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COMPRESSORES ALTERNATIVOS

Compressores alternativos

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Compressores alternativos

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Page 1: Compressores alternativos

COMPRESSORES ALTERNATIVOS

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COMPRESSORES ALTERNATIVOS

Page 3: 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

Page 4: Compressores alternativos

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

Page 5: Compressores alternativos

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

Page 6: Compressores alternativos

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;

Page 7: Compressores alternativos

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

Page 8: Compressores alternativos

3

Neste trabalho será dada ênfase aos compressores alternativos, que estão inclusos na

classe de compressores volumétricos.

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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.

Page 10: Compressores alternativos

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).

Page 11: Compressores alternativos

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.

Page 12: Compressores alternativos

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:

Page 13: Compressores alternativos

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.

Page 14: Compressores alternativos

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)

Page 15: Compressores alternativos

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.

Page 16: Compressores alternativos

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

Page 17: Compressores alternativos

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;

Page 18: Compressores alternativos

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.

Page 19: Compressores alternativos

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).

Page 20: Compressores alternativos

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:

Page 21: Compressores alternativos

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

Page 22: Compressores alternativos

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.

Page 23: Compressores alternativos

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)

Page 24: Compressores alternativos

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.

Page 25: Compressores alternativos

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.

Page 26: Compressores alternativos

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.

Page 27: Compressores alternativos

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.

Page 28: Compressores alternativos

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.

Page 29: Compressores alternativos

24

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.

Page 30: Compressores alternativos

25

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)

Page 31: Compressores alternativos

26

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.

Page 32: Compressores alternativos

27

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.

Page 33: Compressores alternativos

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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.

Page 34: Compressores alternativos

29

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.

Page 35: Compressores alternativos

30

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.