Fundamentos de Pneumática: Conceitos-Chave e Aplicações de Sistemas

Fundamentos da Pneumática e Sistemas Pneumáticos

A pneumática há muito desempenha um papel importante como tecnologia na realização de trabalho mecânico. Também é utilizada no desenvolvimento de soluções de automação. Os sistemas pneumáticos são semelhantes aos hidráulicos, mas nestes utiliza-se ar comprimido em vez de fluido hidráulico.

Um sistema pneumático é aquele que utiliza ar comprimido para transmitir e controlar energia. Sistemas pneumáticos são amplamente empregados em diversas indústrias. A maioria depende de um suprimento constante de ar comprimido, fornecido por um compressor de ar. O compressor aspira ar da atmosfera e o armazena em um tanque de alta pressão, chamado reservatório. Esse ar comprimido é então distribuído ao sistema através de uma rede de tubulações e válvulas.

A palavra “Pneuma” significa ar. A pneumática baseia-se no uso de ar comprimido para realizar trabalho. O ar comprimido é o ar atmosférico cujo volume é reduzido por compressão, aumentando sua pressão. É utilizado como meio de trabalho normalmente em pressões de 6 a 8 kgf/cm² (aprox. 0,6–0,8 MPa). Para sistemas pneumáticos, pode-se desenvolver força máxima de até 50 kN. A atuação dos controles pode ser manual, pneumática ou elétrica. O ar comprimido é usado principalmente para atuar sobre pistões ou palhetas, convertendo energia em movimento. Essa energia encontra ampla aplicação na indústria siderúrgica.

Vantagens dos Sistemas Pneumáticos

Sistemas pneumáticos são amplamente utilizados em diferentes indústrias para acionamento de máquinas automáticas, oferecendo numerosas vantagens:

• Alta efetividade – Há suprimento ilimitado de ar na atmosfera para produzir ar comprimido, com possibilidade de armazenamento fácil em grandes volumes. O uso de ar comprimido não é restrito por distância, pois pode ser transportado facilmente por tubulações. Após o uso, o ar pode ser liberado diretamente na atmosfera sem necessidade de tratamento.
• Alta durabilidade e confiabilidade – Componentes pneumáticos são extremamente duráveis e não se danificam facilmente. Comparados a componentes eletromecânicos, são mais duráveis e confiáveis.
• Design simples – O projeto dos componentes é relativamente simples, tornando-os adequados para sistemas de controle automático simples. Há escolha de movimentos (linear ou rotativo) com velocidades operacionais continuamente variáveis.
• Adaptabilidade a ambientes hostis – Comparados a elementos de outros sistemas, o ar comprimido é menos afetado por altas temperaturas, poeira e ambientes corrosivos, sendo mais adequados para condições severas.
• Aspectos de segurança – Sistemas pneumáticos são mais seguros que sistemas eletromecânicos, pois podem operar em ambientes inflamáveis sem risco de incêndio ou explosão. Sobrecarga em sistema pneumático apenas causa deslizamento ou parada de operação, sem queima ou superaquecimento dos componentes.
• Fácil seleção de velocidade e pressão – As velocidades de movimentos lineares e oscilantes são fáceis de ajustar, com poucas limitações. A pressão e o volume do ar comprimido podem ser regulados facilmente por um regulador de pressão.
• Amigável ao meio ambiente – A operação de sistemas pneumáticos não produz poluentes. São ambientalmente limpos e, com tratamento adequado do ar de exaustão, podem atender a padrões de salas limpas. Portanto, podem operar em ambientes que exigem alto nível de limpeza, como linhas de produção de circuitos integrados.
• Econômico – Como os componentes não são caros, o custo dos sistemas pneumáticos é bastante baixo. Além disso, por serem muito duráveis, o custo de manutenção é significativamente menor que o de outros sistemas.

Limitações dos Sistemas Pneumáticos

Embora possuam muitas vantagens, os sistemas pneumáticos também apresentam limitações:

• Precisão relativamente baixa – Como são alimentados pela força do ar comprimido, sua operação está sujeita ao volume do ar. Como o volume do ar pode mudar quando comprimido ou aquecido, o suprimento de ar ao sistema pode não ser preciso, diminuindo a precisão global.
• Capacidade de carga baixa – Como os cilindros utilizados não são muito grandes, um sistema pneumático não pode acionar cargas muito pesadas.
• Processamento necessário antes do uso – O ar comprimido deve ser tratado antes do uso para garantir ausência de vapor de água ou poeira. Caso contrário, as partes móveis dos componentes pneumáticos podem desgastar-se rapidamente por atrito.
• Velocidade de movimento irregular – Como o ar é facilmente compressível, as velocidades dos pistões são relativamente irregulares.
• Ruído – Ruído é geralmente produzido quando o ar comprimido é liberado dos componentes pneumáticos.

Componentes dos Sistemas Pneumáticos

Cilindros pneumáticos, atuadores rotativos e motores a ar fornecem a força e o movimento para a maioria dos sistemas pneumáticos, para fixação, movimentação, conformação e processamento de materiais. Para operar e controlar esses atuadores, outros componentes são necessários, como unidades de tratamento de ar para preparação do ar comprimido e válvulas para controle de pressão, fluxo e direção do movimento dos atuadores. Um sistema pneumático básico consiste em duas seções principais:

• Sistema de produção, transporte e distribuição de ar comprimido
• Sistema de consumo de ar comprimido

Os principais componentes do sistema de produção, transporte e distribuição incluem: compressor de ar, motor elétrico e centro de controle do motor, pressostato, válvula de retenção, tanque de armazenamento, manômetro, dreno automático, secador de ar, filtros, lubrificador de ar, tubulações e diversos tipos de válvulas. Os principais componentes do sistema de consumo incluem: filtro de admissão, compressor, válvula de tomada de ar, dreno automático, unidade de serviço de ar, válvula direcional, atuadores e controladores de velocidade. A Figura 1 ilustra os componentes básicos.

Figura 1 – Principais componentes de sistema pneumático

O filtro de admissão (também chamado filtro de ar) remove contaminantes do ar.

O compressor de ar converte a energia mecânica de um motor elétrico ou a combustão em energia potencial do ar comprimido. Existem vários tipos de compressores, selecionados com base na pressão máxima de entrega desejada e na vazão requerida. Os tipos incluem: (i) compressores de pistão ou alternativos, (ii) compressores rotativos, (iii) compressores centrífugos e (iv) compressores de fluxo axial. Compressores alternativos podem ser de estágio único ou duplo, ou de diafragma. Compressores rotativos incluem compressores de palhetas deslizantes e de parafuso.

O motor elétrico transforma energia elétrica em mecânica, acionando o compressor de ar.

O ar comprimido proveniente do compressor é armazenado no reservatório de ar. Sua finalidade é suavizar o fluxo pulsante do compressor, ajudar no resfriamento e condensação da umidade. O reservatório deve ser grande o suficiente para armazenar todo o ar entregue pelo compressor. A pressão no reservatório é mantida acima da pressão de operação do sistema para compensar perdas de carga nas tubulações. A grande área de superfície do reservatório ajuda a dissipar o calor do ar comprimido.

Para operação satisfatória, o ar comprimido precisa ser limpo e seco. O ar atmosférico contém poeira, fumaça e umidade, que podem causar desgaste dos componentes e corrosão. É essencial tratar o ar para remover essas impurezas. Durante a compressão, a temperatura do ar aumenta, sendo necessário um resfriador. O vapor de água é separado por um separador ou secador de ar.

O tratamento do ar pode ser dividido em três estágios:

1. Primeiro estágio: Filtro de admissão impede a entrada de partículas grandes no compressor.
2. Segundo estágio (tratamento primário): O ar que sai do compressor pode estar úmido e em alta temperatura. A temperatura é reduzida por um resfriador e o ar é secado por um secador. Sistemas de secagem podem ser por adsorção, absorção, refrigeração ou membranas semipermeáveis. Um filtro em linha remove partículas contaminantes.
3. Terceiro estágio (tratamento secundário): Realiza-se filtragem adicional.

A lubrificação das partes móveis de cilindros e válvulas é essencial. Lubrificadores de ar comprimido são instalados antes dos equipamentos pneumáticos, introduzindo uma névoa fina de óleo no ar comprimido. Isso lubrifica os componentes móveis. O grau correto de óleo lubrificante geralmente tem viscosidade cinemática entre 20–50 centistokes.

Válvulas de controle regulam, controlam e monitoram direção do fluxo, pressão, etc. A função principal da válvula de controle é manter pressão constante a jusante na linha de ar, independentemente de variações a montante. Devido à alta velocidade do fluxo de ar comprimido, há queda de pressão dependente do fluxo entre o reservatório e a carga. Por isso, a pressão no reservatório é mantida acima da pressão do sistema. No local de aplicação, a pressão é regulada para mantê-la constante. Existem três formas de controlar pressões locais:

• Método 1: A carga libera ar na atmosfera continuamente. O regulador restringe o fluxo de ar para a carga, controlando a pressão. Requer fluxo mínimo para operar. Se a carga for do tipo “fim de linha” (não consome ar), a pressão no reservatório sobe até a pressão do manifold. São chamados “reguladores não aliviadores”.
• Método 2: A carga é fim de linha, mas o regulador alivia o ar na atmosfera para reduzir a pressão. Chamados “reguladores aliviadores”.
• Método 3: Para cargas muito grandes, cujo volume de ar não pode ser suprido por regulador simples, utiliza-se um laço de controle com transdutor de pressão, controlador e válvula de alívio. Quando a pressão do sistema sobe acima do valor crítico, o transdutor detecta, o controlador processa o sinal e abre a válvula para aliviar o ar. Também usado quando é difícil instalar o regulador próximo ao ponto de regulação.

Cilindros e motores a ar são os atuadores que convertem energia do ar comprimido no movimento requerido. Atuadores são dispositivos de saída que convertem energia pneumática em ação ou movimento. Em geral, sistemas pneumáticos são usados para operações de agarrar e/ou mover em diversas indústrias. Atuadores classificam-se em: (i) atuadores lineares (convertem energia pneumática em movimento linear), (ii) atuadores rotativos (convertem em movimento rotativo), e (iii) atuadores para operar válvulas de controle de fluxo (controlam fluxo e pressão de fluidos como gases, vapor ou líquidos). A construção de atuadores lineares hidráulicos e pneumáticos é semelhante, diferindo nas faixas de pressão de operação. Pressão típica de cilindros hidráulicos é cerca de 100 kgf/cm², enquanto cilindros pneumáticos operam em torno de 10 kgf/cm².

Distribuição de Ar Comprimido

A distribuição adequada de ar comprimido é crucial para bom desempenho. Requisitos importantes:

• Layout da tubulação (malha aberta ou fechada) com número adequado de válvulas de dreno em cantos opostos diagonalmente.
• Projeto da tubulação considerando diâmetro para vazão dada, queda de pressão, número e tipo de conexões e pressão absoluta.
• Inclinação do cabeçalho horizontal principal a partir do compressor, normalmente 1:20.
• Ramais de derivação a partir do topo dos cabeçalhos horizontais com curva em U ou a 45°.
• Provisão de acumulador com registro de dreno na base de todos os cabeçalhos verticais.
• Unidade de serviço de ar conectada em ângulo reto aos cabeçalhos verticais.

Todos os principais componentes pneumáticos podem ser representados por símbolos simples. Cada símbolo mostra apenas a função do componente, não sua estrutura. Símbolos podem ser combinados para formar diagramas pneumáticos, que descrevem as relações entre componentes, ou seja, o projeto do sistema. A Figura 2 mostra um diagrama típico.

Figura 2 – Diagrama típico de sistema pneumático

Ao analisar ou projetar um circuito pneumático, quatro considerações importantes devem ser levadas em conta:

• Segurança da operação
• Desempenho das funções desejadas
• Eficiência da operação
• Custos

Aplicações de Sistemas Pneumáticos

Existem diversas aplicações para sistemas pneumáticos, tais como: prensas pneumáticas, furadeiras pneumáticas, operação de válvulas de sistema para ar, água ou produtos químicos, descarga de tremonhas e silos, ferramentas de máquina, socadores pneumáticos, elevação e movimentação de objetos, pintura por pulverização, fixação em dispositivos e gabaritos, fixação para brasagem ou soldagem, operações de conformação, rebitação, operação de equipamentos de processo, entre outros.