MÁQUINAS DE FLUXO COMPRESSORES PROF.: KAIO DUTRA

Conceitos e Emprego 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).

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

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.

Classificação

Compressores de Deslocamento Positivo Alternativos de Membrana Uma membrana separa o êmbolo da câmara de trabalho, desta 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.

Compressores de Deslocamento Positivo 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. Este compressores, conforme a atuação do pistão, podem ser: Simples Efeito; Duplo Efeito.

Compressores de Deslocamento Positivo Alternativos de Pistão Este compressores, conforme a atuação do pistão, podem ser: Simples Efeito; Duplo Efeito.

Compressores de Deslocamento Positivo Alternativos de Pistão Este compressores, podem ainda ser classificados em: Um estágio Múltiplos estágios.

Compressores de Deslocamento Positivo Alternativos de Pistão Vantagens dos compressores alternativos: Fácil controle de operação; Operação econômica; Manutenção simples; O calor dissipado nas camisas pode ser aproveitado em outros processos.

Compressores de Deslocamento Positivo Alternativos de Pistão Resfriamento de compressores: O compressor necessita ser resfriado, e esse resfriamento pode ser a ar (forçado ou natural) ou a água.

Compressores de Deslocamento Positivo Alternativos de Pistão

Compressores de Deslocamento Positivo 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.

Compressores de Deslocamento Positivo Rotativos de Parafusos Vantagens dos compressores de parafusos: Podem ser isentos de óleo; Menos peças de desgaste; Dimensões e peso reduzidos; Baixo ruído.

Compressores de Deslocamento Positivo 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.

Compressores de Deslocamento Positivo Rotativos Anel Elástico Este compressor, também considerado como bomba de vácuo, consiste em uma carcaça dentro da qual está colocado excentricamente um roto com palhetas presas. A carcaça é parcialmente enchida com um líquido que é movimentado pelas palhetas do rotor.

Compressores de Deslocamento Positivo Rotativos Anel Elástico Devido à excentricidade do rotor, há uma ação de compressão do gás, similar àquela do compressor de palhetas. Usado em casos que deseja-se ar ou outro gás limpo de poeiras ou contaminantes. São usados para ar de instrumentação, em controles; instalações hospitalares; em laboratórios; em industrias de produtos químicos; na obtenção de vácuo.

Compressores de Deslocamento Positivo Rotativos Roots Este compressor é composto de uma carcaça dentro da qual giram, 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.

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.

Compressores Dinâmicos Centrífugos 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.

Compressores Dinâmicos Centrífugos 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.

Compressores Dinâmicos 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.

Compressores Dinâmicos Axiais 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.

Compressores Dinâmicos Diagramas de Performance As características de um compressor são usualmente descritas mediante um mapa de performance. O eixo vertical destes mapas apresenta usualmente a taxa de compressão e o eixo horizontal vazão mássica corrigida. Usualmente são mostradas linhas de eficiência constante ( formando loops fechados) e também de número de revoluções corrigido (oblíquas).

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.

Compressores Dinâmicos Diagramas de Performance 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.

Compressores Dinâmicos Diagramas de Performance 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.

Compressores Dinâmicos Bombas de Vácuo Existem máquinas estudadas como compressores, cujo objetivo é alcançar pressões abaixo da atmosfera, são as bombas de vácuo. Estes equipamentos realizam depressão em ambientes através da remoção gradativa dos gases, por isso o termo bomba. Entre as máquinas mais usadas, destacam-se: bombas de palhetas, bombas de lóbulos, e anel líquido

Amplitude de Aplicações Pistão: possuem uma grande área de aplicação, podendo apresentar grande pressões de descarga e moderadas vazões; Parafusos: Pressões e vazões moderadas; Palhetas: Baixas pressões e vazões moderadas; Lóbulos: Baixíssimas pressões e moderadas vazões; Centrífugos: Elevada pressões e vazões; Axiais: Elevadas vazões e pressões moderadas.

Consumo Específico Trata-se da potência necessária por unidade de vazão admitida no compressor; O consumo específico é um fator importante para a escolha de um compressor, valores em torno de 7 cv/m³/min são considerados adequados para uma boa escolha do compressor. Valores abaixo deste patamar são obtidos em compressões de meio e grande porte; Normalmente compressores resfriados a ar possuem consumo específico 3 a 5% superior ao dos resfriados a água.

DLE e DLP Descarga Livre Efetiva (DLE - Q DLE ): Trata-se da quantidade de ar livre descarregada por um compressor. Descarga Livre Padrão (DLP - Q DLP ): Trata-se da quantidade de ar livre descarregada por um compressor, corrigida para as condições na admissão; Para transformar a DLP em DLE basta dividir pera razão de compressão (R) do equipamento. Q DLE = Q DLP R R = P d P a Onde: Pd Pressão de descarga Pa Pressão de admissão

Exemplo Calcule a descarga de ar correspondente a 5m³/min de DLP. Sabendo que o compressor descarrega a uma pressão de 7atm manométricos. Calcule também a DLP para obter 1,5m³/min sob pressão de 7atm.

Fundamentos de Termodinâmica 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:

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:

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

Ciclo de Compressão

Trabalho de Compressão

Trabalho Total

Diagrama do Compressor 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.

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.

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.

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

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

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:

Potência Indicada e Potência Efetiva Conhecendo-se a pressão média, pode-se calcular a potência indicada: A potência efetiva Pe, isto é, no eixo do motor que aciona o compressor, é obtida por:

Exemplo 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 e pressão ambientes, e que a pressão final deva ser de 12 atm. Considerar o índice de compressão k=1,3.

Instalação de Ar Comprimido Previsão de Consumo Para determinar o consumo de ar é necessário conhecer os equipamentos consumidores de ar da instalação, cada equipamento demanda de uma quantidade específica de ar, estes valores podem ser encontrados nos catálogos de fabricantes.

Instalação de Ar Comprimido Previsão de Consumo No caso de cilindro pneumáticos pode-se calcular o consumo de ar pelas fórmulas: Cilindro de ação simples: Cilindro de dupla ação:

Instalação de Ar Comprimido Previsão de Consumo No cálculo do consumo de ar dos equipamento é necessário determinar o fator de utilização do mesmo, pois há equipamentos que operam initerruptamente, outros que operam intermitentemente ou esporadicamente. O fator de utilização pode variar conforme a atividade do estabelecimento, mas existem alguns valores de referência.

Instalação de Ar Comprimido Dimensionamento das Tubulações Diâmetro das Tubulações: Existem vários métodos para determinação do diâmetros de tubulações de ar comprimido, basicamente todos dependem da vazão de operação na linha e levam em consideração a perda de carga, segue alguns métodos: Método das velocidades; Tabela de perda de carga; Nomograma de cálculo; Ábaco da Atlas Copco;

Instalação de Ar Comprimido Dimensionamento das Tubulações Diâmetro das Tubulações: Método das velocidades. Neste método utiliza a avaliação da velocidade na tubulação seguindo os seguintes parâmetros: Tubulações principais: 6 a 8 m/s; Tubulações secundárias: 8 a 10 m/s. Perdas de carga: V=8m/s 1,5 %; V=15m/s 6%. Os valores no corpo da tabela representam a DLE na linha em m³/min, com ele e a velocidade escolhida é possível determinar o diâmetro da tubulação

Instalação de Ar Comprimido Dimensionamento das Tubulações Diâmetro das Tubulações: Tabela de perda de carga. Este método consiste na escolha do diâmetro da tubulação pela perda de carga associada.

Instalação de Ar Comprimido Diâmetro das Tubulações: Nomograma de cálculo. Para utilizar o nomograma é necessário entrar com o comprimento da tubulação e a vazão para encontrar um ponto no Eixo 1, com isso basta conhecer a pressão de operação da linha para encontrar o diâmetro da tubulação. Com o nomograma também é possível determinar a perda de carga, utilizando o Eixo 2.

Instalação de Ar Comprimido Diâmetro das Tubulações: Emprego de Ábacos Para determinação de diâmetros de tubulações e perdas de carga é possível usar ábacos, o que economiza tempo, principalmente quando se trata de dimensionar muitos ramais.

Instalação de Ar Comprimido Diâmetro das Tubulações: Ábaco da Atlas Copco. No ábaco desenvolvido pela Atlas Copco é possível determinar o diâmetro da tubulação juntamente com a perda de carga associada. Primeiramente deve-se entrar com a vazão e a pressão na linha e posteriormente com o comprimento da linha. O diâmetro é encontrando avaliando a perda sua perda de carga.

Instalação de Ar Comprimido Calculando a perda de carga: É possível calcular a perada de carga para linhas de ar comprimido utilizando os métodos de determinação de diâmetro, porém é importante ressaltar que o comprimento da tubulação deve ser ajustado para o comprimento virtual (comprimento real + comprimento equivalente das perdas de carga localizadas). Existem várias tabelas para conversão das perdas de carga localizadas, segue uma delas:

Instalação de Ar Comprimido Dimensionamento das Tubulações Calculando a perda de carga: Em sua passagem pelos encanamentos, o ar sofre uma perda de pressão devido ao atrito e às mudanças de direções. Essa perda pode ser calculada pela formula clássica:

Instalação de Ar Comprimido Dimensionamento das Tubulações Valores de peso específico do ar (kg/m³).

Instalação de Ar Comprimido Dimensionamento das Tubulações Calculando a perda de carga: Utilizando o comprimento virtual também é possível calcular a perda de carga com a seguinte formula da Atlas Copco: Onde: q c = vazão DLE (m³/min); l= Comprimento virtual da tubulação (m); d=diâmetro (mm); p=pressão absoluta (Bar).

Exemplo Determine o diâmetro a perda de carga e a capacidade do reservatório de um compressão alternativo operando a uma vazão aspirada de 0,1 m³/s, pressão de operação de 6bar e um comprimento virtual de 120 metros. Compare os métodos da velocidade, tabela de perda de carga, nomograma e o gráfico da Atlas Copco.

Instalação de Ar Comprimido Reservatório de Ar Comprimido Possui a função de armazenar o ar para evitar a operação contínua do compressor, no caso de compressores com vazão pulsante, este normaliza a vazão para consumo na rede. No reservatório o ar também é resfriado e seco, evitando excesso de umidade na linha de ar. Remove também impurezas como óleo. Todos os reservatórios devem contem válvula de alívio e purgadores de água.

Instalação de Ar Comprimido Reservatório de Ar Comprimido Evita o acionamento do compressor para eventuais consumos de ar. Sempre que possível os reservatórios devem ser instalados próximos aos compressões e em áreas de segurança para operação. Devem conter indicador de pressão, válvula de segurança e purgadores.

Instalação de Ar Comprimido Reservatório de Ar Comprimido Calculo da capacidade do reservatório, recomendação de fabricantes: Para compressores de pistão: Volume do reservatório = 20% da vazão total do sistema medida em m³/min. Para compressores rotativos: Volume do reservatório = 10% da vazão total do sistema medida em m³/min. Os valores acima servem somente como referência, muitos fabricantes utilizam 30% da vazão, mas nada impede de usar um reservatório maior ou menor a depender do consumo da unidade.

Instalação de Ar Comprimido Reservatório de Ar Comprimido Existem outras recomendações para o cálculo de reservatório, segue: Reservatório para quase unicamente tranquilizar o ar fornecido de modo intermitente pelo compressor: Instalações importantes: Compressores rotativos:

Instalação de Ar Comprimido Reservatório de Ar Comprimido Resfriamento do Ar O resfriamento do ar é imprescindível para conseguir que a compressão se aproxime o mais possível de uma compressão isotérmica. Desta forma necessita-se do uso de aletas ou circuitos de resfriamento a água para remoção de calor no compressor ou entre estágios do mesmo (intercooler). Em sistemas de grande demanda de ar faz-se necessário também a instalação de resfriadores após o compressor (aftercooler) antes mesmo que vá ao reservatório.

Instalação de Ar Comprimido Reservatório de Ar Comprimido

Instalação de Ar Comprimido Separação da Umidade no Ar Para remover a umidade a valores aceitáveis, as instalações de ar possuem os resfriadores posteriores logo na saída dos compressores e separadores de condensado ao longo da instalação, principalmente nos pontos baixos da rede. As tubulações pode ser montada com declividade 1:1000 no sentido dos separadores, o que facilita o escoamento da água.

Instalação de Ar Comprimido Separação da Umidade no Ar Separador de condensado ou de umidade é um dispositivo contendo uma ou mais placas defletoras que obrigam o ar a desviar-se após entrar numa câmara, as partículas de condensado não acompanham o deslocamento do ar formando gotículas nas placas

Instalação de Ar Comprimido Instalação de Acessórios Para obter uma melhor eficiência na instalação é bom seguir algumas recomendações: A linha aberta é mais conveniente que a linha em circuito fechado; A declividade da linha que visa permitir o escoamento da água de condensação deve ser no sentido do escoamento do ar. Devem-se colocar elementos de drenagem nos pontos baixos e nos trechos extensos, afastados de 40 em 40 metros, no final de uma linha, antes de cada equipamento importante e nos pontos de elevação da linha.

Instalação de Ar Comprimido Instalação de Acessórios Para obter uma melhor eficiência na instalação é bom seguir algumas recomendações: A tomada de ar de uma linha para alimentar um ramal ou equipamento deve ser feita pela parte superior da linha alimentadora, para evitar o arraste de algum condensado. Recomenda-se um purgador de boia sempre que não houver muito óleo na linha. Caso a quantidade de óleo seja excessiva, devem-se usar purgadores termodinâmicos;

Instalação de Ar Comprimido Instalação de Acessórios Filtros: Os equipamentos, válvulas de precisão, devem ser protegidos contra partículas sólidas carregadas pelo ar comprimido. Lubrificadores: Certos equipamentos, notadamente as ferramentas portáteis, necessitam de uma lubrificação que reduza o atrito e proteja as peças contra a oxidação. Reguladores de pressão: Os equipamentos e ferramentas podem ter necessidade de operar com pressão inferior à da rede.

Instalação de Ar Comprimido Admissão de Ar Em compressores de médio e grande porte, é previsto um tubo de aspiração que colete ar externo da casa de máquinas. É indispensável o uso de filtros de admissão, de modo a impedir que partículas de pó abrasivas entrem na câmara de compressão do compressor.

Instalação de Ar Comprimido Admissão de Ar A velocidade do ar no tubo de aspiração deve ser de: 5 a 6 m/s para compressores de simples e tubo de aspiração com menos de 6m; 6 a 7 m/s para duplo efeito. Para dimensionamento do tubo de aspiração, pode-se usar o gráfico da Atlas Copco.

Instalação de Ar Comprimido Tubulações Entre os materiais utilizados para tubulações de ar comprimido destacamse: Aço carbono (galvanizado); Aço carbono (preto); Aço inox; Plástico (PPR); Alumínio. A escolha da tubulação adequada depende de fatores como pressão de operação, comprimento de linhas e economia financeira.

Instalação de Ar Comprimido Tubulações A tabela apresenta um comparativo de materiais feito pela Atlas Copco.

Instalação de Ar Comprimido Válvulas As válvulas são acessórios muito importantes em instalações de ar comprimido atuando na regulagem automática e manual de pressão e na interrupção de linhas. Dentre as válvulas mais utilizadas, tem-se: Válvula de esfera; Válvula globo ou de agulha; Válvula de diafragma; Válvula de redução de pressão; Válvulas de segurança.