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COMPRESSORES ALTERNATIVOS
COMPRESSORES ALTERNATIVOS
iii
SUMÁRIO
Lista de Figuras ............................................................................................................... v
1 Introdução................................................................................................................. 1
2 Princípio de funcionamento ..................................................................................... 4
3 Ciclo ideal ................................................................................................................ 6
3.1 Elementos básicos do compressor .................................................................... 6
3.2 Rendimento volumétrico do ciclo ideal ............................................................ 7
3.3 Trabalho no ciclo ideal ..................................................................................... 8
4 Caracteristicas de operação .................................................................................... 11
4.1 Aspectos construtivos ..................................................................................... 11
4.1.1 Lay-out geral da máquina ......................................................................... 11
4.1.2 Válvulas .................................................................................................... 13
4.1.3 Selagem da câmara de compressão ........................................................... 13
4.1.4 Lubrificação .............................................................................................. 14
4.1.5 Arrefecimento ........................................................................................... 14
4.1.6 Amortecedores de pulsações ..................................................................... 15
4.1.7 Compressores policilíndricos .................................................................... 16
4.2 O ciclo real ...................................................................................................... 17
4.3 Vazão .............................................................................................................. 18
4.4 Rendimento volumétrico do ciclo real ............................................................ 19
4.5 Potência consumida na compressão ................................................................ 19
4.6 Limites de resistência ...................................................................................... 20
4.7 Verificação das condições gerais de operação ................................................ 21
5 Compressão em estágios ........................................................................................ 22
5.1 Vantagens da compressão em estágios ........................................................... 23
5.2 Decisão pelo uso de compressores de múltiplos estágios ............................... 24
iv
5.3 Níveis intermediários de pressão .................................................................... 25
6 Controle e proteção ................................................................................................ 26
6.1 Métodos de controle de capacidade ................................................................ 26
6.1.1 Parada e partida do acionador ................................................................... 26
6.1.2 Recirculação .............................................................................................. 27
6.1.3 Variação de rotação ................................................................................... 27
6.1.4 Alívio das válvulas de sucção ................................................................... 28
6.1.5 Variação do volume morto ........................................................................ 29
6.1.6 Controle de compressores com múltiplos estágios ................................... 29
6.2 Dispositivos de proteção ................................................................................. 30
7 Fontes consultadas.................................................................................................. 31
v
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Classificação dos compressores .................................................................... 2
Figura 2 – Sistema biela-manivela ................................................................................. 4
Figura 3 – Etapas do funcionamento do compressor alternativo .................................... 5
Figura 4 – Representação do ciclo ideal ......................................................................... 6
Figura 5 – Equivalência gráfica do trabalho no ciclo ..................................................... 9
Figura 6 – Compressor alternativo monocilíndrico horizontal ..................................... 11
Figura 7 – Esquema de câmara de compressão com duplo-efeito ................................ 12
Figura 8 – Arranjos para compressores policilíndricos ................................................ 16
Figura 9 – Ciclo real ..................................................................................................... 17
Figura 10– Esquema de compressão em múltiplos estágios ......................................... 22
Figura 11– Diagrama P versus V de compressão em dois estágios .............................. 23
1
1 INTRODUÇÃO
Os compressores podem ser definidos, de maneira geral, como estruturas mecânicas
que têm por finalidade aumentar a energia utilizável de um fluido compressível através do
aumento de sua pressão (COSTA, 1984).
O processo de compressão de fluidos exige que o compressor esteja integrado com
todo um sistema que inclui outros equipamentos, como tubulações e válvulas, por exemplo.
Esse sistema é conhecido como sistema de compressão, e suas características influem
diretamente sobre o desempenho do compressor, assim variações na pressão de sucção e
descarga, natureza do gás e temperatura de sucção geram alterações na vazão de operação, na
potência de compressão, temperatura de descarga, eficiência, etc.
Os sistemas de compressão são classificados em sistemas simples e complexos. Os
sistemas simples de compressão são constituídos basicamente de um tanque de sucção que
contém o gás em baixa pressão, o compressor e o tanque de descarga, que contém o gás
pressurizado. Há, porém, processos industriais que exigem sistemas mais complexos,
contendo ramais, reciclos e associação de compressores (RODRIGUES, 1991).
Quanto ao tipo de associação de compressores empregada em sistemas de compressão
complexos, existem dois modos de associação: em série e em paralelo. A associação em série
é utilizada com o intuito de elevar a pressão do fluido a uma pressão na qual o emprego de um
só compressor não é o suficiente. A associação em paralelo é empregada quando se deseja um
aumento na vazão de fluido pressurizado.
Existem várias classificações para os compressores, sendo as principais delas a
classificação dos compressores quanto às aplicações e quando ao modo de concepção.
De acordo com a classificação quanto às aplicações os compressores podem ser
classificados em:
Compressores de ar para serviços ordinários: geralmente destinam-se a
serviços de jateamento, pintura e acionamento de pequenas máquinas
pneumáticas;
Compressores de ar para serviços industriais: tem como função o
fornecimento de ar comprimido em unidades industriais;
2
Compressores de gás ou de processo: expostos as mais variadas condições de
operação, deste modo são projetados com alto grau de especificidade;
Compressores de refrigeração: tem a função de comprimir o gás refrigerante,
de modo que este troque calor com as vizinhanças;
Compressores para serviços de vácuo: também conhecidos como bombas de
vácuo.
Já de acordo com a classificação quanto ao princípio de concepção os compressores
podem ser classificados em:
Compressores volumétricos: também conhecidos como compressores de
deslocamento positivo. Nesse tipo de compressor o fluido é comprimido pela
redução do volume da câmara de contenção do mesmo. O processo de
compressão nesse caso é considerado intermitente, ou seja, em sistema
fechado, não havendo contato do fluido preso na câmara de compressão com a
linha de sucção ou descarga durante o processo de compressão.
Compressores dinâmicos: também conhecidos como turbocompressores.
Esses compressores, ao contrário dos compressores volumétricos, operam em
regime permanente. Os compressores dessa classe são dotados basicamente de
dois componentes: o impelidor e o difusor. O impelidor tem por função
comunicar energia cinética e entalpia ao fluido através do contato desde com as
pás rotativas do acessório. O difusor objetiva a transformação desses tipos de
energia em energia de pressão.
A classificação dos compressores quanto princípio de concepção e os principais tipos
de compressores utilizados na indústria associados a cada classe é ilustrada pela Figura 1.
Figura 1 – Classificação dos compressores
3
Neste trabalho será dada ênfase aos compressores alternativos, que estão inclusos na
classe de compressores volumétricos.
4
2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Os compressores alternativos são constituídos fundamentalmente de um receptor
cilíndrico, em cujo interior se desloca, em movimento retilíneo alternativo, um êmbolo ou
pistão. Utiliza-se de um sistema biela-manivela para converter o movimento rotativo do motor
de acionamento em movimento alternativo do pistão (COSTA, 1984). Na Figura 2 está
representado o sistema biela-manivela.
Figura 2 – Sistema biela-manivela
O funcionamento de um compressor alternativo está diretamente associado com ao
comportamento de válvulas. As válvulas apresentam um elemento chamado obturador, que
controla o movimento do gás através de sua abertura ou fechamento. O obturador da válvula
de sucção abre para dentro do cilindro quando a pressão dentro do cilindro é menor que a da
tubulação de sucção e se mantém fechado na situação inversa. O obturador da válvula de
descarga se abre para fora do cilindro quando a pressão no interior do cilindro é maior que a
pressão da tubulação de sucção e se mantém fechado na situação inversa. Na Figura 3 temos
as etapas no funcionamento do compressor alternativo.
5
Figura 3 – Etapas do funcionamento do compressor alternativo
Na etapa de admissão o pistão se movimenta em sentido contrário ao cabeçote,
fazendo com que haja uma diminuição na pressão dentro do cilindro. Essa diminuição
possibilita a abertura da válvula de sucção e o gás é então aspirado (2). Ao inverter-se o
sentido da movimentação a válvula de sucção é fechada e o gás é comprimido até que a
pressão interna do cilindro seja suficiente para promover a abertura da válvula de descarga
(3). Quando a válvula de descarga se abre, a movimentação do pistão promove a expulsão do
gás de dentro do cilindro (4). Nem todo o gás comprimido é expulso do cilindro, formando
um volume morto. Esse volume faz com que a pressão não decaia instantaneamente durante a
etapa de expansão (1).
6
3 CICLO IDEAL
O estabelecimento de um ciclo ideal de um compressor é importante para a discussão
de uma série de fatores relativos ao seu funcionamento e para adaptá-lo as condições reais de
operação. Para a formulação do ciclo ideal de compressão levam-se em conta as seguintes
hipóteses:
O fluido no ciclo é um gás ideal;
Os processos de compressão e expansão do gás são ideais e adiabáticos e,
portanto descritos por uma relação do tipo 𝑝𝑣𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.;
Os processos de admissão e descarga se fazem isobaricamente, nos níveis de
pressão do sistema. Considerando que não há trocas térmicas nem atrito fluido
ou qualquer outro efeito dissipativo durante essas fases, o estado
termodinâmico do gás permanece inalterado.
Figura 4 – Representação do ciclo ideal
3.1 ELEMENTOS BÁSICOS DO COMPRESSOR
Lista-se a seguir uma série de elementos e características de funcionamento associados
ao ciclo ideal do compressor alternativo, com a respectiva simbologia.
7
D Diâmetro do cilindro
L Curso do pistão
N Rotação do eixo
V1 Volume do cilindro
V0 Volume morto, coincide com o volume V3
VD Volume deslocado, correspondente ao volume (V1-V0) varrido pelo pistão ao
longo do deu curso
C “clearence”, denominação dada à relação V0/VD
Vasp Volume aspirado, correspondente ao volume (V1-V4) captado na fase de
admissão.
3.2 RENDIMENTO VOLUMÉTRICO DO CICLO IDEAL
Uma característica muito importante na análise de desempenho de um compressor
alternativo é o seu rendimento volumétrico (𝜂𝑣𝑜𝑙), que serve para cálculos de vazão. Durante
todo o ciclo ocorre a compressão de uma quantidade de gás maior do que aquela que é
efetivamente transportada da sucção para a descarga da máquina.
Por conveniência, a definição do rendimento volumétrico é dada por:
𝜂𝑣𝑜𝑙 =𝑉𝑎𝑠𝑝
𝑉𝐷=
𝑉1 − 𝑉4
𝑉1 − 𝑉3 (1)
Rearranjando essa equação e substituindo C na mesma, pode-se obter:
𝜂𝑣𝑜𝑙 = 1 − 𝐶 (𝑉4
𝑉0− 1) (2)
O termo V4/V0 na Equação 2 representa a relação entre os volumes final e inicial da
expansão, definida através da relação pvk=cte. Temos, então:
8
𝑉4
𝑉0= (
𝑝2
𝑝1)
1𝑘⁄
= 𝑟1
𝑘⁄ (3)
Substituindo na Equação 2, tem-se:
𝜂𝑣𝑜𝑙 = 1 − 𝐶 (𝑟1
𝑘⁄ − 1) (4)
Pode-se destacar que:
O rendimento volumétrico varia inversamente ao “clearence”. Daí o porque
não se deve adotar valores desnecessariamente elevados para essa grandeza
durante o projeto do compressor.
O rendimento volumétrico varia no mesmo sentido que o expoente adiabático.
O rendimento volumétrico varia inversamente à relação de compressão do
sistema.
As condições de operação do sistema podem variar, variando as pressões de sucção ou
descarga, alterando assim a relação de compressão. Igualando a zero a Equação 4, pode-se
obter o valor da relação de compressão que torna nulo o valor do rendimento volumétrico:
𝑟𝑚á𝑥 = (1
𝐶+ 1)
𝑘
(5)
Um caso excepcional a ser mencionado é o do compressor operando como bomba de
vácuo, que em geral é mantido até em funcionamento até que a menor pressão possível seja
estabelecida na sucção, anulando o rendimento volumétrico.
3.3 TRABALHO NO CICLO IDEAL
O trabalho líquido consumido no ciclo ideal de um compressor alternativo é o
resultado da soma algébrica dos trabalhos correspondentes a cada etapa envolvida.
9
𝑊 = 𝑊1→2 + 𝑊2→3 + 𝑊3→4 + 𝑊4→1 (6)
Figura 5 – Equivalência gráfica do trabalho no ciclo
De acordo com a Figura 5 pode-se concluir que:
𝑊1→2é um trabalho de compressão, negativo, dado pela integral de 𝑝𝑑𝑉 e
portanto equivalente à área 12CD.
𝑊2→3é um trabalho de movimentação do gás, também negativo, dado por 𝑝∆𝑉
e portanto equivalente à área 23AC.
𝑊3→4é um trabalho de expansão, positivo, dado pela integral de 𝑝𝑑𝑉 e portanto
equivalente à área 34BA.
𝑊4→1é um trabalho de movimentação do gás, também positivo, dado por 𝑝∆𝑉
e portanto equivalente à área 41DB.
A soma desses trabalhos resulta na área interna do diagrama, levando o sinal negativo.
−𝑊 = á𝑟𝑒𝑎 1234 (7)
Essa área pode ser interpretada como a subtração de duas outras áreas:
−𝑊 = ∫ 𝑉𝑑𝑝2
1
− ∫ 𝑉𝑑𝑝3
4
(8)
10
Pode-se ainda escrever:
−𝑊 = 𝑚𝑡 ∫ 𝑣𝑑𝑝2
1
− 𝑚𝑟 ∫ 𝑣𝑑𝑝3
4
(9)
Onde mt é a massa total contida no interior do cilindro durante a compressão, enquanto
mr é a massa residual durante a expansão.
Das hipóteses de que a compressão e a expansão são ambas adiabáticas e realizadas
entre os mesmos estados termodinâmicos, tem-se:
∫ 𝑣𝑑𝑝2
1
= ∫ 𝑣𝑑𝑝3
4
(10)
E, portanto:
−𝑊 = 𝑚 ∫ 𝑣𝑑𝑝2
1
(11)
Onde:
𝑚 = 𝑚𝑡 − 𝑚𝑟 (12)
A massa m é de fato aquela que é levada desde a sucção até a descarga pela realização
do ciclo.
11
4 CARACTERISTICAS DE OPERAÇÃO
4.1 ASPECTOS CONSTRUTIVOS
As características dos componentes dos compressores variam de acordo com a sua
aplicação e, portanto, podem varia bastante. Nem tudo que será apresentado é rigorosamente
válido as instalações industriais, mas servem como referência para estudos futuros.
4.1.1 Lay-out geral da máquina
A Figura 6 apresenta um compressor alternativo monocilíndrico horizontal com a
indicação de seus elementos. Os compressores alternativos são formados basicamente por três
partes, que são a carcaça, o cilindro e a peça de distanciamento.
Figura 6 – Compressor alternativo monocilíndrico horizontal
A carcaça tem como função proteger as partes móveis do compressor e serve também
como reservatório de óleo lubrificante. Por não trabalhar sob pressão, seu projeto estrutural é
simples (RODRIGUES, 1991).
Na outra extremidade se encontra o cilindro. É nele que se efetua a compressão do gás.
O projeto do cilindro é bastante complexo, pois se trata de um vaso de pressão dotado de uma
12
série de aberturas que proporcionam concentrações de tensões e é sujeito a diferenciais
térmicos durante a sua operação (RODRIGUES, 1991).
A ligação da carcaça com o cilindro é feita através de um compartimento denominado
peça de distanciamento. Essa peça tem por finalidade evitar a proximidade entre carcaça e
cilindro. Essa peça é tratada individualmente e não como uma prolongação da carcaça devido
a possibilidade de adaptar o compressor a diversas condições de utilização (RODRIGUES,
1991).
Nos compressores industriais normalmente se utiliza a câmara de compressão com
duplo-efeito, utilizando as duas faces do pistão para comprimir o gás. Nestes compressores os
ciclos são realizados de maneira simultânea mas defasada. Devido a utilização das duas faces
do pistão existe a necessidade de que a conexão da biela com o pistão se dê através da haste e
cruzeta. Ocorre ainda a necessidade de um dispositivo de vedação na passagem da haste pela
carcaça, um maior número de válvulas e maiores dimensões totais da máquina. Esses detalhes
aumentam o custo inicial da máquina (RODRIGUES, 1991).
Figura 7 – Esquema de câmara de compressão com duplo-efeito
O compressor de duplo-efeito é utilizado devido as seguintes vantagens em relação ao
simples efeito, apresentadas por RODRIGUES:
Maior vazão para um mesmo volume da câmara de compressão;
13
Maior regularidade da solicitação ao acionador, devido à defasagem dos ciclos
efetuados em cada um dos efeitos;
Maior rendimento mecânico do compressor.
Menor desgaste dos anéis de segmento, livres de esforços laterais oriundos da
posição angular da biela, agora absorvidos pela cruzeta.
4.1.2 Válvulas
As válvulas são os componentes mais delicados doscompressores alternativos e os
componentes dos quais os compressores alternativos são mais dependentes (RODRIGUES,
1991). RODRIGUES lista ainda algumas das características necessárias as válvulas:
Devem promover o rápido escoamento do gás impondo pequenas perdas de
carga. Devem ainda ocupar áreas pequenas do cilindro e não exigir espaço
morto
Devem apresentar máxima estanqueidade, quando fechadas.
Devem ter alta resistência mecânica.
Devem apresentar absoluta resistência à corrosão.
4.1.3 Selagem da câmara de compressão
Dispositivos de selagem são utilizados para impedir o vazamento de fluido no contato
entre partes móveis e estacionárias de uma máquina. Na câmera de compressão de
compressores alternativos há dois pontos a serem considerados: no contato com a superfície
lateral do pistão e na passagem da haste pelo fundo do cilindro (RODRIGUES, 1991).
Anéis de selagem são embutidos na superfície lateral do pistão, em rebaixos. São
ligeiramente maiores que o diâmetro do cilindro, suportando compressão e vedando a lateral
do cilindro. O número de anéis empregado depende da pressão de trabalho.
14
Para a vedação da haste do compressor utilizam-se pares de anéis tri-partidos, de modo
a permitir ajustes por deslocamento radial. Em geral, cada par é formado por um anel com
partições radiais e um outro que possui partições tangenciais (RODRIGUES, 1991).
4.1.4 Lubrificação
Nos compressores alternativos existem dois sistemas de lubrificação diferentes. Um é
responsável pela lubrificação dos mancais dos elementos de acionamento, isto é, eixo, biela e
cruzeta. O outro sistema é responsável pela lubrificação dos anéis de selagem (RODRIGUES,
1991).
O sistema de lubrificação dos elementos de acionamento utiliza uma bomba rotativa
que aspira óleo do reservatório presente na própria carcaça e o movimenta através de
processos de filtragem e resfriamento. Este óleo é então distribuído de forma abundante sobre
os mancais. Por fim o óleo escorre até o reservatório, fechando o ciclo (RODRIGUES, 1991).
Para a lubrificação da câmara de compressão é utilizada uma bomba alternativa com
múltiplos cilindros, onde cada cilindro é responsável por um ponto de lubrificação. São
dosadas quantidades da ordem de algumas gotas por minuto. Esse sistema não apresenta
retorno e o óleo sai arrastado pelo gás comprimido (RODRIGUES, 1991).
4.1.5 Arrefecimento
Os compressores alternativos são dotados de um sistema de arrefecimento,
normalmente a circulação forçada de água através de camisas que envolvem a câmera de
compressão (RODRIGUES, 1991).
Na maior parte das aplicações consegue-se que a temperatura das paredes dos cilindros
fique pouco acima da temperatura de sucção. O ligeiro aquecimento durante a fase de
admissão elimina a possibilidade de condensação de algum componente saturado. Durante a
fase de descarga ocorrem as maiores temperaturas experimentadas pelo gás e a conseqüente
transferência da maior parte do calor removido durante o ciclo (RODRIGUES, 1991).
15
RODRIGUES cita as quatro possibilidades a serem consideradas com relação ao
arrefecimento da câmara de compressão. São elas:
Camisas com circulação forçada de líquido – é o mais eficiente método de
arrefecimento. Apresenta um custo operacional relativamente alto associado ao
circuito de distribuição do líquido. A água é o fluido de arrefecimento mais
empregado nesse sistema.
Camisas com circulação natural de líquido–é menos eficiente que a
circulação forçada, mas tem custo operacional mais baixo. É adota em sistemas
em que a temperatura de descarga é moderada.
Camisas preenchidas com líquido não-circulante – visa não propriamente a
refrigeração, mas sim a homogeneização térmica da câmara de compressão.
Utiliza-se somente quando se prevê uma temperatura de descarga do gás muito
baixa.
Cilindros aletadas para resfriamento a ar –Esses sistemas não são
projetados com os graus de robustez e confiabilidade compatíveis com o uso
em processamento industrial.
4.1.6 Amortecedores de pulsações
Segundo RODRIGUES, a intermitência que caracteriza tanto a captação quanto a
liberação de gás por parte de um compressor alternativo provoca a ocorrência de flutuações de
pressão ao longo das tubulações de sucção e descarga, podendo causar os seguintes
problemas:
Vibrações das tubulações conectadas ao compressor, capazes de levar à ruptura
das juntas soldadas ou pontos de concentração de tensões de modo geral.
Deterioração da performance do compressor.
Instabilidade e erros nas medições de pressão e vazão do sistema.
Para evitar, ou ao menos atenuar, os problemas citados, duas providências são
tomadas:
16
Instalação de dispositivos amortecedores de pulsação nas linhas de sucção e
descarga.
Projeto adequado do traçado dessas linhas.
4.1.7 Compressores policilíndricos
Observa-se em instalações industriais o uso de compressores dotados de mais de um
cilindro. Podem ser empregados com os cilindros operando em paralelo para atender a uma
necessidade de vazão ou então em compressores de múltiplos estágios. Nos compressores
alternativos de múltiplos estágios os cilindros apresentam dimensões diferentes, diferindo dos
compressores policilíndricos de único estágio (RODRIGUES, 1991). A Figura 8 apresenta os
arranjos utilizados em compressores policilíndricos.
Figura 8 – Arranjos para compressores policilíndricos
17
Segundo RODRIGUES, a grande vantagem da construção policilíndrica é a
possibilidade de programar a defasagem entre os ciclos que são efetuados simultaneamente
nos diversos cilindros de modo a atenuar a irregularidade dos esforços resistentes impostos
pelo compressor.
4.2 O CICLO REAL
É possível estabelecer o traçado do ciclo real efetuado por um compressor alternativo
quando empregados indicadores de diagramas. Esse ciclo difere um pouco do ciclo ideal,
anteriormente representado (RODRIGUES, 1991).
Figura 9 – Ciclo real
A diferença básica entre os dois ciclos se deve a um retardo na abertura das válvulas,
fazendo com que a pressão no cilindro ultrapasse a pressão do meio de descarga na fase de
compressão e caia abaixo da pressão do meio de sucção na fase de expansão. Segundo
RODRIGUES, esses efeitos podem ser explicados por dois fatores:
Diferenças entre as áreas disponíveis para a atuação das pressões, dos lados
interno e externo do obturador.
Tensão gerada pela mola.
18
O resfriamento a que é submetido o cilindro durante a realização do ciclo real
praticamente não afeta as curvas de compressão e expansão, cujos comportamentos
continuam se assemelhando ao adiabático.
4.3 VAZÃO
Mesmo os compressores policilíndricos, programados para reduzir a vazão irregular,
apresentam flutuações tanto da vazão captada quanto da vazão descarregada. Em vista disso,
se expressa a vazão em termos da vazão média transportada. Nas plantas industriais se
utilizam amortecedores de pulsação ou reservatórios para que sejam amenizadas ou até
eliminadas as flutuações de vazão do compressor.
A vazão média, em base volumétrica, para um compressor de um cilindro com duplo-
efeito pode ser expressa por:
�̇�𝑎𝑠𝑝 = (𝜂𝑣𝑜𝑙 𝐼𝑉𝑎𝑠𝑝 𝐼 + 𝜂𝑣𝑜𝑙 𝐼𝐼𝑉𝑎𝑠𝑝 𝐼𝐼)𝑁 (13)
Onde N é o número de ciclos efetuado pelo compressor em cada efeito na unidade de
tempo.
Se o rendimento volumétrico for o mesmo para ambos os efeitos, então:
�̇�𝑎𝑠𝑝 = 𝜂𝑣𝑜𝑙 𝑉𝐷𝑁 (14)
Onde:
𝑉𝐷 = (2𝐷2 − 𝑑2)𝜋𝐿
4 (15)
19
Sendo d o diâmetro da haste do compressor. A Equação 14 não fornece bons
resultados práticos, sendo necessário o estabelecimento de uma forma para o cálculo do
rendimento volumétrico de um ciclo real (RODRIGUES, 1991).
4.4 RENDIMENTO VOLUMÉTRICO DO CICLO REAL
Encontra-se na literatura diversas fórmulas empíricas para a avaliação do rendimento
volumétrico. RODRIGUES apresenta a seguinte expressão:
𝜂𝑣𝑜𝑙 = 0,97 − 𝐶 ∙ (𝑍1
𝑍2∙ 𝑟1 𝑘⁄ − 1) − 𝑓 ∙ √
𝑝1
𝑝𝑎𝑡𝑚
5
(16)
Essa formula não dispõe de um fator que introduza a consideração da maior
probabilidade de vazamento dos gases de menor peso molecular.
4.5 POTÊNCIA CONSUMIDA NA COMPRESSÃO
RODRIGUES fornece a seguinte expressão para o cálculo da potência consumida na
compressão:
�̇�𝑐 =�̇� ∙ 𝑤𝑘
𝜂𝑘 ∙ 𝜂𝑚𝑒𝑐 (17)
Onde:
�̇� é a vazão mássica comprimida;
𝑤𝑘 é o trabalho por unidade de massa consumido no ciclo ideal adiabático;
𝜂𝑘 é o rendimento adiabático; e
𝜂𝑚𝑒𝑐 é o rendimento mecânico.
20
Nessa expressão, a vazão mássica e o trabalho ideal por unidade de massa devem ser
calculados analiticamente em função das condições de operação do sistema, enquanto os
rendimentos adiabático e mecânico devem ser obtidos junto ao fabricante da máquina.
Para a determinação do trabalho ideal por unidade de massa recomendam-se três
procedimentos, a seguir.
Cálculo de wk admitindo que o gás se comporte como gás ideal:
𝑤𝑘 =𝑘
𝑘 − 1𝑅𝑇1 [(
𝑝2
𝑝1)
𝑘−1
𝑘− 1] (18)
Cálculo de wk utilizando o fator de compressibilidade:
𝑤𝑘 =𝑘
𝑘 − 1𝑅𝑇1 [(
𝑝2
𝑝1)
𝑘−1
𝑘− 1] (
𝑧1 + 𝑧2
2) (19)
Cálculo gráfico dewkutilizandoum diagrama de propriedades:
𝑤𝑘 = (ℎ2 − ℎ1)𝑠=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (20)
4.6 LIMITES DE RESISTÊNCIA
Durante a operação de um compressor alternativo deve-se observar seus limites de
resistência mecânica. Os limites de resistência devem ser testados rapidamente, isto é, dentro
do tempo disponível para que se possam tomar decisões a respeito da operação do
compressor.
O projeto mecânico de um compressor alternativo pode ser dividido em duas partes,
uma delas considerando o cilindro e a outra tratando dos elementos de acionamento. Os
limites de resistência associados ao cilindro são, respectivamente:
Máxima pressão de descarga do sistema.
Máxima temperatura prevista para a descarga do gás.
Os limites associados aos elementos de acionamento podem ser divididos em três:
Carga horizontal máxima.
21
𝐹𝑥 𝑚á𝑥 = 𝑝2𝐴𝑐 − 𝑝1𝐴ℎ (21)
Onde:
𝑝2é a pressão de descarga.
𝑝1é a pressão de sucção.
𝐴𝑐é a área do pistão do lado sem haste.
𝐴ℎé a área do pistão do lado da haste.
Rotação máxima.
Potência máxima a rotação máxima.
Os fabricantes de compressores alternativos selecionam suas máquinas combinando
cilindros e conjuntos de acionamento dentre seus projetos básicos pré-existentes. Eles
observam os limites como foi definido aqui e incluem esses dados na documentação de
fornecimento da máquina, para servirem de balizamento para a operação (RODRIGUES,
1991).
4.7 VERIFICAÇÃO DAS CONDIÇÕES GERAIS DE OPERAÇÃO
Toda vez que é proposta uma nova condição de operação para um compressor
alternativo é preciso decidir se a máquina é poderá ou não operar em tais circunstâncias.
RODRIGUES recomenda para isso a seguinte sequência de procedimentos:
1. Verificar se o compressor é capaz de fornecer a vazão pretendida.
2. Verificar se o acionador instalado tem capacidade de suprir a potência
requerida.
3. Verificar se os limites de resistência do compressor não são ultrapassados.
22
5 COMPRESSÃO EM ESTÁGIOS
É frequente o uso de compressores funcionando em múltiplos estágios no âmbito
industrial. A compressão de um gás em múltiplos estágios é realizada em máquinas dotadas
de vários cilindros com suas partes móveis sendo movimentadas por um único eixo.
A compressão do gás ocorre a partir da passagem sucessiva do gás pelos cilindros de
compressão, fazendo com que ocorra um aumento sucessivo da pressão do mesmo.
Geralmente se faz necessário o resfriamento do gás durante o processo de compressão, para
isso são associados trocadores de calor, geralmente do tipo casco tubo, intercalados entre os
cilindros de compressão.
Figura 10– Esquema de compressão em múltiplos estágios
No que diz respeito aos trocadores de calor utilizados nos sistemas de compressão
múltiplos estágios, o fluido utilizado na parte exterior do tubo, ou seja, no casco, é água,
enquanto o gás comprimido flui pela parte interior do tubo. Já em sistemas de altas pressões
ocorre um fluxo contrário, com a água fluindo no interior do tubo.
A Figura 11 representa o diagrama P versus V de uma compressão ideal em dois
estágios. O primeiro estágio de compressão é delimitado pelo ciclo 1-2-3-4, Já o ciclo 5-6-7-8
representa o segundo estágio de compressão. O gráfico também ilustra as temperaturas de
sucção e de descarga, além das temperaturas intermediárias.
23
Figura 11– Diagrama P versus V de compressão em dois estágios
A constante diminuição do volume observada na Figura 11 é conseqüência tanto da
diminuição da temperatura, causada pelo emprego de trocadores de calor, como pela redução
progressiva do volume dos cilindros ao longo do processo de compressão.
5.1 VANTAGENS DA COMPRESSÃO EM ESTÁGIOS
A compressão em estágios, quando aplicada de forma correta, apresenta certas
vantagens em relação à compressão em único estágio. As principais vantagens da compressão
em estágios são:
Redução da potência total de compressão: a potência necessária para a
compressão de um gás é diretamente proporcional a temperatura de admissão
do gás. Assim, o sistema de troca de calor utilizado na compressão de
múltiplos estágios faz com que a temperatura de admissão seja menor,
diminuindo a potencia necessária no processo.
Redução dos esforços de compressão: a resultante dos esforços envolvidos na
compressão de um gás em um compressor de múltiplos efeitos é decorrente da
diferença entre as pressões de sucção e descarga. A utilização de múltiplos
estágios reduz essa diferença para cada cilindro de compressão, em relação a
diferença observada na utilização de um único estágio.
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Aumento do rendimento volumétrico da instalação: o rendimento volumétrico
varia de forma inversamente proporcional a razão de compressão, desse modo,
como a razão de compressão em cada cilindro utilizado no compressor de
múltiplo estágio é menor do que em um único compressor de único estágio,
temos que o rendimento volumétrico numa compressão de múltiplos estágios é
maior do que em uma compressão de estágio único.
5.2 DECISÃO PELO USO DE COMPRESSORES DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS
A utilização de compressores com múltiplos estágios traz consigo todos os benefícios
citados na seção anterior. Para fins de projeto recomenda-se que a razão de compressão em
cada estágio não exceda 4. Uma razão de compressão inferior a 4 em cada estágio, traz
determinadas vantagens, listadas a seguir:
Traz valores aceitáveis de rendimento volumétrico e para o esforço de
compressão em cada estágio;
Geralmente acarreta em uma boa relação custo inicial x custo operacional da
instalação, já que a economia de potência compensa o custo adicional da
aquisição do equipamento de múltiplos estágios;
Causa uma moderada elevação de temperatura do gás comprimido.
O número de estágios a ser adotado no processo de compressão depende, além da
razão de compressão, da natureza do gás (no que diz respeito a tendência ao aumento de
temperatura), do tipo de serviço (contínuo ou intermitente) e da potência envolvida no
processo.
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5.3 NÍVEIS INTERMEDIÁRIOS DE PRESSÃO
Após a definição do número de estágios a ser adotados no processo de compressão em
múltiplos estágios, o próximo passo é a determinação da pressão do gás na descarga de cada
estágio.
Quando há o resfriamento entre os estágios, o menor consumo de potência é registrado
para relações de compressão idênticas entre os estágios de compressão. A Equação 22 mostra
a dependência entre a relação de pressão em cada estágio com a relação de pressão total.
𝑟′ = 𝜑 √𝑟𝑚
(22)
O coeficiente𝜑 é utilizado para que sejam contabilizadas as perdas de carga que geram
quedas de pressão dos trechos de tubulação entre a descarga de um estágio e a admissão do
próximo estágio e possui valor geralmente abaixo de 1,05.
Para que os valores calculados de pressão na saída de cada estágio sejam verificados
na operação do compressor é necessário que seja realizado o correto dimensionamento dos
cilindros de compressão. O dimensionamento dos cilindros deve obedecer ao balanço de
massa representado pela Equação 23.
�̇�𝐼 = �̇�𝐼𝐼 ± �̇�0 (23)
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6 CONTROLE E PROTEÇÃO
Têm-se como objetivo principal do Controle da Capacidade a manutenção de uma
determinada variável de modo que essa permaneça constante (RODRIGUES, 1991).
Para compressores alternativos, há dois métodos de controle: a regulagem contínua e a
regulagem em degraus. Na primeira o compressor pode ter sua capacidade ajustava para
qualquer valor entre 0 e 100% de sua capacidade nominal. Já no segundo caso a capacidade
possui determinados valores para as quais pode ser definida, estando esse valor contido entre
0 e 100% da capacidade nominal.
Os métodos de controle contínuo são de fácil implementação, porém devido aos
problemas que apresenta é raramente empregado, sendo os sistemas de controle por
regulagem em degraus os mais utilizados na indústria.
6.1 MÉTODOS DE CONTROLE DE CAPACIDADE
Existem diversas estratégias para o controle da capacidade, nesse trabalho serão
apresentados alguns métodos, supondo que a pressão de descarga é a variável a ser
controlada. É importante salientar que os seguintes métodos podem ser empregados em
conjunto, de forma a se alcançar um ajuste de controle mais “fino” sobre a variável de
processo.
6.1.1 Parada e partida do acionador
Esse método trabalha numa faixa de variação permissível da pressão de descarga. O
compressor é desligado quando a pressão de descarga atinge o limite superior e é ligado
quando a pressão de descarga atinge o limite inferior.
Sua utilização é vista mais frequentemente em atividades que possuem uma demanda
intermitente e admitam uma faixa de variação relativamente grande. Assim sendo, não é
indicado para uso industrial.
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Na utilização desse sistema de controle recomenda-se dotar o compressor de um
reservatório com capacidade suficiente para limitar o número de partidas do motor, de forma a
evitar o excessivo consumo de energia e o superaquecimento do circuito elétrico e dotar o
compressor de um dispositivo automático que elimine os esforços de pressão sobre os
elementos de acionamento, até que se alcance a rotação de operação.
6.1.2 Recirculação
Nesse método o ar comprimido que excede a demanda é resfriado e reconduzido à
sucção por uma linha de reciclo. Desse modo não se altera a vazão efetiva do compressor, só
se redireciona parte dela que passa a não ser mais disponível ao processo.
Do ponto de vista econômico este é o método menos indicado, já que há um
desperdício de potência na compressão de uma parcela do gás que será posteriormente
reciclado, além de haver consumo energético para o resfriamento desse gás. Sua vantagem é
possibilitar a regulagem contínua do compressor.
6.1.3 Variação de rotação
Consiste num método de controle de capacidade da vazão pela alteração do número de
rotações do eixo que movimenta o pistão de compressão. Esse método se mostra satisfatório
do ponto de vista econômico e eficiente para a maioria dos tipos de acionadores, com exceção
dos acionadores elétricos de corrente alternada.
Como desvantagens da aplicação desse método, temos:
Possibilidade de operar numa rotação que venha a excitar um dos modos
naturais de vibração torsional do eixo;
A possibilidade de induzir vibrações acústicas na frequência de ressonância
correspondente a algum elemento da instalação;
Alto conjugado requerido para aumentar a rotação da máquina, por requisito do
controle, simultaneamente à realização da compressão do gás.
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Estrangulamento na sucção
O controle da vazão é realizado a partir da implantação de uma válvula na sucção, o
fechamento parcial desta causa uma queda na pressão de sucção do compressor, diminuindo
seu rendimento volumétrico e consequentemente a vazão do gás na descarga.
Mesmo sendo um método de simples implantação, o estrangulamento na sucção
apresenta grandes inconvenientes:
O fator econômico é prejudicado, visto que com o aumento da razão de
compressão, devido a diminuição da pressão de sucção, mais trabalho é
exigido para que o processo seja realizado;
Ocorre elevação de temperatura na descarga, devido ao aumento da relação de
compressão;
Aumento da carga de pressão sobre a haste do compressor, devido ao aumento
da diferença de pressão entre a sucção e a descarga;
Este método somente é viável quando a variação da capacidade pretendida é pequena,
já que nesse caso os inconvenientes resultantes da aplicação do método seriam diminuídos.
Porém raramente se aplica essa perspectiva em escala industrial, fazendo com que o método
seja aplicado somente em pequenas escalas.
6.1.4 Alívio das válvulas de sucção
Esse método de controle consiste no não fechamento das válvulas de sucção após a
sucção do gás, fazendo com que não haja aumento da pressão no interior do cilindro, como as
válvulas de descarga permanecem fechadas, a vazão do compressor cai à zero, caracterizando
o que se chama de “operação em vazio”.
O controle das válvulas de sucção é realizado por um dispositivo denominado
“descarregador”, sendo esse dispositivo montado sobre cada válvula de sucção. O movimento
do descarregador é controlado por um dispositivo elétrico ou pneumático, que possui dois
pontos de ajuste: um para atuação e outro para libertação, correspondendo aos valores
determinados para a variável controlada.
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6.1.5 Variação do volume morto
Nesse método adiciona-se ao volume morto inerente ao cilindro volumes mortos
adicionais, diminuindo assim a eficiência volumétrica do compressor. Os volumes externos
adicionados podem ser fixos ou variáveis.
No caso do emprego de volumes externos fixos têm um controle da capacidade em
degraus, podendo-se dimensionar as câmaras de volume externo para darem ao compressor
determinados valores de eficiência volumétrica durante seu emprego.
Já no emprego de volumes variáveis geralmente têm-se o emprego de uma única
câmara, cujo volume é variado pela posição de um pistão, esse tipo de volume externo é
menos utilizado do que os volumes fixos devido à dificuldade de posicionamento do
equipamento adjacente ao efeito.
6.1.6 Controle de compressores com múltiplos estágios
Todos os métodos de controle já apresentados para compressores de único estágio
podem ser aplicados também em compressores de múltiplos estágios.
Para fins de controle é interessante que, quando possível, se aplique os métodos de
controle simultaneamente em todos os efeitos do compressor, para que os mesmos sofram a
mesma variação na capacidade.
Quando os métodos não são aplicados de forma simultânea em todos os estágios de
compressão, observa-se uma alteração nas pressões intermediárias assim como nas
temperaturas de descarga e nos esforços de compressão, essas alterações se tornam
inconvenientes já que os fabricantes dos equipamentos não os projetam para tais condições de
operação.
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6.2 DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO
O emprego de um sistema de proteção é fundamental na operação de compressores
alternativos, já que estes trabalham em altas pressões.
O sistema de proteção, nesse caso é composto geralmente de um sistema de alarme
(sonoro e luminoso) e um sistema de desligamento. Além desses sistemas, devem ser
instaladas válvulas de segurança nos circuitos de água, óleo e gás, de modo a evitar pressões
extremas no sistema.
Geralmente o emprego dos sistemas de alarmes e desligamento podem ocorrer da
seguinte forma:
Alarme e desligamento imediato: ocorre quando há queda de pressão no
circuito de lubrificação dos elementos de acionamento, quando há falta de óleo
de lubrificação do cilindro, quando existe vibração excessiva e/ou quando
ocorre falta de água de resfriamento;
Alarme com posterior desligamento: ocorre quando o nível de óleo nos
reservatórios está baixo, quando a temperatura na descarga está
demasiadamente elevada, quando a pressão de sucção encontra-se
demasiadamente baixa e/ou a pressão de descarga está demasiadamente alta.
Os exemplos acima são casos geralmente observados na operação e controle de
compressores, porém a estabelecimento do nível de atuação do sistema de proteção deve ser
realizado com base na análise das condições de desempenho e limites operacionais do
compressor.
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7 FONTES CONSULTADAS
Costa Ênnio Cruz da Compressores [Livro]. - São Paulo : Blücher, 1984.
Rodrigues Paulo Sergio B. Compressores industriais [Livro]. - Rio de Janeiro :
Didática e Científica, 1991.