ............................................................................................ 63 ANEXO B – Comprimento de Tubo Equivalente à Perda de Carga por Singularidade (m) ........................................................................................................................ 64

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CAPÍTULO I: REVISÃO DE LITERATURA

1. AR COMPRIDO

1.1 Conceitos Preliminares

Na segunda metade do século XIX, o ar comprimido adquiriu importância

industrial. São encontradas referências de que o emprego do ar comprimido na

indústria teve início no processo de fundição de prata, ferro, estanho e chumbo.

(PARKER, 2006).

Segundo Bosch (2008) o ar comprimido é utilizado como um condutor

de energia em diferentes áreas de aplicações industriais ao lado de outros

condutores como: fluídos em sistemas hidráulicos e energia elétrica.

O ar existe em abundância e está disponível em todos lugares. Quando

comparado a um sistema hidráulico, a pneumática é sem dúvida o elemento mais

simples, de maior rendimento e de menor custo. Mesmo sendo um sistema com

custo não muito elevado, o ar comprimido não apresenta perigos de explosão ou

incêndio devido a sua pressão de utilização ser relativamente baixa (6 a 12 bar),

enquanto na hidráulica este valor pode chegar à ordem de 350 bar. Pela

utilização de uma pressão mais baixa, os elementos de comando e ação são

menos robustos e mais leves, podendo ser construídos em liga de alumínio,

barateando a sua produção (FIALHO, 2006).

Para Parker (2006) os elementos de um sistema pneumático possuem

uma fácil regulagem, tornando as operações mais rápidas e aumentando o ritmo

de trabalho, produtividade e reduzindo o custo operacional.

O ar comprimido pode ser transportado em uma rede de tubulações de

curta, média e longa distância para diferentes tipos de aplicações industriais. Isto

facilita o projeto e a instalação de uma central de geração de ar comprimido, a

qual o ar fornecido para os pontos de consumo, terá uma pressão de trabalho

constante em um sistema fechado sendo possível armazenar o ar comprimido

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em reservatórios sem muita dificuldade, não sendo necessário que o compressor

trabalhe continuamente, mas sim, somente quando a pressão diminuir a um valor

mínimo controlado por um pressostato (BOSCH, 2008).

A fim de obter um bom rendimento no sistema, bem como prolongar a

vida útil dos seus componentes, o ar comprimido requer uma boa qualidade de

ar, ou seja, é necessário a realização de processos e equipamentos na rede de

distribuição para a remover as impurezas e eliminar a umidade (PARKER, 2006).

Por outro lado, um sistema de ar comprimido está sujeito a vazamentos.

Portanto, identificar, eliminar e reduzir os pontos de vazamento é uma das

maneiras mais simples e eficazes de economizar energia. Caso exista um

vazamento decorrente de problemas em válvulas, tubos, mangueiras e conexões

mal vedadas ou corroídas a pressão na rede cairá e os compressores voltarão a

comprimir visto que se faz necessário ter a pressão de trabalho reajustada

(METAPLAN, 2017).

O ar comprimido utilizado em diferentes segmentos é obtido através da

compressão do ar atmosférico, ou seja, ar ambiente, cuja composição é de uma

mistura entre Oxigênio (𝑂2), Nitrogênio (𝑁2) e alguns gases raros como pode ser

visto na Figura 1.

Figura 1: Composição do Ar atmosférico

Fonte: Adaptado de Silva, 2002.

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15

1.2 Propriedades do Ar

Em busca de uma melhor compreensão das vantagens da utilização de

um sistema de ar comprimido, serão analisadas três propriedades físicas do ar

que conferem à pneumática o status de meio de automatização de custo baixo,

limpo e altamente rentável (FIALHO, 2006).

1.2.1 Compressibilidade

O ar expande-se ocupando totalmente o ambiente pelo qual circule.

Assim, pode-se concluir que por meios mecânicos é possível levá-lo à condição

oposta, ou seja, comprimi-lo (FIALHO, 2006).

A Figura 2 mostra que ao movimentar o êmbolo para baixo com uma

determinada força F, o ar presente no recipiente terá seu volume reduzido e

consequentemente uma elevação de pressão. Nota-se que o terceiro recipiente

possui um menor volume de ar que os demais, porém se encontra com uma

pressão P3 mais elevada que pressão P2 e pressão P1.

Figura 2: Ar sendo comprimido por um êmbolo em um recipiente com válvula de

retenção. Fonte: Fialho, 2006.

1.2.2 Expansibilidade

Propriedade que possibilita o ar ocupar totalmente o volume de qualquer

recipiente, adquirindo seu formato (PARKER, 2006).

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16

A figura 3 ilustra um recipiente contendo ar em que a válvula na situação

1 está fechada. Quando a válvula é aberta, o ar expande assumindo o formato

dos recipientes que se encontram após a válvula.

Figura 3: Princípio da expansibilidade

Fonte: Parker, 2006.

1.2.3 Elasticidade

Segundo Coradi (2011) a elasticidade é uma propriedade que possibilita

o retorno do ar ao seu volume inicial, quando terminada a força responsável pela

redução do volume.

Na Figura 4 observa-se o recipiente 1, preenchido de ar, sendo

submetido por uma força F responsável pela redução do volume. Uma vez que

tal força é extinta, visto no recipiente 2, o ar se expande e retorna ao volume

inicial.

Figura 4: Princípio da elasticidade

Fonte: Parker, 2006.

1.2.4 Difusibilidade

Propriedade do ar que lhe permite misturar-se homogeneamente com

qualquer meio gasoso que não esteja saturado, ou seja, que não contém a

máxima quantidade de gás ou sólido dissolvido. (PARKER, 2006).

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17

A Figura 5 ilustra o processo de difusibilidade a partir de dois recipientes

conectados por meio de uma válvula a princípio fechada. Após a abertura da

válvula, o ar ilustrado em vermelho, se mistura com outros gases, não saturado,

tornando a mistura homogênea.

Figura 5: Processo de Mistura Homogênea entre Ar e Gases

Fonte: Parker, 2006.

1.3 Pressão Atmosférica

Os gases são formados por moléculas em um determinado grau de

agitação que produzem forças de pressão no recipiente em que o gás está

contido. Indicações de pressão podem ter como referência o ponto zero absoluto

(vácuo) ou a pressão atmosférica. A pressão atmosférica é produzida pela

camada de ar que envolve a terra e depende da densidade e da altitude, portanto

não é possível determinar um valor constante (SILVA, 2006).

O valor da pressão atmosférica ao nível do mar, a uma temperatura de

20ºC e a uma umidade relativa de 36% é de 1 atm ou 760 mm (coluna de

mercúrio) ou 1 bar ou 145 𝑙𝑏𝑓/𝑝𝑜𝑙2 (PARKER, 2006).

Tabela 1: Variação da Pressão Atmosférica com Atitude

Altitude (m)

Pressão (Kgf/𝑐𝑚2)

Altitude (m)

Pressão (Kgf/𝑐𝑚2)

0 1,033 1000 0,915

100 1,021 2000 0,810

200 1,008 3000 0,715

300 0,996 4000 0,629

400 0,985 5000 0,552

500 0,973 6000 0,481

600 0,960 7000 0,419

700 0,948 8000 0,363

800 0,936 9000 0,313

900 0,925 10000 0,270 Fonte: Parker, 2006.

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18

1.4 Gás Ideal

Segundo Silva (2002) o aumento de pressão dos gases ocorre através

do calor gerado pelo movimento das moléculas. Por ocuparem a totalidade de

um volume disponível, em uma mistura de vários gases, os gases atingem uma

pressão total decorrente da soma das pressões individuais de cada elemento da

mistura.

O vapor é gerado pela evaporação dos líquidos. De acordo com a

temperatura do processo é possível atingir uma pressão máxima de vapor,

também determinada como vapor saturado. No entanto, o vapor quando é

considerado saturado, não se enquadra nas leis físicas dos gases. No estudo

dos gases, é importante saber diferenciar o conceito de gás real e gás ideal. O

gás real é determinado como um vapor superaquecido que apresenta uma certa

temperatura de condensação, ou seja, ao atingir determinada temperatura ele

muda de estado físico, passando de gasoso para líquido. Por outro lado, o gás

ideal não condensa, não muda de estado com o seu resfriamento até o ponto

zero absoluto, consistindo num estado ideal que facilita o equacionamento

teórico do seu comportamento, porém o mesmo não ocorre na prática (VAN

WYLEN, 2008).

Desse modo, a relação entre três variáveis do processo constitui a Lei

dos Gases Ideais conforme descrito na Equação 1.

𝑃1.𝑉1

𝑇1 =

𝑃2.𝑉2

𝑇2 Equação 1 (1)

Onde:

𝑃1 𝑒 𝑃2 = Pressão do gás [Atm];

𝑉1 𝑒 𝑉2 = Volume do gás [L];

𝑇1 𝑒 𝑇2 = Temperatura do gás [ºK].

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19

Tal equação, se considerada a massa do ar (𝑚𝑎𝑟) pode ser escrita de

outra forma conforme a Equação 2.

𝑃. 𝑉 = 𝑚𝑎𝑟 . 𝑅𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 . 𝑇 ção (2)

Onde:

R = Constante do gás com valor igual a 287 J/(Kg. K) para o ar.

Desse modo a densidade (𝜌𝑔á𝑠) do gás fica descrita de acordo com a

equação 3.

𝜌𝑔á𝑠 = 𝑚𝑎𝑟

𝑉=

𝑃

𝑅𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 .𝑇 ção 2 (3)

De acordo com essa relação, caso alguma das variáveis sofra alguma

alteração, o efeito nas outras variáveis poderá ser previsto conforme pode ser

visto no Quadro 1.

Quadro 1: As variáveis dos Gases Perfeitos

Mesmo Volume Pressão diminui Temperatura diminui

Pressão aumenta Temperatura aumenta

Mesma Pressão Volume diminui Temperatura diminui

Volume aumenta Temperatura aumenta

Mesma Temperatura Volume diminui Pressão aumenta

Fonte: Adaptado de Pavani, 2011.

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20

2. GERAÇÃO DE AR COMPRIMIDO

Segundo Fialho (2006) o ar necessita ter condições apropriadas de

pressão e qualidade (isenção de umidade e impurezas) para sua utilização. A

condição de pressão adequada é obtida através da utilização de compressores

de acordo com a necessidade do sistema, já a de qualidade é obtida através de

recursos como a utilização de purgadores, secadores e filtros.

Para Silva (2002) a Figura 6 mostra as etapas, de uma forma geral, em

que o ar comprimido passa desde sua geração até a sua distribuição nas

máquinas da indústria.

Figura 6: Geração, tratamento e distribuição do ar comprimido

Fonte: Silva, 2002.

Na figura 6 observa-se que o ar é inicialmente aspirado por um

compressor que será responsável por aumentar a pressão e,

consequentemente, a temperatura do fluido, atingindo uma taxa de compressão

em geral de 1:7, ou seja, se o ar atmosférico possui uma pressão inicial de 1 bar

o mesmo passará a ter uma pressão de 7 bar. Na entrada do compressor, um

elemento filtrante, será responsável por reter partículas sólidas do ar ambiente.

Após o processo de compressão, o fluido, com uma temperatura mais elevada

do que a inicial, passa por um processo de resfriamento, visto que a tubulação

pode apresentar problemas ao trabalhar com ar em alta temperatura. Em

seguida, o fluido passa por outro elemento filtrante até chegar ao processo de

secagem que tem por finalidade eliminar a umidade do ar garantindo a qualidade

necessária para o armazenamento. O ar então será armazenado em

reservatórios a fim de manter a linha de trabalho a uma pressão constante

evitando que o compressor necessite ser ligado e desligado de maneira

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21

contínua. Do reservatório, o ar é distribuído na fábrica onde em cada

equipamento a ser utilizado ele será ajustado de acordo com as necessidades

específicas da máquina (SILVA, 2002).

2.1 Compressores

Segundo Prudente (2013), compressores são geradores de energia

pneumática. As máquinas que realizam um aumento de pressão muito pequena

(por exemplo, 0,1 bar) podem ser chamado de ventiladores. Por outro lado, são

chamados de compressores quando o aumento de pressão é muito mais

elevado, geralmente superior a 1,2 bar.

Os compressores podem ser classificados de acordo com seu princípio

de funcionamento, sendo eles compressores volumétricos e os

turbocompressores. Nos compressores volumétricos, a compressão é realizada

com uma redução do volume de ar aspirado sendo os mais utilizados para

comandos automáticos e aplicações que necessitam de pequenas vazões e

elevados valores de pressão. Por outro lado, nos turbocompressores, temos o

aumento da pressão imprimindo uma forte aceleração na massa de ar aspirada

e, posteriormente, com a passagem dessa mesma massa de ar por uma

tubulação de pequeno diâmetro, responsável por reduzir a velocidade e

aumentar a pressão do ar. Desse modo, os turbocompressores são utilizados

para grandes vazões e pequenos valores de pressão (PRUDENTE, 2013).

Page 24: DIMENSIONAMENTO DE UMA TUBULAÇÃO PARA UMA ......Manhães, Heitor Nogueira Dimensionamento de uma tubulação para uma rede de ar comprimido industrial. / Heitor Nogueira Manhães

22

Na Figura 7 temos um resumo dos tipos mais comuns de compressores.

Figura 7: Tipos de compressores

Fonte: Prudente, 2013.

2.1.1 Compressor Volumétrico Alternativo

Nos compressores volumétricos ou de deslocamento positivo, o

aumento da pressão é obtido através da redução do volume ocupada pelo gás.

(BOSCH, 2008).

De uma forma geral, esse tipo de compressor utiliza um sistema

integrado de biela-manivela para converter o movimento rotativo do eixo no

movimento translacional de um pistão ou êmbolo. Dessa maneira, a cada uma

volta completa do acionador, o pistão efetua um percurso de ida e vinda na

direção do cabeçote, completando um ciclo de operação. (FIALHO, 2006).

2.1.1.1 Compressor volumétrico alternativo de pistão

Segundo Prudente (2013) o compressor volumétrico alternativo de

pistão pode possuir um ou dois estágios. No caso de um compressor de apenas

um estágio, o funcionamento é caracterizado por uma fase de admissão seguida

de uma fase de descarga, obtendo a compressão do ar apenas no movimento

ascendente do êmbolo.

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23

Diferente dos compressores de um estágio, os compressores de dois

estágios ou dupla ação, a compressão do ar ocorre em ambos os sentidos de

deslocamento do êmbolo. Dessa forma, verifica-se que os compressores de

dupla ação comprimem um maior volume de ar por unidade de tempo visto que

em um ciclo (descida e subida do êmbolo) a compressão é realizada tanto no

movimento ascendente quanto no movimento descendente do êmbolo (FIALHO,

2006).

Na Figura 8 temos um esquema explicativo do processo de admissão e

descarga do compressor de dupla ação.

Figura 8: Admissão e descarga de um compressor de dupla ação

Fonte: Fialho, 2006.

2.1.1.2 Compressor volumétrico alternativo de membrana

Para Silva (2002) o compressor volumétrico alternativo de membrana

apresentado na figura 9 tem um funcionamento quase igual ao dos

compressores volumétricos alternativos a pistão, mas nesse caso, o pistão é

envolvido por uma membrana com o objetivo de isolar o ar a ser comprimido das

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peças do compressor evitando resíduos de óleo. Por esse motivo, sua utilização

é mais comum em indústrias farmacêuticas, alimentícias e químicas.

Figura 9: Compressor volumétrico alternativo de membrana

Fonte: Silva, 2002.

2.1.2 Compressor Volumétrico Rotativo

A elevação de pressão é obtida por meio da conversão de energia

cinética em energia de pressão, durante a passagem do ar pelo compressor. O

ar admitido ao entrar em contato com um rotor de alta velocidade é acelerado e

posteriormente seu escoamento é retardado por meio de difusores, ocasionando

a elevação da pressão (PAVANI, 2011).

2.1.2.1 Compressor volumétrico rotativo de palhetas

Trata-se de um rotor que gira excentricamente, fora do centro, no interior

de uma carcaça acionado por um motor de combustão ou elétrico como mostra

a Figura 10 (SILVA, 2002).

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25

Figura 10: Compressor de palhetas (detalhe em corte frontal)

Fonte: Fialho, 2006.

Com o movimento de rotação do rotor, as palhetas deslocam-se

radialmente sob a ação da força centrífuga e se mantém em contato com a

carcaça. O ar ao ser aspirado ocupa os espaços definidos entre as palhetas e

devido a excentricidade do rotor e às posições das aberturas de aspiração e

descarga, os espaços constituídos entre as palhetas vão se reduzindo e

provocando a compressão progressiva do ar (FIALHO, 2006).

2.1.2.2 Compressor volumétrico rotativo de parafuso

Este compressor possui dois rotores em forma de parafuso que giram

em sentido contrário, mantendo entre si uma condição de engrenamento. A

conexão do compressor com o sistema se faz através das aberturas de sucção

e descarga em direções opostas, como indica a Figura 11. O ar entra pela

abertura de sucção e ocupa os espaços entre os filetes dos rotores e a partir do

engrenamento de um filete o ar, nele contido, fica fechado entre o rotor e as

paredes da carcaça. Devido a rotação o ponto de engrenamento se desloca para

frente, reduzindo o espaço disponível para o ar e gerando sua compressão e

sendo liberado com a abertura de descarga (BOSCH, 2008).

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26

Figura 11: Compressor de parafuso (detalhe em corte lateral)

Fonte: Fialho, 2006.

Os parafusos geralmente possuem movimentos sincronizados através

de engrenagens evitando o contato metálico entre eles, tornando o uso de

lubrificantes desnecessário, e fornecendo um ar sem resíduos de óleo (FIALHO,

2006).

2.1.2.3 Compressor Volumétrico Rotativo de Lóbulos

Segundo Bosch (2008), este compressor possui dois rotores que giram

em sentido contrário, mantendo um espaçamento muito pequeno no ponto de

tangência entre si e com relação a carcaça, conforme a Figura 12. O ar ao

penetrar pela abertura de sucção ocupa a câmara de compressão, sendo

conduzido até a abertura de descarga pelos rotores. Mesmo sendo classificado

como um compressor volumétrico, este compressor não possui compressão

interna visto que os rotores apenas realizam o deslocamento do ar de uma região

de baixa pressão para uma região de alta pressão. Por isso, são raramente

empregados com fins industriais e comumente utilizados em sistemas de

transporte, bombas de vácuo e medidores de fluxo.

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27

Figura 12: Compressor de lóbulos

Fonte: Fialho, 2006.

2.1.3 Turbocompressores Axial e Radial

Para Prudente (2013) os turbocompressores caracterizam-se por um

eixo ao longo do qual está sistematizada uma série de lâminas rotativas com

uma formação geométrica particular que fornece ao fluido uma certa quantidade

de energia cinética, conforme mostrado na Figura 13.

(a) (b)

Figura 13: Turbocompressores Fonte: Fialho, 2006.

A denominação axial e radial se deve a forma de construção do eixo

principal. No caso do turbocompressor axial (Figura 13a), a energia é transmitida

axialmente ao longo do eixo por uma série de lâminas. No caso do

turbocompressor radial (Figura 13b), temos o fluxo de ar que transita em sentido

radial, com a rotação do eixo fornecendo energia cinética ao fluido que em

seguida é transformada em uma variação de pressão na carcaça.

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28

2.1.4 Seleção do Compressor

Parker (2006) afirma que para o dimensionamento de um compressor os

fatores mais importantes a serem considerados são: Vazão (volume de ar) e

Pressão (força do ar). Vale a pena lembrar que, nos compressores de pistão o

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

parado ou em funcionamento é um outro importante fator que deve ser levado

em consideração. Em contrapartida, considera-se outros fatores como tensão da

rede, facilidade de locomoção, tamanho do compressor, etc. A figura 14 auxilia

na escolha do tipo de compressor mais indicado para atender os parâmetros de

vazão e pressão a serem utilizados na rede de distribuição.

Figura 14: Diagrama auxiliar para escolha do compressor

Fonte: Parker, 2006.

Para Bosch (2008) na maioria dos campos de aplicações das

ferramentas pneumáticas, o compressor de parafuso ou compressor de pistão é

a escolha mais correta. Os compressores de parafuso são indicados

particularmente no caso de:

a) Alto consumo de ar comprimido sem picos de carga;

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b) Grande volume de fornecimento;

c) Fluxo contínuo;

d) Capacidade de compressão entre 5 e 14 bar;

e) Sistema de compressores compostos;

f) Longos períodos de funcionamento.

Os compressores de pistão também têm seus campos específicos de

aplicação, podendo complementar os compressores de parafuso, e são

utilizados nos casos de:

a) Haver necessidade de uma demanda de ar intermitente;

b) Alto pico de carga;

c) Mudança frequente de carga;

d) Baixo volume de fornecimento;

e) Capacidade de compressão de até 35 bar.

Metaplan (2017) afirma que após a vazão do sistema ser definida, vale

a pena considerar uma faixa de 20% a 50% para futuras ampliações e selecionar

dois compressores que, somados, atendam a essa necessidade. Um terceiro

compressor, da mesma capacidade, pode ser adicionado e serem programados

para operar em um sistema de rodízio planejado permitindo, inclusive, que as

manutenções preventivas aconteçam em intervalos defasados, gerando uma

menor concentração de custos para a tarefa e impedindo a parada total do

funcionamento do sistema.

2.1.5 Resfriamento de Compressores

Os sistemas de refrigeração, através da água ou ar, são utilizados para

remover o calor gerado no processo de compressão e por atritos diversos. Para

os compressores de deslocamento positivo o sistema compreende

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primeiramente resfriar os cilindros de compressão e realizar um resfriamento

intermediário com o objetivo de remover o calor gerado entre os estágios de

compressão visando manter a baixa temperatura das válvulas, do óleo

lubrificante e do ar que está sendo comprimido evitando as deformações do

compressor devido à alta temperatura de trabalho, e, consequentemente,

aumentando sua eficiência (PAVANI, 2011).

2.1.5.1 Resfriamento à água

Parker (2006) afirma que os blocos dos cilindros são dotados de paredes

duplas, entre as quais circula água, e sustenta que a superfície que exige um

melhor resfriamento é a do cabeçote, pois permanece em contato com o gás ao

final da compressão. No resfriador intermediário emprega-se, em geral, tubos

com aletas. A Figura 15 representa a construção preferida para um sistema de

refrigeração à água em um compressor de dois estágios e duplo efeito, pois

permite maior vazão e maior troca de calor.

Figura 15: Sistema de refrigeração à água em um compressor de dois estágios e duplo

efeito. Fonte: Parker, 2006.

Segundo Parker (2006), a água deste processo dever ser de baixa

temperatura, pressão suficiente, estar livre de impurezas e conter pouco teor de

sais de cálcio ou outras substâncias. O processo, geralmente, se inicia pela

circulação da água através da câmara de baixa pressão entrando posteriormente

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31

em contato com o resfriador intermediário. Em seguida, a água é dirigida para a

câmara de alta pressão, sendo eliminada do interior do compressor, indo para

as torres ou piscinas de resfriamento.

2.1.5.2 Resfriamento a ar

Indicado para compressores de pequeno e médio porte devido ao menor

custo em relação ao sistema de resfriamento a água e, também, por ser de maior

facilidade operacional. Os compressores de grande potência que utilizam este

tipo de resfriamento, não podem trabalhar em locais fechados ou com pouca

circulação de ar. (PAVANI, 2011).

Para Parker (2006), existem dois modos básicos de realizar o

resfriamento a ar. No modo de circulação, os cilindros e cabeçotes geralmente

são aletados a fim de proporcionar maior troca de calor, o que é feito por meio

da circulação do ar ambiente e com auxílio de hélices nas polias de transmissão.

Já no modo de ventilação forçada, uma ventoinha é responsável por realizar a

circulação do ar no interior do compressor realizando a refrigeração do cabeçote,

resfriador intermediário e outros componentes.

2.2 Reservatórios

Os reservatórios de ar comprimido são dimensionados de acordo com o

volume de fornecimento do compressor, o sistema de controle e consumo de ar

comprimido. O consumo de ar comprimido pode ser garantido por um

determinado tempo, de acordo com a capacidade de armazenamento do

reservatório, visto que os compressores não fornecem ar comprimido durante o

período que o reservatório mantém o estoque, mas sim permanece em “stand

by” sem consumir energia elétrica (BOSCH, 2008).

Segundo Parker (2006), em geral, o reservatório visto na Figura 16 é

responsável por armazenar o ar comprimido, resfriar o ar auxiliando na

eliminação de condensado, compensar as flutuações de pressão em todo o

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sistema de distribuição, estabilizar o fluxo de ar, controlar as marchas dos

compressores e etc.

Figura 16: Reservatório de ar comprimido

Fonte: Adaptado de Parker, 2006

Segundo ELETROBRÁS (2005), o reservatório deve ter capacidade

suficiente para atender a cargas instantâneas, elevadas ou esporádicas do

sistema. Algumas regras na prática indicam que o volume do reservatório pode

ser obtido pela Equação 4.

- Volume de 10% a 100% da vazão em 𝑚3/𝑚𝑖𝑛, logo temos que:

𝑉𝑅 = 0,1 𝑎 1 ∗ 𝑄𝑇 Equação (3)

Onde:

𝑄𝑇 = Vazão de ar total do sistema [𝑚3/𝑚𝑖𝑛]

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33

2.3 Secadores

A presença da umidade no ar comprimido é sempre prejudicial para as

automatizações pneumáticas sendo necessário reduzir ao máximo esta umidade

visto que seria impossível eliminá-la de modo absoluto do ar comprimido. O ar

seco industrial não é aquele totalmente isento de água; é o ar que, após um

processo de desidratação, flui com uma quantidade residual de ordem em que

possa ser utilizado sem nenhum tipo de inconveniente (PARKER, 2006).

O vapor d’água aspirado pelo compressor junto com o ar pode

condensar ao longo da linha dependendo da temperatura e pressão. A água

acumulada pode ser eliminada por meio de filtros separadores e drenos

dispostos ao longo da linha. No entanto, um filtro não pode eliminar o vapor

d’água tornando necessário a presença de secadores (SILVA, 2002).

Segundo Metaplan (2017) 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.

Existem diversas formas para a secagem do ar, porém os três mais utilizados e

com maior desempenho são:

a) Secagem por refrigeração: O ar comprimido entra, inicialmente, em

um trocador de calor, sofrendo uma queda de temperatura causada pelo ar que

sai do resfriador principal. Neste resfriador, o ar é resfriado ainda mais, pois está

em contato com um circuito de refrigeração. Durante esta fase, a umidade

presente no ar forma pequenas gotas chamadas de condensado que serão

eliminadas pelo separador através de um dreno. A temperatura do ar comprimido

é mantida entre 0,65 e 3,2°C no resfriador principal por meio de um termostato

que atua sobre o compressor de refrigeração. O ar comprimido seco volta ao

trocador de calor inicial causando o pré-resfriamento no ar úmido de entrada,

coletando parte do calor deste e evitando o resfriamento por expansão, o que

ocasionaria a formação de gelo (PARKER, 2006).

b) Secagem por absorção: O vapor d’água é eliminado por uma reação

química com um agente dessecativo higroscópico (que absorve a umidade do

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ar). O ar comprimido flui de cima para baixo através de uma camada de agente

dessecativo. Por esse meio, uma parte do vapor de água é carregada pelo

dessecativo e um conversor escoa o vapor d’água condensado para um

reservatório no chão fazendo com que a pressão de vapor reduza de 8 para 12%

(BOSCH, 2008)

c) Secagem por adsorção: Trata-se do sistema mais caro em relação

aos demais, mas é o que retira maior quantidade de umidade do ar. Este método

atua através de substâncias secadoras que adsorvem (admitem uma substância

à superfície da outra) o vapor d’água do ar, as quais podem ser regeneradas

através de ar quente. Portanto, o sistema de adsorção possui uma circulação de

ar quente em paralelo para realizar a limpeza do elemento secador que em geral

é um material granulado com arestas ou formato esférico (SILVA 2002).

2.4 Filtros de Ar

Conforme Fargon (2006), filtros são componentes largamente utilizados

em qualquer setor industrial nas mais variadas aplicações e tem como finalidade

remover do processo os componentes indesejáveis. Em uma rede de ar

comprimido os componentes são principalmente: óleo, água condensada e

partículas sólidas. Vale ressaltar que algumas aplicações necessitam de ar

lubrificado, que é obtido através da utilização de lubrificadores. Com isso, o óleo

utilizado nos compressores, ao chegar na saída do compressor, está

contaminado com água proveniente do ar, resultando em um líquido branco

corrosivo e prejudicial aos equipamentos pneumáticos. Neste caso, devemos

remover inicialmente esta emulsão através de um filtro adequado para

posteriormente utilizar o lubrificador.

Segundo Metaplan (2017) o filtro de ar aparece geralmente em três

posições diferentes: antes e depois do secador de ar e 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 não totalmente eliminada pelo

separador de condensado do resfriador posterior. Já os filtros instalados após o

secador (pós-filtro) são responsáveis pela eliminação da umidade residual não

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removida pelo separador mecânico de condensados do secador por

refrigeração, além da contenção dos sólidos não retidos no pré-filtro. E por fim,

os filtros instalados no ponto-de-uso são utilizados para evitar que os

contaminantes presentes ao longo da tubulação de ar comprimido atinjam a

aplicação final do mesmo proporcionando uma melhor qualidade do ar utilizado.

2.5 Rede de Ar Comprimido

O ar tratado em uma central de compressão deve ser distribuído para a

fábrica. Em particular, a rede de distribuição deve ser projetada e realizada

buscando eliminar a condensação de pequena parte do ar e reduzir ao mínimo

a queda de pressão nas tubulações (PRUDENTE, 2013).

Segundo Fialho (2006), qualquer instalação de uma rede de ar

comprimido industrial requer cuidados que vão desde a localização da central

geradora (compressores), sistema de arrefecimento (quando necessário),

dimensionamento da rede, sistemas de montagem e fixação da rede, tratamento

do ar e identificação conforme normas. Na indústria, é comum a instalação da

central geradora em uma área física externa à fábrica, porém anexa a ela, sendo

devidamente coberta, protegida, isenta de poeira e com livre fluxo de ar afim de

manter uma temperatura estável entre 20 a 25ºC.

Existem três tipos de redes de distribuição de pressão principais:

a) A rede de circuito aberto, conforme mostrado na Figura 17, é indicada

quando o consumo de ar não excede 100 𝑚3/ℎ e quando não existe uma

simultaneidade da absorção de ar na rede. É indicada também quando queremos

abastecer pontos da rede muito isolados, porém, apresenta desvantagens como:

aumento da queda de pressão com o aumento da distância do reservatório, não

possibilidade de secionar a rede sem desligar a alimentação (PRUDENTE,

2013).

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36

Figura 17: Rede de circuito aberto

Fonte: Fialho, 2006

b) A rede de circuito fechado, conforme mostrado na figura 18, é utilizada

pela maioria das indústrias, pois se distribui por toda a extensão da fábrica,

facilitando a instalação de novos pontos de consumo ainda não previstos, bem

como possibilita que todos os pontos sejam alimentados de forma uniforme, uma

vez que o ar flui nos dois sentidos (FIALHO, 2006).

Figura 18: Rede de circuito fechado

Fonte: Fialho, 2006

c) A rede de circuito combinada, como mostrada na figura 19, também

são instalações em circuito fechado. No entanto, mediante as válvulas de

fechamento existe a possibilidade de bloquear determinadas linhas de ar

comprimido quando a mesmas não forem usadas ou quando for necessário

colocá-las fora de serviço por razões de manutenção (SILVA, 2002).

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37

Figura 19: Rede de circuito combinada

Fonte: Silva, 2002

Segundo Parker (2006), as tubulações devem possuir uma determinada

inclinação no sentido do fluxo interior, pois, enquanto a temperatura de tubulação

for maior que a temperatura de saída do ar após os secadores, este sairá

praticamente seco; se a temperatura da tubulação baixar, haverá, embora

raramente, precipitação de água. O valor da inclinação é de 0,5 a 2% em função

do comprimento reto da tubulação onde for executada.

2.6 Tubulações de Ar Comprimido

Silva Telles (1997) afirma que o ar comprimido é um fluido de baixa

corrosão, para o qual os seguintes materiais podem ser recomendados na

construção de uma rede de distribuição:

a) Tubulações de baixa pressão (até 0,7 Mpa ≅ 7𝑘𝑔/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, diâmetros de 2” ou maior: Aço-carbono (ASTM A-120 ou A-134),

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

- Válvulas, diâmetros de 3” ou maior. Carcaça de ferro fundido, com

mecanismo interno de bronze, extremidades com flanges de face plana.

b) Tubulações de alta pressão (mais de 0,7 Mpa ≅ 7𝑘𝑔/𝑐𝑚2):

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38

- Tubos: Aço-carbono (ASTM A-53 ou API-5L), com margem para

corrosão de 1,2 mm, com extremidades lisas em diâmetros de até 1 12 ⁄ ”, e para

solda de topo em diâmetros maiores.

- Válvulas: Carcaça de aço-carbono forjado, com extremidades para

solda de encaixe, para diâmetros até 1 12 ⁄ ”, 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.

Em toda rede de distribuição de ar comprimido é necessário estar atento

a possíveis perdas de quantidade de ar causada por pequenos furos,

acoplamentos com folgas, vedações defeituosas etc. Desta forma, é válido

realizar uma manutenção preventiva de 3 a 5 vezes por ano com o objetivo de

eliminar ao máximo os vazamentos na rede, visto que, um vazamento na rede

representa um consumo consideravelmente maior de energia e perda de

eficiência (PARKER, 2006).

2.6.1 Dimensionamento das Tubulações

Segundo Fialho (2006), o diâmetro das tubulações da rede de

distribuição e da linha de alimentação, conhecendo-se a perda de carga fixada

pode ser descrita pela Equação 5.

𝑑 = 10 [√1,663785∗10−3∗ 𝑄𝑇1,85∗𝐿𝑡

∆𝑃∗𝑃

5

] Equação( (4)

Onde:

𝑑 = diâmetro interno [mm];

𝐿𝑡 = comprimento da tubulação linear = comprimento reto +

comprimento equivalente das singularidades [m];

𝑄 = vazão de ar total [𝑚3/ℎ];

∆𝑃 = queda de pressão admitida [𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2]

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𝑃 = pressão de regime [𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2]

O diâmetro obtido corresponderá ao diâmetro interno nominal em

milímetros. O estabelecimento do diâmetro comercial do tubo pode ser feito pelo

Quadro (Anexo A) para tubos de aço preto ou galvanizado ASTM A 120

SCHEDULE 40 (FIALHO, 2006).

2.7 Fator de Utilização

Fator de utilização indica quanto tempo, em média, o equipamento irá

funcionar durante um determinado período. Com este fator definido é possível

obter um perfil de consumo da planta de operação que vai orientar na

determinação da capacidade dos compressores e do sistema (ELETROBRÁS,

2005).

Segundo Eletrobrás (2005), o fator de utilização é extremamente

importante para empresas que não trabalham 24 horas por dia ou tenha dias de

paradas como folgas e feriados. O fator de utilização (𝐹𝑢) pode ser determinado

pela Equação 6.

𝐹𝑢 =𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑚 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑜 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑜 𝑚ê𝑠

ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚ê𝑠 Equação( (5)

Como a energia consumida é faturada em bases mensais, o fator de

utilização calculado por mês é preferível.

2.8 NR 13

Segundo a NR 13 (2017) todo vaso de pressão deve ter afixado em seu

corpo em local de fácil acesso e bem visível, placa de identificação indelével

com, no mínimo, as seguintes informações:

a) Fabricante;

b) número de identificação;

c) ano de fabricação;

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40

d) pressão máxima de trabalho admissível;

e) pressão de teste hidrostático de fabricação;

f) código do projeto e ano de edição.

Ainda, conforme a NR 13 (2017) constitui risco grave e eminente a falta

de qualquer um dos seguintes itens:

a) válvula de segurança ou outro dispositivo de segurança com pressão

de abertura ajustada em valor igual ou inferior à PMTA, instalado diretamente no

vaso ou no sistema que o inclui, considerados os requisitos do código de projeto

relativos a aberturas escalonadas e tolerâncias de calibração;

b) vasos de pressão submetidos a vácuo devem ser dotados de

dispositivos de segurança quebra-vácuo ou outros meios previstos no projeto; se

também submetidos à pressão positiva devem atender à alínea “a” deste item;

c) dispositivo físico ou lacre com sinalização de advertência para evitar

o bloqueio da válvula de segurança ou outro dispositivo de segurança;

d) instrumento que indique a pressão de operação, instalado diretamente

no vaso ou no sistema que o contenha.

Todo vaso de pressão deve ser instalado de modo que todos os drenos,

respiros, bocas de visita e indicadores de nível, pressão e temperatura, quando

existentes, sejam facilmente acessíveis (NR 13, 2017).

O volume do reservatório é determinado com base nas especificações

dos fabricantes, as quais foram estabelecidas por testes práticos, e por motivos

de segurança, a pressão máxima para qual o reservatório é dimensionado deve

estar a todo momento com pelo menos 1 bar a mais que a pressão máxima

produzida na saída do compressor (BOSCH, 2008).

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CAPÍTULO II – ARTIGO CIENTÍFICO

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Dimensionamento de Uma Tubulação para uma Rede de Ar Comprimido Industrial Heitor Nogueira Manhães1*, Benedito Antônio Azevedo Manhães2*

RESUMO

Os sistemas de ar comprimido devem ser projetados de acordo com as necessidades da indústria e quando mal construídos podem resultar em insuficiência de vazão e pressão de ar para os equipamentos pneumáticos, aumento do consumo de energia elétrica e a diminuição da vida útil dos equipamentos. O presente trabalho tem como objetivo o dimensionamento de uma tubulação para uma rede de ar comprimido industrial de um galpão de caldeiraria que fabrica estruturas metálicas em Campos dos Goytacazes – Rio de Janeiro. Para isso, foi necessário entender e definir os objetivos da empresa, projetar o layout da instalação, determinar o comprimento da linha de

distribuição e alimentação, bem como conhecer os processos e equipamentos utilizados para realizar o dimensionamento das tubulações de forma correta. Então, foi constatado que a empresa necessitaria de uma vazão de ar de 1,6958 𝑚3/𝑚𝑖𝑛, pressão de regime de

8 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 . Com isso, foi definido o

diâmetro da tubulação de 1.1

2 𝑝𝑜𝑙 para a

linha de distribuição e 1

2 𝑝𝑜𝑙 para a linha de

alimentação. Para atender a demanda do sistema utilizou-se o compressor do tipo pistão com capacidade de 2,5 𝑚3/𝑚𝑖𝑛, pressão máxima de 10 BAR, 15 KW de potência com reservatório de 500 litros.

Palavras chave: Ar comprimido; Dimensionamento; Tubulação.

ABSTRACT

Compressed air systems should be designed according to the needs of the industry and when poorly built can result in insufficient flow and air pressure for pneumatics equipments, increase the consumption of electricity and reduce the useful life of the equipment. This research has as objective the dimensioning of a pipe for an industrial compressed air system that manufactures metallic structures in Campos dos Goytacazes – Rio de Janeiro. For this project, was necessary to understand and define the objectives of the company, design the layout of the installation, determine the length of the distribution and feed line,

know the processes and equipment used to carry out the dimensioning of the pipes correctly. It was found that the company would require an air flow of 1,6958 𝑚3/𝑚𝑖𝑛, a regime pressure of 8 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2. As

a result, the pipe diameter of 1.1

2 𝑖𝑛 was

defined for the distribution line and 1

2 𝑖𝑛 for

the feed line. To attend the demand of the system, the piston compressor was choosed with capacity of 2,5 𝑚3/𝑚𝑖𝑛, maximum pressure of 10 BAR, 15 KW of power and with a 500 liter resevoir.

Keywords: Compressed Air; Dimensioning; Piping;

1Institutos Superiores de Ensino do Censa – ISECENSA – Rua Salvador Correa, 139, Centro, Campos dos Goytacazes,

RJ, CEP: 28035-310, Brasil;

(*) E-mail: [email protected]

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1. INTRODUÇÃO

O ar atmosférico encontra-se em seu estado natural de equilíbrio e não dispõe de nenhuma energia que possa ser utilizada para realizar qualquer tipo de trabalho. No entanto, quando este ar é comprimido, isto é, aumentar sua pressão, ele ficará com uma pressão maior que a pressão atmosférica sendo capaz de realizar trabalho (ELETROBRÁS, 2005).

O ar comprimido é destaque na indústria, sendo fundamental na aviação, navegação, siderurgia e outros segmentos. Vale ressaltar, que sua utilização chega a complementar ou até substituir o uso da energia elétrica, reduzindo os custos em um processo de produção.

O sistema de ar comprimido é composto pelo compressor, resfriador, separador, secador, reservatório de ar, válvulas, rede de distribuição e ferramentas pneumáticas. A vazão de ar comprimido, ou seja, o volume de ar que será utilizado no sistema, está diretamente ligada ao comprimento da linha de distribuição, alimentação e singularidades, a queda de pressão admitida, a pressão de regime e a pressão de trabalho.

1.1 Justificativas e relevância

A dificuldade de se encontrar na literatura projetos completos e específicos com dados reais para este determinado ramo de atuação força um estudo e uma análise mais profunda e de acordo com os requisitos e necessidade da empresa.

Por isso, este trabalho tem como objetivo dimensionar uma tubulação para uma rede de ar comprimido industrial de um galpão de caldeiraria para a fabricação de estruturas metálicas, determinando o diâmetro da tubulação necessário para atender toda a demanda de ar do sistema e que possibilite uma ampliação futura. O galpão tem aproximadamente 12 metros de largura, 23 metros de comprimento, 4 metros de altura e está localizado em Campos dos Goitacazes – Rio de Janeiro.

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo Geral

O objetivo geral deste trabalho é dimensionar uma rede de ar comprimido industrial para um galpão de caldeiraria que fabrica estruturas metálicas.

2.2 Objetivo Específicos

Quanto aos objetivos específicos, estão definidos como:

a) Selecionar os equipamentos que utilizarão ar comprimido;

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b) Determinar o volume total de ar consumido pelos equipamentos;

c) Definir o layout da rede de distribuição, desde a sala do compressor até os equipamentos;

d) Calcular o comprimento total da linha levando em consideração o comprimento equivalente das singularidades e o comprimento retilíneo da linha;

e) Dimensionar o diâmetro da tubulação para o sistema de ar comprimido do galpão, tanto para a linha de distribuição quanto para a linha de alimentação, levando em consideração uma possível ampliação no futuro;

f) Seleção do compressor e dimensionamento do reservatório de ar comprimido.

3. METODOLOGIA

Serão apresentadas as metodologias empregadas para o dimensionamento do diâmetro da tubulação de uma rede de ar comprimido industrial e demais parâmetros do sistema.

Para dimensionar a tubulação de ar comprimido da empresa, é necessário compreender os objetivos e definir quais atividades serão realizadas para que o sistema de ar comprimido possa atender a todos esses requisitos.

3.1 Seleção de Equipamentos

A seleção dos equipamentos de acordo com as necessidades da empresa é essencial para que seja possível determinar a capacidade de ar total do sistema. Assim que os equipamentos forem escolhidos, é preciso ter as informações como a pressão de operação, vazão unitária, quantidade e a vazão total.

Os equipamentos pneumáticos utilizados pela empresa são:

Quadro 2 – Lixadeira Angular

Lixadeira angular 11.000 RPM

Marca Pressão Vazão Unitária UN Vazão Total Utilização

Puma 6,42 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 52,20 𝑚3/ℎ 3 156,60 𝑚3/ℎ 132

Horas/mês

Utilização

Responsável por proporcionar acabamentos nas estruturas metálicas.

Fonte: Puma, 2019

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Quadro 3 – Furadeira Tipo Pistola

Furadeira Tipo Pistola 4 – 8 mm

Marca Pressão Vazão Unitária UN Vazão Total Utilização

Pacar 6,42 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 13,56 𝑚3/ℎ 2 27,12 𝑚3/ℎ 88

Horas/mês

Utilização

Responsável por produzir furos de alta qualidade e de diversos diâmetros.

Fonte: Pacar, 2019

Quadro 4 – Esmerilhadeira Angular

Esmerilhadeira angular 11.000

RPM

Marca Pressão Vazão Unitária UN Vazão Total Utilização

Mighty Seven

6,42 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 21,24 𝑚3/ℎ 6 127,44 𝑚3/ℎ 168 Horas/mês

Utilização

Responsável por realizar cortes nas estruturas metálicas.

Fonte: Mighty Seven, 2019

Quadro 5 – Pistola de Pintura com Tanque de Pressão

Pistola de Pintura com tanque de

pressão

Marca Pressão Vazão Unitária UN Vazão Total Utilização

Stels 6,42 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 16,14 𝑚3/ℎ 1 16,14 𝑚3/ℎ 84 Horas/mês

Utilização

Responsável por realizar a pintura nas estruturas metálicas aumentando a proteção do material.

Fonte: Stels, 2019

Quadro 6 – Agulheiro Pneumático

Agulheiro Pneumático

Marca Pressão Vazão Unitária UN Vazão Total Utilização

Schulz 6,42 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 16,92 𝑚3/ℎ 3 50,76 𝑚3/ℎ 148 Horas/mês

Utilização

Responsável por realizar a limpeza das superfícies irregulares atingindo sulcos e zonas inacessíveis para outros tipos de ferramenta.

Fonte: Schulz, 2019

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3.2 Fator de Utilização

A empresa não funciona de forma contínua, por isso determinar o fator de utilização é extremamente importante. Para obter esse fator é necessário que a empresa estime quanto tempo um determinado equipamento estará em carga, operando, durante o mês. Assim que este dado for obtido, deve-se dividir o valor pelo número total de horas em um período de 30 dias como mostra a Equação 6 abaixo:

𝐹𝑢 =𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑚 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑜 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑜 𝑑𝑜 𝑚ê𝑠

ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚ê𝑠 Equação( (6)

3.3 Vazão de Ar

Assim que o fator de utilização de cada equipamento da rede de ar comprimido for definido a vazão de ar é obtida pela Equação 7:

𝑄 = 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑎 ∗ 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 Equação( (7)

Onde:

Q = vazão de ar total [𝑚3/ℎ];

Vazão Unitária = vazão do equipamento definida pelo fabricante em [𝑚3/ℎ];

Quantidade = número de equipamentos na rede de ar comprimido.

Se a rede de ar comprimido possuir diferentes equipamentos pneumáticos, esse cálculo deve ser repetido com os dados de cada equipamento e ao final somar todos os valores a fim de obter a vazão de ar total de todos os equipamentos utilizados na rede de ar comprimido.

Vale destacar que é necessário determinar uma capacidade de 20% a 50% além da requerida no momento, levando em consideração que seja possível instalar novos pontos de equipamento e ampliação do tamanho da rede de ar comprimido.

3.4 Layout

A definição do layout da rede de ar comprimido, linha de distribuição e linha de alimentação é feito para que seja possível determinar a localização da sala do compressor, cabine de equipamentos, identificar as singularidades a serem utilizadas e determinar o comprimento linear da tubulação. Todas essas informações são essenciais para que seja possível realizar o dimensionamento da tubulação ser utilizada.

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Vale a pena lembrar que é fundamental o layout apresentar uma legenda identificando a localização de cada elemento da rede de ar comprimido, tornando mais fácil o entendimento dele.

3.5 Dimensionamento da Tubulação

O diâmetro da tubulação para a rede de distribuição e para rede de alimentação é definida pela Equação 5, mostrada logo abaixo:

𝑑 = 10 [√1,663785∗10−3∗ 𝑄𝑇1,85∗𝐿𝑡

∆𝑃∗𝑃

5

] Equação(

Onde:

𝑑 = diâmetro interno da tubulação [mm];

𝐿𝑡 = comprimento da tubulação linear [m] – Valor definido de acordo com as cotas

do layout da rede de distribuição e alimentação somado com o comprimento equivalente

das singularidades;

𝑄 = vazão de ar total [𝑚3/ℎ] – Valor correspondente a vazão total de ar dos

equipamentos somado ao percentual de ampliação;

∆𝑃 = queda de pressão admitida [𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2] – Este valor pode ser determinado em

uma faixa de 0,3 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 até 0,5 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2;

𝑃 = pressão de regime [𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2] – Este valor deve ser maior que a pressão de

operação dos equipamentos. Se a pressão de operação for de 6,42 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2, a pressão de

regime escolhida pode ser de 7 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 a 8 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2.

Assim que os valores forem substituídos na Equação 5, o diâmetro encontrado

inicialmente refere-se ao Quadro (Anexo A) e representa o diâmetro nominal da tubulação.

Este diâmetro é fundamental para que seja possível consultar o Quadro (Anexo B) e

determinar o comprimento equivalente das singularidades. Sendo assim, determinando o

comprimento equivalente das singularidades e somando com o comprimento linear da

tubulação definida anteriormente, basta substituir o novo valor de Lt na Equação 5 e

recalcular o diâmetro da tubulação. Este novo diâmetro encontrado será o comercial, ou

seja, o diâmetro real a ser utilizado na rede de ar comprimido da empresa.

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3.6 Seleção do Compressor

Para seleção do compressor, devemos conhecer a pressão de regime em PSIG e a vazão total do sistema em PCM. Em geral, a pressão de regime é definida em 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 e para converter para PSIG basta multiplicar o valor por 14,22. No caso da vazão total do sistema, os valores são encontrados em 𝑚3/𝑚𝑖𝑛 e para converter para PCM basta multiplicar por 35,31.

3.7 Seleção do Reservatório

Para o dimensionamento do reservatório de ar comprimido dos compressores do tipo pistão utilizaremos a Equação 4, mostrada logo abaixo:

𝑉𝑅 = 30% ∗ 𝑄𝑇

4. RESULTADOS

A seguir serão apresentados os resultados obtidos e o roteiro dos cálculos de acordo com a metodologia apresentada anteriormente para determinar a vazão total de ar necessária pela empresa, layout da rede de ar comprimido, o dimensionamento da rede de distribuição e da rede de alimentação, seleção do compressor e dimensionamento do reservatório.

4.1 Capacidade de Ar Necessária

4.1.1 Equipamentos do Sistema

Equipamento 1: Lixadeira Angular = 132 Horas/Mês

Equipamento 2: Furadeira Tipo Pistola = 88 Horas/Mês

Equipamento 3: Esmerilhadeira Angular = 168 Horas/Mês

Equipamento 4: Pistola de Pintura = 84 Horas/Mês

Equipamento 5: Agulheiro Pneumático = 148 Horas/Mês

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4.1.2 Fatores de Utilização dos Equipamentos Pneumáticos

A empresa funciona dez horas por dia (Segunda à Sexta) e seis horas aos sábados, logo:

20 𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗ 10 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 200 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

4 𝑑𝑖𝑎𝑠 ∗ 6 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑚ê𝑠 (𝑇𝑡) = 200 + 24

𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑚ê𝑠 (𝑇𝑡) = 224 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

Tendo em base que o horário de funcionamento da empresa por mês foi de 224 horas o fator de utilização de cada equipamento pode ser determinado por:

Equipamento 1: Lixadeira Angular = 132 Horas/Mês

𝐹𝑢 =132

720= 0,18

Equipamento 2: Furadeira Tipo Pistola = 88 Horas/Mês

𝐹𝑢 =88

720= 0,12

Equipamento 3: Esmerilhadeira Angular = 168 Horas/Mês

𝐹𝑢 =168

720= 0,23

Equipamento 4: Pistola de Pintura = 84 Horas/Mês

𝐹𝑢 =84

720= 0,11

Equipamento 5: Agulheiro Pneumático = 148 Horas/Mês

𝐹𝑢 =148

720= 0,20

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4.1.3 Vazão de Ar Total do Sistema

Equipamento 1: Lixadeira Angular = 132 Horas

𝑄 = 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑎 ∗ 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

𝑄1 = 52,30𝑚3

ℎ∗ 3

𝑄1 = 156,60𝑚3

ℎ= 2,61 𝑚3/𝑚𝑖𝑛

𝑄1 = 2,61 ∗ 0,18 = 0,4698 𝑚3/min

Equipamento 2: Furadeira Tipo Pistola = 88 Horas

𝑄 = 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑎 ∗ 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

𝑄2 = 13,56𝑚3

ℎ∗ 2

𝑄2 = 27,12𝑚3

ℎ= 0,452 𝑚3/𝑚𝑖𝑛

𝑄2 = 0,452 ∗ 0,12 = 0,05424 𝑚3/min

Equipamento 3: Esmerilhadeira Angular = 168 Horas

𝑄 = 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑎 ∗ 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

𝑄3 = 21,24𝑚3

ℎ∗ 6

𝑄3 = 127,44𝑚3

ℎ= 2,124 𝑚3/𝑚𝑖𝑛

𝑄3 = 2,124 ∗ 0,23 = 0,48852 𝑚3/min

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Equipamento 4: Pistola de Pintura = 84 Horas

𝑄 = 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑎 ∗ 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

𝑄4 = 16,14𝑚3

ℎ∗ 1

𝑄4 = 16,14𝑚3

ℎ= 0,269 𝑚3/𝑚𝑖𝑛

𝑄4 = 0,269 ∗ 0,11 = 0,02959 𝑚3/min

Equipamento 5: Agulheiro Pneumático = 148 horas

𝑄 = 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑎 ∗ 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

𝑄5 = 16,92𝑚3

ℎ∗ 3

𝑄5 = 50,76𝑚3

ℎ= 0,846 𝑚3/𝑚𝑖𝑛

𝑄5 = 0,846 ∗ 0,20 = 0,1691 𝑚3/min

Para o Cálculo da Vazão Total necessária para o sistema, temos que:

𝑄𝑇 = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 + 𝑄4 + 𝑄5

𝑄𝑇 = 0,4698 + 0,05424 + 0,48852 + 0,02959 + 0,1692

𝑄𝑇 = 1,21135 𝑚3/𝑚𝑖𝑛

Considerando que a empresa poderá ter uma expansão, acrescentamos ao valor total de vazão necessária um percentual de 40% na capacidade do sistema:

𝑄𝑇 = 1,21135 + 40%

𝑄𝑇 = 1,6958𝑚3

𝑚𝑖𝑛

Este valor de 𝑄𝑇 = 1,6958𝑚3

𝑚𝑖𝑛𝑜𝑢 101,748

𝑚3

ℎ representa a vazão de ar total do

sistema e será usado para o dimensionamento das tubulações, do reservatório e seleção do compressor.

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4.2 Layout da Rede de Ar Comprimido

A seguir, na Figura 20, temos o layout da rede de ar comprimido da fábrica:

Figura 20: Layout Geral da Rede de Ar Comprimido

Fonte: Autor

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A seguir, na Figura 21, temos o layout linha de alimentação da fábrica:

Figura 21: Layout da Linha de Alimentação

Fonte: Autor

4.3 Dimensionamento da Linha de Distribuição

Dimensionamento da linha de distribuição sem considerar o comprimento equivalente das singularidades, para isso utilizaremos os dados abaixo:

𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟 𝑑𝑎 𝑇𝑢𝑏𝑢𝑙𝑎çã𝑜 (𝐿𝑡1) = 83,09 𝑚

𝑄𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝐴𝑑𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 (∆𝑃) = 0,3 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒 (𝑃) = 8 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2

𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑟 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑄𝑇) = 101,748 𝑚3/ℎ

Aplicando a Equação 5, para encontrar o diâmetro nominal:

𝑑 = 10 [ √1,663785 ∗ 10−3 ∗ 𝑄𝑇1,85 ∗ 𝐿𝑡

∆𝑃 ∗ 𝑃

5

]

𝑑 = 10 [ √1,663785 ∗ 10−3 ∗ (101,748)1,85 ∗ 83,09

(0,3 ∗ 8)

5

]

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𝑑 = 10 [√715,4327

2,4

5

]

𝑑 = 10 [√298,09695

]

𝑑 = 10 [3,1251]

𝑑 = 31,25 𝑚𝑚 → 1.1

2 𝑝𝑜𝑙 (𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝐴𝑛𝑒𝑥𝑜 𝐴)

De acordo com a tabela do diâmetro comercial para tubos de aço preto ou galvanizados ASTM A-120 Schedule 40, Quadro (Anexo A), adotou-se o tubo com diâmetro

interno de 40,9𝑚𝑚 = 1.1

2 𝑝𝑜𝑙.

Ao determinar o diâmetro nominal de 1.1

2 𝑝𝑜𝑙, iremos encontrar o comprimento

equivalente das singularidades, com base no diâmetro nominal, usando como fonte de dado o Quadro (Anexo B) e recalcular o valor do diâmetro da tubulação modificando o valor de Lt.

Devemos considerar o comprimento total da tubulação sendo a soma do comprimento linear junto ao comprimento equivalente das singularidades, logo temos que:

a) Comprimento Linear da Tubulação

𝐿𝑡1 = 83,09 𝑚

b) Singularidades da Linha de Distribuição:

- Válvula de Bloqueio:

𝐿1 = 2 ∗ 12 𝑚 = 24 𝑚

- Válvula de Retenção:

𝐿2 = 2 ∗ 3,2 𝑚 = 6,4 𝑚

- Tê roscado com fluxo pelo ramal:

𝐿3 = 6 ∗ 2,4 𝑚 = 14,4 𝑚

- Tê roscado com fluxo em linha:

𝐿4 = 15 ∗ 0,4 𝑚 = 6 𝑚

- Cotovelo comum 90 graus:

𝐿5 = 9 ∗ 0,6 𝑚 = 5,4 𝑚

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- Comprimento Total das singularidades

𝐿𝑡2 = 𝐿1 + 𝐿2 + 𝐿3 + 𝐿4 + 𝐿5

𝐿𝑡2 = 24 + 6,4 + 14,4 + 6 + 5,4

𝐿𝑡2 = 56,2 𝑚

Somando o comprimento linear tubulação com o comprimento equivalente das singularidades, temos que:

𝐿𝑡 = 𝐿𝑡1 + 𝐿𝑡2

𝐿𝑡 = 83,09 + 56,2

𝐿𝑡 = 139,29 𝑚

Então, como dados de entrada para o dimensionamento do diâmetro da tubulação temos:

𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑇𝑢𝑏𝑢𝑙𝑎çã𝑜 (𝐿𝑡) = 139,29 𝑚

𝑄𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝐴𝑑𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 (∆𝑃) = 0,3 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒 (𝑃) = 8 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2

𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑟 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑄𝑇) = 101,748 𝑚3/ℎ

Aplicando a Equação 5, para encontrar o diâmetro:

𝑑 = 10 [ √1,663785 ∗ 10−3 ∗ 𝑄𝑇1,85 ∗ 𝐿𝑡

∆𝑃 ∗ 𝑃

5

]

𝑑 = 10 [√1,663785 ∗ 10−3 ∗ (101,748)1,85 ∗ 139,29

(0,3 ∗ 8)

5

]

𝑑 = 10 [√1199,3336

2,4

5

]

𝑑 = 10 [√499,72235

]

𝑑 = 10 [3,4652]

𝑑 = 34,653 𝑚𝑚

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Mesmo com o aumento do diâmetro utilizando o novo valor de Lt será possível

utilizar o tubo com diâmetro interno de 40,9𝑚𝑚 = 1.1

2 𝑝𝑜𝑙 para a tubulação da linha de

distribuição da empresa.

4.4 Dimensionamento da Linha de Alimentação

Para o dimensionamento da linha de alimentação, utilizaremos a mesma fórmula anterior, porém será necessário conhecer a vazão unitária (Q) de cada linha do sistema e modificar o valor do comprimento (Lt).

Nossa rede de ar comprimido possui 15 linhas de alimentação, logo temos que:

𝑄𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑜 = 𝑄𝑇

𝑁º 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜

𝑄𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑜 = 101,748

15

𝑄𝑢𝑛𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑜 = 6,7832 𝑚3/ℎ

Conhecendo a vazão unitária de cada linha de alimentação e sem considerar o comprimento equivalente das singularidades, temos os seguintes dados:

𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐿𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟 𝑑𝑎 𝑇𝑢𝑏𝑢𝑙𝑎çã𝑜 (𝐿𝑡1) = 3 𝑚

𝑄𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝐴𝑑𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 (∆𝑃) = 0,3 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒 (𝑃) = 8 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2

𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑟 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 6,7832 𝑚3/ℎ

Aplicando a Equação 5, para encontrar o diâmetro nominal:

𝑑 = 10 [√1,663785 ∗ 10−3 ∗ 𝑄1,85 ∗ 𝐿𝑡

∆𝑃 ∗ 𝑃

5

]

𝑑 = 10 [√1,663785 ∗ 10−3 ∗ (6,7832)1,85 ∗ 3

(0,3 ∗ 8)

5

]

𝑑 = 10 [√0,1723

2,4

5

]

𝑑 = 10 [√0,07185

]

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𝑑 = 10 [0,5905]

𝑑 = 5,905 𝑚𝑚 →3

8 𝑝𝑜𝑙 (𝐷𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝐴𝑛𝑒𝑥𝑜 𝐴)

De acordo com a tabela do diâmetro comercial para tubos de aço preto ou galvanizados ASTM A-120 Schedule 40, Quadro (Anexo A), adotou-se o tubo com diâmetro

interno de 5,905 𝑚𝑚 =3

8 𝑝𝑜𝑙. Porém, no Quadro (Anexo B), não possui tal diâmetro

disponível, logo adotamos os valores do diâmetro de 1

2 𝑝𝑜𝑙 para a realização dos cálculos.

Ao determinar o diâmetro nominal de 1

2 𝑝𝑜𝑙, iremos encontrar o comprimento

equivalente das singularidades, com base no diâmetro nominal, usando como fonte de dado o Quadro (Anexo B) e recalcular o valor do diâmetro da tubulação modificando o valor de Lt.

Devemos considerar o comprimento total da tubulação sendo a soma do comprimento linear junto ao comprimento equivalente das singularidades, logo temos que:

a) Comprimento Linear da Tubulação

𝐿𝑡1 = 3,0 𝑚

b) Singularidades da Linha de Alimentação

- Válvula de Gaveta Roscada:

𝐿1 = 1 ∗ 0,17 𝑚 = 0,17 𝑚

- Tê roscado com fluxo pelo ramal:

𝐿2 = 2 ∗ 1,5 𝑚 = 3 𝑚

- Curva de raio longo 180 graus roscada:

𝐿3 = 1 ∗ 1,1 𝑚 = 1,1 𝑚

- Curva de 45 graus roscada:

𝐿4 = 2 ∗ 0,21 𝑚 = 0,42 𝑚

- Comprimento Total das singularidades

𝐿𝑡2 = 𝐿1 + 𝐿2 + 𝐿3 + 𝐿4

𝐿𝑡2 = 0,17 + 3,0 + 1,1 + 0,42

𝐿𝑡2 = 4,69 𝑚

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Somando o comprimento total da linha de alimentação com o comprimento equivalente das singularidades, temos que:

𝐿𝑡 = 𝐿𝑡1 + 𝐿𝑡2

𝐿𝑡 = 3,0 + 4,69

𝐿𝑡 = 7,69 𝑚

Então, como dados de entrada para o dimensionamento do diâmetro da tubulação temos:

𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑇𝑢𝑏𝑢𝑙𝑎çã𝑜 (𝐿𝑡) = 7,69 𝑚

𝑄𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝐴𝑑𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 (∆𝑃) = 0,3 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒 (𝑃) = 8 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2

𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑟 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 6,7832 𝑚3/ℎ

Aplicando a Equação 5, para encontrar o diâmetro:

𝑑 = 10 [√1,663785 ∗ 10−3 ∗ 𝑄1,85 ∗ 𝐿𝑡

∆𝑃 ∗ 𝑃

5

]

𝑑 = 10 [√1,663785 ∗ 10−3 ∗ (6,7832)1,85 ∗ 7,69

(0,3 ∗ 8)

5

]

𝑑 = 10 [√0,4417

2,4

5

]

𝑑 = 10 [√0,18405

]

𝑑 = 10 [0,7128]

𝑑 = 7,128 𝑚𝑚

Mesmo com o aumento do diâmetro utilizando o novo valor de Lt será possível

utilizar o tubo com diâmetro interno de 15,8𝑚𝑚 =1

2 𝑝𝑜𝑙 para a tubulação da linha de

alimentação da empresa.

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4.5 Seleção do Compressor de Ar

Para realizar esta seleção, devemos conhecer a pressão de regime em PSIG e a vazão total do sistema em PCM.

𝑃𝑟𝑒𝑠𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒 (𝑃) = 8 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 = 113,78 𝑃𝑆𝐼𝐺

(Para a conversão dos valores basta multiplicar o valor em 𝑘𝑔𝑓/𝑐𝑚2 por 14,22)

𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 (𝑄𝑇) = 1,6958 𝑚3/ min = 59,88 𝑃𝐶𝑀

(Para a conversão dos valores basta multiplicar o valor em 𝑚3/𝑚𝑖𝑛 por 35,31)

Analisando os valores encontrados de Pressão de Regime e da Vazão Total do Sistema e tendo como base a Figura 22, o compressor a ser utilizado no sistema de ar comprimido poderá ser do tipo parafuso ou pistão.

Figura 22: Compressor Utilizado Fonte: Parker,2006.

O compressor selecionado foi do tipo pistão pois a empresa não necessita de um fluxo contínuo de ar, os equipamentos operarem de forma intermitente e por trabalhar com uma vazão de ar baixa.

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4.6 Dimensionamento do Reservatório de Ar Comprimido

No caso em questão, temos que:

𝑄𝑇 = 1,6958 𝑚3/𝑚𝑖𝑛

Substituindo os valores na fórmula, temos:

𝑉𝑅 = 30% ∗ (1,6958)

𝑉𝑅 = 0,3 ∗ (1,6958)

𝑉𝑅 = 0,5087 𝑚3

Realizando a conversão de unidade:

𝑉𝑅 = 0,5087 𝑚3 ∗ 1000 = 508 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

De acordo com o mercado, o reservatório com capacidade mais próxima encontrado e que atende à demanda do sistema foi o de 500 litros.

5. CONCLUSÕES

A partir das análises descritas anteriormente nesse estudo, chegaram-se as seguintes conclusões:

- A vazão total de ar utilizada pelo sistema, levando em consideração o fator de utilização de cada equipamento pneumático e um percentual de 40% a mais para futuras

ampliações da rede de ar comprimido, foi de 1,6958𝑚3

𝑚𝑖𝑛 ou 101,748 𝑚3/ℎ.

- Os tubos selecionados para este projeto, levando em consideração o comprimento equivalente das singularidades, seguem a norma ASTM A-120 Schedule 40 e tem

dimensões de 1.1

2 𝑝𝑜𝑙 para a linha de distribuição e

1

2 𝑝𝑜𝑙 para a linha de alimentação.

- Foi verificado que para atender a demanda de 1,6958 𝑚3/𝑚𝑖𝑛, sendo 8 𝐵𝐴𝑅 a pressão máxima de consumo seria necessário utilizar o compressor encontrado no mercado com capacidade de 2,5 𝑚3/𝑚𝑖𝑛, pressão máxima de 10 𝐵𝐴𝑅 e 15 𝐾𝑊 de potência;

- Foi instalado, em paralelo, na rede de ar comprimido da empresa dois compressores do tipo pistão com as mesmas características com o objetivo de evitar a parada das atividades caso haja problemas com um compressor ou paradas durante ciclos de manutenção;

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- O reservatório selecionado para atender a demanda do sistema de ar comprimido foi de 0,5087 𝑚3 ou aproximadamente 500 litros.

6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

- Projeto e dimensionamento de um sistema de geração de energia elétrica utilizando

placas solares que atenda a demanda da empresa;

- Projeto e dimensionamento da estrutura metálica do telhado do galpão.

7. REFERÊNCIAS

BOSCH. Tecnologia de ar comprimido. Campinas, 2008.

CORADI, F. E. Análise energética e econômica na rede de distribuição de ar de uma indústria de autopeças. 2011. Dissertação (Mestrado em Engenharia da Energia) – Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Universidade Federal de São João Del Rei, São João Del Rei, 2011.

FIALHO, A. B. Automação pneumática: Projetos, dimensionamento e análise de circuitos. 2. ed. São Paulo: Érica, 2006--.

METALPLAN. Manual de ar comprimido. 6ª ed. 2017.

NR 13. Caldeiras, vasos de pressão e tubulações. 2017.

PARKER TRAINING. Dimensionamento de redes de ar comprimido. Jacareí, 2006. Apostila M1004 BR.

PARKER TRAINING. Tecnologia pneumática industrial Jacareí, 2006. Apostila M1001-1 BR.

PAVANI, S. A. Comandos Pneumáticos e Hidráulicos – Colégio Técnico Industrial – Santa Maria RS, 2011.

PRUDENTE, F. Automação industrial pneumática: teoria e aplicações – Rio de Janeiro: LTC, 2013.

SILVA, E. C. N. PMR2481 – Sistemas Fluidomecânicos. Apostila Pneumática. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos, Escola Politécnica da USP, São Paulo, 2002.

SILVA TELLES, P. C. Tubulações industriais: Materiais, projeto e montagem. 9. Ed. – Rio de Janeiro: LTC, 1997.

VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da termodinâmica clássica. 4. ed. São Paulo: E.Blucher, 2008.

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CAPÍTULO III – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BOSCH. Tecnologia de ar comprimido. Campinas, 2008.

CORADI, F. E. Análise energética e econômica na rede de distribuição de

ar de uma indústria de autopeças. 2011. Dissertação (Mestrado em

Engenharia da Energia) – Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas

Gerais, Universidade Federal de São João Del Rei, São João Del Rei, 2011.

FIALHO, A. B. Automação pneumática: Projetos, dimensionamento e

análise de circuitos. 2. ed. São Paulo: Érica, 2006--.

METALPLAN. Manual de ar comprimido. 6ª ed. 2017.

NR 13. Caldeiras, vasos de pressão e tubulações. 2017.

PARKER TRAINING. Dimensionamento de redes de ar comprimido. Jacareí,

2006. Apostila M1004 BR.

PARKER TRAINING. Tecnologia pneumática industrial Jacareí, 2006.

Apostila M1001-1 BR.

PAVANI, S. A. Comandos Pneumáticos e Hidráulicos – Colégio Técnico

Industrial – Santa Maria RS, 2011.

PRUDENTE, F. Automação industrial pneumática: teoria e aplicações – Rio

de Janeiro: LTC, 2013.

SILVA, E. C. N. PMR2481 – Sistemas Fluidomecânicos. Apostila Pneumática.

Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos, Escola

Politécnica da USP, São Paulo, 2002.

SILVA TELLES, P. C. Tubulações industriais: Materiais, projeto e

montagem. 9. Ed. – Rio de Janeiro: LTC, 1997.

VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da

termodinâmica clássica. 4. ed. São Paulo: E.Blucher, 2008.

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ANEXOS

ANEXO A – Norma ASTM A-120 Schedule 40 – Tubo de aço para

condução de fluidos e outros afins

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ANEXO B – Comprimento de Tubo Equivalente à Perda de Carga por

Singularidade (m)

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