Compressores - Conceito, Emprego e Aplicações em Diversas Indústrias

Compressores COMPRESSORES Conceito São máquinas operatrizes que transformam trabalho mecânico em energia comunicada a um gás preponderantemente sob forma de energia de pressão Pressurização permite ao gás deslocarse a longas distâncias em tubulações ser armazenado em reservatórios para ser usado quando necessário isto é acumular energia realizar trabalho mecânico atuando sobre dispositivos equipamentos e máquinas motrizes motores a ar comprimido por exemplo 2 Emprego e aplicações Além de ser empregado para comprimir o ar o compressor é aplicado a outros gases e mistura de gases sendo de imensa importância nas instalações químicas petroquímicas mecânicas na construção civil e outras mais A equipamentos à pressão de ar ou de ação fechada trabalhos submarinos inflagem de câmaras de ar de veículos embreagens e freios transporte pneumático fabricação de vidros e plásticos comandos pneumáticos à distância acionadores de êmbolos e pistões designados por atuadores 3 Emprego e aplicações B Equipamentos a jato de ar ou de ação livre resfriadores ou aquecedores de ar disjuntores elétricos pneumáticos ejetores e aspiradores industriais veículos sobre colchão de ar transporte pneumático de materiais pulverulentos fibrosos e granulados jateamento de areia pintura a pistola metalização projeção de revestimentos plásticos pulverização de combustíveis nos queimadores de óleo 4 Emprego e aplicações C Equipamentos e máquinas de percussão marteletes a ar comprimido martelospilões para forjadura desbastadores talhadeiras punções pneumáticas perfuratrizes de rocha bateestacas vibradores 5 Emprego e aplicações D motores a ar comprimido de pistões de palhetas de engrenagens E bombas de injeção de concreto F Máquinas ferramentas fixas e portáteis de toda a sorte empregadas em oficinas mecânicas furadeiras serras parafusadeiras etc 6 Emprego e aplicações G Automatização de operações industriais Comando de válvulas controle instrumentação e medição H abertura e fechamento de portas PSA Peugeot Citroën Sistema híbrido com ar comprimido httpswwwyoutubecomwatchvQIsYEd70QHk 7 Classificação Os compressores visam conseguir que a pressão do gás venha a alcançar uma pressão consideravelmente maior do que a pressão atmosférica Conforme as pressões pi inicial e pf final e a pressão efetiva 𝑝𝑒𝑓 𝑝𝑓 𝑝𝑖 Podemos ter A depressores bombas de vácuo 𝑝𝑒𝑓 0 B ventiladores 𝑝𝑒𝑓 0 alguns centímetros de coluna dágua sopradores 𝑝𝑒𝑓 0 até cerca de 02 kgfcm2 20 kPa 020 bar 28psi C Compressores pressões de 02 a 30 kgfcm2 30 MPa 29 bar 427psi Supercompressores pressões acima de 30 kgfcm2 8 Tipos de Compressores Tipo Simbolo Diagrama funcional Pressão bar Vol do fluxom³h Compressor de pistão tronco 10 1 fase 35 2 fases 120 600 Compressor de cabeçote cruzado 10 1 fase 35 2 fases 120 600 Compressor de diafragma baixa pequeno Compressor s pistão Uso limitado como gerador de gás Compressor de palhetas 16 4500 Compressor de anel líquido 10 Compressor de parafuso 22 750 Compressor de lóbulos ou roots 16 1200 Compressor de fluxo axial 10 200000 Compressor de fluxo radial 10 200000 Classificação compressores Compressores Volumétricos Alternativos Rotativos Palhetas Parafusos Lóbulos Dinâmicos Centrífugos Trajetória Radial Axiais Trajetória Axial Ejetores Classificação A Compressores de deslocamento positivo Gás é admitido em uma câmara de compressão que é por isso isolada do exterior Por meio da redução do volume útil da câmara sob a ação de uma peça móvel alternativa ou rotativa realizase a compressão do gás Quando a pressão na câmara atinge valor compatível com a pressão no tubo de descarga abrese uma válvula ou uma passagem e o gás da câmara é descarregado para o exterior A válvula nos compressores rotativos é desnecessária 11 Classificação B Compressores dinâmicos O gás penetra em uma câmara onde um rotor em alta rotação comunica às partículas gasosas aceleração tangencial e portanto energia Através da descarga por um difusor grande parte da energia cinética se converte em energia de pressão forma adequada a transmissão por tubulações a distâncias consideráveis e à realização de operações específicas 12 A Compressores de deslocamento positivo O conceito de deslocamento positivo já foi visto e o que foi enunciado com relação às bombas se aplica aos compressores 1 Compressores alternativos de pistão 2 Compressores rotativos de parafusos 3 Compressores rotativos de palhetas 4 Compressor de anel líquido 5 Compressor rotativo Roots 13 1 Compressores alternativos de pistão Podem ser de um cilindro usados para pressões de 6 a 8 kgfcm2 85 a 115 psi 06 MPa a 08 MPa 59 a 78 bar mais de um cilindro Neste caso existem os duplex com dois cilindros e dois pistões comandados por um único eixo motor os triplex com três cilindros e três pistões e existem outros de ainda maior número de cilindros Os compressores alternativos conforme atuação do pistão podem ser de simples efeito quando apenas uma das faces do pistão atua comprimindo o gás de duplo efeito quando ocorre a ação das duas faces do pistão sobre o gás Princípios de funcionamento do Compressor Alternativo à Pistão httpswwwyoutubecomwatchvKifAWK2hqDQ14 1 Compressores alternativos de pistão Podem ainda ser classificados em compressores de um estágio que possuem um só cilindro compressores de dois estágios ou duplo estágio nos quais o gás depois de sair do primeiro cilindro é resfriado e entra num segundo cilindro para receber nova compressão compressores de vários estágios nos quais o ar passa sucessivamente por vários cilindros O compressor necessita ser resfriado e esse resfriamento pode ser a ar ventilação natural ventilação forçada com ventilador ou água 15 1 Compressores alternativos de pistão Devemos fazer uma distinção entre os compressores convencionais de ar comprimido e os compressores de gases diversos chamados compressores de processo Estes possuem características construtivas e empregam materiais altamente resistentes à ação dos gases aos quais se destinam Como funciona um Compressor de Ar 16 Vantagens dos compressores alternativos 1 São facilmente controlados de acordo com a demanda do gás comprimido Podem operar em plena carga meia carga ou em vazio mediante abertura automática das válvulas de admissão de sorte que não há compressão durante os períodos em que não há demanda de gás comprimido 2 Operação econômica 3 Manutenção simples 4 Uma parcela elevada da energia fornecida ao eixo do compressor é dissipada sob forma de calor e pode ser aproveitada para aquecimento de elementos de uma instalação industrial Podese dizer que é o tipo mais versátil para a maioria das aplicações industriais principalmente quando se trata de ar comprimido sendo por isso mesmo o mais usado 17 2 Compressores rotativos de parafusos Contêm dois rotores helicoidais um com lóbulos convexos e outro com lóbulos côncavos ou sulcos denominados respectivamente rotor macho e rotor fêmea Geralmente o rotor macho é acionado pelo motor e os rotores são sincronizados por meio de engrenagens para não atritarem um contra o outro O gás é admitido na abertura de entrada e comprimido à medida que as porções engrenadas de cada parte dos lóbulos se movem no sentido da extremidade de descarga Nos modelos em que há engrenagens distanciadoras sincronizadas como foi dito acima não há contato entre os rotores dentro da câmara de compressão Consequentemente essas partes não necessitam de lubrificação e o gás comprimido será completamente isento de óleo No caso de não haver engrenagens sincronizadas deverá haver lubrificação interna e o compressor denominase do tipo de parafusos lubrificados O resfriamento é feito pelo óleo nos tipos lubrificados Esse óleo é por sua vez resfriado a ar ou a água 18 2 Compressores rotativos de parafusos Limites de utilização Existem modelos desde 3 m3min e pressão de até 10 kgfcm2 Embora usado também para vazões reduzidas é considerado muito econômico para descarga livre padrão na faixa de 3 m3min até 120 m3min e pressão de trabalho na fixa de p 7 kgfcm2 100 psig a 88 kgfcm2 125 psig havendo tipos para pressão de até 300 psig e vazões até 700 m3min httpswwwyoutubecomwatchvV8qAhfymQS8t116s Linha Compressores Rotativo de Parafuso Schulz 19 Vantagens compressores rotativos de parafuso fornece ar ou outro gás isento de óleo no tipo isento de óleo tem um mínimo de peças sujeitas a desgaste requer fundações simples e pequena sala de compressores é ideal para unidades portáteis devido a seu baixo peso sua velocidade pode ser adaptada à dos motores de combustão interna convenientes ao seu acionamento o nível de ruído é baixo nos tipos lubrificados a óleo cerca de 70 a 80 decibéis 20 3 Compressor rotativo de palhetas Consta de um rotor girando excentricamente no interior de uma carcaça As palhetas movemse radialmente nas ranhuras do rotor e são forçadas por efeito da força centrífuga contra as paredes internas da carcaça do compressor ou contra anéis de guia que evitam contato direto com a carcaça Quando o rotor gira as palhetas acompanham a parede interna da carcaça e como o rotor está colocado excentricamente deslizam para dentro e para fora do rotor Desta forma o espaço entre as palhetas variará comprimindo o ar aprisionado entre cada duas palhetas A partida se dá sem carga pois as palhetas só encostam no cilindro produzindo compressão quando o número de rotações crescer O consumo específico de energia é maior do que nos compressores alternativos e de parafuso para as pressões usuais de 7 kgfcm2 100 lbpol2 21 3 Compressor rotativo de palhetas A maioria desses compressores exige lubrificação das palhetas Existem tipos que dispensam a lubrificação de modo que comprimem e permitem em seguida a purificação e o resfriamento do gás sem contaminálo com lubrificantes Gases corrosivos podem ser neutralizados por um líquido adequadamente escolhido 22 4 Compressor de anel líquido Este compressor também considerado como bomba de vácuo consiste em uma carcaça dentro da qual está colocado excentricamente um rotor com palhetas presas A carcaça é parcialmente enchida com um líquido que é movimentado pelas palhetas do rotor O líquido é lançado para a periferia pela força centrífuga formando um anel rotatório Devido a excentricidade do rotor há uma ação de compressão do gás similar aquela do compressor de palhetas É usado quando se deseja ar ou outro gás limpo de poeiras ou contaminantes pois a água os capta durante a fase de compressão Não necessitam nenhuma lubrificação no rotor pois as palhetas não encostam na caixa São usados para ar de instrumentação em controles instalações hospitalares em laboratórios em indústrias de produtos químicos na obtenção de vácuo e em filtros e lavadores 23 4 Compressor de anel líquido 24 httpswwwyoutubecomwatchv4JGptnNr6c0 Comparativo Bombas de vácuo Anel Líquido e Lóbulos 5 Compressor Rotativo Roots O compressor do tipo Roots ou soprador do tipo Roots como é frequentemente denominado consta de uma carcaça dentro do qual giram em sentidos opostos dois rotores de dois dentes Os rotores são sincronizados por meio de engrenagens e não há contato entre os rotores e evidentemente entre estes e a carcaça Logo estas partes não necessitam de lubrificação e o ar comprimido pode ser fornecido isento de óleo Os compressores Roots são trabalham com compressão interna elevada O ar é simplesmente bombeado como numa bomba de engrenagens Em geral trabalham numa pressão da ordem de até 3 kgfcm2 e têm excelente desempenho como bombas de vácuo Existem bombas de vácuo tipo Roots para vazões de ar de 12 000 cfm 342 m3min 25 cfm cubicfootper minute Compressor Rotativo Roots Compressores dinâmicos Possuem um ou mais rotores parecidos com o das turbobombas e que giram com elevada rotação no interior de uma caixa Podem ser dos seguintes tipos 1 Centrífugo ou turbocompressor 2 Heliocentrífugo ou helicoidal 3 Compressor axial 4 Compressor axialcentrífugo 5 Compressor centrífugo Sundyne 27 1 Compressor centrífugo ou turbocompressor Possui pás semelhantes às das bombas centrífugas A unidade compressora desse tipo é conhecida na prática como uma centrífuga Pode ser de um estágio de dois e de múltiplos estágios conforme o grau de pressão pretendido Existem turbocompressores de vários estágios montados de forma compacta e denominados do tipo barril pelo aspecto que a carcaça sugere 28 2 Heliocêntrico ou helicoidal As pás são de dupla curvatura semelhantes em alguns tipos às de turbinas Francis As vazões obtidas são maiores que as do turbocompressor e as pressões são menores 29 3 Compressor Axial Possui grande número de palhetas e proporciona um escoamento no sentido longitudinal É compressor para grandes descargas até 1 000 000 m3h com pressão de trabalho de até 6 bar 30 4 Compressor axialcentrífugo Reúne em um mesmo eixo rotores do tipo axial e rotores centrífugos conseguindo aliar as vantagens de vazões elevadas 500 000 m3h a pressões de até 9 bar 31 5 Compressor centrífugo Sundyne É um compressor de alta rotação 4800 a 3400 rpm isento de óleo de um estágio para pressões elevadas com vazões reduzidas até 3200 m3h nos tipos maiores Para se conseguir a elevada rotação existe um multiplicador de velocidade constituído por uma caixa de engrenagens lubrificantes por uma bomba de óleo acionada pelo eixo de baixa rotação O módulo do compressor contém o rotor de palhetas radiais um difusor uma tampa do difusor e selos mecânicos Existem dois modelos A o de emissão parcial para vazões menores O rotor possui oito lâminas radiais B O de emissão total para grandes vazões O rotor possui de 16 a 19 lâminas 32 Selo Mecânico é um dispositivo mecânico de forma cilíndrica de alta tecnologia e alta performance que elimina e previne vazamentos de fluídos líquidos ou gases sob pressão na caixa de selagem ou câmara do selo de bombas centrífugas bombas hidráulicas e reatores onde o eixo rotativo atravessa seu corpo Bombas de vácuo Existem máquinas estudadas como compressores cujo objetivo é alcançar pressões abaixo da atmosférica isto é vácuos ou rarefações são as bombas de vácuo O vácuo pode ser expresso em mmHg ou polHg abaixo da pressão atmosférica ou em porcentagem Algumas classes entre as mais usadas foram estudadas como compressores de baixa pressão Citemos algumas A compressor de anel líquido Ex Tipos V da Haupt São Paulo SA da Nash do Brasil Bombas Ltda B Compressor de palhetas conseguem pressões de até 762 mmHg abaixo da pressão atmosférica Exs bombas de palhetas Roots bombas de vácuo Rictschle bombas LeyboldHeraeus C Bomba de pistão oscilante de um e de dois estágios Ex bomba HFVácuo Ind e Com Eletromecânica e Aparelhos Científicos Ltda Pressões absolutas de 0005 mmHg 5 x 103 torr e vazões de 2 a 200 m3h D Bombas turbomoleculares assemelhamse a turbocompressores e são usadas para obtenção de alto e ultraalto vácuo livre de hidrocarbonetos Pressões finais de até 1010 mbar Rotações de 14 000 a 36 000 por minuto Ex bomba turbomolecular Turbovac da LeyboldHeraeus Na escolha do compressor devem ser levados em conta fatores que concorrem para um baixo custo de operação e baixo custo de instalação 33 Bomba de vácuo httpswwwyoutubecomwatchvzksvX2a4RIE 34 Como funciona uma bomba de vácuo animação 3D Fatores a considerar na escolha do compressor 35 Consumo específico Para uma comparação entre os vários tipos de compressores fazse referência à grandeza denominada consumo específico Consumo específico é a potência absorvida por unidade de volume de ar e na unidade de tempo escolhida O consumo específico de potência é medido em cvm3min ou em HP100pés3min de descarga livre padrão de ar Um consumo específico de 7 cvm3min já é bastante baixo e 65 cvm3min 182 HP100pés3min é considerado extremamente baixo portanto excelente Os valores baixos são obtidos em geral em compressores para capacidade média e grande Para se conseguir um bom desempenho isto é um baixo consumo de potência é preciso que o compressor seja adequadamente resfriado e que a água de resfriamento seja fornecida cerca de 10ºC abaixo da temperatura ambiente Quando se emprega água de uma torre de arrefecimento devese observar o que foi dito quanto à temperatura da água que sai resfriada da torre para que o rendimento do compressor seja bom Compressores resfriados a ar possuem consumo específico 3 a 5 superior ao dos resfriados água sendo o ventilador responsável por cerca de 1 a 15 deste acréscimo Pequenos compressores são geralmente resfriados a ar e possuem consumo específico de energia superior ao acima mencionado porém o custo da energia é fator secundário nos custos operacionais dos pequenos compressores 36 Consumo específico de potência O gráfico ao lado mostra o consumo específico de potência dos vários tipos de compressores em função da descarga permitindo escolher sob aquele aspecto o mais adequado Consumo específico de potência em função da descarga Escolha do tipo de compressor 37 Consumo específico de potência compressores alternativos O gráfico ao lado indica a variação do consumo específico em função da pressão de trabalho do compressor permitindo observar que o de dois cilindros é mais vantajoso que o de um cilindro Consumo específico de potência em compressores alternativos 38 Descarga livre padrão DLP ou Descarga livre efetiva DLE Os compressores e os equipamentos que utilizam o ar comprimido em geral nos catálogos têm suas funções expressas não em relação à pressão de operação mas referidas à pressão atmosféricas normal Descarga livre padrão DLP a quantidade de ar livre descarregada por um compressor corrigida para as condições de pressão temperatura e umidade reinantes na admissão Considerase na admissão o ar livre isto é o ar submetido à pressão atmosférica cujo valor corresponde a uma coluna de 760 mmHg à temperatura 15ºC e a uma umidade relativa igual a 36 39 Descarga livre padrão DLP ou Descarga livre efetiva DLE Existem catálogos que exprimem a vazão do ar comprimido na pressão de operação Devese portanto observar a que condições de pressão se refere a vazão pois como se sabe um determinado volume de à pressão atmosférica quando comprimido ocupa um volume menor Convém notar ainda que alguns fabricantes fazem referência à quantidade de ar admitida no compressor em vez da quantidade de ar que sai referido às condições que existem na admissão Isto produz a uma pequena diferença em geral desprezível nos cálculos para os quais não é exigida grande precisão 40 Processo Politrópico de compressão Chamase processo politrópico ao processo de compressão ou expansão de um gás perfeito cuja dependência entre a pressão e o volume é dada pela equação 𝑝 𝑉𝑛 𝐾 O valor do expoente n define o tipo de processo politrópico Assim se n 1 temos 𝑝 𝑉 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 E se trata de um processo isotérmico isto é sem que a temperutura do gás varia O trabalho fornecido deve ser retirado sob forma de calor pois devendo a temperatura do gás manterse constante a energia interna também deverá permanecer constante Se n assumir um valor que designase por k podese escrever 𝑝 𝑉𝑘 𝐾 Equação que traduz um processo isoentrópico isto é em que a entropia do gás permanece constante Às vezes chamase esse processo de adiabático isto é sem troca de calor com o ambiente Quando o processo adiabático se realiza em um ciclo reversível alguns autores preferem chamalo de isoentrópico No processo adiabático o trabalho aplicado ao fluido em evolução se converte em energia interna 41 Processo Politrópico de compressão Se n for igual a 0 o processo é isobárico isto é sob pressão constante A temperatura varia proporcionalmente com o volume 𝑇1 𝑇2 𝑉1 𝑉2 Para o ar k 14 No processo isométrico o volume mantém inalterado de modo que não há realização de trabalho No chamado processo politrópico reversível o gás cede calor para o exterior 42 Compressão adiabática Equação de LaplacePoisson 𝑝 𝑉𝑘 𝐾 Essa equação rege o comportamento de uma determinada massa gasosa numa evolução isoentrópica adiabática isto é sem troca de calor com o exterior p pressão v volume k relação entre cp e cv chamada de índice de compressão adiabática K constante que depende da massa e da natureza do gás Para ar seco e gases diatômicos 𝑘 𝑐𝑝 𝑐𝑣 14 43 Compressão adiabática Para o ar com pouca umidade k 1395 Portanto nas transformações adiabáticas do ar podemos escrever sem erro sensível 𝑝 𝑉14 𝐾 Na transformação isotérmica o calor à medida que vai sendo produzido é retirado de modo a se manter a temperatura constante A relação entre cp e cv é igual a 1 e chegase à equação de Boyle Mariotte 𝑝 𝑉 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 44 Compressão adiabática As equações aplicáveis à compressão e à expansão adiabáticas são regidas pelas chamadas Leis de Poisson que são 𝑇1 𝑇2 𝑝1 𝑝2 𝑘1 𝑘 𝑉2 𝑉1 𝑝1 𝑝2 1 𝑘 𝑉2 𝑉1 𝑇1 𝑇2 1 𝑘1 45 Trabalho na compressão isotérmica 46 Trabalho na compressão adiabática 47 Diagrama de compressor alternativo Consideramos agora a evolução do ar no cilindro de um compressor alternativo monofásico e de simples efeito Diagrama é constituído de duas curvas politrópicas que se situam entre as curvas adiabáticas e isotérmicas e de duas isobáricas horizontais que representam a variação do volume V para a pressão p constante No diagrama vêse que as isobáricas referemse às fases de aspiração e de escapamento e as politrópicas às fases de compressão e fechamento do escapamento com abertura da aspiração de ar Como as válvulas não atuam instantaneamente a aspiração começa realmente em M e não em A e a compressão começa em K e não em B Por isso o diagrama real não se apresenta exatamente sob este aspecto 49 Diagrama do compressor alternativo 50 Observações 1 A pressão na linha de aspiração deve coincidir com a da pressão atmosférica 2 O consumo de potência pelo compressor é proporcional à área do diagrama portanto se a linha de aspiração estiver abaixo da pressão atmosférica aumentará a área do diagrama o que traduz aumento no consumo de energia sem nenhum proveito 3 Observase que a curva politrópica BC correspondente à fase de compressão situase entre a adiabática e a isotérmica 4 A letra k é o quociente de Cp por Cv é substituída por alguns autores pela letra n na equação da curva polítrópica e do trabalho na compressão politrópica Assim nos compressores de ar alternativos n 13 nos lentos e bem resfriados e n 135 nos rápidos nos compressores frigoríficos resfriados a água para amônia n 125 a 128 Compressão polifásica 51 A figura ao lado mostra o diagrama no qual se observam a curva adiabática AI e a curva isotérmica teórica AE correspondente à compressão pretendida A curva ABH representa a politrópica no caso de o compressor ter um só cilindro e a curva ABCD no caso de a evolução do ar se realizar em dois cilindros com resfriamento na passagem de um estágio ao seguinte A área BCDHB representa a economia de trabalho e portanto do consumo de energia quando se usam dois estágios em vez de um apenas A experiência mostra que um compressor de dois estágios oferece sobre o de um estágio uma economia de energia de carca de 15 Curva real do trabalho exercido por um compressor alternativo de pistão 52 Pressão média efetiva pm Uma das grandezas características do diagrama de trabalho de um compressor alternativo é a pressão média efetiva O diagrama de trabalho é traçado com o aparelho conhecido como indicador de Watt quando se ensaia o compressor podese calcular a pressão média efetiva com as expressões Compressor monofásico ou de simples estágio até 7 atm 53 Pressão média efetiva pm Para compressores bifásicos ou de duplo estágio 54 Potência indicada e potência efetiva Conhecendose a pressão média podese calcular a potência indicada pela fórmula Ou por 56 N cv Pm kgfm2 Q m3s c 075 a 085 Mesmas unidades acima Potência indicada e potência efetiva A potência efetiva Pe isto é no eixo do motor que aciona o compressor é obtida dividindose a potência indicada pelo rendimento mecânico 𝑃𝑒 𝑃𝑡 𝜂 57 Bibliografia MACINTYRE A J Equipamentos industriais e de processo Rio de Janeiro LTC 2014 58