SUMÁRIO. Apresentação... VII Prefácio... IX

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1 SUMÁRIO Apresentação... VII Prefácio... IX CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO À TERMODINÂMICA DOS GASES INDUSTRIAIS INTRODUÇÃO Estados de uma substância Mol de uma substância Peso molecular Gás ideal e real Massa específica de um gás ideal Densidade de um gás ideal Fator de compressibilidade Trabalho e calor Energia potencial Energia cinética Energia interna Entalpia PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA PROCESSOS TERMODINÂMICOS Volume de controle ou sistema Processo reversível Processo irreversível Processo isobárico Processo isométrico Processo isotérmico... 21

2 XIV COMPRESSORES ALTERNATIVOS INDUSTRIAIS: Teoria e Prática Processo adiabático Processo isentrópico Processo politrópico SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Entropia EXERCÍCIOS RESOLVIDOS CAPÍTULO 2 PRINCIPAIS TIPOS DE COMPRESSORES INDUSTRIAIS INTRODUÇÃO COMPRESSOR DE PALHETAS Funcionamento COMPRESSOR DE LÓBULOS COMPRESSOR DE PARAFUSOS Funcionamento Sobrecompressão Subcompressão Compressão ideal Compressor lubrificado separação e refrigeração do gás e óleo Compressor não lubrificado ou isento COMPRESSOR DE DIAFRAGMA Funcionamento Aplicação COMPRESSOR ALTERNATIVO DE PISTÃO Funcionamento COMPRESSOR DINÂMICO Funcionamento CAMPO DE APLICAÇÃO DOS COMPRESSORES INDUSTRIAIS...55 CAPÍTULO 3 CÁLCULO TERMODINÂMICO E CONTROLE DE CAPACIDADE INTRODUÇÃO CICLO IDEAL DE COMPRESSÃO Processo 1 2: Compressão adiabática e reversível Processo 2 3: Descarga isobárica e isotérmica Processo 3 4: Expansão adiabática e reversível Processo 4 1: Admissão isobárica e isotérmica...60

3 SUMÁRIO XV 3.3 VOLUME DESLOCADO VOLUME MORTO EFICIÊNCIA VOLUMÉTRICA TEÓRICA Eficiência volumétrica teórica medida na admissão Eficiência volumétrica teórica medida na descarga RAZÃO DE COMPRESSÃO RAZÃO DE COMPRESSÃO MÁXIMA TRABALHO E POTÊNCIA DE COMPRESSÃO Trabalho adiabático reversível de compressão Potência adiabática reversível de compressão VAZÃO OU CAPACIDADE DO COMPRESSOR Vazão mássica Vazão volumétrica TEMPERATURA ISENTRÓPICA DE DESCARGA CORREÇÕES DO CICLO IDEAL OU TEÓRICO PARA O REAL Correção para a não idealidade do gás Eficiência termodinâmica da compressão Eficiência mecânica do compressor Potência de acionamento Variação da vazão e potência com a razão de compressão Correções para a eficiência volumétrica teórica Correção para a temperatura isentrópica de compressão RAZÃO DE COMPRESSÃO NA COMPRESSÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS PRESSÕES INTERMEDIÁRIAS NÃO BALANCEADAS NECESSIDADE DA COMPRESSÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS COM ARREFECIMENTO COMPORTAMENTO REAL DO FLUXO DE CALOR NO CILINDRO REFRIGERADO REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA NA COMPRESSÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS COM ARREFECIMENTO MÉTODOS DE CONTROLE DE CAPACIDADE Partida e parada do compressor Variação de rotação Redução da pressão de admissão Alívio das válvulas de admissão Variação do volume morto Variação do número de cilindros ativos no primeiro estágio Variação do curso efetivo do pistão...101

4 XVI COMPRESSORES ALTERNATIVOS INDUSTRIAIS: Teoria e Prática Recirculação da descarga para a admissão Utilização de compressor booster EXERCÍCIOS RESOLVIDOS CAPÍTULO 4 FORÇAS, MOMENTOS E ELEMENTOS DE VIBRAÇÃO INTRODUÇÃO CINEMÁTICA DO MECANISMO BIELA E MANIVELA Posição do pistão Velocidade do pistão Aceleração do pistão CARGAS DINÂMICAS NA ESTRUTURA DO COMPRESSOR Força na haste devido à pressão do gás Força na biela devido à pressão do gás Momento resistente devido à pressão do gás Forças que atuam no mecanismo biela e manivela devido à inércia Momento resistente devido à força de inércia POSIÇÃO DO PISTÃO NO DIAGRAMA p V DO CICLO IDEAL DE COMPRESSÃO Posição do pistão Pressão e posição do pistão na compressão do lado da haste Pressão e posição do pistão na expansão do lado da haste Pressão e posição do pistão na compressão do lado da tampa Pressão e posição do pistão na expansão do lado da tampa GRAU DE IRREGULARIDADE CÁLCULO DE DESEMPENHO OU SIMULAÇÃO DE COMPRESSORES ALTERNATIVOS Relatório geral de uma simulação ELEMENTOS DE VIBRAÇÃO Vibração torsional do conjunto rotativo Exercício resolvido INTERAÇÃO DAS CARGAS DINÂMICAS COM O BLOCO DE CONCRETO DA BASEEAFUNDAÇÃO Resposta da base às excitações das cargas dinâmicas Cargas devido ao momento de acionamento Cargas de inércia transferidas para a base Momentos devido à inércia transferidos para a base...174

5 SUMÁRIO XVII CAPÍTULO 5 PRINCIPAIS COMPONENTES E ACESSÓRIOS INTRODUÇÃO APLICAÇÃO DE PARAFUSOS Geometria da rosca Dimensão da rosca Cargas desenvolvidas numa junta aparafusada Torque de pré-carga para os parafusos Flexão dos parafusos Tensão crítica na rosca Roscas em alumínio e magnésio Travamento de porcas e parafusos VEDAÇÕESEJUNTAS CILINDROS Materiais utilizados na construção dos cilindros Cilindros de baixa pressão Cilindros de média pressão Cilindros de média e alta pressões em tandem Cilindro de altíssima pressão CAMISA DO CILINDRO PISTÕES Pistão inteiriço Pistão partido Material para pistão Conexão do pistão com a haste Pistões ocos Diferença entre pistão e êmbolo HASTE DO PISTÃO Tipos de haste para pistão Haste com um pistão Haste com dois pistões em tandem Haste passante Material para haste do pistão Alinhamento da haste Lubrificação da haste Fixação da haste na cruzeta Projeto geométrico da haste

6 XVIII COMPRESSORES ALTERNATIVOS INDUSTRIAIS: Teoria e Prática 5.8 CRUZETA PINO DA CRUZETA BIELA EIXO DE MANIVELAS CASQUILHOS DOS MANCAIS FIXOS OU PRINCIPAIS BLOCO OU CÁRTER DO COMPRESSOR FUNDAÇÃO E BASE DE CONCRETO ARMADO VASO DE PRESSÃO Vasos para armazenagem de gás Vasos separadores de condensado Vasos amortecedores de pulsação da pressão NORMA REGULAMENTADORA Nº 13 (NR-13) Válvula de segurança CAPÍTULO 6 VEDAÇÃO DAS VÁLVULAS E SEU MECANISMO DE FUNCIONAMENTO INTRODUÇÃO OQUEÉUMAVÁLVULA? COMPONENTESDASVÁLVULAS FUNÇÃODASVÁLVULAS Processo de admissão Processo de compressão Processo de descarga Trabalho realizado por ciclo MECANISMOSDEFUNCIONAMENTODOELEMENTODEVEDAÇÃO Escoamento do gás Diferença entre os eventos de admissão e de descarga TIPOS DE VÁLVULAS UTILIZADAS Elemento de vedação do tipo retangular Elemento de vedação do tipo feather Elemento de vedação do tipo canal Elemento de vedação do tipo anéis concêntricos Elemento de vedação do tipo disco plano Elementos de vedação do tipo poppet MATERIAIS UTILIZADOS EM VÁLVULAS Materiais para o elemento de vedação Molas do elemento de vedação INFLUÊNCIA DA VÁLVULA NO DESEMPENHO DO COMPRESSOR...234

7 SUMÁRIO XIX CAPÍTULO 7 VEDAÇÃO PARA PISTÃO E HASTE INTRODUÇÃO VEDAÇÃO DO PISTÃO Diferencial de pressão para vedação Mecanismo de funcionamento dos anéis de vedação Quantidade de anéis de vedação Vida útil estimada para os anéis de vedação Folga entre pontas dos anéis de vedação (gap) Anel-guia do pistão LUBRIFICAÇÃO DOS ANÉIS VELOCIDADE MÉDIA DO PISTÃO POSIÇÃO DAS VÁLVULAS MONTADAS NO CILINDRO RANHURAS DE ALÍVIO RUGOSIDADE DA CAMISA DO CILINDRO MONTAGEM DOS ANÉIS-GUIA E DE VEDAÇÃO VEDAÇÃO DO PISTÃO VEDAÇÃO DA HASTE DO PISTÃO Mecanismo de vedação Gaxetas Jogos direcionais Caixa de gaxetas ou de vedação Engaxetamento lubrificado Engaxetamento refrigerado Aspectos ambientais e de segurança Mecanismo de funcionamento do engaxetamento Tipos de gaxetas Marcação das faces Montagem correta das gaxetas Montagens incorretas Mola das gaxetas Pinos Construção das caixas de gaxetas Vedação entre as caixas Tolerância de fabricação Caixas providas de lubrificação Caixas refrigeradas Materiais utilizados nas caixas de gaxetas Montagem do engaxetamento Anel raspador de óleo

8 XX COMPRESSORES ALTERNATIVOS INDUSTRIAIS: Teoria e Prática 7.11 SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA VEDAÇÃO RECOMENDAÇÕES PARA MAXIMIZAR O DESEMPENHO DAS VEDAÇÕES CAPÍTULO 8 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO INTRODUÇÃO NECESSIDADE DE REFRIGERAÇÃO CARACTERÍSTICAS DOS FLUIDOS REFRIGERANTES Água Ar atmosférico CONCEPÇÃO DO PROJETO DE REFRIGERAÇÃO CLASSIFICAÇÃO DOS COMPRESSORES QUANTO AO TIPO DE SERVIÇO EXECUTADO Compressores para serviços leves e médios Compressores para serviços pesados Classificação quanto ao sistema de refrigeração Refrigeração com circulação forçada BOMBAS DE CIRCULAÇÃO DO FLUIDO REFRIGERANTE REFRIGERAÇÃO DO CILINDRO RESFRIAMENTO DO REFRIGERANTE RESFRIADOR A AR Resfriador a ar na vertical Resfriador a ar na horizontal TAMPA DO TANQUE DE EXPANSÃO VENTILADORES Acionamento dos ventiladores CONTROLE DE CAPACIDADE DO RESFRIADOR A AR VÁLVULAS TERMOSTÁTICAS PARA O FLUIDO REFRIGERANTE REFRIGERAÇÃO DO BLOCO DO COMPRESSOR TROCADOR DE CALOR DO TIPO CASCO-TUBO Tubos aletados Materiais utilizados na construção de tubos de troca térmica MANUTENÇÃO DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO CAPÍTULO 9 SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO INTRODUÇÃO MECANISMO DE FORMAÇÃO DA FORÇA DE ATRITO Atrito seco Atrito fluido

9 SUMÁRIO XXI 9.3 LUBRIFICAÇÃO HIDRODINÂMICA Mecanismo de formação da lubrificação hidrodinâmica DESEMPENHO DA LUBRIFICAÇÃO EM UM MANCAL DE DESLIZAMENTO Cavitação em mancais de deslizamento ORIGEM DOS LUBRIFICANTES APRESENTAÇÃO DOS LUBRIFICANTES Características das graxas Características dos óleos Objetivos da lubrificação Propriedades dos lubrificantes Aditivos para os lubrificantes TRATAMENTO DO ÓLEO LUBRIFICANTE Filtragem mecânica Centrifugação Refrigeração CLASSIFICAÇÃO DOS COMPRESSORES QUANTO À LUBRIFICAÇÃO Cilindros não lubrificados Cilindros lubrificados Lubrificação do bloco do compressor Bomba de circulação de óleo Válvulas termostáticas para o lubrificante Trocador de calor lubrificação Filtro para óleo lubrificante Plugue magnético Reservatório ou cárter Suspiro do reservatório ou cárter CARACTERÍSTICAS GERAIS DA LUBRIFICAÇÃO Lubrificação dos mancais principais Buchas de biela e pistas da cruzeta ARMAZENAGEM E MANUSEIO DOS LUBRIFICANTES INFLUÊNCIADOGÁSNAQUALIDADE DALUBRIFICAÇÃO Presença de partículas sólidas no gás Presença de condensado Gás inflamável

10 XXII COMPRESSORES ALTERNATIVOS INDUSTRIAIS: Teoria e Prática CAPÍTULO 10 INSPEÇÃO E MANUTENÇÃO DA BASE INTRODUÇÃO PRINCIPAIS FUNÇÕES DA BASE CONSTRUÇÃO DO BLOCO DE CONCRETO ARMADO Utilização do aço no concreto Cimento Portland Cargas suportadas pela base Graute Parafusos de ancoragem Deterioração do concreto da base pelo efeito hidráulico Juntas de expansão PREPARAÇÃO DA BASE PARA REPARO Planejamento do reparo e aplicação do graute Perda de desempenho da base de concreto armado DEFEITOS CAUSADOS PELO DESEMPENHO INSUFICIENTE DA BASE Níveis elevados de vibração Falha dos parafusos de ancoragem Falha dos parafusos de fixação da guia das cruzetas ao bloco INSPEÇÃO E MANUTENÇÃO DA BASE Bloco de concreto armado Parafusos de ancoragem ELEMENTOS PARA AVALIAR A BASE CAPÍTULO 11 MONITORAÇÃO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO INTRODUÇÃO VISÃO GERAL DA MONITORAÇÃO MONITORAÇÃO DA VIBRAÇÃO Acelerômetro Sensor de proximidade Eddy Probe Vibração do bloco do compressor Vibração do mancal principal Vibração da guia da cruzeta Queda de haste ou rod drop Flexão dinâmica da haste ou rod run out Vibração do resfriador a ar MONITORAÇÃO DA TEMPERATURA Medição da temperatura Temperatura dos mancais fixos

11 SUMÁRIO XXIII Temperatura das válvulas Temperatura do gás MONITORAÇÃO DA PRESSÃO Medição da pressão Pressão estática Pressão dinâmica do cilindro ÂNGULO DE FASE KEYPHASOR CARGA COMBINADA NA HASTE E ÂNGULO DE INVERSÃO MONITORAÇÃO DO STATUS DOS DESCARREGADORES OU UNLOADERS EMPREGO DO ULTRASSOM NA MONITORAÇÃO DAS VÁLVULAS MONITORAÇÃO DA CAPACIDADE INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA p V (PRESSÃO VOLUME) Diagrama p V vazamento pela válvula de descarga Diagrama p V vazamento pela válvula de admissão Vazamento pela vedação do pistão Vazamento pelo engaxetamento da haste SET DE ALARMES SEGMENTADOS Programas utilizados Filosofia dos programas Recursos técnicos dos programas Segurança do sistema informatizado Interface de comunicação INSTALAÇÃO DOS SENSORES E CLPs MANUTENÇÃO DO SISTEMA CAPACITAÇÃO DOS RECURSOS HUMANOS CAPÍTULO 12 ASPECTOS E IMPACTOS DE SEGURANÇA, MEIO AMBIENTE E SAÚDE INTRODUÇÃO CONCEPÇÃO MODERNA DE SEGURANÇA AGENTES IMPACTANTES Vazamentos de gás Vazamentos dos fluidos de lubrificação e refrigeração Emissões tóxicas ou poluentes do acionador Nível de ruído Temperaturas elevadas Tensão elétrica Explosão e incêndio Pressão elevada

12 XXIV COMPRESSORES ALTERNATIVOS INDUSTRIAIS: Teoria e Prática Trabalho em altura e posição antiergonômica Movimentação e elevação de carga ASPECTOS COMPORTAMENTAIS Capacitação dos recursos humanos Alterações de projeto Planejamento de segurança Registro histórico DISPOSITIVOS DE ALARME E PARADA AUTOMÁTICA DE SEGURANÇA OPERAÇÃO Ações preventivas durante a partida Ações preventivas durante a parada do compressor para manutenção PREPARAÇÃO DO COMPRESSOR PARA A MANUTENÇÃO Despressurização do compressor Travamento mecânico do compressor Drenagem do fluido de refrigeração DESMONTAGEM, MONTAGEM E PRÉ-OPERAÇÃO Vazamentos de gases e líquidos Desmontagem do pistão Reutilização de parafusos Utilização de ferramentas Inspeção e limpeza Lubrificação Vibração APÊNDICE I EQUAÇÕES PARA O CÁLCULO DO FATOR DE COMPRESSIBILIDADE (Z) I.2 EQUAÇÃO CÚBICA VIRIAL I.2.1 Equação de estado cúbica I.3 EQUAÇÃO CÚBICA DE REDLICH-KWONG I.4 EQUAÇÃO CÚBICA DE PENG-ROBINSON I.5 EQUAÇÃO DE LEE KESLER I.6 EQUAÇÃO DO GAS PROCESSOR SUPPLIERS ASSOCIATION (GPSA) APÊNDICE II PROPRIEDADES DE GASES INDUSTRIAIS E TABELA PARA CONVERSÃO DE UNIDADE Referências