1.0 - COMPRESSORES

1.1– DEFINIÇÃO

Compressores são máquinas destinadas a elevar a pressão de um certo volume de ar, admitido nas condições atmosféricas, até uma determinada pressão, exigida na execução dos trabalhos realizados pelo ar comprimido.

1.1.2 - Classificação e definição segundo os princípios de trabalho

São duas as classificações fundamentais para os princípios de trabalho.

1ª - Deslocamento positivo

Baseia-se fundamentalmente na redução de volume. O ar é admitido em uma câmara isolada do meio exterior, onde seu volume é gradualmente diminuído, processando-se a Compressão.

Quando uma certa pressão é atingida, provoca a abertura de válvulas de descarga, ou simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga durante a contínua diminuição do volume da compressão.

2ª - Deslocamento dinâmico

A elevação da pressão é obtida por meio de conversão de energia cinética em energia de pressão, durante a passagem do ar através do compressor. O ar admitido é colocado em contato com impulsores (rotor laminado) dotados de alta velocidade.

Este ar é acelerado, atingindo velocidades elevadas e consequentemente os impulsores transmitem energia cinética ao ar. Posteriormente, seu escoamento é retardado por meio de difusores, obrigando a uma elevação na pressão.

1.1.3 – Tipos de Compressores

Como já dito, os compressores podem ser classificados quanto ao princípio de trabalho de deslocamento, positivo ou dinâmico e abaixo temos a figura 1 que ilustra alguns dos compressores usuais na indústria em geral.

Os turbo-compressores apresentam aumento da velocidade do gás, transformando-se essa velocidade em pressão. Os demais apresentam aumento de pressão por redução de volume. Por esta razão, são também chamados compressores volumétricos.

Figura 1 - Tipos de compressores

1.1.3.1 – COMPRESSORES ALTERNATIVOSOs principais componentes de um compressor alternativo são:

Cilindro, cabeçote e cárter. Êmbolo com anéis, bielas, virabrequim. Válvulas. Sistema de lubrificação.

1.1.3.1.1 – Classificação de compressores alternativos

Os compressores alternativos podem ser classificados de várias maneiras. Primeiramente, eles podem ser de "simples efeito" ou de "duplo efeito". Nos compressores de simples efeito, só uma face do pistão aspira e comprime, tendo um tempo de compressão para cada rotação do eixo. Nos compressores de duplo efeito as duas faces do pistão aspiram e comprimem, tendo dois tempos de compressão para cada rotação do eixo.

Figura 2 - Compressores alternativos de simples efeito e duplo efeito

Em segundo lugar, podem ser classificados de acordo com a disposição dos estágios de compressão. Após a compressão em um estágio, o ar (gás)

pode ser transferido para outro cilindro acionado por outra biela, ou pode ser coaxial com o próprio cilindro (cilindros em tandem). Em compressores de duplo efeito, cada lado do cilindro pode ser utilizado para um estágio. Frequentemente, na compressão em estágio é usado o pistão diferencial.

Figura 3 Estágio de compressão

Uma terceira classificação pode ser feita, considerando-se a disposição dos cilindros em relação ao cárter. Os cilindros podem ser horizontais, verticais, em V, radiais, em L. Podem também estar em linha, opostos ou em tandem.

1.1.3.1.2 – Lubrificação de compressores alternativos

Ao se estudar a lubrificação de compressores, deve-se considerar separadamente a lubrificação das partes que estão em contato com o ar (ou gás) e as que não entram em contato com ele. Entre os componentes que entram em contato com o fluido comprimido estão os cilindros, válvulas e gaxetas de pressão da biela dos compressores de duplo efeito.

Entre as que não entram em contato estão os mancais do eixo, biela;etc. Muitos compressores utilizam o mesmo lubrificante para todas as partes e, portanto, o lubrificante deve atender as necessidades tanto dos cilindros como dos mancais. Nos compressores, que possuem sistemas de lubrificação independentes para cilindros e mancais, se necessário pode-se usar lubrificantes diferentes para uma ou outra parte.

1.1.3.1.2.1 - Métodos de Lubrificação dos Cilindros

O lubrificante pode ser introduzido nos cilindros em névoa, vindo do cárter ou trazido pelo ar admitido, ou então diretamente de um lubrificador.

1.1.3.1.2.1.1 - Névoa de óleo vinda do cárter

Geralmente é o método utilizado pelos compressores de simples efeito. A quantidade de óleo que atinge a parte inferior das paredes dos cilindros é mais que suficiente para uma boa lubrificação, tanto que os pistões são providos de anéis raspadores e de passagens para transferência do excesso de óleo. Nos compressores deste tipo, o mesmo óleo é utilizado para a lubrificação dos cilindros e mancais.

Nos compressores onde os cilindros são lubrificados por salpico (incluem-se neste tipo os de cilindro vertical, alta rotação; simples efeito), o cárter fica cheio de uma densa névoa de óleo produzida pelo virabrequim.

Apesar dos cilindros, possuírem anéis raspadores, a quantidade de lubrificante que atinge o cilindro depende da "densidade" da névoa, razão pela qual nestes casos, deve-se manter o nível do cárter exatamente no limite previsto. Se o lubrificante estiver acima do nível, os cilindros receberão óleo demais; caso o nível esteja muito baixo, os cilindros podem sofrer insuficiência de lubrificação.

Nos compressores que possuem sistema de lubrificação forçada, a névoa é formada pelo óleo que escapa dos mancais, sob pressão. A quantidade de óleo que estão atinge os cilindros, não dependerá tanto da quantidade de óleo no reservatório, mas será alterada quando se variar a massa de óleo em circulação e tenderá também a ser governada pela dimensão das folgas dos mancais.

1.1.3.1.2.1.2- Névoa trazida pelo ar admitido

Quando é o caso de cilindros distantes ou sem ligação com o cárter, pode ser necessária uma quantidade suplementar de óleo. Por exemplo, nos compressores de pistão diferencial de dois estágios, o segundo estágio pode ser lubrificado pela névoa de óleo do cárter, porém no primeiro estágio o óleo precisa ser admitido juntamente com o ar, uma vez que não há contato com o cárter. Neste caso, o próprio ar admitido é utilizado para pulverizar o óleo em atomizadores.

Este sistema é utilizado em alguns compressores de pequena ou média capacidade, porém nos de cilindro horizontal, o resultado não é tão bom, pois a distribuição de óleo na parte superior do pistão não é perfeito.

Nos compressores de cilindro vertical, esse método funciona muito bem.

1.1.3.1.2.1.3 - Aplicação direta através de lubrificador mecânico

Esse método de lubrificação dos cilindros é usado principalmente nos compressores grandes, e nos pequenos compressores, somente quando não é possível a lubrificação por salpico. Nos compressores mais antigos, o lubrificante é aplicado por copo conta-gotas, porém este método apresenta uma série de desvantagens, entre eles, a quantidade de óleo suprida varia como nível do óleo no copo, com a viscosidade do óleo, com a temperatura, etc. Por esta razão, os compressores modernos utilizam de preferência lubrificadores mecânicos.

1.1.3.1.2.2 - Métodos de lubrificação dos mancais

Os mancais dos compressores alternativos podem ser lubrificados por:

1. Sistema de lubrificação forçada;2. Salpico;3. Perda total;4. Lubrificação independente para os mancais;5. Lubrifìcadores manuais;6. Anel, colar e corrente.

1.1.3.1.2.2.1 - Sistema de Lubrificação forçada

Em geral, é utilizado em compressores de grande e médio porte. Consta de uma bomba, geralmente de engrenagens, acionada pelo próprio compressor. Em alguns casos, o óleo é bombeado para um reservatório superior, daí caindo por gravidade. Este sistema apresenta a vantagem de, em caso de falha da bomba, prover ainda lubrificação por algum tempo.

1.1.3.1.2.2.2 – Salpico

Este método é normalmente utilizado em pequenas unidades. Como já foi dito, é muito importante que o nível do óleo correto seja mantido. Portanto, qualquer quantidade de água que eventualmente penetre no sistema deve ser drenada à intervalos freqüentes, de modo a evitar excessiva elevação do nível do óleo. Quando o nível do óleo é alto, além de haver excessiva lubrificação no cilindro, poderá haver superaquecimento da máquina devido a agitação da quantidade exagerada de óleo.

1.1.3.1.2.2.3 - Perda Total. Lubrificação Independente para os Mancais

Neste método, o lubrificante, após a passagem pelos mancais, não é reciclado. Os mancais lubrificados desta forma podem conter individualmente um copo conta-gotas, lubrificados por mecha ou ainda um lubrificador mecânico acionado, possivelmente, pelo próprio compressor.

1.1.3.1.2.2.4 - Lubrifìcadores Operados Manualmente

Os tipos mais comuns são: válvulas de agulha, mecha e copo conta-gotas.

1.1.3.1.2.2.5 - Anel, Colar e Corrente

Quando os mancais são lubrificados desta forma, deve-se tomar muito cuidado com o nível de óleo. Prefere-se pela ordem de eficiência, o anel, a corrente e por último, o colar, já que este não distribui o óleo de maneira tão eficiente quanto os dois primeiros, além de carregar menor quantidade de óleo.

1.1.3.1.2.3 - Escolha do Desempenho de óleo para Cilindros

Viscosidade; Índice de Viscosidade.

Para se obter uma eficiente lubrificação dos cilindros, é necessário que se mantenha uma película fluida entre as partes em movimento. Essa película deverá não só evitar o desgaste devido ao atrito, como também servir de vedação entre as paredes do cilindro, pistão e anéis.

Para a lubrificação dos cilindros de um compressor de ar, usam-se óleos de médio ou alto IV. Os óleos de médio IV são os mais usados, com excelentes resultados.

A viscosidade do óleo para a lubrificação do cilindro é indicada pelo fabricante. Para compressores de ar de 1, 2 ou 3 estágios, o grau apropriado geralmente está na faixa de 80 a 140 cSt a 37,8°C. Normalmente prefere-se óleos em torno de 95 cSt à 37,8°C ( Supra AW 100).

Em geral, os compressores de simples estágio operam em temperaturas mais elevadas, devido a alta taxa de compressão. Para eles, o óleo recomendado deve ter uma viscosidade em torno de 130 cSt à 37,8°C. Como a vedação do ar ou gás também depende da viscosidade do óleo, ao se indicar um óleo para cilindro deve-se levar em conta a pressão de operação.

Em geral, óleos com viscosidade de 130 cSt à 37,8°C são indicados para compressores de 4 ou mais estágios, onde as temperaturas de descarga não sejam superiores a 140°C (considerada moderada). Em casos excepcionais de máquinas de múltiplo estágio, onde a temperatura de descarga excede 140°C, é recomendável a utilização de um óleo com viscosidade de 35 cSt à 98°C.

É de grande importância a utilização de óleos com a viscosidade correta. Em particular, não se deve usar óleo com viscosidade acima da necessária, pois poderá haver dificuldade para o óleo se espalhar igualmente pela superfície do cilindro, ocasionando maior desgaste nos pontos em que haja deficiência na distribuição. Em segundo lugar, a excessiva viscosidade causa maior atrito fluido, com perda de potência da máquina. Finalmente, há ainda a tendência em aumentar a formação de depósitos. Por outro lado, a utilização de um óleo com viscosidade abaixo da necessária possibilitará contato metálico e poderá também falhar na sua função de vedação, permitindo a passagem de ar ou gás pelo pistão o que também contribuirá para a ruptura da película de óleo.

Resistência à Oxidação e Formação de Depósitos

Em se tratando da lubrificação de cilindros, uma das características essenciais do óleo, é possuir grande resistência à oxidação. Comparando com os cilindros de um motor de combustão interna; as condições encontradas pelo óleo nos cilindros de um compressor de ar não são tão severas. Mesmo assim, as consequências da utilização de um óleo de baixa estabilidade à oxidação, são bem mais danosas.

O óleo entra em contato com um grande volume de ar aquecido, particularmente no caso dele ser aplicado por névoa. Consequentemente, um óleo de baixa estabilidade se oxidará rapidamente.

A oxidação do lubrificante provoca o aparecimento de produtos ácidos, resinas e substâncias asfálticas.

O material gomoso (resinas e substâncias asfálticas) age como aglomerante de carbono e poeira, formando depósitos nos cilindros e sistema de ar.

Um óleo mineral puro especialmente refinado pode resistir bem ao serviço. Em casos extremos, pode ser interessante o uso de um óleo com aditivo antioxidante.

Um outro requisito do óleo é que forme pouco resíduo de carbono e, assim mesmo, que este seja mole. Neste aspecto, um óleo naftênico é melhor que um parafínico e um óleo de média viscosidade e médio IV será preferível a um muito viscoso e de alto IV.

Quando a natureza do equipamento e suas condições de operação tendem a provocar grande formação de depósito (e aqui só o fabricante pode informar-nos desse particular), pode tornar-se necessário o emprego de um óleo "detergente". Isto se aplica, em geral, para compressores de um estágio onde a taxa de compressão é elevada.

Efeito da Umidade e Outros Vapores Condensados na Lubrificação dos Cilindros

Quando se comprime o ar, aumenta-se a pressão parcial do vapor d'água eventualmente presente, mas na prática, há uma compensação devido ao aumento de temperatura. Daí resulta que o vapor d'água permanece em estado de superaquecimento, evitando a condensação do mesmo até que o ar seja resfriado. Como regra geral, num compressor de dois ou mais estágios, o aparecimento da umidade nos cilindros é irrelevante. Entretanto, a umidade pode ser carregada do "intercooler" para os estágios subsequentes.

Em geral, as camisas dos cilindros de alta pressão são mantidas em temperatura acima do trocador de calor, a fim de evitar a condensação do vapor no próprio cilindro.

A presenta da umidade nos cilindros, tende a acelerar o desgaste devido a combinação da ação mecânica e corrosão. Para se combater a corrosão, deve se eliminar a umidade no cilindro; caso persista este efeito, deve-se escolher um tipo de óleo que evite a corrosão. Se a lubrificação dos cilindros e mancais é feita por um sistema único, a demulsibilidade deve ser o fator preponderante; daí ser conveniente se usar um óleo do tipo detergente ou composto. Neste caso, a aderência do óleo ao metal do cilindro é a propriedade mais importante, evitando que a película de óleo seja deslocada pela umidade.

Os hidrocarbonetos gasosos, principalmente quando comprimidos, tendem a dissolver-se no lubrificante, reduzindo s i a viscosidade. Alguns deles se condensam sobre as paredes dos cilindros, em maiores proporções ainda, quando o resfriamento das camisas é feito por água à baixa temperatura. Estes gases condensados podem lavar o lubrificante das paredes do cilindro, aumentando o desgaste das paredes do cilindro e dos anéis do pistão.

1.1.3.2 - COMPRESSORES ROTATIVOS

Os compressores rotativos são normalmente divididos em duas classes:

1. Compressores volumétricos, que aumentam a pressão do gás por redução de volume.

2. Turbo-compressores (deslocamento positivo), que aumentam a pressão do gás por aumento de velocidade.

Os compressores rotativos volumétricos podem ser classificados conforme a câmara de compressão. Nos compressores de um só rotor, a câmara de compressão é obtida pela divisão do espaço entre o rotor e o estator em um certo número de compartimentos por meio de palhetas conectadas ao rotor. Para permitir a variação cíclica de volume de cada compartimento, pode-se fazer com que as palhetas deslizem radialmente, ou então, que as palhetas fixas sejam envolvidas por um meio líquido, para vedar cada compartimento e formar paredes móveis de maneira a tornar possível a variação de volume da câmara de compressão. Estes métodos são aplicados respectivamente pelos compressores de palheta e de pistão líquido.

Nos compressores com dois rotores (parafuso, roots), a redução de volume é obtida por meio da disposição dos dois rotores. Abaixo temos a figura 4 e 5 ao compressor de palheta e roots respectivamente.

Figura 4 Compressor de palhetaFigura 5 Compressor tipo' roots'

1.1.3.1.2- Lubrificação dos Compressores Rotativos Volumétricos

Estes compressores podem ser resfriados à água ou a óleo.

Os resfriadores à água normalmente são equipados com lubrifìcadores mecânicos, que suprem todas as partes de lubrificante. A temperatura de descarga é semelhante a dos compressores alternativos, razão pela qual a viscosidade dos óleos a serem empregados deve ser semelhante aos utilizados nos de êmbolo. Nos compressores de dois estágios, é interessante a utilização de óleos que resistam à água. De maneira geral, os lubrificantes devem possuir propriedades semelhantes aos indicados para os compressores alternativos de dupla ação.

Os resfriados a óleo, normalmente possuem sistema circulatório. Nestes compressores, o óleo além de lubrificar, deve remover todo o calor de

compressão, razão pela qual fica mais quente. A umidade do gás que eventualmente se condensar, é removida com o lubrificante, devendo se separar no tanque, onde será drenada. Isto exige um lubrificante do tipo circulatório, com boa estabilidade química e boas características de demulsibilidade.

A viscosidade do óleo lubrificante indicado para as máquinas maiores, geralmente se situa entre 32 a 44 cSt a 100°F, enquanto as máquinas menores utilizam lubrificantes um pouco mais viscosos. Quando os compressores estão expostos ao frio, deverá ser observado o ponto de fluidez do lubrificante, pois como ele remove calor, se não fluir adequadamente poderá causar superaquecimento. Muitas máquinas são equipadas com controles para que o compressor trabalhe sem carga até que o óleo tenha atingido o nível de fluidez pré-determinado.

1.1.3.2 - TURBO-COMPRESSORES

Como já foi dito, os turbo-compressores aumentam a velocidade do gás, transformando essa velocidade em pressão. Existem dois tipos de turbo-compressores:

Radiais ou centrífugos Axiais

1.1.3.2.1 - Compressores Radiais ou Centrífugos

Nestes compressores, a necessidade de lubrificação é limitada aos mancais suportes do rotor. Nas unidades maiores, geralmente a lubrificação é feita por um sistema circulatório. Nos compressores pequenos, os mancais podem ser lubrificados por banho, anel ou métodos semelhantes, ou podem mesmo possuir mancais de rolamento lubrificados a graxa.

O desempenho dos lubrificantes nos sistemas de lubrificação dos mancais podem ser comparados com a lubrificação do cárter dos compressores alternativos, e de maneira geral podem ser aplicadas as mesmas considerações. Também neste caso o óleo estará exposto por um longo período à condições favoráveis à oxidação, e portanto devem possuir grande estabilidade. Para a maioria das máquinas do tipo turbina com sistema próprio de óleo e com mancais lubrificados por banho, muito frequentemente o óleo recomendado e um mineral puro altamente refinado, com viscosidade entre 65 e 75 cSt à 37,8°C.

1.1.3.2.2 - Compressores de Fluxo Axial

Nestes compressores, a lubrificação normalmente é feita por um sistema centralizado, e os óleos utilizados são geralmente os mesmos dos compressores de fluxo radial.