MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS

Transcrição

1 MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS AULA 14 COMPRESSORES PROF.: KAIO DUTRA

2 Compressores Compressores são máquinas operatrizes que transformam trabalho mecânico em energia comunicada a um gás, predominantemente sob forma de pressão. Um gás pressurizado pode: Deslocar-se longas distâncias em tubulações; Ser armazenado em reservatórios para ser usado quando necessário; Realizar trabalho mecânico, atuando sob dispositivos, equipamentos e máquinas motrizes (motores de ar comprimido).

3 Compressores Classificação Classificação quanto a pressão: Depressores (bombas de vácuo) P < Patm; Ventiladores P > Patm < mmhg Sopradores P > Patm < 0,2 kgf/cm² Compressores P > Patm > 0,2 kgf/cm²

4 Compressores Classificação Os compressores podem se classificar em: Deslocamento positivo ou Volumétricos: O gás é admitido em uma câmara de compressão e por meio de uma redução do volume útil, devido a ação de uma força, realiza-se a compressão. Dinâmicos: O gás é acelerado pela ação de um rotor e quando descarregado é conduzido por um difusor, convertendo energia cinética em pressão.

5 Compressores Classificação

6 Compressores de Membrana Uma membrana separa o êmbolo da câmara de trabalho, deste forma o ar não tem contato com as peças móveis. Gerando ar comprimido isento de óleo. Normalmente são utilizados na indústria farmacêutica, alimentícia e químicas.

7 Compressores Alternativos de Pistão Neste compressor o gás é admitido em uma câmara e então comprimido por efeito de um pistão. O gás comprimido é então direcionado para a descarga.

8 Compressores Alternativos de Pistão Estes compressores podem ser classificador como: Simples efeito; Duplo efeito.

9 Resfriamento de Compressões O compressor necessita ser resfriado, e esse resfriamento pode ser a ar (forçado ou natural) ou a água.

10 Compressores Rotativos Compressores rotativos de parafusos: Contêm dois rotores helicoidais, um com lóbulos convexos e outro com lóbulos côncavos ou sulcos. 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.

11 Compressores Rotativos Compressores rotativos de parafusos:

12 Compressores Rotativos Compressores Rotativos de Palhetas: Apresenta um rotor girando excentricamente no interior de uma carcaça. As palhetas movem-se radialmente nas ranhuras do rotor e são forçadas por efeito da força centrípeta contra as paredes internas da carcaça. Quando o rotor gira, as palhetas acompanham a parede interna da carcaça, desta forma, o espaço entre as palhetas variam comprimindo o gás aspirado.

13 Compressores Rotativos Compressores rotativos Roots: Este compressor é composto de uma carcaça dentro da qual goram, em sentido opostos, dois rotores. Os rotores são sincronizados por meio de engrenagens, de forma que não existe contato entre os rotores e carcaça, sem necessidade de lubrificação. Estes compressores não trabalham com compressão elevada, mas podem ser usados também como bombas de vácuo.

14 Compressores Dinâmicos Os compressores transferem energia ao fluido por meio da aceleração do gás (rotor), para posterior transformação da energia cinética em energia de pressão (carcaça). Estes compressores são utilizados quando necessita-se de elevadas vazões e normalmente não estão ligados a reservatórios de armazenamento.

15 Compressores Dinâmicos Compressores Centrífugo: Sob o efeito da rotação, forma-se uma corrente de gás, aspirado pela parte central do rotor e projetado para a periferia, na direção do raio, pela ação da força centrífuga, alcançando os difusores. Os difusores são um conjunto de condutos estacionários que envolvem o rotor, conduzindo o gás em uma trajetória radial e espiral para a periferia. Dessa maneira, a área de passagem é aumentada gradativamente, pois o escoamento é de dentro para fora. Isso faz com que o gás, ao atravessá-lo, sofra uma desaceleração que resulta em um aumento de pressão.

16 Compressores Dinâmicos Compressores Axiais: Os compressores axiais são formados por componentes estacionários anéis com aletas estatoras e por componentes rotativos anéis com palhetas rotoras. Cada estágio de compressão é formado por um rotor com palhetas e um anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar, como um ventilador. Nessa etapa, o ar recebe trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade de direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a conversão da energia de velocidade em pressão.

17 Compressores Dinâmicos Compressores Axiais: Os compressores axiais são formados por componentes estacionários anéis com aletas estatoras e por componentes rotativos anéis com palhetas rotoras. Cada estágio de compressão é formado por um rotor com palhetas e um anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar, como um ventilador. Nessa etapa, o ar recebe trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade de direcionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de ar para ocorrer a conversão da energia de velocidade em pressão.

18 Compressores Dinâmicos Diagramas de Performance: Nestes mapas é indicada a região de funcionamento estável. Esta região é definida por duas linhas: a linha de surge, e a de choking (linha de choque) ou stonewall.

19 Compressores Dinâmicos Diagramas de Performance: Nestes mapas é indicada a região de funcionamento estável. Esta região é definida por duas linhas: a linha de surge, e a de choking (linha de choque) ou stonewall.

20 Compressores Dinâmicos Surge: A linha de surge é alcançada reduzindo a vazão do escoamento, até um ponto em que acontece escoamento reverso na camada limite nas palhetas do rotor (devido à forma curva delas). Se continuar reduzindo a vazão, pode acontecer reversão completa do escoamento e uma queda brusca na pressão. Esta forma de funcionamento deve, obviamente ser evitada, o compressor não consegue operar em forma estável nesta condição.

21 Compressores Dinâmicos Choking ou Stonewal: Do lado direito, o limite é estabelecido pela linha de choking. Aumentando a vazão no compressor pode ser atingida velocidade sônica dentro dos canais das palhetas gerando ondas de choque, se isto acontece, com um pequeno aumento da vazão o compressor pode aumentar muito sua velocidade de rotação.

22 Fundamentos de Compressão Aplicáveis aos Compressores Lei de Gay-Lussac: Equação de Clapeyron: Processo Politrópico: Chama-se processo politrópico ao processo de compressão ou expansão de um gás perfeito cuja dependência entre a pressão e o volume é dada a equação:

23 Fundamentos de Compressão Aplicáveis aos Compressores Processo Politrópico: Abaixo temos o efeito de n sobre a equação: n=1 - Processo Isotérmico; n=0 Processo Isobárico; n=k Processo Isentrópico, onde k é dado por:

24 Fundamentos de Compressão Aplicáveis aos Compressores Processo Politrópico: O processo politrópico pode ser expressado também pelas equações abaixo:

25 Ciclo de Compressão

26 Ciclo de Compressão

27 Trabalho de Compressão

28 Trabalho Total

29 Trabalho Total

30 Trabalho Total

31 Pressão Média Efetiva Com o objetivo de simplificar a análise do estudo da compressão em seu processo, uma propriedade pode ser usada como referência para o cálculo de trabalho e potência, esta propriedade é denominada Pressão Média Efetiva (PME) e pode ser calculada pela seguinte expressão:

32 Ciclo de Compressão A compressão se dá por um processo politrópico representado no gráfico ao lado do ponto B para C. Este processo está entre o processo adiabático onde n=1,4 e um processo isotérmico onde n=1. Como o trabalho representa a área do gráfico, é possível observar que quanto mais próximo de um processos isotérmico menor será a área do gráfico, ou seja, menor o trabalho requerido.

33 Compressão Polifásica No processo polifásico a compressão se dá em mais de um cilindro. Normalmente compressores monofásicos são empregados quando a pressão desejada é de até 5 atm, até este patamar obtém-se um rendimento razoável. Para compressões em uma única fase com pressão de descarga acima de 5 atm o rendimento cai consideravelmente, então compressores com mais de um cilindro obtém rendimentos melhores.

34 Compressão Polifásica Entre o primeiro e segundo estágio é possível realizar o resfriamento do gás reduzindo a temperatura até atingir a curva a curva isotérmica, isto reduz o trabalho de compressão em relação a uma compressão única de AH. A área BCDH representa a redução de trabalho pelo uso de dois estágios de compressão.

35 Compressão Polifásica Para calcula a pressão intermediária entre estágios pode-se usar a seguinte expressão: P int P int = P 1 P 2 P 1 P 2

36 Compressão Polifásica Neste caso para calcular o trabalho de compressão é necessário ajustar a equação já apresentada, tornando-se: P int A Pressão Média Efetiva, fica: P 1 P 2

37 Exercícios 1. Um compressor comprime adiabaticamente 10m³ de ar à temperatura ambiente de 25 C. Qual será a temperatura do ar comprimido quando o volume ficar reduzido a 2m²? Adomita que o índice de compressão seja n=1,4. 2. Um compressor comprime um gás na temperatura de 20 C e, na pressão atmosférica, até a pressão de 7 atm manométricas. Supondo k=1,3, qual será a temperatura do gás ao final? 3. Calcule o trabalho de compressão 3m³ de ar da pressão ambiente para 4 atm. Utilize um índice de compressão n=1,3.

38 Exercícios 4. Calcule o trabalho de compressão 4m³ de ar da pressão ambiente para 8 atm. Compare os resultados de uma compressão monofásica e uma polifásica, determina a diferença de trabalho entre as duas. 5. Determinar a economia de trabalho absorvido por um compressor de dois estágios em relação ao de um estágio. Supor que são admitidos 3m³ por minuto de ar na temperatura ambiente, e que a pressão final deva ser de 12 atm. Considerar o índice de compressão n=1,3.

39 Exercícios 6. Determine o índice de compressão adiabático que se verifica em um compressor cujo do diagrama representado tiramos os seguintes parâmetros: V1=252,8mm³; P1=1.38 atm, P3=3,5atm, V3=124,3mm³

40 Exercícios 7. Ache a pressão média efetiva de uma compressão politrópica monofásica e de uma bifásica, sendo a pressão final de 7 atm. Adotar n=1,4.