ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE SETÚBAL
Curso de Especialização Tecnológica Instalações Eléctricas Manutenção e Automação Ano 2010 – 2011
Equipamentos Electromecânicos Compressores Centrífugos
Trabalho de Grupo Carlos Santos
100271002
Manuel Calado
100271005
Noel Ventura
100271023
Entregue em:
Índice
Introdução ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................ ........................... ..... 2 O que é o ar? ...................................... ............................................................ ............................................. .............................................. ....................... 2 Ar comprimido. .......................... ................................................. ............................................. ............................................ ............................... ......... 4 Leis e características do ar comprimido. ............................................... ............................................................... ................ 5 Objectivos ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................ ........................... ..... 7 A produção do ar comprimido ............................................. ................................................................... .................................. ............ 7 Classificação dos compressores........................................... .................................................................. .................................. ........... 9 Compressão volumétrica ........................ .............................................. ............................................ .......................................... .................... 9 Compressores Compressores alternativos de pistão .............................................................. ................................................................................ .................. 10 Compressores Compressores alternativos de membrana, membrana, ....................................................................... ....................................................................... 11 Compressor Compressor rotativo de alhetas ................................................................................. ........................................................................................ ....... 12 Compressor Compressor rotativo Roots .................................................................. ............................................................................................... ............................. 13 Compressor Compressor de rotativo de anel líquido .......................................................... ............................................................................ .................. 14 Compressor Compressor rotativo de parafuso ..................................................................................... ..................................................................................... 16 Compressor Compressor rotativo de dentes............................................................ ......................................................................................... ............................. 18 Compressor Compressor de espiral.............................................................. ....................................................................................................... ......................................... 19
Compressão dinâmica ............................ .................................................. ............................................ ........................................ .................. 20 Compressores Compressores axiais .......................................................................................................... .......................................................................................................... 21 Compressores Compressores centrífugos.................................................................... ................................................................................................. ............................. 22
Conclusão.......................................................... ................................................................................. ............................................. ................................ .......... 25 Bibliografia ............................................ ................................................................... ............................................. ........................................... ..................... 31 Anexos ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................ ............................. ....... 32
1
Introdução Qual terá sido a primeira utilização do ar comprimido? Se pensarmos um pouco nisso, poderemos imaginar um nosso antepassado remoto utilizando a forma mais básica de ar comprimido - o próprio sopro - como ferramenta para uma infinidade de utilizações no seu quotidiano: soprar para atear um fogo, assobiar como forma de comunicação, ou qualquer uma outra aplicação que surgisse naturalmente no seu meio ambiente. O ar existe em abundância no nosso planeta e a sua utilização como ferramenta na forma mais básica não é estranha à nossa própria natureza. O que é o ar?
Quinhentos anos antes de Cristo o filósofo grego Anaximenes considerava o ar como um dos quatro elementos a partir dos quais toda a matéria seria feita. Passaram-se séculos até que na Irlanda R. Boyle (1627 – 1691) o descreve não como um elemento mas como “um “ um agregado confuso de eflúvios” eflúvios”, um material multi-
elementar. Ficaria porém a dever-se a A. Lavoisier (1743 – 1794) a descoberta da composição básica do ar e a atribuição de nomes aos dois principais elementos do mesmo, nomes pelos quais ainda ainda hoje são conhecidos: conhecidos: o Oxigénio e o Azoto ou Nitrogénio. Por essa altura vários investigadores trabalharam na definição das propriedades químicas e composição do ar. No final do século XVIII estavam identificados os gases maioritários e o estudo do ar atmosférico terá sido o grande veículo impulsor para o desenvolvimento das primeiras leis da química. Esse período iniciou-se com a Lei da Conservação da Massa de Lavoisier “Nada se perde, nada se ganha, tudo se transforma”
e propagou-se pelo século XIX. Na primeira metade do século XX o
interesse pelo estudo do ar centrou-se na química e física da Alta Atmosfera com descobertas importantes no domínio da aeronáutica e das ciências aeroespaciais. Voltou a nascer o interesse pelo estudo da Química Atmosférica das camadas inferiores na segunda metade do século, evidenciando a importância dos gases raros, dos aerossóis e da precipitação húmida. A relação entre a Química atmosférica e as Ciências do Ambiente continua a ter uma importância crescente na actualidade.
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A composição do ar atmosférico é constante nos seus constituintes maioritários (N 2, O2) até aos 100 km de altitude (homosfera). Acima dessa altitude a atmosfera rarefeita é composta principalmente por N 2, O, O2, H e He. A composição relativamente aos constituintes minoritários do ar varia com a altitude e também de ponto para ponto na superfície terrestre. Alguns constituintes minoritários importantes são: H 2O, CO2, O3 entre outros. A nível local pode ocorrer a presença de outros constituintes resultantes quer de processos naturais quer da actividade humana (SO 2, NO 2, benzeno e outras moléculas orgânicas voláteis). A tabela apresentada a seguir mostra os elementos que compõem o ar atmosférico. Gás
% Volume = 102x 78.08* 20.95*
Distribuição vertical Homogénea Homogénea
Observações N 2 O2 Respiração Efeito de estufa; 0.4 Diminui com a altitude na troposfera; também presente nos H 2O muito pouco abundante na estratosfera estados líquido e na troposfera ≤ 4 sólido (nuvens) 0.93* Homogénea Ar 0.0365=365 ppm** Homogénea Efeito de estufa CO2 18 ppm Homogénea Ne 5 ppm Homogénea He 1.6 ppm*** Na troposfera Efeito de estufa CH 4 Efeito de estufa, Máximo na estratosfera (10 ppm a 30 O3 0.01-10 ppm km); também presente na troposfera Filtro UV, oxidante *para o ar seco. **aumenta 0.5% (1.5 ppm) por ano. ***aumenta 0.9% por ano.
Há ainda a presença de espécies em quantidades ínfimas mas mesmo assim de grande importância para a química atmosférica, são os radicais OH, HO 2, NO3... Existe também na atmosfera a presença de aerossóis e vários tipos de partículas. As partículas podem ser sólidas (poeiras, fumos, cristais de gelo), ou líquidas (gotículas de água com ou sem NaCl). As partículas sólidas podem ainda ser orgânicas (fuligem e pólen) ou inorgânicas (cloreto de sódio e sulfatos resultantes da oxidação do SO 2) O estudo cabal das características químicas e físicas da atmosfera terrestre foge certamente ao âmbito deste trabalho, porém parece correcto inicia-lo desta forma pois as propriedades químicas e físicas de um fluido de trabalho são muito importantes para o projecto de uma máquina ou processo termodinâmico. 3
Ar comprimido.
Existem vários tipos de fluidos de trabalho, no presente caso trata-se do ar, porém qualquer gás pressurizado poderá basicamente ser utilizado como fluido de trabalho, dependendo das aplicações; poderá também ser utilizado um líquido pressurizado. Na verdade o que está em causa são trocas de energia permitindo realizar uma determinada tarefa, ou trabalho. Neste caso o ar comprimido será o veículo utilizado para transportar a energia necessária a um determinado processo. Há a notar o seguinte: o ar comprimido, que permite realizar trabalho não ocorre por si só... é necessário fornecer-lhe energia aumentando a sua pressão. Posteriormente esse ar comprimido pode ser usado para realizar uma tarefa específica retirando energia ao mesmo efectuando trabalho contra o ambiente circundante. O ar comprimido tem tido um grande número de aplicações desde o aparecimento do fole há milhares de anos, movido pela força de braços ou pé nas antigas forjas e na arcaica metalurgia dos metais até aos nossos dias. Hoje o ar comprimido é usado para diversos fins industriais, como o sistema de controlo de processos ou o accionamento de máquinas-ferramenta com diversas finalidades, bem como climatização e ventilação. A opção pelo ar comprimido como fluido transmissor de energia tem algumas vantagens: não existe o risco de incêndio nem de choques eléctricos; os sistemas são mais leves se comparados com os hidráulicos; são desnecessárias linhas de retorno nas instalações; o ar comprimido pode ser facilmente armazenado, o que não acontece com os líquidos devido a serem praticamente incompressíveis; a armazenagem de energia eléctrica é de concretização mais complexa e onerosa com baterias de acumuladores; o ar comprimido é uma energia limpa. Há porém algumas desvantagens também: na transmissão de pressões há um maior tempo de resposta relativamente aos sistemas hidráulicos com todas as implicações que isso pode acarretar para um processo industrial; geralmente um sistema pneumático apresenta mais fugas do que um sistema hidráulico, onde as fugas são mais facilmente detectáveis e passíveis de serem reparadas eficazmente; além disso, embora o ar seja abundante na natureza, o ar comprimido está longe de ser uma forma de energia económica pois é necessário um grande investimento inicial em equipamento de compressão e purificação do ar a fim de conseguir as características desejadas ao processo em que será aplicado. Um processo industrial que exija um ar de 4
grande qualidade pressupõe um investimento bem mais considerável do que uma simples ventilação. Porém, o ar comprimido é a segunda forma de energia mais utilizada na indústria transformadora. Leis e características do ar comprimido.
Sendo uma mistura de diversos gases, o ar ocupa volume e tem peso. O ar é compressível e expansível assemelhando-se no seu comportamento aos gases perfeitos teóricos e as leis dos mesmos são utilizadas para os cálculos em ar comprimido dentro de uma gama de pressões e temperaturas normais. Assim, supondo que a pressão de um gás permanece constante (isobárica) durante uma mudança no estado do mesmo, então o volume do gás irá variar directamente com a variação da temperatura absoluta do gás segundo a expressão: volume (m3) e T = Temperatura absoluta (K) - (lei de Charles) * 1.
, onde V =
Se o volume de um gás permanece constante (isovolúmica) durante uma mudança de estado do mesmo, então a sua pressão absoluta varia directamente com a temperatura:
, (lei de Gay-Lussac)*1.
Também se a temperatura de um gás é mantida constante (isotérmica) durante uma mudança de estado no mesmo – expansão ou compressão, então a pressão absoluta do gás irá variar inversamente com o volume do mesmo:
, (lei de Boyle) *1.
ou
Uma relação também importante refere-se a um processo termodinâmico
compreendendo expansão ou compressão de um gás sem que exista troca de energia térmica do sistema com o exterior. Isto é aproximadamente conseguido num sistema isolado ou em casos em que o processo é suficientemente rápido para que não existam trocas de calor com o meio externo. A este tipo de transformação em que não há troca de calor com o meio exterior chama-se processo adiabático. Admitindo um modelo de gás ideal, um sistema sofrendo um processo de transformação adiabática, com calores específicos constantes está sujeito à lei de Laplace:
*2.
*1 Scaumans Outlines of Theory and Problems of College chemistry, pag. 62, 63 *2 Introducción a la Termodiámica en Ingeniería Química, pag. 73
5
Onde V é o volume do gás em m 3, P é a pressão em Pa e y é o índice adiabático do gás. O índice adiabático é o coeficiente entre o calor específico a pressão constante, C P , e o calor específico a volume constante, C V, tal que:
Os calores específicos dependem da temperatura e podem ser retirados das tabelas dos gases perfeitos * 3. Por outro lado, temos a situação oposta ao processo adiabático, em que teoricamente toda a energia térmica em jogo num processo de compressão passaria livremente para o meio exterior sendo completamente dissipada. A temperatura do gás comprimido não subiria, permaneceria constante. A este tipo de transformação dá-se o nome de processo isotérmico. Na realidade, num processo de compressão de ar não se irá trabalhar sobre nenhuma destas duas curvas de funcionamento. A figura abaixo mostra uma outra curva, a politrópica, que se situa entre as duas referidas anteriormente. O processo politrópico expõe uma relação funcional especial entre pressão e volume durante um processo. Há muitas relações possíveis e considerar um determinado processo de compressão depende do resultado de uma análise termodinâmica ao mesmo. Pode dizer-se que a curva de funcionamento real, politrópica, se aproxima geralmente mais da adiabática, embora se tomadas as convenientes medidas no projecto de um sistema de compressão essa tendência possa ser contrariada.
*3 Consultar anexos
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Assim, deverá ter-se em conta que preferencialmente a curva de funcionamento de um compressor deverá aproximar-se o mais possível da curva de funcionamento isotérmica pela economia de trabalho que isso proporciona ao sistema.
Objectivos Pretende-se com o presente trabalho apresentar algumas máquinas utilizadas para a produção de ar comprimido, alguns tipos de compressores e equipamentos auxiliares usados para melhoramento da qualidade do ar produzido. Iremos deter-nos mais sobre a compressão dinâmica e no desenvolvimento sobre compressores centrífugos dando um exemplo de aplicação na prática de um destes tipos de compressores. Este procurará ser o objectivo principal do trabalho. A produção do ar comprimido
Na indústria, falando em termos tecnológicos, a produção de ar comprimido é realizada por compressores, sendo estes por sua vez accionados por motores eléctricos. Após a compressão e tratamento de ar no que concerne a pureza e percentagem de humidade do mesmo, segue-se um outro componente importante de uma instalação de ar comprimido, a rede de distribuição, que deve ser convenientemente projectada e abranger localizações estratégicas de forma a suprir satisfatoriamente a parte final de uma cadeia de ar comprimido, os diversos pontos de consumo. Os sistemas de ar comprimido, para além do investimento inicial, representam uma parcela significativa no consumo energético de uma instalação industrial. Nota-se na prática que nem sempre os sistemas de ar comprimido recebem os cuidados devidos tornando-se, sobretudo em instalações de grande porte, uma fonte constante de fugas e consequentemente de desperdício energético – facto a considerar quando se tem consciência que essa energia tem de se pagar. Devido à relação existente entre o volume do ar e a temperatura do mesmo, o calor é um grande inimigo no que se refere a um maior grau de rendimento no processo de compressão do ar. Uma forma prática de retirar calor ao ar durante a fase de compressão é dividir esta por dois ou mais andares com um arrefecimento adequado entre cada andar de compressão. A refrigeração é feita por refrigeradores a ar ou água, e como entre os andares de compressão a pressão do ar é constante, resulta daqui uma 7
apreciável redução do volume do ar o que se traduz por sua vez numa economia de trabalho nos andares subsequentes de compressão. A par disto consegue-se também devido a este processo de refrigeração uma diminuição parcial do teor de água presente no ar comprimido. Existem vários tipos de compressores e a escolha do compressor adequado para cada aplicação específica depende de alguns factores, como sejam, a qualidade do ar requerida, a pressão e o caudal ou a vazão pretendidas. Todas estas questões são importantes, a pressão e o caudal fornecidos pelo compressor dependem das especificações da máquina escolhida segundo as necessidades de consumo, porém a qualidade do ar exigido pode ser um pouco mais complexa. A compressão de ar envolve a presença de partículas sólidas, sejam elas poeiras ou ferrugem; a presença de água; a presença de óleo proveniente da lubrificação. Cada equipamento que consome ar comprimido tem exigências próprias que devem ser tomadas em consideração: o ar para decapagem industrial não tem exigências especiais e irá ser misturado com areias, porém o ar para pintura deve ser seco, isento de óleos e limpo; o ar para a instrumentação e controlo de processos dever ser extremamente limpo e lubrificado estrategicamente antes de alguns pontos de consumo, enquanto noutros deve permanecer isento de qualquer tipo de contaminantes. Estes cuidados a ter com a qualidade do ar comprimido começam desde logo por garantir a melhor qualidade de ar possível na entrada do compressor, garantindo uma boa filtragem prévia do ar e uma correcta localização da aspiração de ar, longe de contaminantes atmosféricos bem como um processo posterior de arrefecimento, secagem e filtragem do ar comprimido.
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Classificação dos compressores
Compressão volumétrica
A compressão volumétrica ou de deslocamento positivo, funciona por aspiração de um determinado volume de ar para uma ou mais câmaras que são depois fechadas na compressão. Gradualmente o volume de cada câmara diminui e o ar é assim comprimido internamente devido à diminuição desse volume, ou seja, o ar vê a sua pressão aumentada devido a uma redução forçada do volume onde o mesmo está contido. Quando a pressão atinge um determinado valor para o qual o equipamento foi especificado, uma válvula ou passagem de descarga é aberta e o ar comprimido é descarregado no sistema devido á continua redução do volume da câmara de compressão. Veremos de seguida alguns compressores que funcionam segundo este princípio.
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Compressores alternativos de pistão Há uma grande variedade de tipos de compressores alternativos disponíveis comercialmente. São usados para aplicações envolvendo pressões e volumes externos elevados. É também o mais comum de todos os compressores utilizados na indústria. Pode ser do tipo de acção simples, de dupla-acção e ainda com vários andares de compressão, com lubrificação a óleo ou em variações sem óleo lubrificante hoje em dia, com os pistões e paredes dos cilindros revestidas a carbono ou teflon. Pode
ter
vários
cilindros
em
Compressor alternativo com um pistão, de acção simples.
diversas
configurações mas o mais comum é a configuração em V apesar de existirem pequenos compressores de um só cilindro vertical.
Configuração de um compressor de pistões com dois
Compressor de dupla-acção, sem óleo
andares de compressão.
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Compressores alternativos de membrana, Os compressores de membrana, ou diafragma formam um outro grupo dentro dos compressores de tipo alternativo, podem ser utilizados como compressores ou como bombas de vácuo. O diafragma do compressor é actuado de forma semelhante á do pistão, através de uma haste, para aplicações de baixa pressão e baixas potências. Quando utilizado em aplicações de alta pressão, este tipo de compressor tem o seu diafragma actuado por energia hidráulica.
Compressor de membrana. Quando um motor acciona o veio, a haste transmite movimento ao diafragma, é de funcionamento semelhante ao de pistão de acção simples.
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Compressor rotativo de alhetas Os compressores rotativos em geral, funcionam segundo o princípio de deslocamento positivo, o mesmo princípio de funcionamento dos compressores alternativos. Porém os órgãos que compõem internamente os compressores rotativos são completamente diferentes. Nos compressores rotativos o ar é comprimido por elementos giratórios e não pelo deslocamento de êmbolos como tínhamos visto antes nos compressores alternativos. No compressor rotativo de alhetas, um rotor no qual foram escavadas cavas preenchidas por lâminas ou alhetas deslizantes é montado num estator de forma excêntrica ao eixo deste último. Quando o rotor gira, as alhetas são pressionadas contra as paredes do estator devido á força centrifuga. O ar é arrastado para dentro do compressor quando o espaço entre o rotor e o estator é maior, fica aprisionado pela rotação e vai sofrendo uma diminuição de volume, sendo descarregado na saída com a continuação do movimento de rotação do rotor.
Princípio de funcionamento de um compressor de alhetas
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Compressor rotativo Roots O compressor Roots não efectua uma compressão no seu interior, ao contrário do que se poderia pensar... Este
compressor
não
possui
válvulas e o aumento de pressão dáse quando a câmara, na qual se encontra o ar entra em contacto com a saída do compressor. A câmara onde já se encontra um determinado volume de ar é invadida pelo ar já comprimido na saída do compressor e um posterior aumento na pressão acontece quando o volume da câmara do compressor é reduzido ainda em contacto com a saída do compressor, devido ao movimento de rotação. É um compressor com baixo rendimento
e
bastante
ruidoso.
Podem ser usados como bombas de vácuo ou em transportadores de baixas
pressões
(por
exemplo
sopragem de cereais).
Princípio de funcionamento de um compressor Roots
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Compressor de rotativo de anel líquido São
compressores
que
pelas
suas
características podem também funcionar como bombas de vácuo com muito boas prestações, é aliás comum encontrar na indústria este tipo de aplicação. O seu funcionamento será explicado nas figuras seguintes. 1 – A rotação é no sentido dos ponteiros do relógio.
2 - O ar, representado pelos pontos brancos entra
3 – O ar é sugado através da parte interna da janela
no compressor; as câmaras do rotor funcionam
de entrada conforme é criado vácuo nas câmaras
como cilindros, o liquido como pistão.
devido ao movimento do rotor.
4 – Cada câmara ao passar pela janela de entrada lava uma quantidade de ar confinada entre o cone e o anel de líquido.
5 – Quando o liquido converge para o cone da câmara, o ar é comprimido
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6 – Ao rodar, cada câmara passa pela janela de
7 – O ar passa pela passagem interna e sai sem
descarga, por onde se escapa o gás comprimido
pulsações pela descarga do compressor.
8 – O ar comprimido sai continuamente pela descarga, isso equivale a formar vácuo na entrada do compressor se esta se encontrar ligada a um tanque fechado.
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Compressor rotativo de parafuso Este tipo de compressor foi desenvolvido durante os anos trinta, no século passado. Tornara-se necessário um compressor capaz de altos caudais fornecidos de forma estável sob variadas condições de pressão de trabalho. Estes compressores possuem dois rotores em forma de parafuso, um macho e outro fêmea que rodam em sentidos opostos transportando e comprimindo o ar desde a entrada até a descarga do compressor. Tecnicamente, existe a possibilidade de não terem lubrificante na câmara de compressão, não existindo contacto entre os parafusos nem entre estas e a carcaça do compressor, isto é possível devido a um funcionamento muito equilibrado permitindo baixas tolerâncias e reduzidas perdas por retorno de ar na câmara de compressão. Ao funcionar sem lubrificação dentro da câmara, são chamados de compressores secos e proporcionam ar completamente livre de óleo,
1 – O ar entra no espaço entre os dois rotores pela entrada do compressor; 2 a 4 – o ar aprisionado é comprimido à medida que o volume entre os rotores diminui, a pressão aumenta.
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Compressor de parafusos, lubrificado a óleo, vista de parte do motor de accionamento e acoplamento ao compressor
Moderna unidade integrando compressor lubrificado a óleo e motor de accionamento do mesmo
Rotores sem óleo de lubrificação, carcaça refrigerada a água, selagem de ar e óleo em ambas as extremidades e engrenagens de sincronização dos rotores permitindo tolerâncias mínimas nas pequenas distâncias entre estes.
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Compressor rotativo de dentes Tal como os compressores de parafusos, os compressores de dentes possuem um rotor macho e um rotor fêmea que rodam em sentidos opostos, existem engrenagens que os sincronizam e mantêm afastados com distâncias mínimas e tolerâncias muito rigorosas, não há portanto contacto metálico entre os rotores, tal como referido para os compressores de parafuso. Nos compressores de dentes os rotores têm a forma de dente. O processo de compressão dá-se ao ser arrastado ar para a entrada do compressor até uma altura em que o rotor bloqueia essa entrada, segue-se a fase de compressão propriamente dita, em que a câmara de compressão diminui de volume à medida que os rotores rodam. A descarga do compressor está bloqueada por um dos rotores durante todo o processo de compressão, enquanto a entrada do compressor se abre a fim de deixar entrar novo ar a ser comprimido na secção oposta da câmara de compressão. A descarga dá-se quando um dos rotores desbloqueia a saída do compressor, o ar comprimido é então forçado para fora.
Rotores de um compressor de dentes.
Princípio de funcionamento de um compressor de dentes
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Compressor de espiral Tem um princípio de funcionamento simples, embora pouco usual. É composto por uma espira fixa e por uma outra que roda excentricamente em relação á primeira aprisionando o ar em câmaras entre as duas espiras, ao rodar o volume das câmaras diminui continuamente e o ar é comprimido em direcção ao centro, onde a descarga do compressor tem uma válvula anti-retorno. O processo é relativamente silencioso e livre de vibrações, por contraste com outros tipos de compressores, nomeadamente o de pistão.
Ilustração do princípio de funcionamento
Compressor de espiral e corte mostrando o interior
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Compressão dinâmica
Na compressão dinâmica o ar é arrastado entre as pás rotativas girando a alta velocidade de cada andar impulsor e acelerado a velocidades muito altas. O ar é depois descarregado através de um difusor, onde a energia cinética é transformada em pressão quando o ar é forçado a desacelerar sob expansão. A maior parte dos compressores dinâmicos são turbo-compressores com saídas radiais ou axiais, dependendo da direcção do caudal de saída e projectados para mover grandes volumes de ar. Quando comparados com os compressores volumétricos, os compressores dinâmicos têm a particularidade de uma pequena variação na pressão de trabalho resultar numa grande variação do caudal de saída, conforme a figura ao lado. Os turbo-compressores são máquinas com características de caudal e pressão variáveis enquanto os compressores volumétricos têm como característica um caudal praticamente constante e uma pressão variável, ou seja: a compressão volumétrica proporciona uma pressão elevada, mesmo a baixas velocidades, na compressão dinâmica são basicamente proporcionados elevados caudais. Nestes compressores a velocidade de cada andar impulsor tem que ser mantida dentro de dois valores: um limite superior, quando o ar atinge a velocidade sónica e a partir do qual o sistema entra em cavitação, na prática deixando de comprimir; e um limite inferior abaixo do qual a contra-pressão se torna maior do que a pressão criada pelo andar impulsor dando origem a retorno de ar para dentro do compressor (stall). Isto pode resultar, e geralmente resulta se não existirem válvulas anti-retorno, em pulsações, ruído elevado e risco de avaria mecânica séria. A capacidade de desempenho de um compressor dinâmico é bastante afectada por condições externas, por exemplo mudanças na temperatura do ar de entrada.
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Compressores axiais O compressor tipo axial apresenta um deslocamento de caudal de ar paralelo ao seu veio de accionamento. Tem andares de compressão compostos por filas alternadas de pás móveis e pás fixas capazes de imprimir altas velocidades ao ar comprimido. Podem ter até vinte andares de compressão, cada um composto por uma fila de pás móveis e outra de pás fixas. Desta forma, o ar é progressivamente acelerado pelas pás móveis enquanto ao mesmo tempo as pás fixas convertem a energia cinética em pressão. Os compressores axiais são geralmente mais pequenos e mais leves do que o seu equivalente compressor centrífugo e normalmente operam a velocidades mais elevadas. São usados para elevados caudais a volume constante em pressões moderadas, nomeadamente em sistemas de ventilação. Dada a sua alta velocidade de rotação, são ideais para acoplamento a turbinas a gás para geração de electricidade ou para a propulsão de aeronaves. Devido às altas velocidades que estas máquinas atingem, especial cuidado é dado aos mancais, chumaceiras, rolamentos e respectiva lubrificação.
O compressor axial
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Compressores centrífugos “O primeiro dispositivo que se acredita ter funcionado como um impulsor centrífugo tinha 10 pás de curvatura dupla em madeira e foi datado aproximadamente como sendo do séc. V. Foi encontrado em Portugal em 1772 numa mina de cobre abandonada perto de São Domingos. Ninguém sabe como era usado.”*4
Um compressor centrífugo caracteriza-se por possuir uma descarga de ar radial. O ar é aspirado ao centro de um impulsor rotativo com pás radiais e é acelerado para fora em direcção ao perímetro do impulsor devido à força centrífuga. A aceleração
radial
do
ar
resulta
simultaneamente no aumento da energia cinética e no aumento da pressão. Antes de o ar ser conduzido ao centro do impulsor seguinte, ou próximo andar de compressão, passa por um difusor e uma voluta onde a energia cinética do ar comprimido é convertida em pressão por desaceleração e
aumento de
volume. Em cada andar dá-se um novo
Impulsor (aberto) de um compressor centrífugo 5
aumento de pressão até atingir a pressão para a qual a máquina foi projectada. Em máquinas de aplicação industrial o máximo ganho de compressão de cada andar não excede usualmente a taxa de 3: 1. Maiores razões de compressão num andar reduzem a eficiência. Compressores de baixa pressão de um único andar são usados por exemplo em estações de tratamento de águas residuais (E.T.A.R.).
*4 (tradução); In: mechanical engineering – From the Crystal Palace to the pump room , by Abraham Engeda - http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/february99/features/crystal/crystal.html 5
Recursos de: http://www.nmit.ac.nz/
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Múltiplos estágios de compressão podem ser montados em série num único veio de baixa rotação. Para estas aplicações uma caixa redutora é integrada entre os andares do compressor permitindo rodar os impulsores a alta velocidade; é comum esta técnica ser usada na indústria petrolífera (óleo e gás). O ganho de compressão em cada andar é baixo, mas o aumento de andares por compressor, ou vários
compressores
montados em série produz os resultados de pressão desejados na saída. Dois impulsores
podem
ser
montados em cada ponta do mesmo veio para contrariar as cargas axiais causadas pelas diferenças de pressão.
Compressor centrífugo com 3 andares e caixa redutora
Normalmente 2 ou 3 andares com refrigeração entre eles podem ser usados em aplicações típicas de ar comprimido. Além disso, as aplicações como vários andares permitem técnicas de refrigeração do ar entre os mesmos, aumenta-se a eficiência e reduzindo o consumo de energia. O impulsor destes compressores pode basicamente ser de dois tipos, tipo “aberto” (já mostrado na pagina anterior) , ou tipo “fechado” . O impulsor de tipo aberto é o mais usado quando se trata de altas velocidades no deslocamento do ar. Existem porém compressores centrífugos de menores potências e menores velocidades, normalmente conhecidos como “sopradores” ou “insufladores”
onde o tipo de impulsor fechado pode ser usado com vantagem pois nesse tipo de aplicação permite menores perdas. Nos
compressores
de
grandes
potências porém, o impulsor é do tipo
Soprador eléctrico Long Chang mod. LXFT
aberto e construído em ligas especiais
e Impulsor “fechado” utilizado no mesmo 6
6
Cortesia de: http://www.lc742.com/
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de aço inoxidável ou alumínio. A velocidade do veio do impulsor deste tipo de compressores é muitíssimo elevada quando comparada com a velocidade de outros tipos de compressores, são comuns velocidades de 15.000 a 100.000 rpm 7. Isto significa que as peças móveis do compressor, rolamentos, veios e engrenagens requerem cuidados especiais. As peças rodando a alta velocidade não o fazem utilizando rolamentos comuns de esferas, mas sim rolamentos de película de óleo, mancais hidrodinâmicos, usados também em turbinas onde as altas velocidades são normais. Em alternativa podem ainda ser usados mancais de almofada de ar ou magnéticos numa máquina a funcionar sem óleo, “compressor seco”.
Os avanços recentes da técnica permitem construir compressores centrífugos em configurações onde motores eléctricos de ultra-alta velocidade são usados para mover directamente os impulsores. Esta tecnologia cria compressores compactos, sem necessidade de caixas de engrenagens e os respectivos sistemas de lubrificação, permitindo assim compressores completamente isentos de óleo. Cada compressor centrífugo deve ser convenientemente selado a fim de reduzir fugas ao longo do veio, onde este passa pela carcaça do compressor. Diversos tipos de retentores de selagem são usados e os tipos mais avançados encontram-se nos compressores de altas velocidades, concebidos para altas pressões. Os retentores mais comuns deste tipo são os de labirinto, retentores de anel (geralmente de grafite) e os retentores mecânicos.
Compressor centrífugo de alta velocidade com accionamento directo
7
Fonte: Compressed Air Manual 7th edition - Atlas Copco Airpower NV, Belgium, 2010
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Conclusão Esclarecimento e aviso legal: a parte do trabalho que se segue foi concebida como sendo um reflexo da actividade pessoal e profissional dos intervenientes neste trabalho. Foi inserida aqui exclusivamente como parte de um trabalho curricular, didáctico, fazendo parte do Curso de Especialização Tecnológica I.E.M.A. da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, Instituto Politécnico de Setúbal. A referência a terceiros, quer a sua nomeação, quer a exposição da propriedade de terceiros não deverá sair fora do âmbito deste trabalho e da sua restrita área didáctica sob nenhuma circunstância. Mais se faz saber que se de alguma forma o trabalho que se segue se reflectir como violando os direitos privados de alguma entidade, que seja contactado qualquer dos intervenientes na execução deste trabalho pelos detentores desses direitos, a fim de que a parte nele envolvida possa ser retirada do presente trabalho. Poderá obviamente qualquer parte interessada, se detentora de direitos sob esta obra optar por deixar o trabalho como está devido ao seu objectivo ser unicamente de carácter didáctico não se pretendendo a sua reprodução sob nenhuma forma.
Apresenta-se como conclusão deste trabalho um exemplo a que tivemos acesso de aplicação prática dos compressores centrífugos. O local situa-se na zona industrial da Mitrena, em Setúbal, mais concretamente na fábrica de pasta, complexo fabril da Portucel Industrial. O equipamento encontra-se montado na E.T.A.R. e proporciona caudal de ar para arejamento no reactor biológico de tratamento de todo o efluente industrial líquido proveniente do complexo fabril, o que inclui a Portucel - fábrica de pasta, a antiga fábrica de papel INAPA e a nova fábrica de papel (CHP) recentemente construída, na altura a maior fábrica de papel da Europa. Verificámos na ocasião o volume do caudal de descarga para o Rio Sado do efluente após o seu tratamento na E.T.A.R. e lemos um valor de efluente tratado que oscilava entre 495 e os 520 litros por segundo!!! Este valor varia conforme as condições do processo. O fabricante do equipamento em causa é a HV TURBO, Elsingor, Denmark, presentemente integrada no grupo SIEMENS. O modelo do compressor é o KA22S, estão duas unidades montadas no local com os números de série 2850 e 2851. Existe uma terceira unidade de um modelo diferente, mais recente como apoio de reserva, também um compressor centrífugo semelhante. Iremos cingir-nos aos dados das unidades mais antigas neste trabalho. Pelas folhas de características do equipamento, o ano de fabrico foi 1991 e pesam aproximadamente 6750 kg cada unidade. 25
Para este tipo de compressor o caudal mínimo de entrada é de 9.000 m 3/h, o que tem a ver com a velocidade mínima permitida do equipamento antes de entrar em sttal, e o caudal máximo é de 20.000 m 3/h. A pressão do ar de entrada é de 1,013 bar abs. E a pressão de descarga é de no máximo 1,803 bar abs. A temperatura normal de entrada é de 20ºC e a máxima admissível de 41ºC. Funcionam a uma rotação constante de 11.840 rpm com um consumo de potência de 492,8 kw na aspiração máxima, a temperatura e pressão normais. Possuem uma caixa de engrenagens HV TURBO, modelo GA250 com uma relação de 3,9697, com uma demanda de óleo de 82 litros/min.
À direita, parcialmente visível o filtro de entrada do compressor e manómetro de coluna líquida indicando estado do filtro; Ao centro o compressor e redutor com manómetro de pressão de óleo e termómetro, à esquerda vista parcial do painel de controlo, por baixo do qual alguma instrumentação. O cilindro branco ao centro é o motor eléctrico actuador das alhetas móveis do difusor variável de controlo de caudal de ar comprimido.
O accionamento é composto por um motor EFACEC tipo AT2-500S. O peso do motor é 3250 kg, tem uma classe de isolamento IP 23, a sua potência nominal é de 560kw, a frequência de trabalho são 50 Hz, a tensão de alimentação 6.000 V, trifásico, roda a 3.000 rpm (sem considerar o escorregamento) e a alimentação ao motor é feita 26
por
arranque
através
de
directo contactor
especifico para a tensão e corrente empregadas. O acoplamento do motor à caixa redutora é um Flender Arpex tipo NAN 205. Este compressor possui a particularidade de permitir o controlo de caudal de ar comprimido
dentro
Motor de accionamento do compressor
de
limites bem definidos usando uma tecnologia de difusor variável composto por alhetas móveis junto da saída radial do impulsor. As alhetas são comandadas por motor eléctrico externo. Isto permite exercer controlo sobre as condições de processo, variando o volume de ar sem alterar a velocidade de funcionamento do compressor. O controlador da posição das alhetas do difusor é um actuador linear accionado por motor eléctrico Magnetic AG. Liestal, do tipo LC 18.6, com uma força de trabalho linear de 3.500N, um braço de actuação de 84 mm, uma velocidade de 1,2 mm/s, com um grau de protecção IP 44, frequência de trabalho de Alhetas móveis do difusor variável junto do impulsor
50Hz, 220V, monofásico, acoplado a um potenciómetro
de
1.000
Ω
para permitir
referência de posição ao sistema de controlo de processos/instrumentação. A queda de pressão na entrada do compressor deve-se ao filtro: VILEDON; tipo: Filterbags; EU – class DIN 24185: EU4; com manómetro de indicação 5 – 100 mm H2O e recomendação para limpeza/substituição de filtro aos 30 mm H 2O. Estas unidades possuem uma bomba de óleo para lubrificação da caixa de engrenagens, um filtro de óleo e um refrigerador de óleo como equipamento auxiliar.
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O filtro de óleo é um ARLON Filtertech, Holand. Tipo TTF 2, com uma capacidade de 170 a 300 ( ); um elemento de filtro de 10 micron. A bomba de óleo é AB Imo-Industry, Sweden, tipo E4T-032N, com capacidade de 82 lit./min. O motor da Bomba é um
Motor da bomba de óleo entre a caixa redutora e o motor de
ABB, tipo MT 90 L de 2,2
accionamento do compressor.
kW de potência, um índice de protecção IP 54, frequência nominal de 50Hz, 380V trifásicos, 3000 rpm. O tanque de óleo também funciona como base para o compressor e possui uma capacidade para 300 litros. Existe um sistema a ar para arrefecimento do óleo composto por um permutador Bugge, Wassenaar, Holland, tipo 009.100. O motor do ventilador do permutador é de Rotor; AP100-L4; 1410 rpm; IP 55; 50 Hz; 380V; 3kw. A pressão mínima do óleo é 1,0 bar, e em condições
normais
funcionamento
deve
de ser
aproximadamente 2 a 3 bar. A
temperatura
do
óleo
Máxima admissível é 70ºC no
reservatório
e
em
funcionamento normal deve ser de 45 a 55 ºC na entrada Permutador de arrefecimento do óleo situado num piso acima da
da caixa de engrenagens.
sala dos compressores
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Instrumentação para controlo e protecção do compressor
Quadro local de controlo do compressor
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Vista parcial do tanque de arejamento, reactor de tratamento biológico da E.T.A.R., onde se pode verificar o turbilhão provocado pelo ar enviado a partir de dois compressores como o apresentado trabalhando em simultâneo. O nível de oxigenação pretendido situa-se entre os 2 e os 4 ppm de O 2 dissolvido e existem dois analisadores para garantir estes valor es a partir de uma cadeia de controlo automático de processos.
Exceptuando pelas notas de rodapé este trabalho apresenta uma contagem de palavras total de: 6.250 palavras
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Bibliografia • Folhas de Química – “Com os pés na terra e a cabeça no ar”-
Maria Filomena
Camões. • Composição Química e Estrutura da Atmosfera Terrestre – M.N.M.S
Berban e
Santos – Centro de Química-Física Molecular – Instituto Superior Técnico, Maio de 2006. • Schumans Outlines of Theory and Problems of College Chemistry – Eighth Edition – Jerome L. Rosenberg, Ph.D.; Lawrence M. Epstein, Ph.D. – McGRAW-HILL, 1997. • Introductión a la Termodinámica en Ingeniería Química – Quinta edicion – J.
M.
Smith; H. C. Van Ness; M. M. Abbot / Traducción: Edmundo G. Urbina Medal; Maria del Consuelo Hidalgo Mondragón / Revisón Técnica: Ing. José Clemente Reza García - McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A DE C.V. (México, 1996) • Tecnologia de ar comprimido – BOSCH (09/2008) • Compressed Air Manual 7th edition - Atlas Copco Airpower NV,
Belgium, 2010
• Ar comprimido – Escola Superior Agrária de Coimbra, 03/03/2009 • http://pt.wikipedia.org/w/index.php?oldid=22509142 •http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Thermally_Agitated_Molecule.
gif 3
• Compressors for Air, type KA5-KA100, Flow: 3.000-125.000m /h
HV-TURBO
A/S, Allégade 2, DK-3000 Helsing Ør, Dennmark.
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Anexos
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