Compressores: Funcionamento e Tipos

1 Tema 11 Compressores Parte 2 Máquinas de Fluídos 2 Introdução Turbo compressores São divididos em dois grupos principais compressores centrífugos e compressores axiais Nos compressores centrífugos o gás entra no impelidor paralelamente ao eixo é acelerado pela ação das pás saindo perpendicularmente ao mesmo eixo A rotação do impelidor cria uma região de baixa pressão no lado de aspiração permitindo o fluxo contínuo de gás desde a tubulação de aspiração Ao mesmo tempo que a velocidade do gás é incrementada pelas ação das pás sua massa específica também aumenta pelo incremento da pressão Máquinas de Fluídos Fig 1 Movimento do gás um um compressor centrífugo 3 Introdução Turbo compressores No difusor a elevada energia cinética é convertida em pressão Em máquinas de múltiplos estágios o gás que sai do difusor do primeiro estágio alimenta o segundo estágio através das pás guias que também estão colocadas no difusor Máquinas de Fluídos Fig 2 Detalhes de um compressor centrífugo de simples estágio de de múltiplos estágios 4 Introdução Turbo compressores Máquinas de Fluídos Fig 3 Detalhes de um compressor centrífugo turbo compressor 5 Introdução Turbo compressores Nos compressores axiais o gás entra paralelamente ao eixo é acelerado pela ação das pás saindo também paralelamente ao mesmo eixo Nesses compressores o aumento da pressão é obtido pela força exercida pelas pás sobre o fluido pressão e velocidade e pela transformação da energia cinética em pressão estática pelas pás fixas estator Entre um conjunto de pás móveis e o seguinte as pás fixas também tem como objetivo minimizar a turbulência do gás causada pelo movimento das pás móveis e direcionar o gás para as próximas pás Máquinas de Fluídos Fig 4 Detalhes de um compressor axial e variação da temperatura entalpia velocidade e pressão através do compressor 6 Introdução Turbo compressores Máquinas de Fluídos Fig 4a Estágios em um compressor axial 7 Introdução Turbo compressores Curva característica de um compressor axial Máquinas de Fluídos Fig 4a Curvas características de um compressor axial de múltiplos estágios 8 Introdução Turbo compressores O desenvolvimento dos turbo compressores foi impulsionado inegavelmente pelas aplicações aeronáuticas O primeiro teste com sucesso de um avião movimentado por uma turbomáquina foi em 1939 na Alemanha através de um motor projetado por Hans von Ohain incorporando um compressor axial Apesar do contínuo desenvolvimento dos compressores centrífugos no início dos anos 50 já era claro que para a impulsão de aviões os compressores axiais seriam os preferidos não somente por apresentarem uma área frontal menor e arrasto menor mas também por apresentarem melhores rendimentos entre 3 a 4 superiores aos compressores centrífugos No entanto para o escoamento de pequenas taxas de massa o rendimento dos compressores axiais cai dramaticamente Na metade dos anos 60 com o avanço no desenvolvimento de helicópteros militares acionados por pequenas turbinas a gás houve um rápido desenvolvimento dos compressores centrífugos expandindo suas aplicações para outras áreas turbo compressores em motores diesel processos de plantas petroquímicas fornecimento de ar comprimido em grandes plantas industriais e sistemas de ar condicionado de grande capacidade Máquinas de Fluídos 9 Introdução Compressores centrífugos A partir dos anos 80 começaram a ser empregados em grandes plantas de aquecimento distrital através de bombas de calor com capacidades entre 1 MW até 30 MW Compressores centrífugos são parte integrante em plantas de processos de industrias químicas A preferência por esses compressores devese à elevada economia operação suave menor custo de manutenção maior eficiência para relação de pressão Pr de até 2 por estágio maior relação capacidade por espaço ocupado adaptáveis a acionadores de alta rotação turbinas a gás ou vapor grande confiabilidade elevada tolerância às flutuações do processo etc Apresentam rendimentos totais entre 80 a 84 para pequenas unidades de simples estágio com relações de pressão entre 4 a 6 e baixas vazões Relações de pressão maiores até 10 são obtidas em um simples estágio mas com rendimentos menores Pr 10 e η de 72 Máquinas de Fluídos 10 Introdução Compressores centrífugos A faixa de aplicação desses compressores pode ser vista na Fig 5 apresentada em função da rotação específica Ns Máquinas de Fluídos Fig 5 Faixas de aplicação de compressores centrífugos e axiais dir e rendimento politrópico de compressores centrífugos esq 11 Tipos Compressores centrífugos A Fig 6 apresenta uma curva característica de um compressor centrífugo juntamente com uma curva de um compressor axial e um compressor de deslocamento positivo Máquinas de Fluídos Fig 6 Curvas características genéricas de compressores centrífugos axiais e de deslocamento positivo 12 Tipos Compressores centrífugos A Fig 7 apresenta uma aplicação típica de um compressor centrífugo com uma turbina a gás Máquinas de Fluídos Fig 7 Exemplo de aplicação de compressor centrífugo pequena turbina radial a gás para baixas potências 13 Introdução Compressores centrífugos Um compressor centrífugo consiste basicamente de um impelidor rotativo seguido de um difusor como mostrado na Fig 8 O gás entra através do olho do impelidor A função do impelidor é aumentar o nível de energia do fluido através do incremento da quantidade de movimento angular similarmente ao que foi apresentado no estudo das bombas centrífugas Máquinas de Fluídos Fig 8 Detalhe de um compressor de simples estágio 14 Introdução Compressores centrífugos Tanto a pressão estática como a velocidade são crescentes dentro do impelidor O difusor é responsável pela conversão da energia cinética do gás na saída do impelidor em energia de pressão Esse processo pode ser realizado pela difusão livre no espaço anular entre a carcaça e o impelidor como mostrado na Fig 9 Máquinas de Fluídos Fig 9 Detalhe de um compressor de simples estágio com difusor radial 15 Introdução Compressores centrífugos Ou através de um difusor com pás fixas como mostrado na Fig 10 Máquinas de Fluídos Fig 10 Compressor com pás difusoras Fig 10a Compressor com pás difusoras ajustáveis 16 Tipos Compressores centrífugos Esses compressores podem ser de simples ou múltiplos estágios de compressão como mostrado na Fig 2 e com e sem resfriamento intermediário como mostrado na Fig 11 Máquinas de Fluídos Fig 11 Compressores de múltiplos estágios com e sem resfriamento intermediário 17 Introdução Compressores centrífugos Típico impelidor semi aberto de um compressor centrífugo é mostrado na Fig 12 Máquinas de Fluídos Fig 12 Impelidor de um compressor centrífugo 18 Introdução Compressores centrífugos Da mesma forma que em bombas centrífugas as pás do impelidor de um compressor centrífugo podem ser curvadas para trás retas ou curvadas para frente como mostrado na Fig 13 Máquinas de Fluídos Fig 13 Curvaturas das pás de um impelidor 19 Introdução Compressores centrífugos As mesmas teorias aplicadas em bombas centrífugas são válidas para os compressores centrífugos e axiais Dessa forma a solução da equação de Euler mostra que a altura produzida pela máquina é dependente do tipo de curvatura das pás como mostrado na Fig 14 Máquinas de Fluídos Fig 14 Altura em função do ângulo de saída do impelidor 20 Introdução Compressores centrífugos Atualmente a maioria dos compressores centrífugos apresentam pás curvadas para trás com ângulos de saída entre 40 a 50 Os impelidores podem ser semi abertos com mostrado na Fig 15 ou fechados como mostrado na Fig 16 Impelidores semiabertos são geralmente utilizados em máquinas de um ou dois estágios Máquinas de Fluídos Fig 15 Impelidores semi abertos 21 Introdução Compressores centrífugos Máquinas de Fluídos Fig 16 Impelidores fechados 22 Introdução Compressores centrífugos Os impelidores semiabertos apresentam como vantagem a sua capacidade de operar com elevadas velocidades de ponta ou borda produzindo assim alturas mais elevadas do que os impelidores fechados Uma das razões para isso é que nesses impelidores uma das placas laterais não é fixada às pás resultando em menores esforços estresse sobre as pás Como desvantagem apresentam uma menor eficiência e vazamentos entre os lados de alta e baixa pressão das pás Máquinas de Fluídos 23 Introdução Compressores centrífugos Os impelidores podem ser do tipo 2D Fig 16a superior ou 3D Fig 16a inferior Impedidores 3D permitem maiores vazões e maiores eficiências Isso se deve ao fato de que esses impelidores atendem a uma maior faixa de condições de entrada do escoamento do gás Contudo necessitam um maior comprimento axial do que os impelidores do tipo 2D Máquinas de Fluídos Fig 16a Impelidores 2D superior e 3D inferior 24 Introdução Compressores centrífugos Em compressores de múltiplos estágios o primeiro estágio pode ser feito com um impelidor semi aberto Máquinas de Fluídos Fig 16b Compressor centrífugo de múltiplos estágios 25 Tipos Compressores centrífugos A faixa de operação de compressores centrífugos é definida como a faixa entre o ponto de surge e o ponto de choque como mostrado na Fig 17 O ponto de surge é o ponto onde o escoamento é invertido no compressor pressão de descarga aumenta e o compressor não consegue manter a mesma vazão O ponto de choque é o ponto onde o escoamento atinge a velocidade Mach M 10 isso é o ponto onde não há mais escoamento na máquina Máquinas de Fluídos Fig 17 Características de operação de um compressor centrífugo do som Velocidade Vel do gás C V M 26 Tipos Compressores centrífugos Compressores centrífugos são projetados para operar em regime de escoamento subsônico Se a vazão de operação for elevada é possível que o escoamento do gás atinja velocidades super sônicas isso é Mach M 10 em algum ponto no interior do compressor geralmente na entrada das pás do impelidor caracterizando o que se denomina ponto de choque ou stonewall O resultado disso é a impossibilidade de aumentar a vazão do compressor a partir desse ponto além de apresentar uma acentuada queda na eficiência do processo de compressão Máquinas de Fluídos Fig 18 Características de operação de um compressor centrífugo 27 Tipos Compressores centrífugos Tradicionalmente o fenômeno surge é definido como o limite inferior de operação de um compressor em condições estáveis O surge ocorre devido ao escoamento reverso dentro do impelidor ocasionando flutuações de pressão a modificação dos esforços que agem no compressor especialmente as forças de impulso e como consequência ruído e vibração o que pode conduzir a uma destruição total do compressor Dessa forma a região de surge deve ser sempre evitada A condição de choque causa uma grande perda de rendimento do compressor mas não causa dano à unidade Máquinas de Fluídos Fig 19 Surge em um compressor centrífugo 28 Tipos Compressores centrífugos A condição de surge ocorre quando há suficiente instabilidade aerodinâmica dentro do compressor de forma que ele não possa produzir uma pressão suficiente para fornecer uma vazão contínua para o sistema Pode ser o resultado de um excessivo aumento da resistência do sistema fazendo com que a vazão caia abaixo da condição de surge ou pela própria redução da vazão ou velocidade do compressor Essas condições são visualizadas na Fig 20 Máquinas de Fluídos Fig 20 Surgimento do surge em um compressor centrífugo 29 Tipos Máquinas de Fluídos Fig 21 Esquema básico de um controle antisurge Controle antisurge Uma configuração básica de sistema antisurge é mostrada na Fig 21 A medida que a vazão do compressor diminui a válvula antisurge abre propiciando um bypass do gás para a sucção do compressor 30 Tipos Compressores centrífugos Uma mapa de desempenho de um compressor de múltiplos estágios usado em processos industriais é mostrado na Fig 22 A família de curvas representa o desempenho em várias rotações N A ordenada da figura pode ser a altura politrópica Hp a relação de pressão Pr a pressão de descarga Pd ou também a diferença de pressões ΔP dependendo do fabricante Na abcissa é representada a vazão real actual ou de entrada inlet Máquinas de Fluídos Fig 22 Mapa de desempenho típico de um compressor centrífugo 31 Tipos Compressores centrífugos É importante compreender que a vazão volumétrica de entrada é baseada em um gás com uma dada massa molar razão de calor específico ou coeficiente isentrópico k e fator de compressibilidade Z a uma pressão e temperatura correspondentes às condições de admissão no compressor Se qualquer um desses parâmetros muda o mapa de desempenho deixa de ser preciso Se as diferenças são pequenas o mapa ainda é válido realizando pequenos ajustes Máquinas de Fluídos 32 Tipos Compressores centrífugos A altura adiabática ou isentrópica de um compressor é dada por onde R é a constante do gás em JkgK Ta é a temperatura de admissão do gás em K Za e Zd são os fatores de compressibilidade do gás na admissão e na descarga respectivamente adimensionais e g é a aceleração da gravidade A compressibilidade de um gás pode ser obtida a partir da Fig 23 considerando a pressão reduzida PR a temperatura reduzida TR ou o volume pseudo reduzido vR conforme as Eq 2 3 e 4 onde Tcr e Pcr representam a temperatura e a pressão crítica respectivamente Máquinas de Fluídos 1 cr R P P P cr R T T T cr cr R P T R v v 2 3 4 m 2 1 1 1 d a k k a d a a z z P P g RT k k H 33 Introdução Fator de compressibilidade Máquinas de Fluídos Fig 23 Carta de fator de compressibilidade 34 Tipos Compressores centrífugos Na realidade o processo de compressão real fica entre um processo adiabático e um processo isotérmico Dessa forma a altura é representada por um processo politrópico conforme Eq 5 onde n é o coeficiente politrópico O rendimento politrópico pode então ser determinado conforme a Eq 6 Máquinas de Fluídos 5 Jkg 2 1 1 1 d a n n a d a p Z Z P P RT n n H 6 Jkg 1 a d T R T k k H H H p ηp Compressores centrifugos O coeficiente politropico pode ser determinado através da Eq 7 n In7 T moh aah 7 n InP a7 onde os subindices representam a admissao e d descarga A relacao entre o coeficiente politrépico e o coeficiente isentropico k pode ser determinada pela Eq 8 nl kl 8 n kn A poténcia do compressor pode ser determinada conforme as Eq 190 e 10 de acordo com a base isentropica ou politrépica fornecida me WH Woy 9 Wom p 10 1 1 comp Pp isen I mec 1D nec 35 36 Tipos Compressores centrífugos A temperatura na descarga do compressor será dada pela Eq 11 para um processo isentrópico onde ou pela Eq 13 para um processo politrópico Máquinas de Fluídos 11 12 a isen a s d d T T T T η 1 a k k a d d s T P P T 1 a n n a d d n T P P T 13 a p a n d d T T T T η 37 Tipos Compressores centrífugos Se o compressor operar a um volume constante na entrada vazão volumétrica real e com velocidade constante sempre desenvolverá a mesma altura independentemente dos valores dos demais parâmetros de entrada Se as condições de entrada mudarem v Se a temperatura de entrada diminuir a pressão de descarga aumentará assim como a potência absorvida v Se a massa molar do gás aumenta a pressão de descarga e a potência absorvida também aumentam v Se a pressão de admissão diminui a pressão de descarga e a potência também diminuem v Se a velocidade passar de N1 para N2 as relações de semelhança se aplicam A capacidade varia linearmente com a velocidade a altura varia com o quadrado e a potência absorvida com o cubo da variação da velocidade v Se o valor de k diminuir a pressão da descarga aumentará mas a potência absorvida se manterá constante Máquinas de Fluídos