Compressor de gás

Tipos de compressores

Existem muitos tipos diferentes de compressores de gás. As duas categorias primárias são:

• Compressores de deslocamento positivo com duas sub-categorias:
• Reciprocando
• Rotary
• Compressores dinâmicos também com duas sub-categorias:
• Centrífugo
• Axial

Os tipos mais importantes em cada uma das quatro subcategorias são discutidos abaixo.

Compressores centrífugos

Os compressores centrífugos utilizam um disco rotativo de furgão ou rotor em uma carcaça moldada para forçar o gás até a borda do rotor, aumentando a velocidade do gás. Uma seção difusora (duto divergente) converte a energia da velocidade em energia de pressão. Eles são utilizados principalmente para serviço contínuo e estacionário em indústrias como refinarias de petróleo, plantas químicas e petroquímicas e plantas de processamento de gás natural. Sua aplicação pode ser de 100 hp (75 kW) a milhares de cavalos de potência. Com múltiplas fases, podem atingir pressões de saída extremamente altas, superiores a 10.000 psi (69 MPa).

Muitas grandes operações de fabricação de neve (como uma estação de esqui) utilizam este tipo de compressor. Eles também são usados em motores de combustão interna como supercarregadores e turboalimentadores. Os compressores centrífugos são utilizados em pequenos motores de turbinas a gás ou como estágio final de compressão de turbinas a gás de médio porte.

Compressores de fluxo diagonal ou misto

Os compressores de fluxo diagonal ou misto são similares aos compressores centrífugos, mas têm um componente de velocidade radial e axial na saída do rotor. O difusor é freqüentemente usado para girar o fluxo diagonal no sentido axial. O compressor diagonal tem um difusor de diâmetro inferior ao do compressor centrífugo equivalente.

Compressores de fluxo axial

Os compressores de fluxo axial utilizam uma série de pás de rotor rotativo tipo ventilador para comprimir progressivamente o fluxo de gás. Palhetas estacionárias do estator, localizadas abaixo de cada rotor, redirecionam o fluxo para o próximo conjunto de pás do rotor. A área de passagem do gás diminui através do compressor para manter um número de Mach axial mais ou menos constante. Os compressores de fluxo axial são normalmente usados em aplicações de alto fluxo, como motores de turbinas a gás de médio a grande porte. Eles são quase sempre de múltiplas etapas. Além da razão de pressão de projeto de cerca de 4:1, a geometria variável é freqüentemente usada para melhorar a operação.

Compressores recíprocos

Os compressores alternativos utilizam pistões acionados por um virabrequim. Eles podem ser estacionários ou portáteis, podem ser simples ou multi-estágios e podem ser acionados por motores elétricos ou motores de combustão interna. Pequenos compressores alternativos de 5 a 30 cavalos de potência (hp) são comumente vistos em aplicações automotivas e são tipicamente para serviço intermitente. Compressores alternativos maiores de até 1000 cv ainda são comumente encontrados em grandes aplicações industriais, mas seu número está diminuindo à medida que são substituídos por vários outros tipos de compressores. As pressões de descarga podem variar de baixa pressão a muito alta pressão (>5000 psi ou 35 MPa). Em certas aplicações, tais como compressão de ar, os compressores de dupla ação de múltiplos estágios são considerados os compressores mais eficientes disponíveis, e são tipicamente maiores, mais ruidosos e mais caros do que as unidades rotativas comparáveis.

Compressores de parafuso rotativos

Os compressores de parafuso rotativo utilizam dois parafusos helicoidais de deslocamento positivo rotativos de malha para forçar o gás para um espaço menor. Estes são normalmente usados para operação contínua em aplicações comerciais e industriais e podem ser estacionários ou portáteis. Sua aplicação pode ser de 3 hp (2,24 kW) a mais de 500 hp (375 kW) e de baixa pressão a muito alta pressão (>1200 psi ou 8,3 MPa). Eles são comumente vistos com equipes de reparos à beira da estrada que energizam as ferramentas pneumáticas. Este tipo também é usado para muitos supercarregadores de motores de automóveis porque é facilmente adaptado à capacidade de indução de um motor a pistão.

Compressores rolantes

Um compressor scroll, também conhecido como bomba scroll e bomba de vácuo scroll, usa duas palhetas espiraladas intercaladas para bombear ou comprimir fluidos tais como líquidos e gases. A geometria das palhetas pode ser involuta, espiral arquimedeana ou curva híbrida. Elas operam de forma mais suave, silenciosa e confiável do que outros tipos de compressores.

Muitas vezes, um dos pergaminhos é fixo, enquanto o outro orbita excentricamente sem girar, prendendo e bombeando ou comprimindo as bolsas de fluido entre os pergaminhos.

Compressores alternativos do tipo diafragma

Um compressor de diafragma (também conhecido como compressor de membrana) é uma variante do compressor alternativo convencional. A compressão do gás ocorre pelo movimento de uma membrana flexível, ao invés de um elemento de entrada. O movimento de ida e volta da membrana é acionado por uma haste e um mecanismo de virabrequim. Somente a membrana e a caixa do compressor entram em contato com o gás que está sendo comprimido.

Os compressores de diafragma são utilizados para hidrogênio e gás natural comprimido (GNV), bem como em uma série de outras aplicações.

Miscelânea

Os compressores de ar vendidos e utilizados pelo público em geral são freqüentemente fixados em cima de um tanque para segurar o ar pressurizado. Compressores lubrificados a óleo e isentos de óleo estão disponíveis. Compressores isentos de óleo são desejáveis porque, sem um separador devidamente projetado, o óleo pode entrar na corrente de ar. Para alguns fins, por exemplo, como um compressor de ar de mergulho, até mesmo um pouco de óleo na corrente de ar pode ser inaceitável.

Figura 1: Um compressor centrífugo de um único estágio


Uma animação de um compressor axial.


Mecanismo de uma bomba de rolagem

Temperatura

A lei de Charles diz que "quando um gás é comprimido, a temperatura é aumentada". Há três relações possíveis entre temperatura e pressão em um volume de gás submetido a compressão:

• Isotérmico - o gás permanece a temperatura constante durante todo o processo. Neste ciclo, a energia interna é removida do sistema como calor à mesma taxa que é adicionada pelo trabalho mecânico de compressão. A compressão ou expansão isotérmica é favorecida por uma grande superfície de troca de calor, um pequeno volume de gás, ou uma longa escala de tempo (ou seja, um pequeno nível de potência). Com dispositivos práticos, a compressão isotérmica geralmente não é alcançável. Por exemplo, mesmo uma bomba de pneu de bicicleta aquece durante o uso.
• Adiabático - Neste processo não há transferência de calor de ou para o sistema, e todo o trabalho fornecido é adicionado à energia interna do gás, resultando em aumentos de temperatura e pressão. A elevação teórica da temperatura é _T2 = T1-Rc^((k-1)/k)), com T1 e _T2 em graus Rankine ou kelvins, e k = razão de aquecimento específico (aproximadamente 1,4 para o ar). O aumento da razão ar e temperatura significa que a compressão não segue uma simples razão pressão/volume. Isto é menos eficiente, mas rápido. A compressão ou expansão adiabática é favorecida por um bom isolamento, um grande volume de gás, ou uma escala de tempo curta (ou seja, um alto nível de potência). Na prática sempre haverá uma certa quantidade de fluxo de calor, pois para fazer um sistema adiabático perfeito seria necessário um perfeito isolamento térmico de todas as partes de uma máquina.
• Politrópico - Isso pressupõe que o calor pode entrar ou sair do sistema, e que o trabalho do eixo de entrada pode aparecer tanto como aumento de pressão (geralmente trabalho útil) quanto como aumento de temperatura acima da adiabática (geralmente perdas devido à eficiência do ciclo). A eficiência do ciclo é então a razão do aumento de temperatura a 100% teórico (adiabático) versus real (politrópico).

Compressão encenada

Como a compressão gera calor, o gás comprimido deve ser resfriado entre etapas, tornando a compressão menos adiabática e mais isotérmica. Os resfriadores entre estágios causam condensação, o que significa que os separadores de água com válvulas de drenagem estão presentes. O volante do compressor pode acionar um ventilador de resfriamento.

Por exemplo, em um compressor de mergulho típico, o ar é comprimido em três estágios. Se cada estágio tiver uma taxa de compressão de 7 para 1, o compressor pode produzir 343 vezes a pressão atmosférica (7 x 7 x 7 = 343 Atmosferas).

Aplicações

Os compressores de gás são utilizados em várias aplicações onde são necessárias pressões mais altas ou volumes mais baixos de gás:

• no transporte de gás natural purificado em gasodutos para transportar o gás do local de produção para o consumidor.
• em refinarias de petróleo, plantas de processamento de gás natural, plantas petroquímicas e químicas, e grandes plantas industriais similares para a compressão de gases intermediários e produtos finais.
• em equipamentos de refrigeração e ar condicionado para mover o calor de um lugar para outro em ciclos de refrigeração: ver Refrigeração por compressão de vapor.
• em sistemas de turbinas a gás para comprimir o ar de combustão de admissão
• no armazenamento de gases purificados ou fabricados em um pequeno volume, cilindros de alta pressão para uso médico, soldagem e outros usos.
• em muitos processos industriais, de fabricação e construção para alimentar todos os tipos de ferramentas pneumáticas.
• como um meio de transferência de energia, como por exemplo, para alimentar equipamentos pneumáticos.
• em aeronaves pressurizadas para proporcionar uma atmosfera respirável de pressão mais alta do que a pressão ambiente.
• em alguns tipos de motores a jato (como turborreactores e turboalimentadores) para fornecer o ar necessário para a combustão do combustível do motor. A potência para acionar o compressor de ar de combustão vem das próprias turbinas do jato.
• em SCUBA mergulho, oxigenoterapia hiperbárica e outros dispositivos de suporte de vida para armazenar gás respiratório em um pequeno volume, como em cilindros de mergulho .
• em submarinos para armazenar ar para uso posterior como flutuabilidade.
• em turboalimentadores e superalimentadores para aumentar o desempenho dos motores de combustão interna através da concentração de oxigênio.
• no transporte ferroviário e rodoviário pesado para fornecer ar comprimido para a operação de freios e vários outros sistemas (portas, limpadores de pára-brisas, controle de motor/caixa de velocidades, etc.).
• em usos diversos, como o fornecimento de ar comprimido para o enchimento de pneus pneumáticos.

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