Dimensionamento de Uma Rede de Ar Compri

 

  OPERAÇÕES MINEIRAS II_

Universidade Agostinho  Neto/Faculdade  Neto/Faculda de Engenharia Osvaldo Silva

[DIMENSIONAMENTO

DE UMA REDE DE AR COMPRIMIDO]  

 

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Agradecimentos Agradeço antes de mais a DEUS todo-poderoso por me dar a oportunidade de levantar todos os dias. Agradeço ao senhor professor Engº Carvalho pelo trabalho de investigação  proposto com o objectivo de nos levar a unir as aulas teórico-práticas com o mundo do ar comprimido. Agrade Agra deço ço tamb também ém a minh minhaa fa famí míli liaa em part partic icul ular ar minh minhaa es espo posa sa pela pela compreensão, aos meus colegas pela troca de ideias, a todos aqueles que directa ou indirectamente tornaram esse trabalho possível.

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Índice Introdução

3

Desenvolvimento

4

Compressores e sua classificação

5

Lubrificação dos compressores

5

O critério de instalação dos compressores depende dos seguintes factores 6 Medição do caudal de ar comprimido

7

Localização dos compressores

7

Redes de distribuição de ar comprimido

8

Condições de uma base de rede de A.C

8

Vazamento de A.C

9

Quantidade de Compressores

10

Tratamento de A.C

11

Dimensionamento da rede AC

12

Cálculo do caudal total (produção da fonte) Q t.

13

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

19

Tabela dos cálculos

22

Conclusão

23

Referências bibliográficas

24

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Introdução

O ar comprimido é uma importante forma de energia, insubstituível em diversas aplicações é resultado da compressão do ar ambiente (atmosférico), cuja composição é uma mistura de oxigénio (~20,5%), nitrogénio (~79%) e alguns gases raros. Actualmente, cerca de 5 bilhões de toneladas de ar são comprimidas por ano em todo o planeta. Gerando um consumo de 400 bilhões de kWh a um custo de 20 bilhões de dólares. São números astronómicos, que provocam um grande impacto no meioambiente, mas que poderiam ser substancialmente reduzidos com medidas racionais. Nas indústrias, um metro cúbico de ar à pressão de 7 barg custa em torno de meio centavo de dólar (1,0 m³ ar ~ US$ 0,005) apenas em energia. Em funç função ão das das perd perdas as deco decorr rren ente tess da tran transf sfor orma maçã çãoo de ener energi gia, a, o ar  comprimido (energia pneumática) pode custar de sete a dez vezes mais do que a energia eléctrica para uma aplicação similar, embora isso seja normalmente compen com pensa sado do pelas pelas vantag vantagens ens de fl flexi exibil bilida idade, de, conven conveniên iência cia e segura segurança nça apresentadas pela energia pneumática.

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Desenvolvimento

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

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

A baixa pressão é usada em martelo perfurador, transporte de material solido e liquido, pulverizador de água para iliminação de poeira, enchimentos de cavidades minerais. As altas pressões são utilizadas nas locomutivas, nas escavações de rochas  brandas. O ar comprimido tem muitas vantagens em comparação com a energia electrica no que concerne a:   

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

Pode – se se citar algumas desvantagens como:      

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

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Compressores e sua classificação

Os compressores de êmbolo são os mais utilizados na indústria mineira, em instalações fixas de grande capacidade. Quanto ao número de fases ou andares de compressão ou compressores  podem ser monofasicos e bifasicos. É de lembrar que na indústria mineira importa as compressões de dois andares ou bifásico. Quanto as disposições que podem assumir os cilindros de compressores de êmbolo temos:     

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

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

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

A lubrificacão deve ser executada e vigiada periodicamente para evitar que haja inflamacão. Oper Op eraç açõe õess Mi Mine neir iras as II 20 2010 10

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 Na prática sabe-se que convem lubrificar a menos do que a mais, visto que a quantidade excessiva de óleo pode provocar infamacões e o vapor transformase num motor de combustão interna. Deve ser evitada a limpeza dos cilindros com petróleo, gasolina e empregando  panos em vez de desperdicio. E de reterquir: 



Os compressores de êmbolo são usados para capacidade superior a 10m3/min podendo nos compressores modernos atingir capacidade de 300m3/min Alguns modelos com disposicão de L ou V, com a capacidade de 10m3/min bem equilibrado exigem uma pequenas fundacões.

O critério de instalação dos compressores depende dos seguintes factores:

     

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

Estess e outr Este outros os fa fact ctor ores es que que perm permit item em dete determ rmin inar ar,, ca caso so se mont montar armo moss estalacões ficxas ou moveis.

 

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Medição do caudal de ar comprimido

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

Contador volumetrico da turbina Metodo do reservatorio Metodo das turbinas comvergentes( e o metodo mais adequado), basease na medicão da diferenca de pressão entre dois pontos de uma turbina sepados por um extrangulante.

Localização dos compressores

A localização dos compressores depende dos seguintes factores: A natureza dos compressores. Se for semi-permanente os locais de instalacão são determinados pelas despezas . para semi-permanenete as centrais são sinplificadas para facilitar as reparacões. Os factore factoress serão serã o ainda mai orespor s como o caso cas(puro) o de isento que a de alimen alimentac tacão ãoedos compressores tem de sermaiore feita ar limpo poerasn de outras particulas que podem provocar os desgatos dos silindros e outros assecorios e dai se pode verificar o incremento das despezas. Para se evitar, deve se colocar as instacões longe das calderas britadeiras e em locais onde a muita producão de poeras. Deve-se evitar tambem que o ar livre entra com material corrosivo. O numero de compressores depende muito das instalacões, no emtanto, pode-se instalar  um e manter outros em reserva ou tambem no minimo pode-se usar 3 compressores; se for ficxa geralmente por regra multiplica-se o caudal. Oper Op eraç açõe õess Mi Mine neir iras as II 20 2010 10

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Redes de distribuição de ar comprimido

Quando se instala redes de ar comprimido (A.C) é preciso simplificar para evitar a complexidade. As redes devem ser bem concebidas para que o ar comprimido chega em  perfeitas condições para para os consumidores.

Condições de uma base de rede de A.C

   

A perda de carga deve ser (pequena perda de carga ou de pressões nas canalizacões) Rigo Ri goro roza za esta estafu fuci cida dade de,, boa boa mont montag agen en,, pequ pequen enas as desp despez ezas as de comservacões, boa eguranca na utlizacão. Eliminacão comveniente da agua de condessacão e de particulas de oleo comtido no ar comprimido. Custos de instalacões ou mais baixo sem compremeter as restantes condioes.

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Vazamento de A.C

Todos os sistemas de ar comprimido têm vazamentos e são comuns  perdas de até 40% de todo o ar comprimido comprimido produzido. Portan Port anto to,, iden identi tifi fica car, r, el elim imin inar ar e redu reduzi zirr os va vaza zame ment ntos os de ar  comp co mpri rimi mido do é um umaa da dass ma mane neir iras as mais mais simp simple less e ef efic icie ient ntes es de economizar a energia necessária para a compressão. Além da redução da pressão do ar comprimido provocada por uma rede de distribuição inadequada (diâmetro da tubulação inferior ao necessário, layout incorrecto da tubulação, curvas e conexões em excesso, etc.), um sistema de ar comprimido também pode estar  operando numa pressão muito superior à exigida pela aplicação. O cálculo correcto das redes de distribuição principal e secundárias, a ma manu nute tenç nção ão (s (sub ubst stit itui uiçã ção) o) pe peri riód ódic icaa de elem elemen ento toss filt filtra rant ntes es satu sa tura rado dos, s, a regu regula lage gem m pr prec ecis isaa da pr pres essã sãoo de ca cada da po pont ntoo de cons co nsum umo, o, a es esco colh lhaa de co comp mpon onen ente tess e ac aces essó sóri rios os co com m meno menor  r  restrição ao fluxo de ar, bem como a selecção correcta do compressor em função necessidades de para pressão sistema,  poderão contribuir de das forma fundamental a do redução do consumo de energia associado à perda de carga.

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Quantidade de Compressores

Assim que a vazão total do sistema for definida, estabeleça um factor entre 20% e 50% para futuras ampliações e seleccione dois comp co mpre ress ssor ores es qu que, e, so soma mado dos, s, at aten enda dam m essa essa va vazã zão. o. Um terc tercei eiro ro compressor, da mesma capacidade, pode ser adicionado ao sistema como stand by. Em conjunto, os três compressores podem ser programados para operar num sistema de rodízio, proporcionando o mesmo nível de desgaste para todos. configuração é, sob oqualquer aspecto, a mais vantajosa para Essa o usuário, pois garante suprimento de ar  comp co mpri rimi mido do,, pr pres esen ente te e fu futu turo ro,, co com m o meno menorr risc riscoo de falh falha. a. Veri Ve rifi fiqu quee a potê potênc ncia ia e a va vazã zãoo ef efec ecti tiva vame ment ntee pr prod oduz uzid idaa pe pelo lo compressor. Cuidado com informações do tipo. Volume deslocado.,  pois costumam omitir as perdas ocorridas no processo de compressão.

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Tratamento de A.C

A contaminação do ar comprimido é a soma da contaminação do ar  ambiente com outras substâncias que são introduzidas durante o  processo de compressão. O ar am ambi bien ente te é co cont ntam amin inad adoo po porr pa part rtíc ícul ulas as sóli sólida dass (p (poe oeir ira, a, microrganismos, etc.), vapor d'água (humidade relativa), vapores de hidrocarbonetos (fumaça de óleo diesel, etc.), dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxido nitroso, dióxido de enxofre, etc. Durante o processo de compressão, o ar comprimido também é contaminado pelo óleo lubrificante do compressor e por partículas sólidas provenientes do desgaste das peças móveis do mesmo. Na tubul tub ulaçã açãoo de dis distri tribui buição ção,, o ar com compri primid midoo ain ainda da pod podee arr arrast astar  ar  ferrugem e outras partículas. A pressão e a temperatura do ar comprimido potencializam os efeitos prejudiciais de todos esses contaminantes. A redução gradual da temperatura do ar comprimido ao longo da tubulação causa a condensação de alguns contaminantes gasosos. Ao atingi atingirem rem a fas fasee líq líquid uidaa (co (conde ndensa nsado) do),, esses esses contam contamina inante ntess esta es tarã rãoo pres presen ente tess no fl flux uxoo de ar comp compri rimi mido do so sobb di dife fere rent ntes es aspe as pect ctos os,, de desd sdee um co conj njun unto to am amor orfo fo (fil (filet etee de co cond nden ensa sado do)) depositado nas partes inferiores da tubulação e dos equipamentos,  passando por pequenas gotas e chegando até a aerossóis microscópicos dispersos entre as moléculas do ar comprimido.

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Dimensionamento da rede AC

LEGENDA:

Ponto E: Maquina carregadora com 50m3/min Ponto D: 4 martelos com 5,5m3/min para cada Ponto C: 2 Vagon-drills com 10m3 /min para cada Distancia para cada troço em metro.

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DADOS: Ps = 7kgf/ cm2 = 700kPa hmax = 0,1kgf/ cm2 = 10 kPa

Cálculo do caudal total (produção da fonte) Qt. Dados: QE = 50m3/min QD =5,5m3/min QC = 10m3 /min Qt - ? Qt = QE + 4*QD + 2*QC  Qt = 50 + 4*5,5 + 2*10 = 92m3/min = 1,53 m3/s Qt = 1,53 m3/s

Cálculo da perda de carga e dos diâmetros em cada troço. Oper Op eraç açõe õess Mi Mine neir iras as II 20 2010 10

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Troço K - A: LK-A = 100m QK-A = 1,53m3/s PK-A = 700kPa 

Cálculo da perda de carga

10 kPa 150 m hmax  Lke  = ⇒  =   h KA h KA  LkA 100 m

 



⇒

 hKA ¿ 6,67 kPa 

Cálculo de diâmetro utilizando a fórmula

Di= √ 5

⇒

  DK-A =

√ 5

1.6∗10 ∗100∗( 1.53 ) 12

6.67∗700

1.852

1.852

 f ∗li∗Q hi∗ Ps

 ¿150mm

  1’’→25.4mm X’’

  150mm

→

 

⇒

X = 5,91’’  Dk-A = 5.91’’ ⇒

Dk-A ≈  6’’

Troço A - E: Oper Op eraç açõe õess Mi Mine neir iras as II 20 2010 10

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LA-E = 50m QA-E = 50m3/min = 0,833m3/s PA-E = (Ps - hKA) = 700 – 6,67



⇒

  PA-E = 693,33kPa

Cálculo da perda de carga

hA-E = (hmax - hKA) = (10 – 6.67)



DA-E =

√ 5

⇒

  hA-E = 3,33kPa

Cálculo de diâmetro utilizando a fórmula 1.6∗10 ∗50∗( 0.833 ) 12

3.33∗693.33

1.852

 = 119.825mm

DA-E = 119.825mm

1’’→25.4mm X’’

  119,825mm

→

⇒

 X = 4,72’’ ⇒ DA-E = 4.72’’

DA-E ≈  5’’

Troço A - B: Oper Op eraç açõe õess Mi Mine neir iras as II 20 2010 10

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LAB = 30m QAB = QKA – QAE = 92 – 50 = 42m3/min = 0,70m3/s QAB = 0,70m3/s



 

Cálculo da pressão

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



 

⇒

 hKA ¿ 2,3077kPa

 hKA ¿ 2,31kPa

⇒

Calculo de diametro utilizando a formula



DA-E =

√ 5

1.6∗10 ∗30∗( 0.70 ) 12

2.31∗690

1.852

 = 109mm

1’’→25.4mm X’’

 PAB = 690kPa

Calculo da perda de carga

hmax  LkB 10 kPa 130 m  = ⇒  =   h AB  LAB h AB 30 m

 

⇒

  109mm

→

⇒

 X = 4,29’’ ⇒ DA-B = 4.29’’

DA-B  ≈  5’’ Troço B - D: Oper Op eraç açõe õess Mi Mine neir iras as II 20 2010 10

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LBD = 20m QBD = 22m3/min = 0,367m3/s



Cálculo da pressão

PBD = PAB - hAB   PBD = 690 – 2,31 ⇒





 PBD = 687,69kPa

Cálculo da perda de carga

hmax  LkD 10 kPa 150 m ⇒ h BD   = LBD h BD   = 20 m  

 

⇒

⇒

 hBD ¿ 1,33kPa

Calculo de diametro utilizando a formula

DB-D =

√ 5

1.852

1.6∗10 ∗20∗( 0.367 ) 12

1,33∗687,69

 = 88,6mm

1’’→25.4mm X’’

  88,6mm

→

⇒

 X = 3,49’’ ⇒ DA-B = 3,49’’

DA-B ≈  4’’

Troço B - C: Oper Op eraç açõe õess Mi Mine neir iras as II 20 2010 10

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LBC = 70m QBC = 10m3/min = 0,667m3/s



Calculo da presão

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



 

√

⇒

 hBC ¿ 3,5kPa

Calculo de diametro utilizando a formula



DB-C =

 PBC = 686,36kPa

Calculo da perda de carga

hmax  =  LkC  ⇒ 10 kPa  = 200 m   h BC   LBC  h BC  70 m

5

⇒

1.6∗10 ∗70∗( 0.667 ) 12

3,5∗687,36

1.852

 = 117mm

1’’→25.4mm X’’

  117mm

→

⇒

 X = ’’ ⇒ DB-C = 4, 61’’

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⇒

  DB-C ≈  5’’

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Correcção de caudal

Q = K 1 * K 2 *K 3 * K 4 * K  5 5 *( ∑ qi+ q s)

K 1 → coeficiente de utilização  da instalação; k 1 = 1. K 2 → coeficiente de utilização quando o material material é conservado; K 2 = 1.05. K 3 → coeficiente que depende do grau de utilização (GU); GU= 90%,

K 3 = 0,97.  K 4 → coeficiente relativo a fuga das tubagens 1,10 < K 4