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| Os Componentes de um Sistema de Tratamento de Ar Comprimido |
O resfriador-posterior |
| SuaSua função é reduzir a temperatura do ar que deixa o compressor para níveis próximos da temperatura ambiente. Com isso, obtém-se uma grande condensação dos contaminantes gasosos, especialmente do vapor d'água. |
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| O separador mecânico de condensados do resfriador-posterior responde pela remoção de aproximadamente 70% dos vapores condensados do fluxo de ar comprimido. Um purgador automático deve ser instalado sob o separador de condensados para garantir a eliminação desta contaminação líqüida para a atmosfera, com perda mínima de ar comprimido. Os purgadores são pequenos aparatos destinados a efetuar a drenagem dos contaminantes líqüidos do sistema de ar comprimido para o meio ambiente. Podem ser manuais ou automáticos, sendo que estes últimos dividem-se normalmente em eletrônicos e mecânicos. Os purgadores eletrônicos são encontrados nos tipos temporizado digital ou com sensor de umidade. Em termos construtivos, o resfriador-posterior é um trocador de calor convencional resfriado pelo ar ambiente ou por água. |
| O filtro de ar comprimido |
| O filtro de ar comprimido aparece geralmente em três posições diferentes: antes e depois do secador de ar comprimido e também 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 líqüida (~30%) não totalmente eliminada pelo separador de condensados do resfriador-posterior, protegendo os trocadores de calor do secador contra o excesso de óleo oriundo do compressor de ar, o que poderia impregná-los, prejudicando sua eficiência. O excesso de condensado no secador também reduz sua capacidade de resfriamento do ar comprimido, pois consome-se energia para resfriar um condensado que já poderia ter sido eliminado do sistema. |
A norma internacional ISO-8573-1 é a referência central sobre a qualidade do ar comprimido para uso geral, não valendo para usos muito particulares, como ar medicinal, respiração humana e alguns outros.
A tabela a seguir apresenta as classes de qualidade do ar comprimido em função dos seus três contaminantes típicos: água, óleo e partículas sólidas.
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| No caso de sistemas dotados de secadores por adsorção, o pré-filtro deverá garantir que nenhuma quantidade de contaminação líqüida, inclusive os aerossóis de água e óleo, atinja o material adsorvedor, obstruindo seus poros e impedindo a sua reativação. O filtro instalado após o secador (pós-filtro) deve ser responsável pela eliminação da umidade residual (~30%) não removida pelo separador mecânico de condensados do secador por refrigeração, além da contenção dos sólidos não retidos no pré-filtro. A capacidade do pós-filtro efetuar a eliminação de qualquer umidade residual é seriamente afetada pela temperatura do ar comprimido na saída do secador. Na verdade, em qualquer secador por refrigeração, o ar comprimido sofre um reaquecimento antes de voltar à tubulação. Esse reaquecimento é intencional (economiza energia e evita que a tubulação fique gelada), mas provoca a completa reevaporação da umidade residual que não foi removida pelo separador de condensados. No estado gasoso, essa umidade não pode ser eliminada pelo pós-filtro. Na prática, o pós-filtro instalado após o secador por refrigeração retém apenas partículas sólidas. No caso de sistemas dotados de secadores por adsorção, o pós-filtro destinase apenas à retenção das partículas sólidas produzidas pela abrasão do material adsorvedor (poeira do adsorvedor). 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. Se o sistema não possui qualquer tipo de tratamento de ar comprimido, os filtros instalados no ponto-de-uso são ainda mais recomendados. Os modernos filtros para ar comprimido são do tipo coalescente e adsorvedor. Esses filtros são constituídos por uma carcaça resistente a pressão do ar comprimido e por um elemento filtrante, que é responsável pela filtração do ar. Alguns acessórios costumam fazer parte deste equipamento, como um purgador automático e um manômetro indicador da saturação do elemento filtrante (perda de carga). Os elementos filtrantes são geralmente apresentados em diferentes graus de filtração, utilizados conforme a aplicação do ar comprimido e a posição do filtro no sistema. Aplicações menos severas, bem como os pré-filtros, exigem elementos com menor capacidade de retenção. Da mesma forma, aplicações críticas e pós-filtros necessitarão de elementos com maior poder de filtração. O mecanismo de operação de um filtro coalescente é bastante particular. Baseia-se em dois processos distintos: a retenção mecânica e a coalescência. A retenção mecânica é a simples obstrução da passagem do contaminante sólido através do elemento, permitindo apenas que o ar comprimido siga adiante. Nesse caso, é fácil notar que o contaminante deverá ser maior do que o menor poro do elemento. Esse processo está contido no primeiro efeito que produz a coalescência (Interceptação Direta), conforme será visto logo a seguir. |
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A coalescência, porém, é considerada um fenômeno um pouco mais complexo e muitos estudiosos não a vêem como um processo de filtração propriamente dito. A norma ISO-8573 define a coalescência com bastante precisão como sendo a ação pela qual partículas líqüidas em suspensão unem-se para formar partículas maiores. Como uma parte significativa (~30%) da contaminação líqüida presente no ar comprimido é composta por aerossóis, a coalescência ganhou importância central para a eficiência de um sistema de tratamento de ar comprimido, pois é somente através desse efeito que se consegue separar os aerossóis.
Três fenômenos se somam para produzir o efeito da coalescência:
- Interceptação Direta: efeito de filtração no qual uma gota ou uma partícula sólida colide com um componente de um meio filtrante que está em seu caminho ou é capturada por poros de diâmetros menores do que o diâmetro da gota ou da partícula.
- Impacto Inercial: processo no qual uma partícula colide com uma parte do meio filtrante devido à inércia da partícula.
- Difusão: movimento (browniano) de moléculas gasosas ou de partículas pequenas causado por uma variação de concentração.
A nanofibra de borossilicato é o componente principal do meio filtrante, sendo responsável pela ação coalescente. Essas nanofibras são inertes e impermeáveis, o que significa que não reagem quimicamente com outras substâncias e também não adsorvem ou absorvem líqüidos.
As figuras a seguir representam o fenômeno da coalescência e seus efeitos: |
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Pode-se observar que a coalescência não impede a contaminação líqüida de atravessar todo o meio filtrante.
Ao contrário, ela permite que isso ocorra para que os contaminantes coalescidos possam dirigir-se ao fundo da carcaça do filtro pela ação da gravidade e sejam drenados para o exterior a partir desse ponto.
Portanto, um elemento coalescente somente poderá ficar saturado pela aglomeração de partículas sólidas no interior de suas fibras, ou seja, pelo efeito da retenção mecânica.
A emulsão de óleo e água causa, no máximo, a impregnação externa das fibras do elemento, diminuindo muito pouco a área de passagem do fluxo de ar, uma vez que 95% do volume de um elemento coalescente é formado por espaços vazios.
Por essa razão, os elementos coalescentes são descartáveis e ainda não existe um método para reciclá-los. Todavia, sua durabilidade (próxima de 6000 h) compensa essa limitação. Essa vida útil está baseada no período mais econômico de utilização do elemento coalescente, quando sua maior perda de carga ainda está limitada em 0,45~0,55 bar (6~8 psi), sendo que grande parte de sua operação esteve situada na faixa média de 0,2 bar (~3 psi).
Após esse período, manter um elemento coalescente em operação torna-se muito desvantajoso do ponto de vista energético. |
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Embora um elemento filtrante deva ser construído para suportar perdas de carga de até 2,5~3,0 bar, recomenda-se sua substituição com no máximo 1,0 bar, pois a perda de carga aumenta exponencialmente no final de sua vida útil, chegando rapidamente nos limites de resistência mecânica do elemento.
Pelas razões acima, a coalescência ainda é a forma mais econômica de separar os aerossóis de água e óleo de um sistema de ar comprimido.
Finalmente, os filtros adsorvedores destinam-se à remoção dos vapores de hidrocarbonetos (óleo) do fluxo de ar comprimido.
Em geral, estão posicionados depois do último filtro coalescente, pois ficam assim protegidos de qualquer contaminação na forma líqüida que poderia atingi-los.
Também podem permanecer junto ao ponto-de-uso do ar comprimido, uma vez que seu uso é limitado à aplicações especiais.
O meio filtrante de um filtro adsorvedor é, via de regra, o carvão ativado, substância capaz de capturar aqueles vapores no seu interior. Embora seu processo de filtração esteja baseado no efeito da adsorção (“atração e adesão de moléculas de gases e líqüidos na superfície de um sólido” – ISO-8573/2.3), não se costuma realizar a regeneração/reativação do carvão ativado de um filtro adsorvedor. |
| O secador de ar comprimido |
| Sua função é eliminar a umidade (líqüido e vapor) do fluxo de ar. Um secador deve estar apto a fornecer o ar comprimido com o Ponto de Orvalho especificado pelo usuário. Ponto de Orvalho é a temperatura na qual o vapor começa a condensar. Há dois conceitos principais de secadores de ar comprimido: por refrigeração (cujo Ponto de Orvalho padrão é +3 ºC) e por adsorção (com Ponto de Orvalho mais comum de –40ºC). 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 dos mesmos. Faixas de temperatura de operação mais altas são definidas para equipamentos instalados em regiões mais quentes do planeta, exigindo uma adaptação dos mesmos a condições mais adversas. |
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| O secador por refrigeração |
| O secador por refrigeração opera resfriando o ar comprimido até temperaturas próximas a 0 ºC, quando é possível obter-se a máxima condensação dos vapores de água e óleo (sem o risco de congelamento). Na maioria dos modelos, um circuito frigorífico realiza essa tarefa. No ponto mais frio do sistema, é importante uma eficiente separação dos condensados formados, evitando sua reentrada no fluxo de ar comprimido. Dependendo do tipo de secador, isso é feito por separadores de condensado, filtros coalescentes e purgadores automáticos. Depois de removido o condensado, a maioria dos secadores por refrigeração reaquece o ar comprimido (através do recuperador de calor, que reaproveita o calor do próprio ar comprimido na entrada do secador), devolvendo-o ao sistema numa condição mais adequada ao uso. Ao entrar no secador, recomenda-se que o ar comprimido esteja numa temperatura próxima à ambiente, permitindo uma redução no consumo de energia do equipamento. Se o secador for resfriado a ar, deve-se ter um cuidado especial com a temperatura ambiente onde será instalado. Tabelas de correção são usuais para dimensionar o correto secador por refrigeração em função das condições de operação. Em termos construtivos, um secador de ar por refrigeração é composto por trocadores de calor, um circuito frigorífico, separador de condensado, filtros coalescentes, purgador automático, painel elétrico e outros itens, podendo ser resfriado pelo ar ambiente ou por água. |
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1 - Entrada do Ar Comprimido
2 - Saída do Ar Comprimido
3 - Recuperador de calor
4 - Evaporador
5 - Condensador
6 - Compressor Frigorífico
7 - Circuito de Refrigeração
8 - Separador de Condensados/ Filtro Coalescente
9 - Purgador Automático |
| O secador por adsorção |
| O secador por adsorção caracteriza-se por remover os vapores do ar comprimido sem condensá-los. Devido ao baixo Ponto de Orvalho que conseguem proporcionar (até –100ºC), são indicados para aplicações muito especiais, quando o secador por refrigeração deixa de ser eficaz. Também em função de seu baixo Ponto de Orvalho, consomem muito mais energia do que os secadores por refrigeração, recomendando cautela na sua especificação. A adsorção, como já foi dito, é o efeito de atração das moléculas de gases e líqüidos para a superfície de um sólido (material adsorvedor), mantendo-as aderidas na mesma. |
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O material adsorvedor de um secador por adsorção tem um altíssimo poder de atração e retenção das moléculas de água sobre sua superfície. Há diversos tipos de materiais adsorvedores (sílica-gel, alumina ativada, molecular sieve, H-156, etc.), cada um com características mais apropriadas a certos tipos de aplicação. A superfície dos materiais adsorvedores atingem áreas de 300 m² por grama. O gráfico abaixo exibe o desempenho de diferentes tipos de materiais adsorvedores em função da umidade relativa.
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| Os secadores por adsorção subdividem-se pelo tipo de regeneração: |
| Tipo |
Operação |
Ar de Regeneração |
Fonte Externa de Calor |
Custo de Manutenção |
Vida do Material Adsorvedor |
| Heaterless |
Utiliza apenas o calor gerado na adsorção (processo exotérmico) para aquecer e regenerar o material adsorvedor do leito saturado. Consome bastante do próprio ar comprimido para esta tarefa. |
15% |
Não |
Muito Baixo |
5 ~ 10 anos |
| Vacuum Assisted |
É similar ao Heaterless, mas possui uma bomba de vácuo que reduz a contra-pressão exercida pela atmosfera, neutralizando as forças de atração/ adesão do material adsorvedor. Assim, é possível consumir pouco ar comprimido para a regeneração, mas gasta energia para gerar o vácuo. |
1% a 2% |
Não |
Baixo |
5 ~ 10 anos |
| Internally Heated |
Possui uma resistência interna (elétrica ou a vapor) que aquece o leito saturado até a temperatura de regeneração, quando um pequeno fluxo de ar encarrega-se da purga. Se a resistência for usada apenas para aquecer o ar de regeneração, haverá a necessidade de um maior consumo de ar. |
1% a 8% |
Sim |
Baixo |
3 ~ 10 anos |
| Externally Heated |
O fluxo de ar de regeneração é aquecido por uma resistência externa aos leitos/ torres do secador. Há perdas significativas de calor para o meio-ambiente, obrigando um maior consumo de ar de regeneração, mas pode-se utilizar apenas uma resistência para os dois leitos e a manutenção fica simplificada. |
8% |
Sim |
Baixo |
3 ~ 10 anos |
| Blower Purge |
É similar ao Externally Heated, mas possui um soprador que capta o ar ambiente, aquece-o e direciona-o ao leito a ser regenerado, eliminando o consumo de ar comprimidocomo ar de regeneração. |
Zero |
Sim |
Médio |
3 ~ 10 anos |
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| Em pequenas e médias vazões (até 3000 m³/h) e sempre que haja disponibilidade de ar comprimido para regeneração, os secadores por adsorção Heaterless mostram-se os mais indicados. Quando o ar comprimido de regeneração torna-se mais escasso, seu substituto preferencial é o tipo Vacuum Assisted. Entretanto, em altas vazões, o custo do ar comprimido para a regeneração passa a justificar a adoção dos secadores por adsorção com uma fonte auxiliar de calor. Em termos construtivos, um secador por adsorção possui dois vasos sob pressão (leitos) verticais, base, tubulação de interligação, sistema de válvulas, silenciador de purga (muffler) e um painel de comando. |
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