Como Funcionam os Compressores

INTRODUÇÃO

    Ventiladores e compressores: constituem a família das máquinas operatrizes de fluxo compressível.

    Ventiladores: são máquinas cujo objetivo e promover o escoamento de um gás. Para fins de análise do desempenho de um ventilador, a compressibilidade do fluido é normalmente desprezada, uma vez que a variação de densidade do escoamento raramente ultrapassa 7%. Isso corresponde a uma elevação de pressão inferior a 0,1 atm no caso de operação com ar – apenas o suficiente para vencer as perdas de carga do sistema.

    Compressores: são utilizados para proporcionar a elevação da pressão de um gás ou escoamento gasoso. Nos processos industriais, a elevação de pressão requerida pode variar desde cerca de 1,0 atm até centenas ou milhares de atmosferas.

    Há quem utilize ainda a denominação "sopradores" para designar as máquinas que operam com elevação de pressão muito pequena porém superior aos limites usuais dos ventiladores. Tais máquinas possuem características de funcionamento típicas dos compressores, mas incorporam simplificações de projeto compatíveis com a sua utilização.

COMPRESSORES – CLASSIFICAÇÃO QUANTO ÀS APLICAÇÕES

As características físicas dos compressores podem variar profundamente em função dos tipos de aplicações a que se destinam. Dessa forma, convém distinguir pelo menos as seguintes categorias de serviços:

  1. Compressores de ar para serviços ordinários;
  2. Compressores de ar para serviços industriais;
  3. Compressores de gás ou de processo;
  4. Compressores de refrigeração;
  5. Compressores para serviços de vácuo.

    Os compressores de ar para serviços ordinários são fabricados em série, visando baixo custo inicial. Destinam-se normalmente a serviços de jateamento, limpeza, pintura, acionamento de pequenas máquinas pneumáticas, etc.

    Os compressores de ar para sistemas industriais destinam-se às centrais encarregadas do suprimento de ar em unidades industriais. Embora possam chegar a ser máquinas de grande porte e custo aquisitivo e operacional elevados, são oferecidos em padrões básicos pelos fabricantes. Isso é possível porque as condições de operação dessas máquinas costumam variar pouco de um sistema para outro, há exceção talvez da vazão.

    Os compressores de gás ou de processo podem ser requeridos para as mais variadas condições de operação, de modo que toda a sua sistemática de especificação, projeto, operação, manutenção, etc.... depende fundamentalmente da aplicação. Incluem-se nessa categoria certos sistemas de compressão de ar com características anormais. Como exemplo, citamos o soprador de ar do forno de craqueamento catalítico das refinarias de petróleo ("blower do F.C.C."). Trata-se de uma máquina de enorme vazão e potência, que exige uma concepção análoga a de um compressor de gás.

    Os compressores de refrigeração são máquinas desenvolvidas por certos fabricantes com vistas a essa aplicação. Operam com fluidos bastante específicos e em condições de sucção e descarga pouco variáveis, possibilitando a produção em série e até mesmo o fornecimento incluindo todos os demais equipamentos do sistema de refrigeração. Compressor Semi-hermético

    Há casos, entretanto, em que um compressor de refrigeração é tratado como um compressor de processo. Isso ocorre nos sistemas de grande porte, em que cada um dos componentes é individualmente projetado. É o caso, por exemplo, dos sistemas de refrigeração a propano, comuns em refinarias.

    Os compressores para serviços de vácuo (ou bombas de vácuo) são máquinas que trabalham em condições bem peculiares. A pressão de sucção é subatmosférica, a pressão de descarga é quase sempre atmosférica e o fluido de trabalho normalmente e o ar. Face à anormalidade dessas condições de serviço, foi desenvolvida uma tecnologia toda própria, fazendo com que as máquinas pertencentes a essa categoria apresentem características bastante próprias. (Há mesmo alguns tipos de bombas de vácuo sem paralelo no campo dos compressores.)

    Neste texto estaremos particularmente voltados para os compressores de processo que, além de representarem normalmente um investimento financeiro bem mais elevado que os demais, exigem um tratamento minucioso e individualizado em função de cada aplicação. Na industria do petró1eo e processamento petroquímico esses compressores são usados por exemplo:

  1. No estabelecimento de pressões necessárias a certas reações químicas.
  2. No transporte de gases em pressões elevadas.
  3. No armazenamento sob pressão.
  4. No controle do ponto de vaporização (processos de separação, refrigeração, etc.).
  5. Na conversão de energia mecânica em energia de escoamento (sistemas pneumáticos, fluidização, elevação artificial de ó1eo em campos de exploração, etc.).

COMPRESSORES – CLASSIFICACAO QUANTO AO PRINCIPIO DE CONCEPÇÃO

    Dois são os princípios conceptivos no qual se fundamentam todas as espécies de compressores de uso industrial: volumétrico e dinâmico.

    Nos compressores volumétricos ou de deslocamento positivo, a elevação de pressão é conseguida através da redução do volume ocupado pelo gás. Na operação dessas máquinas podem ser identificadas diversas fases, que constituem o ciclo de funcionamento: inicialmente, uma certa quantidade de gás é admitida no interior de uma câmara de compressão, que então é cerrada e sofre redução de volume. Finalmente, a câmara é aberta e o gás liberado para consumo. Trata-se, pois, de um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita é efetuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contato com a sucção e a descarga. Conforme iremos constatar logo adiante, pode haver algumas diferenças entre os ciclos de funcionamento das máquinas dessa espécie, em função das características específicas de cada uma.

Os compressores dinâmicos ou turbocompressores possuem dois órgãos principais: impelidor e difusor. 0 impelidor é um órgão rotativo munido de pás que transfere ao gás a energia recebida de um acionador. Essa transferencia de energia se faz em parte na forma cinética e em outra parte na forma de entalpia. Posteriormente, o escoamento estabelecido no impelidor é recebido por um órgão fixo denominado difusor, cuja função é promover a transformação da energia cinética do gás em entalpia, com conseqüente ganho de pressão. Os compressores dinâmicos efetuam o processo de compressão de maneira contínua, e portanto correspondem exatamente ao que se denomina, em termodinâmica, um volume de controle.

    Os compressores de maior uso na indústria são os alternativos, os de palhetas, os de parafusos, os de lóbulos, os centrífugos e os axiais. Num quadro geral, essas espécies podem ser assim classificadas, de acordo com o principio conceptivo:

  Alternativos  
Volumétricos   Palhetas
  Rotativos Parafusos
Compressores   Lóbulos (Roots)
  Centrífugos  
Dinâmicos  
Axiais  

Compessor Axial - Chiller

    Limitar-nos-emos, nesse texto, a focalizar esses compressores, mesmo reconhecendo que outros podem ser eventualmente encontrados em aplicações industriais, como por exemplo os compressores de anel líquido e de diafragma. Especial atenção será dispensada aos compressores alternativos, centrífugos e axiais, que são, sem dúvida, os mais empregados em processamento industrial.

PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO

Corte esquemático - Compressor AlternativoCompressores alternativos

    Esse tipo de máquina se utiliza de um sistema biela-manivela para converter o movimento rotativo de um eixo no movimento translacional de um pistão ou embolo, como mostra a figura abaixo. Dessa maneira, a cada rotação do acionador, o pistão efetua um percurso de ida e outro de vinda na direção do cabeçote, estabelecendo um ciclo de operação.

 

Funcionamento - Compressor alternativo O funcionamento de um compressor alternativo está intimamente associado ao comportamento das válvulas. Elas possuem um elemento móvel denominado obturador, que funciona como um diafragma, comparando as pressões interna e externa ao cilindro. 0 obturador da válvula de sucção se abre para dentro do cilindro quando a pressão na tubulação de sucção supera a pressão interna do cilindro, e se mantém fechado em caso contrário. 0 obturador da válvula de descarga se abre para fora do cilindro quando a pressão interna supera a pressão na tubulação de descarga, e se mantém fechado na situação inversa. Com isso, temos as etapas do ciclo de funcionamento do compressor mostradas na figura abaixo:

    Na etapa de admissão o pistão se movimenta em sentido contrário ao cabeçote, fazendo com que haja uma tendência de depressão no interior do cilindro que propicia a abertura da válvula de sucção. 0 gás é então aspirado. Ao inverter-se o sentido de movimentação do pistão, a válvula de sucção se fecha e o gás é comprimido até que a pressão interna do cilindro seja suficiente para promover a abertura da válvula de descarga. Isso caracteriza a etapa de compressão. Quando a válvula de descarga se abre, a movimentação do pistão faz com que o gás seja expulso do interior do cilindro. Essa situação corresponde à etapa de descarga e dura até que o pistão encerre o seu movimento no sentido do cabeçote. Ocorre, porém, que nem todo o gás anteriormente comprimido é expulso do cilindro. A existência de um espaço morto ou volume morto, compreendido entre o cabeçote e o pistão no ponto final do deslocamento desse, faz com que a pressão no interior do cilindro não caia instantaneamente quando se inicia o curso de retorno. Nesse momento, a válvula de descarga se fecha, mas a de admissão só se abrirá quando a pressão interna cair o suficiente para o permitir. Essa etapa, em que as duas válvulas estão bloqueadas e o pistão se movimenta em sentido inverso ao do cabeçote, se denomina etapa de expansão, e precede a etapa de admissão de um novo ciclo.

    Podemos concluir então que, devido ao funcionamento automático das válvulas, o compressor alternativo aspira e descarrega o gás respectivamente nas pressões instantaneamente reinantes na tubulação de sucção e na tubulação de descarga. (Em termos reais, há naturalmente uma certa diferença entre as pressões interna e externa ao cilindro durante a aspiração e a descarga, em função da perda de carga no escoamento.

 

Compressores de palhetas

Compressor de Palhetas O compressor de palhetas possui um rotor ou tambor central que gira excentricamente em relação à carcaça, conforme mostra a figura abaixo. Esse tambor possui rasgos radiais que se prolongam por todo o seu comprimento e nos quais são inseridas palhetas retangulares, conforme é mostrado no detalhe da figuras abaixo. Compressor de Palhetas – rotor Compressor de Palhetas – vista frontal

Compressor de Palhetas 02

Quando o tambor gira, as palhetas deslocam-se radialmente sob a ação da força centrífuga e se mantêm em contato com a carcaça. 0 gás penetra pela abertura de sucção e ocupa os espaços definidos entre as palhetas. Novamente observando a figura acima, podemos notar que, devido à excentricidade do rotor e às posições das aberturas de sucção e descarga, os espaços constituídos entre as palhetas vão se reduzindo de modo a provocar a compressão progressiva do gás. A variação do volume contido entre duas palhetas vizinhas, desde o fim da admissão até o início da descarga, define, em função da natureza do gás e das trocas térmicas, uma relação de compressão interna fixa para a máquina. Assim, a pressão do gás no momento em que é aberta a comunicação com a descarga poderá ser diferente da pressão reinante nessa região. 0 equilíbrio é, no entanto, quase instantaneamente atingido e o gás descarregado.

Compressores de parafusos

    Esse tipo de compressor possui dois rotores em forma de parafusos que giram em sentido contrario, mantendo entre si uma condição de engrenamento, conforme mostra a figura abaixo.

Parafuso 1

A conexão do compressor com o sistema se faz através das aberturas de sucção e descarga, diametralmente opostas, tal como indica a figura abaixo:

 

Vista lateral indicando a movimentação do gás em um compressor de parafusos

Parafuso 2

    O gás penetra pela abertura de sucção e ocupa os intervalos entre os filetes dos rotores. A partir do momento em que há o engrenamento de um determinado filete, o gás nele contido fica encerrado entre o rotor e as paredes da carcaça. A rotação faz então com que o ponto de engrenamento vá se deslocando para a frente, reduzindo o espaço disponível para o gás e provocando a sua compressão. Finalmente, é alcançada a abertura de descarga, e o gás é liberado.

    A relação de compressão interna do compressor de parafusos depende da geometria da máquina e da natureza do gás, podendo ser diferente da relação entre as pressões do sistema.

 

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