Estudo: Otimização do Funcionamento de uma Bomba Pneumática de Duplo Diafragma e Monitoramento Através de um Transdutor de Pressão.
- RESUMO
A pressão do ar comprimido é uma grandeza sensivelmente variável a redes de distribuição longas ou mal projetadas. Essas variações podem ser determinantes para a eficiência do funcionamento de equipamentos como atuadores, válvulas, bombas, etc. O projeto desse artigo foi concebido com desígnio de controlar a pressão pneumática de uma bomba de duplo diafragma, permitindo uma continuidade de trabalho mesmo em variações de pressão da rede de ar comprimido. O artigo também aborda outras informações sobre os componentes e aspectos do monitoramento através de um transdutor de pressão.
- INTRODUÇÃO
Na automação de movimentos na indústria, pode-se utilizar energia de diferentes formas. A energia elétrica em suas formas tradicionais, a energia hidráulica quando a necessidade de grandes esforços e a pneumática quando precisamos de esforço moderado e grandes velocidades, quando o ambiente requer um maior grau de limpeza ou quando ele é inflamável ou hostil.
O consumo variado de ar nas plantas industriais, causado pelas maquinas e equipamentos que, ora consomem maior quantidade, ora consome menos, impossibilitam uma disponibilidade de ar comprimido em fluxo continuo de pressão e vazão. As redes de ar comprimido na indústria em uma situação comum costumam oscilar entre 4 e 6 BAR de pressão, porém em situação de alto consumo ou uma distância longa do gerador de ar comprimido as pressões podem chegar em torno de 2 ou 3 BAR ocasionando falhas nos sistemas pneumáticos e/ou perda de produtividade.
- DEFINIÇÕES DE FUNCIONAMENTO.
O sistema baseia-se na leitura e interpretação da pressão pelo transdutor de pressão que envia as informações para um software de programação baseado em pascal.
O transdutor possui range de trabalho de entrada 0-10 BAR com saída 0-10vcc, conforme mostrado nas tabelas abaixo.
| Range | Output | Range | Output | |
| 1 BAR | 1 vcc | 6 BAR | 6 vcc | |
| 2 BAR | 2 vcc | 7 BAR | 7 vcc | |
| 3 BAR | 3 vcc | 8 BAR | 8 vcc | |
| 4 BAR | 4 vcc | 9 BAR | 9 vcc | |
| 5 BAR | 5 vcc | 10 BAR | 10 vcc |
Figura 1.
Através do software o usuário entra com os dados de comando nas pressões de abertura e fechamento da válvula solenóide. Com a abertura da válvula o fluxo de pressão entra no multiplicador de pressão (fator de multiplicação 2.0) que movimenta seu embolo elevando a pressão até atingir a pressão 2P, conforme aponta o gráfico abaixo.
Figura 2.
A pressão multiplicada pelo multiplicador que também pode ser chamado de booster desloca-se para um acumulador de ar comprimido com as seguintes dimensões Ø125 x 450mm com capacidade de volume em litros de 557,77 litros a 10 BAR de pressão.
Fórmula para o cálculo do volume:
V1 = π . r² . C
V1 = 3,1415 . 62,5² . 450
V1 = 5.522.167,9 mm²
V1 = 5.522.167,9 / 1.000.000 (mm³/litros)
V1 = 55,22 litros
Fórmula de cálculo do volume com pressão de 10 BAR:
V2 = (P1 . V1)/ATM
V2 = (10 . 55,22)/0,99
V2 = 557,77 litros com 10 BAR
Sendo:
V1: Volume de ar
r: Raio do reservatório
C: Comprimento do reservatório
V2: Volume pressurizado
P1: Pressão do ar dentro do reservatório
ATM: Pressão atmosférica local.
A pressão multiplicada e monitorada pode ser utilizada em diversas aplicações. No decorrer deste artigo apresentaremos algumas destas.
Transdutor de Pressão
Os sensores de pressão são transdutores que convertem a grandeza física pressão em sinal elétrico proporcional, como mostra na figura a seguir.
Como vimos, neste projeto este sinal será tratado por um circuito eletrônico e processado posteriormente pelo software no computador.
Este transdutor de pressão vem calibrado de fábrica, mas dependendo da necessidade, pode ser ajustado.
Quando é aplicada uma pressão, a deflexão do diafragma (sensor) leva a mudanças nas resistências implantadas de acordo com o efeito piezoresistivo (variação da resistência elétrica em função da força aplicada), ocorrendo assim uma mudança de condutividade. Esforços de compressão e dilatação no cristal semicondutor são usados para produzir mudanças na resistência dos piezoelétricos conectados como um circuito ponte, desta forma, variando a tensão de saída da ponte de acordo com a sensibilidade especificada no transdutor
Existem vários modelos de transdutor de pressão, como transdutores com tomada de pressão diferencial e também modelos mais frágeis para trabalhar com pouca pressão e serem utilizados em circuitos de instrumentação que não ficam em contato com o meio industrial, como equipamentos médicos, por exemplo.
ESTUDO: OTIMIZAÇÃO DE FUNCIONAMENTO DE UMA BOMBA DE DUPLO DIAFRAGMA.
Nesse estudo de caso o objetivo do projeto é manter uma pressão de pico de saída do fluido da bomba pneumática maior que 50% da pressão de ar disponível na rede. Aumentando a eficiência de trabalho do equipamento.
| (P) | (2P) | (PP) | |
| Pressão da rede (BAR) | Pressão Multiplicada (BAR) | Pressão de pico do fluido (BAR) | Comparativo de pressão do fluido sem booster |
| 0,5 | 1 | (-)¹ | (-)¹ |
| 1 | 2 | 1,5 | (-)¹ |
| 2 | 4 | 3,44 | 1,5 |
| 3 | 6 | 5 | 2,75 |
| 3,5 | 7 | 5,85 | 3 |
| 4 | (-)² | 3,44 |
Figura 4.
| (-)¹ Bomba não opera. |
| (-)² Pressão máxima de alimentação: 7 BAR |
DETALHAMENTO DOS COMPONENTES DO SISTEMA.
Acumulador de ar comprimido
A principal função desse acumulador será armazenar o ar comprimido para que se possa alimentar um dispositivo principal ou atuador, como por exemplo, uma bomba, martelete pneumático, embreagem ou freio pneumático, pistolas de pintura, etc. Ambos necessitam de uma quantidade de pressão adequada para seu bom funcionamento. O acumulador é alimentado por um multiplicador de pressão e monitorado por um sensor transmissor de pressão. Dimensões do acumulador: Ø125 x 450mm com capacidade de 557,77 litros com 10 BAR de pressão em BAR.
Transmissor de pressão
O sinal do sensor transmissor de pressão vai ser monitorado pelo software que vai determinar as faixas de limite máximo e mínimo da pressão para o funcionamento do dispositivo de consumo. Quando houver a baixa da pressão da rede de ar comprimido, o sensor transmissor envia um sinal para o relé que fecha o contato da válvula solenóide, fazendo com que se abra uma passagem, como registro fosse, e o ar se desloque até o multiplicador de pressão, aumentando a mesma até chegar ao nível desejado e após isso deslocar-se até o acumulador/tanque de ar comprimido. O transmissor de pressão é um modelo IT-TR Velki Range de 0 – 10 BAR, output 0 – 10 vcc com alimentação de 13 -28 vcc.
Multiplicador de pressão ou Booster
Assim que o ar passa pela válvula solenóide ele chega até o cilindro multiplicador de pressão, onde a pressão do ar comprimido que chega é amplificada, conforme a regulagem desejada. Assim pode ser multiplicada em até duas vezes o seu valor inicial. O multiplicador de pressão é um modelo VBA da SMC fator de multiplicação 1.0 ate 2.0 e vazão de ate 1000 L/min.
Válvula Solenóide
Válvula solenóide é responsável pela abertura e fechamento do fluxo de ar comprimido para dentro do multiplicador de pressão, ela é comandada pelo sinal do relé que permite o start do sistema pneumático. É uma válvula 2/2 vias 1/2’’ corpo latão N.F. com diafragma em neoprene e bobina solenóide 220v. Marca ACL Italy, E108DB12/C/10611.
Válvula de retenção
Válvula de retenção permite o fluxo do ar comprimido em um único sentido, bloqueando sempre o fluxo contrario. É uma válvula 1/4″ com sistema interno de esfera/mola.
Bomba Pneumática de Duplo Diafragma
O bloco central da bomba possui uma válvula de ar que direciona o ar comprimido, pressurizando inicialmente um dos diafragmas (câmara B), que por sua vez impulsiona o fluido que está na câmara à sua frente (câmara de líquido). O fluido é impulsionado para cima, devido à ação dos conjuntos esfera/assento, sendo direcionado para a saída através dos coletores (manifolds), enquanto isso o outro diafragma é puxado para trás pelo eixo que interliga os diafragmas, succionando o fluido para dentro da outra câmara de bombeamento (câmara A). Quando os diafragmas completam seu curso, a válvula pressuriza a câmara do diafragma oposto, gerando o mesmo processo já descrito acima. A bomba em estudo é uma bomba modelo Husky 515 Graco, 1/2’’. Corpo em polipropileno, esferas, acentos e diafragma em teflon, vazão máxima de 61 L/min. Fluido em teste: Água, viscosidade 1 cps, 0% sólidos, pressão atmosférica 0,99 ATM, pressão de saída e entrada do fluido ajustável no sistema re-circulatório.
Regulador de pressão
Regulador de pressão é um dispositivo construído para regular a pressão de um fluido, geralmente tendo em sua entrada uma pressão maior e variável e fornecendo em sua saída uma pressão mais baixa e razoavelmente estável.
No esquema, há dois reguladores de pressão ¼ pressão máxima de 10 BAR, com vazão máxima de 1100 Litros à pressão de 7 BAR.
Placa eletrônica
A placa que foi confeccionada para este projeto, consiste em um hardware que faça a leitura de um sinal analógico (0~10V) e transforme em um sinal eletrônico. Este circuito é caracterizado como um conversor A-D (analógico para digital). Esse valor analógico será obtido a partir de um transdutor de pressão, o qual enviará sinais de tensão para o hardware, sendo 1V – 1 BAR, 1V – BAR, 3V – 3 BAR e assim sucessivamente.
Ao converter o sinal emitido pelo transdutor, será enviado diretamente, em binário, para a porta paralela.
Programação do software
Utilizando o software Turbo Pascal, e conhecimentos básicos de programação (veja na figura 5 as linhas de programação), será feita a leitura do sinal da placa de controle. Com esses dados na tela, fizemos um controle automático de controle de pressão a partir das entradas digitais do hardware, que conta com a disposição de 2 relês de 12V cada acionados por transistores e 2 leds.
Figura 5 – Linhas de Programação.
ANALISE DE RESULTADOS.
Após uma série de testes utilizando os dispositivos, o transmissor operou com resposta satisfatória, monitorando as seguintes medidas, conforme tabela abaixo:
| Media da Pressão verificada no dispositivo analógico (BAR) | Sinal do Transmissor (Volt) |
| 0 | 0,58 |
| 1 | 1,55 |
| 2 | 2,48 |
| 3 | 3,55 |
| 4 | 4,55 |
| 5 | 5,55 |
| 6 | 6,55 |
| 7 | 7,55 |
| 8 | 8,58 |
| 9 | 9,5 |
| 10 | 10,58 |
Figura 6.
O fator de multiplicação (Fator: 2.0) acompanhou a pressão de entrada com aumento de pressão conforme a tabela a seguir:
| Pressão de entrada do multiplicador (BAR) | Pressão no dispositivo analógico verificada na saída (BAR) | Aumento de pressão |
| 1 | 1,72 | 72,00% |
| 2 | 3,67 | 83,50% |
| 3 | 5,51 | 83,67% |
| 4 | 7,7 | 92,50% |
| 5 | 9,74 | 94,80% |
Figura 7.
Dentro da margem de erro dos manômetros analógicos e do erro de paralaxe podemos considerar que os componentes atendem ao objetivo com efetividade.
Como mostra na próxima tabela, a bomba obteve os seguintes resultado na conversão da pressão pneumática em pressão de pico do fluido bombeado (PP)
| (P) | (2xP ) | (PP) |
| Pressão da rede (BAR) | Pressão Multiplicada (BAR) | Pressão de pico do fluido (BAR) |
| 2 | 3,67 | 3,33 |
| 2,5 | 4,59 | 4,13 |
| 3 | 5,51 | 5,17 |
Figura 8.
Outras Aplicações do Sistema.
O sistema pode ser perfeitamente utilizado em outras aplicações como, por exemplo:
Embreagem de moinho de barbotina: (Fig.: 9) Com a queda de pressão a níveis como 2 BAR a câmara da embreagem do moinho não infla o suficiente para gerar atrito na parede da lona da embreagem e o moinho inicia o movimento “patinando” as fitas. Isso gera um desgaste excessivo.
Figura 9 – Moinho de Barbotina.
Freio pneumático (Fig.:10).Utilizado em moinho de barbotina: O freio pneumático é acionado por um pistão que faz o travamento do disco, quando esse pistão possui pouca pressão no embolo ele perde força e como conseqüência o freio perde a ação. Pode ocorrer acidentes de trabalho caso o moinho movimente sem o devido cuidado.
Figura 10 – Freio Pneumático.
Tensionador de tela serigráfica (Fig.:11): Utilizado para inflar uma bexiga servindo de superfície para a fabricação das telas de serigrafias utilizadas na indústria cerâmica. Quando a pressão da bexiga não esta adequada a tela fica com falhas.
Figura 11 – Tensionadores de tela para serigrafia.
Martelete pneumático (Fig.:12): O martelete utiliza uma pressão mínima para movimentar seu embolo empurrando-o contra uma mola com alta tração que logo após completar o curso o ar é expelido e o embolo retorna com grande força empurrando o martelo. Se a pressão for baixa o sistema não funciona.
Figura 12 – Vibrador martelete pneumático.
IMAGENS DO SISTEMA
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