Propriedades do ar: volume que encolhe com a pressão, calor que aparece na compressão, e água que vem junto
O ar muda de volume com a pressão, esquenta quando é comprimido e traz água junto. Quem entende essas três coisas dimensiona o reservatório e evita a água no lugar errado.
ar comprimidomanômetroválvula de segurançadrenoregistro de saídaReservatório de 50 L em corte: ar comprimido, manômetro, válvula de segurança, dreno, registro de saída.
- Setor
- Pintura · cabine 2
- Solicitante
- Garantia da qualidade
- Equipamento
- Reservatório R-02 (1 000 L) e rede da cabine
- Prioridade
- Alta: peças com defeito
- Prazo
- 2 dias
Desde que o calor chegou, as peças saem da cabine com bolhas e manchas, e a qualidade suspeita de água no ar. A pistola consome 600 L/min. Além disso, quando o compressor desliga, a pressão cai rápido e a pintura falha. Você vai calcular quanto ar o reservatório guarda, quanto tempo ele segura a pistola e quanta água a instalação produz por dia.
- 1Aplicar a lei de Boyle ao ar do reservatório
- 2Entender o calor da compressão e o frio da expansão
- 3Calcular a autonomia do reservatório para a pistola
- 4Estimar a água que condensa por dia, e onde ela aparece
- 5Fechar as contas no laboratório e emitir o laudo LT-02
Entrega: laudo técnico LT-02, no fim da aula
As 5 competências desta aula
- Aplicar a lei de Boyle e a lei geral dos gases a problemas de ar comprimido.
- Explicar o aquecimento do ar na compressão e o resfriamento na expansão.
- Converter volumes e vazões entre a condição comprimida e a de ar livre.
- Calcular a quantidade de ar contida em um reservatório e o tempo de autonomia.
- Estimar a quantidade de condensado produzida em uma instalação.
O ar como gás, e a lei de Boyle
O ar é uma mistura de gases, com moléculas muito afastadas. Por isso, pode ser comprimido. E a pressão responde na proporção exata.
| Propriedade | Valor | O que significa na prática |
|---|---|---|
| Composição | 78 % de nitrogênio, 21 % de oxigênio, 1 % de outros gases, e vapor de água em quantidade variável | O oxigênio alimenta combustão: óleo em ar comprimido quente pode inflamar |
| Densidade, a 1 bar e 20 °C | 1,2 kg/m³ | Um reservatório de 1 m³ a 7 bar absolutos guarda 8,4 kg de ar |
| Compressibilidade | Alta | O volume muda muito com a pressão. É o que permite armazenar, e o que dificulta posicionar |
| Viscosidade | Muito baixa: 50 vezes menor que a da água | Escoa depressa por tubos finos, e escapa por qualquer fresta |
| Expansibilidade | Ocupa todo o volume disponível | Não há nível, como em um líquido: o ar enche qualquer recipiente |
Pressão absoluta, sempre. A lei vale com a pressão absoluta. Um reservatório com o manômetro em 6 bar está a 7 bar absolutos. O ar ali dentro ocupava, antes de ser comprimido, sete vezes aquele volume, e não seis.
Taxa de compressão. A razão entre a pressão absoluta final e a inicial. Um compressor que aspira a 1 bar e entrega a 8 bar absolutos tem taxa de 8.
Quanto ar há em um reservatório
Um reservatório de 500 litros está com o manômetro em 7 bar. Quantos litros de ar atmosférico foram comprimidos ali? E se a pressão cair para 5 bar, quanto ar terá saído?
- Pressão absoluta: 7 + 1 = 8 bar. Volume de ar livre: 8 × 500 ÷ 1 = 4 000 litros.
- A 5 bar: pressão absoluta de 6 bar. Ar livre restante: 6 × 500 = 3 000 litros.
- Ar fornecido na queda de 7 para 5 bar: 4 000 − 3 000 = 1 000 litros.
A jazida de carvão ficava sob uma ilha do rio, coberta por vinte metros de areia encharcada. Todo poço aberto ali se enchia de água e de lama antes de chegar à rocha. Um engenheiro teve a ideia de descer um tubo de ferro, e bombear ar para dentro dele, até a pressão expulsar a água. Os mineiros trabalharam a seco, no fundo do rio. E, ao subir, começaram a sentir dores que nenhum médico tinha visto
Jacques Triger, engenheiro de minas e geólogo francês, foi encarregado, em 1839, de alcançar uma camada de carvão em Chalonnes, às margens do Loire. Entre a superfície e a rocha, havia uma espessura grande de areia saturada de água: escavar um poço comum ali era impossível.
A solução de Triger foi um tubo de ferro, de pouco mais de um metro de diâmetro, cravado verticalmente, fechado no topo, com o ar interno mantido sob pressão por uma bomba movida a vapor. A pressão do ar equilibrava a da água e da areia em volta, e as mantinha fora. Os operários escavavam no fundo, a seco, e o tubo descia.
Para entrar e sair sem perder a pressão, Triger construiu, no topo, uma câmara com duas portas, das quais só uma se abria de cada vez: a eclusa de ar. O operário entrava, fechava a porta externa, e uma torneira igualava a pressão da câmara com a do tubo. Na saída, o inverso.
O método funcionou. O poço atravessou a areia, com pressões que chegaram a cerca de 3 atmosferas absolutas, e atingiu o carvão. Foi a primeira aplicação do caixão pneumático, que seria usado, nas décadas seguintes, para as fundações de quase todas as grandes pontes do mundo.
Triger anotou com cuidado o que observou lá embaixo, e é um catálogo das propriedades do ar. O som da voz mudava. Era impossível assobiar. As velas queimavam muito mais depressa, e as roupas pegavam fogo com facilidade: havia mais oxigênio em cada litro de ar. Ao pressurizar a eclusa, o ar esquentava. Ao despressurizar, esfriava tanto que se formava uma névoa densa: a umidade condensava.
E anotou outra coisa. Alguns operários, pouco depois de sair, sentiam dores fortes nos braços e nos joelhos, que duravam horas ou dias. Dois médicos que acompanharam obras semelhantes, anos depois, resumiram o fenômeno em uma frase: paga-se só na saída.
A explicação veio em 1878. Sob pressão, o nitrogênio do ar se dissolve no sangue e nos tecidos, em quantidade proporcional à pressão. Se a pressão é retirada depressa, o gás sai da solução em bolhas, como em uma garrafa de refrigerante aberta. A prevenção é a que se usa até hoje, em mergulho e em obras: descompressão lenta.
Fontes: Grace's Guide to British Industrial History, Jacques Triger e Triger Process (data de 1839 a 1841); Wikipedia (inglês), Jacques Triger
A lei geral, o calor da compressão e o frio da expansão
Pressão, volume e temperatura andam juntos. Mudar um mexe nos outros dois.
Três casos particulares.
- Temperatura constante: é a lei de Boyle, da seção anterior.
- Pressão constante: o volume é proporcional à temperatura absoluta. Aquecido de 20 para 50 °C, o ar se expande 10 %.
- Volume constante: a pressão é proporcional à temperatura absoluta. Um reservatório fechado, a 7 bar absolutos e 20 °C, exposto ao sol até 60 °C, vai a 8 bar.
A compressão aquece. O trabalho gasto para comprimir o ar não desaparece: vira calor, dentro do próprio ar. Quem enche um pneu com bomba manual sente a ponta da bomba esquentar. Em uma compressão rápida, sem tempo de troca de calor, a temperatura sobe de acordo com a relação seguinte.
Consequências.
- O ar sai do compressor quente, e precisa de um resfriador. Ar quente carrega mais vapor de água, e ocupa mais volume.
- Acima de 180 a 200 °C, o óleo lubrificante do compressor se degrada, forma depósitos, e pode inflamar. É a razão de compressores de pressão mais alta terem dois estágios, com resfriamento intermediário.
- O calor da compressão é a maior parte da energia elétrica consumida. Pode ser recuperado, para aquecer água ou ambientes: até 90 % dele.
A expansão esfria. O inverso também vale. O ar que se expande, de 7 bar para a atmosfera, realizando trabalho, esfria dezenas de graus. Em escapes de válvulas e de motores pneumáticos, e em bicos de sopro, a temperatura cai abaixo de 0 °C, e a umidade do ar congela, entupindo a passagem. É mais uma razão para secar o ar.
No reservatório. O ar entra quente, e esfria com o tempo, cedendo calor às paredes. A pressão cai junto, sem que nenhum ar tenha saído. E a umidade condensa: por isso todo reservatório tem um dreno no ponto mais baixo.
A pressão que cai sozinha
Um reservatório é enchido até 8 bar absolutos, com ar a 60 °C. A válvula é fechada, e o ar esfria até 25 °C. Qual é a pressão final?
- Volume constante: p2 = p1 × T2 ÷ T1.
- Temperaturas absolutas: 333 K e 298 K.
- p2 = 8 × 298 ÷ 333 = 7,16 bar absolutos.
Ar livre, vazão e volume de reservatório
Um metro cúbico de ar a 7 bar e um metro cúbico de ar na atmosfera não são a mesma quantidade de ar.
Um reservatório de 1 000 litros, que cai de 8 para 6 bar, sustenta sozinho uma máquina de 600 L/min por quantos minutos?
O problema. Como o volume do ar depende da pressão, dizer que uma máquina consome 100 litros por minuto não informa nada, enquanto não se disser em que pressão. Para que compressores, consumidores e tubos possam ser comparados, convencionou-se expressar toda quantidade de ar na condição atmosférica.
Ar livre. É o ar na condição de aspiração do compressor: pressão atmosférica e temperatura ambiente. A vazão de um compressor é dada em ar livre efetivamente entregue: o volume de ar atmosférico que ele aspira e de fato fornece, por minuto.
Condição normal. Uma condição de referência fixa, definida por norma, para que a medida não dependa do tempo nem da altitude. As mais usadas: 0 °C e 1,013 bar, com ar seco, indicada por um N antes da unidade. E 20 °C e 1 bar. A diferença entre elas é de alguns por cento, e importa em contratos e em ensaios. Nas contas do dia a dia, ar livre e normal são tratados como equivalentes.
| Unidade de vazão | Equivale a | Onde aparece |
|---|---|---|
| Litro por minuto, L/min | A unidade básica | Consumo de válvulas, de cilindros e de ferramentas |
| Metro cúbico por minuto, m³/min | 1 000 L/min | Compressores de médio e grande porte |
| Metro cúbico por hora, m³/h | 16,7 L/min | Compressores, secadores e filtros |
| Pé cúbico por minuto, pcm | 28,3 L/min | Compressores e ferramentas de origem americana |
| Litro por segundo, L/s | 60 L/min | Catálogos europeus |
Vazão comprimida e vazão livre. Dentro do tubo, a 7 bar absolutos, o ar ocupa um sétimo do volume. Uma vazão de 700 L/min de ar livre passa pelo tubo como 100 L/min de ar comprimido. É com essa vazão real, menor, que se calcula a velocidade do ar na tubulação, assunto da aula 5.
O reservatório como estoque. Entre a pressão em que o compressor desliga e a pressão mínima que as máquinas aceitam, o reservatório fornece ar sem que o compressor trabalhe.
A autonomia de um reservatório
Uma máquina consome 600 L/min de ar livre. O reservatório é de 1 000 litros, o compressor desliga a 8 bar, e a máquina precisa de pelo menos 6 bar. Por quanto tempo o reservatório, sozinho, sustenta a máquina?
- Ar livre útil: 1 000 × (8 − 6) ÷ 1 = 2 000 litros.
- Tempo: 2 000 ÷ 600 = 3,3 minutos.
A arma disparava vinte balas em menos de um minuto, sem fumaça e quase sem ruído, em uma época em que um mosquete dava três tiros por minuto, com sorte. Não usava pólvora. A energia vinha de um reservatório de ferro, do tamanho de uma coronha, que o soldado enchia com mil e quinhentas bombadas. Um exército a adotou, e desistiu. Uma expedição de exploradores levou uma, e a usou para impressionar todos os povos que encontrou
Por volta de 1779, o armeiro tirolês Bartolomeo Girandoni apresentou ao exército austríaco um fuzil de repetição movido a ar comprimido. A coronha era um reservatório destacável, de chapa de ferro rebitada e soldada, em forma de cone alongado, com cerca de meio litro de volume. Um tubo ao lado do cano levava vinte balas de chumbo, de calibre de cerca de 12 milímetros.
O reservatório era carregado com uma bomba manual, parecida com uma bomba de bicicleta: cerca de 1 500 bombadas para atingir a pressão de trabalho, estimada em torno de 50 a 55 bar. Cada soldado levava reservatórios de reserva, e carroças com bombas maiores acompanhavam as tropas.
Cada disparo abria por um instante uma válvula, e liberava uma porção do ar. A bala saía com velocidade comparável à de um mosquete da época, a curta distância. Um reservatório cheio dava cerca de trinta tiros úteis, com uma particularidade que qualquer estudante desta aula prevê: os primeiros eram fortes, e cada um seguinte, um pouco mais fraco, porque a pressão no reservatório caía a cada disparo.
O exército austríaco equipou algumas unidades com a arma, a partir de 1780. As vantagens eram extraordinárias: cadência, ausência de fumaça, funcionamento na chuva. Os problemas eram todos de pneumática. Os reservatórios, feitos à mão, vazavam nas costuras e, às vezes, estouravam. As vedações, de couro, precisavam ser mantidas úmidas. Encher mil e quinhentas bombadas, em campanha, era penoso. E a manutenção exigia armeiros especializados. Em algumas décadas, a arma foi retirada de serviço.
Um exemplar teve um destino famoso. A expedição de Lewis e Clark, que atravessou a América do Norte entre 1804 e 1806, levou um fuzil de ar desse tipo. Os diários registram dezenas de demonstrações a povos indígenas ao longo do caminho: uma arma que disparava repetidamente, sem pólvora e sem fogo, causava espanto, e, segundo os historiadores da expedição, ajudou um grupo pequeno a ser tratado com cautela.
Fontes: Lewis and Clark Trust, Girandoni Air Rifle (pesquisa sobre a arma da expedição, 1803 a 1806); NRA Family, Throwback Thursday: Lewis and Clark's Air Rifle
O reservatório de 50 litros, em corte
Reservatório vertical com manômetro, válvula de segurança, registro de saída e dreno. O rosa é o ar comprimido guardado; no fundo, a água que condensa. Toque nos números.
Aponte a câmera do celular para o QR e veja a peça em tamanho real sobre a sua mesa. Está em tamanho real: quase 80 cm de altura. Ponha no chão, ao lado da mesa.
Atenção: esta cópia está rodando só no seu computador. O QR funciona quando a aula estiver publicada.
Vapor de água, ponto de orvalho e condensado
A água entra como vapor, invisível, junto com o ar. Sai como líquido, no pior lugar possível, se não for retirada antes.
Vapor no ar. O ar atmosférico sempre contém vapor de água. Há um máximo que ele comporta, que depende só da temperatura: é a condição de saturação. Ar mais quente comporta muito mais.
Umidade relativa. A razão entre o vapor que o ar contém e o máximo que comportaria naquela temperatura. Ar a 30 °C com 70 % de umidade relativa tem 0,70 × 30,4 = 21,3 g/m³.
Ponto de orvalho. A temperatura em que o ar, sendo resfriado, atinge a saturação, e começa a condensar. É a medida prática de quão seco está o ar: quanto mais baixo o ponto de orvalho, menos água. Um ponto de orvalho de 3 °C significa que só haverá condensação se algum trecho da rede ficar abaixo de 3 °C.
Ponto de orvalho sob pressão. O ar comprimido tem o seu ponto de orvalho medido na pressão da rede. É esse o valor que os secadores informam, e o que interessa: a rede está sob pressão.
Por que a compressão produz água. O máximo de vapor é por metro cúbico de espaço. Ao comprimir sete metros cúbicos de ar em um, todo o vapor que eles continham fica concentrado nesse único metro cúbico, que só comporta o que a curva permite. Enquanto o ar está quente, na saída do compressor, comporta. Quando esfria, no resfriador, no reservatório e na rede, o excesso condensa.
A água de um dia de trabalho
Um compressor fornece 10 m³/min de ar livre, aspirado a 30 °C, com 70 % de umidade relativa. O ar é comprimido a 8 bar absolutos e resfriado a 35 °C. Quanta água condensa por hora?
- Vapor aspirado: 10 × 30,4 × 0,70 = 213 g por minuto.
- Vapor que ainda cabe, a 35 °C e 8 bar: 10 × 39,6 ÷ 8 = 49,5 g por minuto.
- Condensado: 213 − 49,5 = 163 g por minuto, ou 9,8 litros por hora.
Onde a água aparece.
- No resfriador posterior e no seu separador: a maior parte.
- No reservatório, onde o ar esfria mais.
- Na rede, em trechos frios, em pontos baixos e em finais de linha.
- Nos pontos de uso: filtros de máquina, ferramentas, válvulas, cilindros.
O que a água causa. Corrosão de tubos e de reservatórios. Lavagem da lubrificação de cilindros e de válvulas. Travamento de válvulas por ferrugem e por emulsão de óleo. Congelamento em escapes e em linhas externas no frio. Manchas em pintura, contaminação de produto em alimentos e em fármacos, falha de instrumentos. A maior parte dos defeitos de componentes pneumáticos tem, na origem, água.
O condensado é resíduo. A água drenada vem misturada com óleo do compressor e com partículas. Não pode ser despejada no ralo nem no solo: passa por um separador de água e óleo, e o óleo recolhido tem destino controlado.
Lei de Boyle, lei geral, temperatura de compressão, reservatório, condensado, que lei se aplica, qual a explicação, e treino
O primeiro modo comprime ar em temperatura constante. O segundo usa a lei geral. O terceiro calcula o aquecimento. O quarto, o estoque de um reservatório. O quinto, a água. O sexto classifica situações. O sétimo apresenta casos. O oitavo sorteia contas.
Quatro erros com as propriedades do ar
Os dois primeiros são de conta. Os outros, de entender onde a água e o calor aparecem.
A lei vale para a pressão total.
A proporção é com a temperatura absoluta.
Qualquer trecho mais frio da rede condensa mais.
Cada bar de queda libera só um volume de tanque.
A compressão de um metro cúbico
Um metro cúbico de ar, a 1 bar absoluto, é comprimido até 7 bar absolutos, e resfriado de volta à temperatura inicial. Qual é o volume final, em metros cúbicos? Use três casas decimais.
As propriedades do ar no seu trabalho
Dimensionar um reservatório, entender uma queda de pressão, explicar a água na rede: tudo começa nas leis desta aula. Clique em um cartão.
Emita o documento do seu trabalho
Os resultados do laboratório entram sozinhos. Complete o que falta, assine e salve em PDF: é a sua peça de portfólio desta aula.
Laudo técnico: ar comprimido da cabine de pintura 2
| Volume do reservatório (L) | |
|---|---|
| Pressões de desligamento e mínima (bar) | |
| Consumo da pistola (L/min de ar livre) | |
| Autonomia do reservatório | |
| Temperatura e umidade do ar aspirado | |
| Água condensada por dia | |
| Onde a água condensa na instalação |
| Conclusão do técnico |
|---|
7 situações de trabalho
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Mensagem do feedback.
Absoluta e kelvin nas contas, ar livre como medida, e a água que sempre condensa
As leis dizem o que acontece com o ar quando ele é comprimido. Falta a máquina que faz isso. Há compressores de pistão, de parafuso, de palhetas, de espiral, de lóbulos e centrífugos, cada um com a sua faixa de vazão e de pressão, e várias maneiras de fazê-los acompanhar o consumo da fábrica. A próxima aula trata dos compressores: tipos, regulação, sala de máquinas e escolha.