SENAI - SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL EVERTON DA SILVA NUNES CICLONE EQUIPAMENTO INDUSTRIAL
SENAI - SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL
EVERTON DA SILVA NUNES
CICLONE
EQUIPAMENTO INDUSTRIAL
Francisco Beltrão
2010
EVERTON DA SILVA NUNES
CICLONE
EQUIPAMENTO INDUSTRIAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso Técnico em Eletromecânica da Unidade SENAI – Francisco Beltrão, como requisito parcial à obtenção do título de Técnico em Eletromecânica.
Orientador: Prof. Eng° Marcelo Monteiro Da Correggio.
Francisco Beltrão
2010
EVERTON DA SILVA NUNES
CICLONE
EQUIPAMENTO INDUSTRIAL
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Técnico em Eletromecânica e aprovado em sua forma final pelo Curso Técnico em Eletromecânica da Unidade SENAI – Francisco Beltrão.
Francisco Beltrão, 11 de junho de2010.
______________________________________________________Professor e Orientador Marcelo Monteiro Da Correggio
Engenheiro Industrial MecânicoTécnico em Mecânica
SENAI – Francisco Beltrão
Dedico este trabalho a meus pais Sérgio Nunes
e Ires Neres da Silva Nunes por me
incentivarem dentro desse período de dois
anos para minha formação profissional e meus
amigos de curso que muitas vezes pararam
seus afazeres para me ajuda a entender certos
conteúdos e práticas que eu não possuía
conhecimento.
AGRADECIMENTOS
Agradeço os meios de transporte que obtive pela empresa onde trabalho (Prestatti
Equipamentos Indústrias LTDA) para poder vir todos os dias no curso.
Agradeço a minha namorada Anelize por sua paciência e compressão por eu ter
tomado seu computador todos finais de semana para a realização deste trabalho.
Agradeço a meu amigo irmão Robson por me ajudar e apoiar sempre que
necessário.
“O êxito do trabalho em equipe depende da cooperação e participação de todos,
independente da função ou da relevância da tarefa” (Autor desconhecido).
RESUMO
O objetivo deste trabalho é mostrar o projeto de um ciclone através da interpretação do
desenho técnico, como seu traçado foi executado com a utilização de ferramentas, como se
desenvolveu o processo de corte das peças, o tipo de acabamento efetuado no equipamento.
Como se desenvolveu a montagem a partir do processo e o tipo de solda utilizado, as
máquinas usadas para dobra e calandragem. Como funciona o equipamento, como se deve dar
a manutenção para durabilidade e vida útil do mesmo, quais as vantagens e desvantagens de
trabalho, o tipo de material empregado na sua fabricação e que pontos positivos se obtém a ter
o equipamento resultando a uma ecologia industrial satisfatória. Também não podemos deixar
de citar o assunto mais importante que engloba o equipamento em geral que é o estudo da
caracterização de um sistema centrífugo para a remoção eficiente de partículas finas de
emissões gasosas. Alguns estudos realizados para filtragem de poeiras finas são
economicamente penalizantes para instalações de pequena e média dimensão. Coletores
mecânicos, como ciclones, são interessantes sob o ponto de vista de baixo custo para
fabricação, trabalha a elevadas temperaturas e pressões, apresentam eficiências de captura
pouco elevada para partículas finas, pelo que não são geralmente utilizados na sua remoção.
Como o sistema funciona a seco e não tem partes móveis, é de fácil adaptação a escalas
industriais.
Palavras-chave: Fabricação. Equipamento. Ecologia Industrial.
ABSTRACT
The objective is to show the design of a cyclone over the interpretation of technical design, as
its route was performed with the use of tools, how it developed the process of cutting the
pieces, made the finishing equipment. How it developed from the assembly process and the
type of solder used, the machines used for bending and calendering. How the equipment
works, how to provide maintenance for durability and useful life, what advantages and
disadvantages of work, type of material used in its manufacture and strengths that you get to
have the equipment resulting in an industrial ecology satisfactory. Nor can we fail to mention
the most important subject which includes the equipment in general is to study the
characterization of a centrifuge system for efficient removal of fine particles from gas
emissions. Some studies for filtering fine dust are economically disadvantageous to facilities
for small and medium size. Mechanical collectors such as cyclones, are interesting from the
standpoint of low cost to manufacture, works at high temperatures and pressures, have rather
high capture efficiencies for fine particles, so they are not generally used in their removal.
How the system works to dry and has no moving parts, is easy to adapt to industrial scales.
Keywords: Manufacturing. Equipment. Industrial Ecology.
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
AISI American International Steel Institute
EPI Equipamento de Proteção Individual
NBR Normas Brasileira
TIG Tungsten Inert Gás
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Máquina de Solda Utilizada no Processo de Fabricação do Ciclone......................19
Figura 2 – Máquina Para Dobrar Chapas..................................................................................21
Figura 3 – Máquina Utilizada no Cisalhamento (Corte) de Chapas.........................................22
Figura 4 – Compressor e Plasma..............................................................................................23
Figura 5 – Operador Cortando Chapa com o Plasma...............................................................24
Figura 6 – Ciclone Separador...................................................................................................25
Figura 7 – Exemplo de Multiciclones.......................................................................................28
Figura 8 – Esquema do Fluxo de ar Dentro do Ciclone............................................................32
Figura 9 – Guincho Utilizado Para Mover o Equipamento......................................................35
Figura 10 – Equipamento com a Montagem e Acabamento Finalizados.................................36
Figura 11 – Equipamento com a Montagem e Acabamento Finalizados.................................37
Figura 12 – Características de Funcionamento do Equipamento..............................................38
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Cronograma da Realização do Trabalho no ano de 2010.......................................16
Tabela 2 – Características da Solda pelo Processo TIG...........................................................18
Tabela 3 – Recomendações de Corrente Para Cada Bitola.......................................................20
Tabela 4 – Bicos Mais Usuais no Processo de Corte de Chapas com Plasma..........................24
Tabela 5 – Composição Química do Aço.................................................................................43
Tabela 6 – Propriedades Físicas do Aço...................................................................................43
Tabela 7 – Propriedades Mecânicas do Aço - estado solubilizado...........................................44
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................12
1.1 TEMA...............................................................................................................................13
1.2 PROBLEMA....................................................................................................................13
1.3 OBJETIVOS.....................................................................................................................13
1.3.1 Objetivo Geral..............................................................................................................14
1.3.2 Objetivo Específico......................................................................................................14
1.3.2.1 Impacto Econômico....................................................................................................14
1.3.2.2 Impacto Social............................................................................................................15
1.3.2.3 Impacto Ambiental.....................................................................................................15
1.3.2.4 Impacto Pessoal..........................................................................................................15
1.4 CRONOGRAMA............................................................................................................16
1.5 INFRA-ESTRUTURA...................................................................................................16
1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS................................................................24
1.7 INSTRUMENTOS DE COLETA DE DADOS............................................................25
2 REVISÃO DE LITERATURA........................................................................................26
3 CICLONE E SUA UTILIZAÇÃO...................................................................................28
3.1 DESVANTAGENS DO CICLONE..............................................................................30
3.2 VANTAGENS DO CICLONE........................................................................................30
3.3 CARACTERÍSTICAS GERAIS DO CICLONE.........................................................31
3.4 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DO CICLONE.........................................33
3.5 MONTAGEM DO CICLONE.......................................................................................34
4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO CICLONE................................................38
5 CONCLUSÃO...................................................................................................................39
REFERÊNCIAS......................................................................................................................40
ANEXOS..................................................................................................................................42
ANEXO A TABELA DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA, PROPRIEDADES FÍSICAS E
MECÂNICAS DO MAETRIAL UTILIZADO NA FABRICAÇÃO DO CICLONE.............43
1 INTRODUÇÃO
Dia após dia empresas estão buscando soluções no desenvolvimento de novos
projetos de máquinas e equipamentos industriais, com o objetivo de alcançar o melhor nível
de perfeição com confiabilidade e agilidade nos serviços prestados, buscando a evolução
tecnológica e preservação do meio ambiente. A maioria das empresas em geral procura
equipamentos com baixo custo como, energia, vapor, mão-de-obra operacional, manutenção,
eficiência nos processos através da qualidade total, alta durabilidade e preservação a fauna e a
flora, pois máquinas e equipamentos industriais sempre resultaram em impactos negativos no
meio ambiente. Por isso nas últimas décadas, o capital natural do planeta vem sofrendo
modificações como resultadas da poluição industrial, não somente por via do ar, mas também
do solo, da água, fontes sonoras, luminosa entre outras. Por isso clientes procuram por
máquinas e equipamentos que não afetam o meio, assim tendo um impacto muito positivo
com o planeta e consigo mesmo, gerando empregos. O Ciclone vem com o intuito de resolver o
problema de poluição atmosférica causado pela a emissão de gases poluentes ou partículas ao ar.
Esse equipamento é usado em indústrias como fundições, caldeirarias, refinarias de petróleo e em
muitos outros casos que se exigem um sistema antipoluição.
12
1.1 TEMA
O tema deste trabalho descreve o uso de um ciclone que é um equipamento
adequado para a separação de partículas dentro do fluxo de gás ou ar, tanto em sistemas de
controle ambiental quanto nos processos industriais, como na classificação de partículas.
1.2 PROBLEMA
Com o uso deste equipamento a tendência de material particulado em indústrias
ou refinarias tende a diminuir evitando a poluição, com objetivo de auxiliar na proteção
dinâmica de mistura em sistemas de aspiração de fluxos contaminados efetuando a limpeza de
gases, vapores de processos e entre outros fatores deixando o meio ambiente livre de
contaminações de processos industriais.
1.3 OBJETIVOS
O principal objetivo deste trabalho é criar um equipamento capaz de separar as
partículas carregadas pelo fluxo de gás, retirando-as do fluxo gasoso.
13
1.3.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem como objetivo geral apresentar um equipamento com baixo custo,
baixa perda de carga, resistência à corrosão e temperatura, simplicidade de projeto e
manutenção.
1.3.2 Objetivo Específico
Pesquisar em livros, artigos, manuais, internet, teorias a respeito do
trabalho e também citar seus autores.
1.3.2.1 Impacto Econômico
Com o desenvolvimento do equipamento esperamos gerar um impacto ao resultar
a diminuição de poluição, contaminação e outros fatores que resultam em pontos negativos
para a indústria atual, transformando todo esse particulado em um lixo seguro longe da
natureza, atingindo assim a economia sem poluição atmosférica, tendo modernização
continua, aumento da estabilidade do faturamento, tributos pagos ao governo, investimentos e
aumento de exportações (relacionamento com o mercado externo).
14
1.3.2.2 Impacto Social
Desenvolvimento da comunidade, sociedade, segurança do trabalho, saúde
ocupacional, responsabilidade social, treinamento, cumprimento das práticas trabalhistas,
seguridade dos direitos humanos.
1.3.2.3 Impacto Ambiental
O principal impacto que o meio ambiente obterá será a redução das emissões de
gases nocivo de efluentes e de resíduos, consumo consciente dos recursos água e energia,
conformidade com as normas ambientais, exigência de um posicionamento sócio-ambiental
dos fornecedores, uso racional dos materiais utilizados na produção, investimentos na
biodiversidade, programa de reciclagem e programa ambiental.
1.3.2.4 Impacto Pessoal
Com o estudo deste trabalho se espera adquirir mais conhecimento sobre
montagem, funcionamento, manutenção, custos, potencia e força de trabalho do equipamento,
pois trabalho na área de fabricação e normalmente só tem ocorrido atuação na fabricação das
peças e se tem informações superficiais de cada equipamento fabricado.
15
1.4 CRONOGRAMA
Tabela 1 – Cronograma da Realização do Trabalho no ano de 2010.
Trabalho de Conclusão de
Curso
Meses Determinados
Fevereiro Março Abril Maio Junho
Pesquisas X X X X XColeta de Dados, Arquivos, Fotos e Montagem do
TrabalhoX X X X X
Desenvolvimento X XAnálise dos
Dados e Conclusão
X X
Apresentação do TCC
X
Fonte: Arquivo Pessoal
1.5 INFRA-ESTRUTURA
Esta etapa do estudo apresenta material utilizado na construção do equipamento,
composição química, propriedade mecânica e física do material, máquinas, ferramentas, tipo
de solda, tabela com características de gases, tabela com característica de solda pelo processo
TIG (Tungsten Inert Gás), tabela de corrente continua e entre muitos outros dados utilizados
para dar a continuidade do desenvolvimento no processo de fabricação do Ciclone.
O material utilizado na construção do Ciclone foi o Aço Inox. Este tipo de aço não
é eterno e sim apresenta, na maioria das vezes, uma maior resistência à corrosão, quando
exposto a um determinado meio ou agente agressivo. Apresenta também uma maior
resistência à oxidação a altas temperaturas em relação a outras classes de aços. A resistência à
oxidação e corrosão do aço inoxidável se deve principalmente a presença do cromo, que a
partir de um determinado valor (aproximadamente 12%) e em contato com o oxigênio,
16
permite a formação de uma película finíssima de óxido de cromo sobre a superfície do aço,
que é impermeável e insolúvel nos meios corrosivos usuais. O aço é um material
desenvolvido a partir de ligas produzidas industrialmente sob rígido controle. Têm ótimas
condições mecânicas, alta resistência, boa trabalhabilidade, homogeneidade e menores graus
de incerteza no seu comportamento. Em decorrência disso, os coeficientes de segurança são
bem baixos o que garante otimização no uso do material que é 100% reciclável
A soldagem nos dias de hoje se encontra muito utilizada não só no ramo da
indústria, mas também na construção mecânica e naval, alem da engenharia civil. O processo
de solda utilizado no equipamento se chama solda TIG, é a união de metais pelo aquecimento
destes com um arco entre um eletrodo não consumível de tungstênio. O mesmo funciona
através do eletrodo preso a uma tocha. Por essa mesma tocha é insuflado o gás que ira
proteger a solda contra a contaminação da atmosfera. O eletrodo não é consumível e tem o
papel de servir como um dos terminais do arco que ira gerar o calor para o processo. Ao
aproximar-se da sua temperatura de fusão (3410º C), o tungstênio torna-se termo-iônico,
como fonte disponível de elétrons. Ele alcança essa temperatura através de aquecimento por
resistência e, caso não houvesse um forte efeito de resfriamento pela saída dos elétrons de sua
extremidade, esta ponta poderia fundir-se. A extremidade do eletrodo, ou seja, a ponta do
mesmo, normalmente é preparada pelo:
* Arredondamento: utilizado em processo CA (Corrente Alternada)
* Esmerilhamento: Para permitir maior estabilidade do arco, as pontas cônicas dos
eletrodos devem ser obtidas a partir do esmerilhamento, com o eletrodo perpendicular ao eixo
do rebolo. O rebolo deve ser exclusivo para eliminar a possibilidade de contaminação do
eletrodo.
* Afiação Química: Consiste em colocar o eletrodo em contato ao nitrato de sódio
dentro de um recipiente, isso causa uma reação em toda a circunferência e da extremidade do
eletrodo. Fazendo isso varias vezes forma-se a ponta cônica desejada.
17
A máquina de solda (Figura 1) utilizada no processo de fabricação do ciclone é do
modelo Merkle Balmer BR 425 com corrente de regulagem de 40/425 A, arame de solda de 0,8 a 1,6 mm
480S atualmente usada para soldar ligas de alumínio, de magnésio, de titânio e aços
inoxidáveis, entre outros. A solda produzida é de muito boa qualidade, as características
básicas desta solda estão reunidas na tabela 2.
Tabela 2 – Características da Solda pelo Processo TIG.
Tipo de Operação-manual ou automática-
EquipamentoRetificador, gerador ou transformador
TochaCilindros de gases com dispositivo para
deslocamentoCaracterísticas do processoTaxa de deposição: 0,2 a 1,3 kg/hEspessura da solda: 0,1 a 50 mmPosição de solda: todasTipos de junta: todasDiluiçãoCom metal de adição: 2 a 20%Sem metal de adição: 100%Faixa de corrente: 10 a 400 A
Custo do equipamento1,5(manual) a 10 (automático)
(solda com eletrodo revestido = 1)
ConsumíveisVaretas
Gases de proteção e purezaEletrodo de Tungstênio
Vantagens:Produz soldas de alta qualidade, solda a maioria dos metais e ligas, poça de fusão calma, fonte de calor concentrada, minimizando ZAC e distorções, processo de fácil aprendizagem.
LimitaçõesProcesso com baixa taxa de deposiçãoImpossibilidade de solda em locais com corrente de arPossibilidade de inclusão de tungstênio na soldaEmissão intensa de radiação ultravioleta.
Segurança:Proteção ocular.Proteção da pele para evitar queimaduras pela radiação ultravioleta.
Fonte: Apostila Solda TIG (SENAI)
18
A soldagem TIG (Figura 1) é um processo manual, mas pode ser mecanizado e até
mesmo automatizado. O equipamento básico é formado por:
* Pistola (tocha) com bocal para direcionar o gás protetor ao redor do arco e um
mecanismo de garra (pinça) para fixar e energizar o eletrodo de tungstênio.
* Suprimento de gás de proteção (cilindro de gás Argônio ou Helio).
* Regulador redutor de pressão de gás e medidor de vazão.
* Fonte de energia.
* Dispositivo de alta freqüência para abertura do arco.
Figura 1 – Máquina de Solda Utilizada no Processo de Fabricação do Ciclone.
Fonte: Arquivo Pessoal
19
O eletrodo de tungstênio por sua vez tem o maior ponto de fusão de todos os
metais (3.510°C) o que permite a fabricação de eletrodos não consumíveis. Outra razão para a
utilização desse material é que o tungstênio é um grande emissor de eletrodos que ionizam o
gás e mantém o arco estável. Na tabela 3, observam-se as principais recomendações de
corrente para cada bitola.
Tabela 3 – Recomendações de Corrente Para Cada Bitola.
Corrente Continua – Polaridade Direta
Diâmetro dos Eletrodos de Tungstênio Eletrodos de Tungstênio Tipo: EWP, EWTH-1,
EWTH-2
mm Polegada Faixa de Corrente
1,6
2,0
2,4
3,2
4,0
1/6”
5/64”
3/32”
1/8”
5/32”
50 – 80 A
80 – 120 A
100 – 180 A
150 – 250 A
250 – 400 A
As faixas de corrente são em Ampér baseadas na utilização de Argônio.
Fonte: Apostila Solda (SENAI)
A solda TIG é usada em espessuras delgadas devido ao excelente controle da
fonte de calor. É usada também para execução de passes de raiz de tubulações, conexões e
outras uniões que não permitem o acesso pelo lado oposto da junta, especialmente aquelas que
apresentam alto grau de risco.
Cada processo de solda tem sua eficiência térmica e, portanto, coloca mais ou
menos calor na peça. A junta deve ser tal que, no caso do processo introduzir muito calor na
peça, ela possa dissipar essa energia térmica.
Alguns cuidados básicos a ser seguidos no processo de soldagem de aço inox:
Usar material de adição com composição química o mais próximo possível
do material a ser soldado.
Evitar poças de fusão muito grandes para evitar trincas de solidificação na
solda.
20
As juntas devem ser limpas, por processo de escovamento,
esmerilhamento e decapagem química.
Utilizar apenas escovas de aço inox.
Não utilizar as ferramentas usadas no aço inox, nas operações com aço
carbono.
A Máquina usada para dobrar chapa que, também é usada na fabricação do
equipamento foi a “dobradeira” (Figura 2). Ela por sua vez é capaz de trabalhar em diversos
tamanhos e bitolas. São máquinas muito utilizadas em fábricas metalúrgicas, e foi projetado
com a finalidade de dar ângulos ou inclinações em chapa.
Figura 2 – Máquina Para Dobrar Chapas.
Fonte: Arquivo Pessoal
21
Em continuação a máquina utilizada no corte das peças (Figura 3) foi à guilhotina
modelo IMAG. Ela é uma máquina destinada ao cisalhamento de materiais como chapas
metálicas, suportando cortar chapas de até 3,5 mm de espessura galvanizada ou inox. São
máquinas precisas e versáteis, que apresentam estrutura reforçada, apropriada para resistir às
mais diversas solicitações por isso é muito utilizada no setor de metal mecânica. Seus cortes
são acionados por um pedal e mecanicamente por motor, o que reduz o tempo ocioso e
dispensa o volante, garantindo a segurança do operador. Estão equipadas com facas de aço
cromo e silício com ligas de tungstênio, presas por um sistema de parafusos que facilita sua
retirada para a afiação. Essas facas de aço possuem quatro lados para uso de corte.
Figura 3 – Máquina Utilizada no Cisalhamento (Corte) de Chapas.
Fonte: Arquivo Pessoal
22
No corte das chapas também foi utilizado um equipamento de corte à plasma
modelo Sumig Prof 122 (Figura 4) e um Compressor de ar comprimido de trabalho
pneumático Modelo Chiaperini cj 20 APV 200L, pressão máx. 12 kgf/cm. Diversos materiais
condutores de eletricidade podem ser trabalhados pelas máquinas de corte a plasma, como as
chapas de alumínio, aço-carbono, inox, ferro etc. Nos aços inoxidáveis, o corte de chapas
muito espessas não é possível, mas as chapas finas, ao serem cortadas (Figura 5), apresentam
excelentes resultados.
Figura 4 – Compressor e Plasma.
Fonte: Arquivo Pessoal
23
Figura 5 – Operador Cortando Chapa com o Plasma.
Fonte: Arquivo Pessoal
Os bicos mais usados nos processos de corte tanto na fabricação do equipamento
quanto em outros processos de corte são:
Tabela 4 – Bicos Mais Usuais no Processo de Corte de Chapas com Plasma.
0 - 12 mm 1,10 mm 0 - 50 A12 - 24 mm 1,30 mm 50 - 90 A24 - 30 mm 1,60 mm 90 - 120 A
Fonte: Arquivo da Empresa, (Prestatti Equipamentos Industriais LTDA).
1.6 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Este trabalho contém várias elaborações tais como pesquisas, dados, referências,
autores e trabalhos conclusivos de outros cursos, focados no mesmo assunto. Define-se então
como pesquisa exploratória, na qualidade de parte integrante da pesquisa principal, como o
24
estudo preliminar realizado com a finalidade de melhor adequar à realidade que se pretende
conhecer com o trabalho proposto.
Em outras palavras, a pesquisa exploratória, ou estudo exploratório, tem por
objetivo conhecer a variável de estudo tal como se apresenta, seu significado e o contexto
onde ela se insere. Nessa concepção, esse estudo tem um sentido geral diverso do aplicado é
realizado durante a fase de planejamento do equipamento, como se destina a obter
informações verdadeiramente as características gerais.
1.7 INSTRUMENTOS DE COLETA DE DADOS
A pesquisa buscou através de imagens e dados técnicos do equipamento utilizado
na área da industrialização demonstrar o funcionamento e características gerais do mesmo.
Após essa avaliação buscou-se através de documentos como manuais, livros e formulários,
diagnosticar o ciclone, com o objetivo de identificar o funcionamento e perfil como, por
exemplo, o Ciclone Separador indicado pela figura 6 abaixo.
Figura 6 – Ciclone Separador
Fonte: Editora F. Provenza “Projetista de Máquinas”
25
2 REVISÃO DE LITERATURA
Os ciclones têm sido utilizados desde o século XIX para separar partículas sólidas
em escoamentos de suspensões fluido-partículas.
Nas últimas décadas, muitos pesquisadores, entre eles, Barth, (1956); Dietz,
(1981); Bloor e Ingham, (1987); Iozia e Leith, (1990); têm dado maior atenção aos ciclones
industriais, e modelos têm sido desenvolvidos para determinar os parâmetros-chave de
desempenho, tais como curvas da eficiência de separação e queda de pressão pelo ciclone.
No modelo de Barth (1956), a velocidade terminal é calculada para as partículas
estáticas, baseadas no balanço exato entre a força centrífuga e de arraste. A eficiência de
coleta para qualquer partícula é determinada pela razão da velocidade do fluido com a
velocidade terminal da partícula.
Leith e Licht (1972) desenvolveram outra aproximação para a modelagem de
ciclones bastante difundida, assumindo que a turbulência mantém constante a concentração
das partículas a qualquer altura do ciclone. Esta teoria permite o cálculo direto da eficiência
de coleta para partículas de qualquer tamanho em qualquer modelo de ciclones, entretanto
existe evidência experimental da ocorrência de gradientes de concentração na direção radial.
Uma teoria híbrida desenvolvida por Dietz (1981) divide o ciclone em três
regiões: a entrada, fluxo descendente ou anular, e fluxo ascendente ou centro. Dietz assumiu
que a turbulência produz um perfil de concentração radial para partículas que não foram
coletadas dentro de cada região.
Mothes e Löffler (1984) estenderam os conceitos de Dietz em diferentes regiões
de fluxo dentro do ciclone para incluir uma quarta região próxima à saída de sólidos, e
consideraram também uma difusividade turbulenta finita tanto na região de fluxo ascendente
como descendente. Essa aproximação evita a descontinuidade presente no modelo de Dietz
(1981) e o transporte das partículas em ciclones é então vista como uma imposição do
movimento difusivo com um deslocamento médio determinado.
Iozia e Leith (1990) baseados na teoria de Lapple (1951) e Barth (1956)
propuseram uma função lógica para descrever a eficiência fracionaria para ciclones com
geometrias que eram variações do ciclone Stairmand de alta eficiência.
26
Clift (1991) modificaram a estimativa do tempo médio de residência do gás e
obtiveram a equação da eficiência baseada nas suposições originais da teoria de Leith e Licht
(1972).
Kim e Lee (1997) propuseram uma teoria para ciclones de alta eficiência baseada
nas características da camada limite. Esta teoria divide o ciclone em duas partes, a região
turbulenta e a próxima à parede. Na região turbulenta, as trajetórias das partículas são
calculadas a partir do movimento médio do fluido e a probabilidade de coleta das partículas
que estão na região próxima à parede é calculada em função da velocidade de deposição
resultante da difusão turbulenta e da força centrífuga.
A eficiência pode aumentar quando a concentração de sólidos aumenta, pois as
partículas mais grossas carregam as mais finas para a circunferência do ciclone, onde elas são
coletadas (Fassani e Goldstein 2000). Para determinar a influência da concentração de sólidos
na eficiência de coleta, Mothes e Löffler (1984) mediram–na com várias concentrações de
sólidos pesando as partículas no funil, Hoffman, (1992) também obtiveram a eficiência dessa
maneira. Zhao e Pfeffer (1997) mostraram que a eficiência total poderia ser obtida usando a
expressão da eficiência de um ciclone simplesmente mudando o diâmetro de partícula pelo
diâmetro máximo médio das partículas de uma dada distribuição.
A maioria das teorias anteriores considera somente a região central, desprezando a
camada limite próxima à parede. De acordo com Kim e Lee (2001), a velocidade na camada
limite formada na parede do ciclone tem um importante papel como barreira para a deposição
das partículas devido à diminuição da força centrífuga próxima à parede. Então eles
desenvolveram um modelo para pequenos ciclones onde a difusão turbulenta na região central
do fluxo e o movimento das partículas dentro da camada limite são considerados. As curvas
de eficiência obtidas apresentaram boa concordância com os dados experimentais.
De acordo com Hoffman (2002) Muschelknautz (1970) melhorou a teoria de
Barth (1956), considerando os efeitos de concentração das partículas, da rugosidade da
parede, do fluxo secundário, e da mudança na distribuição de partículas dentro do ciclone na
eficiência de coleta e na queda de pressão.
Avci (2003) desenvolveram um modelo para calcular o diâmetro de corte e as
eficiências fracionais em separadores ciclônicos, considerando os efeitos do fluxo, parâmetros
geométricos e aceleração das partículas, assumindo que a mistura do fluido com as partículas
é homogênea. Os resultados mostraram boa concordância com os dados experimentais para
diferentes tipos de ciclones. Foi feita também a comparação deste modelo com as correlações
27
empíricas existentes na literatura, mostrando mais uma vez que este modelo está apto para
determinar a desempenho de coleta.
Zhao (2005) desenvolveu um método de avaliação da eficiência, baseado na
investigação do modelo do fluxo e nas teorias de separação do tamanho crítico da partícula e
de separação da camada limite.
3 CICLONE E SUA UTILIZAÇÃO
Os ciclones podem ser utilizados individualmente, ou em grupos, denominados
multiciclones (Figura 7).
Figura 7 – Exemplo de Multiciclones.
Fonte: www.tersel.com.br
Em configurações em série ou paralelo. As configurações em série são recomendadas
quando:
28
*A distribuição de partículas é muito ampla, com partículas de tamanhos menores que
10 ou 15 μm até com partículas muito grandes e abrasivas (partículas menores removidas pelo
ciclone de alta velocidade e partículas maiores removidas pelo ciclone de baixa velocidade).
*As partículas são finas, mas ocorre floculação em um equipamento precedente ou no
próprio ciclone.
As configurações em paralelo são indicadas se a vazão de gás a tratar for muito
grande, respeitando a queda de pressão. O arranjo de vários ciclones simples em paralelo
constitui a unidade acima anteriormente citada como multiciclones. Através deste artifício,
um grande volume de ar pode ser tratado utilizando-se unidades de pequenos diâmetros com
grande aceleração centrifuga associada, resultando em uma maior captação. Usualmente
projeta-se uma unidade, mas se a eficiência requerida for alta, devem-se adotar ciclones em
paralelo.
No caso de uso de mais de um ciclone é necessário ter-se em mente que o arranjo em
série aumenta a eficiência de coleta desde que configurado para isto. Já o arranjo em paralelo
não aumenta a eficiência e sim a vazão do produto. Por isso estes equipamentos são
largamente utilizados nas indústrias químicas, siderúrgicas, de plásticos, cimento, cal,
mineração, alimentos, celulose entre outras. Uma vez instalados, dispensam qualquer tipo de
manutenção.
Também são normalmente empregados em:
• Controle de poluição.
• Coletagem de produtos após secadores de leito fluidizado, pneumáticos ou
“spray dryer”.
• Indústrias alimentícias, onde o produto desejado é um pó e as contaminações
com pequenas fibras de um filtro de tecido não podem ser toleradas
• Limpeza prévia em linhas que tenham coletores que retém a maioria das
partículas finas.
• Pré-coleta nos sistemas de despoeiramento como equipamento auxiliar nos
filtros de mangas.
• Processos químicos como reator químico, trocador de calor, para secagem de
materiais granulares e combustão de óleo.
29
• Refinarias de petróleo: utilizado para assegurar a continuidade do processo
para obtenção da gasolina, retendo o catalisador impedindo sua emissão para a atmosfera,
evitando a perda e o efeito poluente.
• Reciclagem e limpeza de cartuchos laser (toner): elimina totalmente o pó
através de seu alto poder de sucção, deixando o cartucho pronto para a recarga
• Retenção de particulados emitidos pela combustão de carvão, óleo diesel, lenha
entre outros.
3.1 DESVANTAGENS DO CICLONE
• Baixa eficiência para partículas menores que 5 mm;
• Excessivo desgaste por abrasão;
• Possibilidade de entupimento;
• Grande consumo de água;
• Geração de resíduos;
• Unidades de alta eficiência causam alta queda de pressão (alto custo operacional);
• Não é aconselhado para partículas muito viscosas e pegajosas.
3.2 VANTAGENS DO CICLONE
• Baixo custo;
• Baixa perda de carga;
• Resistência a corrosão e temperatura;
• Simplicidade de projeto e manutenção;
• Possibilidades de coletar partículas e gases ao mesmo tempo;
30
• Tamanho reduzido;
• Retenção de partículas sem necessidade de filtros;
• Ocupa pouco espaço;
• Os ciclones constituem um dos sistemas mais econômicos para a separação de gases e
partículas.
3.3 CARACTERÍSTICAS GERAIS DO CICLONE
O ciclone é composto por uma parte cônica e outra cilíndrica, que juntas formam
o corpo do mesmo. A entrada do ciclone é usualmente tangencial à parede da parte cilíndrica
próxima ao topo. O tubo de saída do gás, usualmente chamado de vórtex ou finder, é fixo na
parte superior do ciclone. Os ciclones de alta eficiência chegam a reter acima de 95% de
particulados muito finos e 100% de particulados com granulométria acima de 0,5 mm.
As perdas de carga nos ciclones são relativamente grandes e aumentam à medida
que o diâmetro do ciclone diminui. As perdas de carga são causadas por:
• Por atrito no duto de entrada
• Por contração e expansão na entrada
• Por atito nas paredes
• Perdas cinéticas no ciclone
• Perdas na entrada do tubo de saída
• Perdas de pressão estática entre a entrada e a saída
• Recuperação no tubo de saída
31
Quando o ar entra no ciclone flui para baixo em uma espiral ou vórtice adjacente a
parede. Quando o ar se aproxima do fundo cônico, ele volta a subir em uma pequena espiral
no centro do cone e do cilindro. Por conseguinte, forma-se um duplo vórtice onde as espirais
descendentes e ascendentes giram em mesmo sentido (Figura 8). Um ciclone é um dispositivo
de precipitação em que as forças que arrastam a partícula para fora estão em altas velocidades
tangenciais, sendo várias vezes superiores a força da gravidade; portanto, os ciclones
permitem separações muito mais efetivas que as câmaras de precipitação por gravidade.
Os limites de operação dos ciclones são temperaturas de 1000 °C e pressões de
500 atm (Perry, 1984).
Figura 8 – Esquema do Fluxo de ar Dentro do Ciclone.
Fonte: www.sitape.com.br
32
3.4 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DO CICLONE
Para traçar um cone de inox para um ciclone. É utilizada uma chapa AISI
(American International Steel Institute) Inox 304 E 3 mm, 2.241 x 2.340 mm, trena para
medição, riscador para marcar medidas, uma barra redonda maciça galvanizada de 2.500 mm
x 3/8” para dar os raios de 589 mm e 234 mm. Também foi utilizado um guia com a ponta
feita de widea e a superfície superior adaptada com um parafuso galvanizado 3/8”x1/2” para
dar o aperto a barra redonda para a mesma não se movimentar no momento de gerar o raio
acima proposto. O traçado foi feito no chão da fábrica, pois o diâmetro do cone era muito
grande e precisava-se visualizar o tamanho da chapa a ser utilizada. Foi usada duas chapas de
inox. A primeira de 2.300 x 1.256 mm e a outra de 2.035 x 1.256 mm. As duas chapas foram
unidas pela solda TIG com vareta de inox 2,3 mm. O soldador apenas gerou alguns cordões
de solda para a chapa poder ser calandrada com o grau determinado e cortada
apropriadamente. No processo de corte foi usado o plasma com o bico 1.3. Logo depois do
corte o trabalho continua com o acabamento da peça utilizando uma lixadeira e um disco de
flap 7” modelo Norton 7” ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas ) NBR (Norma
Brasileira) 14.960. Os seguintes EPI (Equipamentos de Segurança Individual), foram
utilizados no momento do acabamento:
* Jaleco, Calça e Botas, vestimentos necessários para trabalho de uso individual.
* Luva tipo Raspa, é destinada a proteger os dedos ou as mãos contra cortes ou
queimaduras provocadas por rebarbas, chapas mal acabada, ou peças com temperaturas
elevadas.
* Óculos incolor, seu uso é indispensável para evitar a entrada de partículas no
globo ocular.
* Respirador facial, previne contra a intoxicação via inalação de agentes químicos
e poeiras no ambiente de trabalho.
* Avental tipo Raspa, oferecem proteção para o tronco humano contra agentes
químicos, fagulhas, óleos, graxas e etc.
* Protetor auditivo tipo Concha, destinados para proteger a audição impedindo
que o ruído chegue ao interior do aparelho auditivo com níveis acima do permitido.
33
Faz-se necessário também o uso de EPI por ocasião de agentes físicos presentes
como:
* Calor: Situação de desconforto em função de elevada temperatura.
* Ruído: Qualquer sensação sonora considerada indesejável.
* Vibrações: Oscilação pôr unidade de tempo de um sistema mecânico.
Por fim a chapa bruta em seu estado natural se transforma em uma peça com
medidas anteriormente propostas por um desenho, então ela será calandrada novamente com o
seu fechamento total em grau. O trabalho terminará com o processo de solda TIG utilizada
para unir uma ou mais partes metálicas garantido na junta suas propriedades físicas, químicas,
metalúrgicas e mecânicas.
3.5 MONTAGEM DO CICLONE
Para montagem do ciclone foram unidas todas as peças pelo processo de solda
TIG, colocando-as em contato, uma com a outra, e aquecendo as superfícies da mesma de
modo a levá-las a um estado de fusão. Cada peça foi ajustada com a ajuda de ferramentas
auxiliares para poder deixá-la perfeitamente alinhada conforme o desenho determinava. O
soldador com ajuda do seu auxiliar uniam cada parte metálica com pequenos cordões de
solda, para a mesma de inicio ser somente montada. Foi de grande importância e necessidade
para o trabalho ser realizado, o uso de um guincho (Figura 9), pois o mesmo tem uma
capacidade imensa de erguer cargas. Seu gancho foi desenvolvido com o intuito de suportar
uma carga de cinco toneladas.
34
Figura 9 – Guincho Utilizado Para Mover o Equipamento.
Fonte: Arquivo pessoal
Ao operador do guincho foi solicitado para erguer o equipamento e gira-lo no
sentido anti-horário para dar continuidade a montagem. Após o ciclone ser girado o soldador
termina o processo de montagem com a junção dos pontos onde faltava solda. A maior
dificuldade encontrada para a fabricação desse equipamento foram alguns erros de projeto que
se encontravam no desenho, como por exemplo, medidas que não permitiam encaixe de uma
peça na outra. Assim, o soldador teve que fazer um pequeno reparo. Com a ajuda de um
sargento ele puxou a parte do cone onde o diâmetro era maior para encaixa na parte do tubo,
ou seja, a parte do corpo do ciclone onde o diâmetro era menor produziu um cordão de solda,
mas esse ajuste não é muito comum, pois os desenhos vêm com medidas, raios e ângulos
unicamente para a execução e perfeição do trabalho. Logo após esse reparo o ciclone está
pronto para ser levado ao acabamento onde o operador do guincho foi solicitado novamente
para erguer o equipamento e levá-lo ao lado de fora da fábrica. Estando lá fora o acabamento
é dado com um gel decapante, normalmente utilizado para devolver as características
originais de cor do material, pois o aquecimento da solda faz com que o inox fique
carbonizado e o gel devolve suas propriedades de tonalidade. Para o manuseio desse produto é
necessário alguns cuidados exigidos pela empresa como, o uso do protetor facial, óculos
incolor, respirador facial, luvas impermeáveis, avental raspa e as vestes obrigatórias no dia a
dia do trabalho, esses equipamentos de proteção são necessários por que o gel decapante é um
produto altamente corrosivo e tóxico, se ele entrar em contato com a pele pode causar lesões
35
fatais, e se chegar atingir os olhos pode lesionar resultando em uma grave perda de visão
chegando a resultar em uma perda total da mesma. Após o gel ser usado o equipamento está
pronto para ser lavado e ai então toda aquela tonalidade carbonizada causada pela solda
desaparecerá como ilustra abaixo, (Figura 10 e 11).
Figura 10 – Equipamento com a Montagem e Acabamento Finalizados.
Fonte: Arquivo Pessoal
36
Figura 11 – Equipamento com a Montagem e Acabamento Finalizados.
Fonte: Arquivo Pessoal
37
4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO CICLONE
O ciclone baseia-se na ação da força centrifuga que age sobre as partículas
carregadas pelo fluxo de gás, empurrando-as na direção das paredes, e retirando-as do fluxo
gasoso. Estão entre os antigos tipos de equipamentos da indústria de particulados. Eles têm sido
usados em diferentes processos industriais, tais como processos físicos de separação e reações
químicas. Os ciclones podem ser utilizados em operações de trabalhos extremas desde que usado
o material apropriado na sua construção.
Figura 12 – Características de Funcionamento do Equipamento.
Fonte: www.quebarato.com.br
38
5 CONCLUSÃO
O trabalho descrito propôs mais experiência na área de fabricação e montagem,
pois com a fabricação do equipamento obtive mais conhecimento sobre funcionamento de
maquinas e cuidados que se deve ter para trabalhar com as mesmas.
Com o uso do equipamento as indústrias teriam uma grande vantagem, pois
estariam contribuindo para uma ecologia industrial mais satisfatória consigo mesma e com a
população gerando empregos e assegurando um futuro mais promissor.
O equipamento em minha opinião deveria ser indispensável em indústrias
emissoras de gases como dióxido de carbono, pois são um dos maiores fatores que agravam a
poluição atmosférica em alguns países.
39
REFERÊNCIAS
Apostila: Solda TIG: Processos e Metalurgia; Editora Edgard Blucher LTDA; Coordenação: Emílio Wainer, Sérgio Duarte Brandi, Fabio Décourt Homem de Mello – São Paulo 2004 SENAI.
Apostila Solda TIG: Coordenação: Lucio Suckow; Diagramação: Alir Aparecida Schoroeder; Revisão Técnica: SENAI CIC/CETSM; ESAB – Matéria extraída da Revista TSQ. Catalogo. 8p; SENAI – SP. Solda.org Selma Ziedas e Ivanisa.
Projetista de Máquinas; Editora F. Provenza.
Apostila de Desenho Técnico 1. SENAI PR Curitiba, 2006, 163p.
Apostila Processo de Fabricação 1. SENAI PR Curitiba, 2001 169p.
Apostila Processo de Fabricação 3. SENAI PR Cód. Catalogo: 5800, pag. 72, 73, 75.
Manual de Integração e Normas da Empresa. PRESTATTI EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA.
PERRY, Teoria do Fluxo de ar Dentro do Ciclone. 1984
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LEITH, D.L.ICHT,W. The Collection Efficiency of Cyclone Type Particle collectors: A New Theoretical Appraach. AIChE Symp. Ser, vol. 68, pg. 196-206.1972.
DIETZ, P. W. Collection Eficiency of Cyclone Separators. AIChE, vol. 27 n°6, pg. 888-892, 1981.
MOTHES, H. AND F. LOFFLER. Motion and Deposition of Particles in a Cyclone. Chemie Ingenieur Technik, vol. 56 n°9, pg. 714-715, 1984.
IOZIA, D. L. AND D. LEITH. The Logistic Function and Cyclone Fractional Efficiency. Aerosol Science and Technology, vol. 12 n°3, pg.598-606. 1990.
CLIFT, R. M. GHADIRI. A Critique of two Models for Cyclone Performance. Aiche Journal, vol. 37 n°2, pg. 285-289, 1991.
KIM, C. H. LEE. J. W. A New Collection Efficiency Model for Small Cyclone considering the Boundary – Layer Effect. Journal of Aerosol Science, vol. 32, pg. 251-269, 2001.
FASSANI, F. L. L. GOLDSTEIN. A Study of the High Inlet Solids Loading on a Cyclone Separator Pressure Drop and Colletion Efficiency. Powder Technology, vol 107, pg. 60-65, 2000.
40
HOFFMANN, A. C. STEIN, L. E. Gas Cyclone and Twirl Tubes: Principles, Design and Operation. Springer, pg. 97-122, 2002.
MUSCHELKNAUTZ. E. Design of Cyclone Separators in the Engineering Pratice. Staub- Peinhalt, Luft, vol. 30 1970.
AVCI, A. Effects of Flow and Geometrical Parameters on the Collection Efficiency in Cyclone Separators. Journal of Personal Science, vol. 34, pg. 937-955, 2003.
ZHAO, B. Development of a New Method for Evaluating Cyclone Efficiency. Cheminal Engineering and Process, vol. 44, pg. 447-451, 2005.
41
ANEXOS
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ANEXO A TABELA DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA, PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DO MAETRIAL UTILIZADO NA FABRICAÇÃO DO CICLONE
Tabela 5 – Composição Química do Aço
AISI 420 AISI 304L AISI 316L
Carbono C Mín. 0,15% Carbono C Mín. 0,03% Carbono C Mín. 0,03%
Manganês Mn - 1,0% Manganês Mn - 2,0% Manganês Mn - 2,0%
Silício Si - 1,0% Silício Si - 1,0% Silício Si - 1,0%
Cromo Cr - 12 a 14%
Cromo Cr - 18 a 20%
Cromo Cr - 16 a 18%
Níquel Ni - - Níquel Ni - 8 a 12% Níquel Ni - 10 a 14%
Enxofre S Máx. 0,03% Enxofre S Máx. 0,03% Enxofre S Máx. 0,03%
Fósforo P - - Fósforo P Máx. 0,045% Fósforo P Máx. 0,045%
Molibidênio
Mo - - Molibidênio
Mo - - Molibidênio
Mo - 2 a 3%
Fonte: http://www.swill.com.br/P%C3%A1ginas/corrosao1.htm
Tabela 6 – Propriedades Físicas do Aço
AISI 420 AISI 304L AISI 316L
Módulo de Elasticidade PSI – Tração
29x106Módulo de Elasticidade PSI - Tração
28x106Módulo de Elasticidade PSI - Tração
28x106
Módulo de Elasticidade PSI - Torção
11.7x106Módulo de Elasticidade PSI - Torção
12.5x106Módulo de Elasticidade PSI - Torção
12.5x106
Densidade g/cm3 7.7 Densidade g/cm3 7.9 Densidade g/cm3 8.0
Permeabilidade magnética
Ferro Magnético
Permeabilidade magnética
1.02 Permeabilidade magnética
1.003
Calor Específico BTU/oC
0.11 Calor Específico BTU/oC
0.12 Calor Específico BTU/oC
0.12
Condutividade Térmica BTU/hr
11.4 Condutividade Térmica BTU/hr
9.4 Condutividade Térmica BTU/hr
9.0
Temperatura de Fusão oC
2.700 Temperatura de Fusão oC
2.550 a 2.650
Temperatura de Fusão oC
2.500 a 2.550
Fonte: http://www.swill.com.br/P%C3%A1ginas/corrosao1.htm
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Tabela 7 – Propriedades Mecânicas do Aço - estado solubilizado
AISI 420 AISI 304L AISI 316L
Resistência a Tração PSI
95x103 a 230x103
Resistência a Tração PSI
80x103
Resistência a Tração PSI
78x103
Limite de Escoamento PSI
50x103 a 195x103
Limite de Escoamento PSI
30x103
Limite de Escoamento PSI
30x103
Alongamento em % 25 a 8 Alongamento em % 55 Alongamento em % 55
Redução em Areia 55 a 25 Redução em Areia 65 Redução em Areia 65
Dureza Rockwell B-92-C-50 Dureza Rockwell B-76 Dureza Rockwell B-76
Dureza Brinell 195 a 500 Dureza Brinell 140 Dureza Brinell 145
Fonte: http://www.swill.com.br/P%C3%A1ginas/corrosao1.htm
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