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Trabalho sobre compressores dinâmicos, detalhando o dimensionamento e análise matemática no mesmo.
Tipologia: Trabalhos
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CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA “PAULA SOUZA” FACULDADE DE TECNOLOGIA (FATEC) DE SERTÃOZINHO – SP
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
COMPRESSORES DINÂMICOS
GABRIEL FLÁVIO DE OLIVEIRA ARTHUR BIGNARDI JOÃO V. L. SOSAFARO DIEGO W. CÔRTES
SERTÃOZINHO, S.P. 2019
GABRIEL FLÁVIO DE OLIVEIRA ARTHUR BIGNARDI JOÃO V. L. SOSAFARO DIEGO W. CÔRTES
COMPRESSORES DINÂMICOS
Projeto de pesquisa apresentado à Faculdade de Tecnologia (FATEC) de Sertãozinho/SP, como parte da nota para disciplina de Hidráulica e Pneumática.
Prof. MSc. Brianda Rangel
SERTÃOZINHO, S.P. 2019
1. Introdução
Compressores de uma forma geral, são máquinas que realizam o aumento da pressão de um fluído, em estado gasoso, até determinado valor, por meio da ação de um trabalho. Entende-se que os gases atende os princípios da termodinâmica, consequentemente ao realizar o aumento da pressão por meio de um trabalho irá aumentar a temperatura do fluído. O aumento da temperatura pode ser definido Equação de Clapeyron (1), se o gás for ideal.
(1)
Em que:
p - pressão;
V - volume;
n - número de mols do gás;
R - constante universal dos gases perfeitos;
T - temperatura absoluta.
Lembrando que um gás é ideal é definido se a Equação (2) for verdadeira.
(2)
Compressores atualmente são utilizados em diversas aplicações. A mais simples é a compressão de ar, seja para acionamento e controle de válvulas, alimentação de motores ou turbinas a gás, até aplicações mais complexas, como o transporte de gás natural, injeção de CO2 em reservatórios subterrâneos, ou compressão de hidrocarbonetos em ciclos de refrigeração. Para eleger o mais apropriado compressor de ar, informações como valores de pressão e volume de ar comprimido necessário por unidade de tempo dever ser conhecidas.
Partindo do tópico de compressores e sua definição, neste trabalho irá apontar e descrever sobre a família de compressores dinâmicos e suas características. Sendo essa família composta pelos compressores centrífugos e axiais.
1. Compressores Dinâmicos
Compressores dinâmicos são máquinas industriais de fluxo contínuo que aumenta pressão por meio da aceleração do impelidor que transfere energia cinética ao gás e que ao passar pelo difusor ou elemento estacionário a energia cinética é convertida em energia de pressão.
Devido a características do processo da transformação de energia cinética, os compressores dinâmicos operam numa velocidade bem maior que os compressores volumétricos (HANLON, 2001).
A dinâmica de aumento de pressão que o canal difusor cria ao fluxo é definido pela equação de Bernoulli, no qual um fluxo com uma velocidade 'x' passa por um tubo fechado de seção transversal variado. Caso ele passe da menor seção para maior, a sua velocidade irá decair, no entanto sua pressão irá aumentar caso contrario as relações serão inversas. Importante para que haja essa relação o fluxo mássico deve ser constante.
Ao analisar os compressores dinâmicos em relação aos demais, nota-se que a distinção entre eles, além da obtenção do fluído pressurizado, são que diferentemente dos outros compressores, o compressor dinâmico gera uma pressão constante e varia a performance de acordo com as configurações de entrada como, por exemplo, a temperatura de entrada (THE COMPRESSED AIR BLOG, 2014).
Os compressores dinâmicos são subdivididos em dois modelos: os Axiais e Centrífugos e a diferença entre ambos os tipos dos compressores pode ser descrito pela mecânica do movimento do fluído entre entrada e saída. Num compressor centrífugo, percebe-se que o fluxo entra em uma direção e a saída do fluxo é perpendicular em relação a entrada. Diferentemente do radial, o axial mantém o fluxo de entrada e saída na mesma direção. Podendo ser visto na Figura 1, sendo (a) um compressor axial e (b) radial.
1.1. Compressor de um único estágio
Os compressores de um único estágio são constituídos basicamente pelo: impulsor, voluta, difusores e a entrada. Um exemplo de compressor de um único estágio pode ser encontrado abaixo na Figura 2. O princípio de funcionamento deste compressor consiste na emissão de energia mecânica realizada por um acionador que gira o impulsor e dá energia cinética ao gás, ao experimentar uma força centrífuga e ir à saída que há uma seção maior ele converterá parte dessa energia em calor, pelo princípio da entalpia, e consequentemente aumentará a pressão.
Figura 2 - Compressor de um único estágio.
Fonte: https://canalpiloto.com.br/por-dentro-dos-motores-a-reacao/
1.2. Compressor de múltiplos estágios
Os compressores centrífugos são constituídos por tipos de grupos de componentes, que são os estacionários e os rotativos. Nos compressores de múltiplos estágios (ver Fig. 3) os elementos rotativos são os impelidores, eixo, pistão de balanceamento e anel de escora. Já os elementos estacionários são os bocais, carcaça e diafragma, sendo esse último item uma placa de metal que contempla os dutos de retorno e difusor. Além de é claro, das vedações que há em espaços que pode haver fuga de ar como, por exemplo, nos dutos de retorno em que há uma selagem para que o fluido não passe para o outro estágio.
Figura 3 - Vista em corte do compressor centrifugo.
Fonte: HANLON, 2001. 1.1. Funcionamento
Ele funciona com a alimentação de energia cinética de gerador de movimentos mecânicos rotativos como motor que alimenta o impelidor e por meio da rotação do mesmo no qual gera uma região de pressão abaixo da atmosférica que suga o ar para o centro dele (ver Fig. 4). Lá, o gás é "alimentado" de energia cinética e então é jogado para os extremos, indo diretamente para o duto do difusor.
Figura 4 - Efeito do centro do impelidor
Ao decorrer do processo de compressão, a largura dos impelidores aumentam gradativamente ao realizar o aumento de pressão em cada impelidor. Esse fenômeno é expresso pela propriedade dos gases ideais da Equação (1), considerando que no processo o aumento de pressão é maior que a temperatura, consequentemente terá uma redução do volume no gás.
Figura 6 - Vista em corte aproximada na área dos dutos do diafragma
Fonte: HANLON, 2001. Figura 7 - Voluta de descarga.
Fonte: HANLON, 2001. Para calcular a energia necessária do processo ou Head politrópico (energia por unidade de massa) é descrita pela Equação (3). O Head politrópico se torna útil para compressores de múltiplos estágios, pois não é dependente da pressão absoluta (RAIZER).
(3) Em que :
p - pressão;
ρ - densidade;
Pode-se, também, através da Equação (4) calcular o valor do Head politrópico, no entanto usando parâmetros do gás como pressão de entrada e descarga, temperatura, entre outros (HANLON, 2001).
(4) Em que:
n – expoente politrópico
Z – fator de compressibilidade
próxima ao impelidor é menor e vai aumentando gradativamente, formando diversas 'volutas'.
1.4. Impelidor
O impelidor usado para aumentar ou diminuir a pressão e fluxo de um fluído. A característica construtiva do impelidor consiste em dois discos, que se chamam de disco e cobertura na qual a cobertura há o olho do impelidor, conectados por laminas que são encurtadas próxima ao eixo (HANLON, 2001). Podendo ser vista na Figura 8. O impelidor pode ter diversas tipos de laminas, nas quais altera parâmetros de pressão e vazão.
Figura 8 - Estrutura de um impelidor
Fonte: https://rescanm.com.br/cases/
Como parâmetro de dimensionamento, os impelidores tem a velocidade específica como variável importante para desenvolvimento (MARCOS et al, 2010). A velocidade pode ser explicada pela Equação (8).
(8) Sendo:
qe - vazão de entrada do compressor;
n - rotação do eixo do impelidor;
ns - velocidade específica;
1.5. Pistão de Balanceamento
Pistão de balanceamento são elementos que tem como função equilibrar os vetores de pressão de empuxo a fim de reduzir custos com elementos de apoio.
Além desta função, ele atua também evitando perdas de energia por empuxo, já que equacionando e mantendo os vetores sem nenhum deslocamento não haverá energia.
Figura 9 - Pistão de balanceamento
Fonte: MOTHÉ, 201X.
1.6. Tipos de compressores centrífugos.
Os compressores centrífugos têm diversas formas de configurações para os mais variados tipos de serviço. Dentre os tipos de compressores, os importantes são com as carcaças verticais e horizontais.
Os fatores de serviço que influenciam é a pressão e vazão. Segundo RAIZER (2010), os compressores de barril são para alta pressão e os de corte horizontal são para
trabalho escoa paralelo ao eixo do rotor. O estator é formado por palhetas estacionárias (fixas) enquanto o rotor é envolvido por uma série de palhetas móveis.
Figura 10 - Compressor axial
Fonte: https://compressortech2.com/wp-content/ uploads/2017/04/max1small.png
O ar, fluido de trabalho admitido no compressor, é acelerado pelo rotor e desacelerado pelo estator, onde a energia cinética é convertida em entalpia com consequente ganho de pressão estática. Este processo é repetido em outros estágios até que a razão de pressão desejada seja alcançada. Os compressores axiais são adequados a gases menos perigosos, em grandes vazões e cuja pressão de descarga não é tão alta (até 30 bar), embora seja possível obter taxas de compressão duas vezes superior à dos compressores radiais, em uma mesma carcaça.
Em cada estágio do compressor axial, a elevação de pressão é bem pequena devido aos limites de difusão impostos. Esses limites devem-se ao fato de o processo de difusão estar sujeito a um gradiente adverso de pressão, que pode causar descolamento e fluxo reverso quando o compressor estiver operando fora das condições de projeto.
A potência do compressor axial é dada pela Equação (9), no qual tem variáveis das palhetas e do gás. (COHEN, 1996).
(9) Em que:
U - componente de velocidade do rotor;
Vt - componente da velocidade tangencial do fluxo;
As componentes mencionadas podem ser visto abaixo na Figura 10, em que detalha melhormente esse fenômeno.
Figura 10 - Dinâmica do fluxo compressor centrifugo.
Fonte: NEBRA, 20XX
1.2. Aplicações
Os maiores utilizadores deste tipo de compressores são as fábricas de aeronaves e motores de aeronaves. Na indústria aeronáutica, este tipo de máquina está aplicado nos sistemas propulsão das aeronaves. Nos sistemas de geração de energia, os compressores são utilizados nas turbinas a gás (normalmente possuem entre 8 e 16 estágios), como também no transporte de gás natural, injeção de CO2 em reservatórios subterrâneos, ou compressão de hidrocarbonetos em ciclos de refrigeração. Os compressores axiais são principalmente usados como componente em motores – turbina, os quais, precisam de grandes vazões de fluido com alta pressão.
Gráfico 2 - Razão de pressão x Fluxo mássico de um compressor centrífugo.
Fonte: STEWART, 2019. Nos compressores axiais de vários estágios, a surge margin deve ser especificada a fim de se garantir a operação estável do equipamento.
1.4. Limite Stonewall
O limite superior de vazão é conhecido como efeito "choke" ou "stonewall". Os compressores dinâmicos são máquinas que devem operar no regime subsônico, no entanto acima de determinada vazão mássica o gás dentro da máquina começa a ter velocidades próximas à velocidade do som.
Este limite pode ser visto em ambos compressores dinâmicos, sendo demonstradas acima nos Gráficos 1 e 2.
Essa velocidade é capaz de gerar uma barreira, por isso "stonewall", gerando uma deficiência na descarga do gás. Tal fenômeno tem efeitos negativos ao sistema, o principal efeito é a queda súbita de pressão de saída para um aumento muito baixo de vazão, no que resulta uma queda brusca no rendimento da máquina. A representação desse efeito pode ser vista abaixo no Gráfico 3.
Gráfico 3 - Efeito Stonewall
Fonte: HANLON, 2001.
4. Conclusão
Conclui-se por meio deste trabalho que os compressores dinâmicos são caracterizados pelo fluxo contínuo de ar, que por meio dos princípios da termodinâmica e hidrodinâmica realiza o aumento da pressão. Mesmo que ambos os compressores tenham estrutura e mecânica diferente, eles partilham do mesmo princípio de aumento de pressão. Tendo, também, um papel fundamental na indústria aeronáutica e petrolífera. Em relação a sua desvantagem, o tamanho devido aos estágios é um fator considerável.
5. Referências
