Eg844 – hidráulica e pneumática – aula 01 (14/08/2001)



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– HIDRÁULICA E PNEUMÁTICA –

TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA POR UM FLUÍDO





  1. Conversão de Potência:

Em um sistema mecânico qualquer, a potência é dada por:


(Eq. 1.1)
onde: é o Trabalho ou Torque de uma Força (qualquer que seja ela) e t é um intervalo de tempo.
Como:
(Eq. 1.2)
onde: F é uma Força aplicada a uma carga qualquer e d é o deslocamento que ela produz na carga.
Substituindo 1.2 em 1.1, temos:
(Eq. 1.3)
onde v é a velocidade.
Assim, se pensamos em um máquina qualquer como um sistema mecânico, ele deve receber uma potência mecânica externa para movimentar suas partes, como mostra a figura 1:



Figura 1: Potência mecânica cedida a um sistema mecânico qualquer.
Quando um fluido é usado para realizar trabalho, podemos definir a potência deste fluido. Vamos imaginar um cilindro metálico perfeito com um êmbolo móvel de área A e peso G, submetido a uma vazão “Q” e uma pressão “p”conforme mostra a fig. 2:




Figura 2: O êmbolo se desloca para cima com potência mecânica F.v

p

Para que o êmbolo suba, é necessário que F seja maior que G. Como a força F age em um êmbolo de área conhecida A, podemos dizer que o fluido que entra no cilindro exerce uma pressão p sobre o êmbolo (Leis de Stevin e Pascal). Da mesma forma, a velocidade v constante do êmbolo é determinada pela vazão de fluido Q que entra no cilindro (Eq. da Continuidade). Assim, teremos:



(Eq. 1.4)

(Eq. 1.5)

Substituindo 1.4 e 1.5 em 1.3:



(Eq. 1.6)

Onde N é a potência de fluido, que passaremos a chamar de Potência Fluídica(Nf) =Hidráulica (NHID) ou Pneumática(Np) que se transforma em potência mecânica.

A Equação da Energia (Eq. Bernoulli) define o dispositivo que transforma energia mecânica em energia hidráulica ou pneumática, ou vice-versa, como sendo uma Máquina.

Figura 3: Tipos de máquinas nos sistemas hidráulicos e pneumáticos

Em Hidráulica e Pneumática (H&P), as Turbinas são chamadas de Atuadores, que serão vistos em outros módulos. O atuador mostrado na fig. 3 tem movimento retilíneo, portanto é chamado de Atuador Linear(Cilindros), entretanto tem-se os Atuadores Rotativos(Motores). Nos sistemas pneumáticos, a bomba é o Compressor Pneumático.




  1. Equação da Energia aplicada à H&P

Consideramos a Equação da Energia com presença de Máquina e com fluido real:


(Eq. 2.1)
Sabemos que:
(Eq. 2.2)
Para um sistema qualquer de transmissão de potência fluídica temos:

então:


Analisando a ordem de grandeza dos termos da Eq. da Energia, temos, para sistemas hidráulicos:


para uma pressão de 100 bar (100.105 Pa) e  = 858,2 N/m3:

para uma altura estática de 10m e uma velocidade (máxima) de 20 cm/s:

logo:

então, podemos considerar que:

ou, admitindo a Eq. da Energia entre (s) e (1):
Eq. 2.3
Para sistemas pneumáticos, a pressão máxima pode ser considerada em torno de 10 bar e a velocidade máxima em torno de 10m/s, logo a diferença entre as ordens de grandeza diminui, o que deixa a Eq. 2.3 no formato a seguir:

Eq. 2.4
Adotando a nomenclatura usual:


Pressão

Hidráulica

Pneumática

p1

pefetiva  pef

prequerida  preq

ps

ptrabalho  ptr

pdisponível  pdisp

as equações ficam,

para sistemas hidráulicos:
Eq. 2.5
e para sistemas pneumáticos:
Eq. 2.6

Analisando as duas equações, podemos concluir uma importante diferença entre hidráulica e pneumática.

Uma vez definido o trabalho a ser realizado pelo atuador, nos sistemas hidráulicos a perda de carga (p) é quem determina a chamada pressão de trabalho, que é a pressão na saída da bomba. Fixada esta pressão, qualquer variação na perda de carga interferirá diretamente na força que o atuador deve atingir, mas sem alteração na velocidade.

Nos sistemas pneumáticos, a referência é a pressão máxima do compressor, a pressão disponível. Assim, para dimensionarmos a pressão requerida, que é responsável pela força do atuador, devemos sempre considerar que pressão dispomos no compressor. Dessa forma, a diferença entre as duas pressões é constante para cada aplicação e qualquer aumento na perda de carga causará uma redução na velocidade.




EFEITO DA PERDA DE CARGA




HIDRÁULICA

PNEUMÁTICA

REDUÇÃO DE

FORÇA

VELOCIDADE



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