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MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS PROF.: KAIO DUTRA AULA 14 – COMPRESSORES

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Page 1: MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS · PDF fileCompressores Compressores são máquinas operatrizes que transformam trabalho mecânico em energia comunicada a um gás, predominantemente

MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 14 – COMPRESSORES

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Compressores◦ Compressores são máquinas operatrizes que

transformam trabalho mecânico em energiacomunicada a um gás, predominantementesob forma de pressão.

◦Um gás pressurizado pode:◦ Deslocar-se longas distâncias em tubulações;

◦ Ser armazenado em reservatórios para ser usadoquando necessário;

◦ Realizar trabalho mecânico, atuando sobdispositivos, equipamentos e máquinas motrizes(motores de ar comprimido).

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Compressores – Classificação◦ Classificação quanto a pressão:◦ Depressores (bombas de vácuo) – P < Patm;

◦ Ventiladores – P > Patm < mmHg

◦ Sopradores – P > Patm < 0,2 kgf/cm²

◦ Compressores – P > Patm > 0,2 kgf/cm²

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Compressores – Classificação◦Os compressores podem se classificar em:◦ Deslocamento positivo ou Volumétricos:

◦ O gás é admitido em uma câmara de compressão epor meio de uma redução do volume útil, devido aação de uma força, realiza-se a compressão.

◦ Dinâmicos:

◦ O gás é acelerado pela ação de um rotor e quandodescarregado é conduzido por um difusor,convertendo energia cinética em pressão.

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Compressores – Classificação

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Compressores de Membrana◦Uma membrana separa o êmbolo da câmara

de trabalho, deste forma o ar não tem contatocom as peças móveis. Gerando ar comprimidoisento de óleo.

◦Normalmente são utilizados na indústriafarmacêutica, alimentícia e químicas.

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Compressores Alternativos de Pistão◦Neste compressor o gás é admitido

em uma câmara e então comprimidopor efeito de um pistão. O gáscomprimido é então direcionadopara a descarga.

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Compressores Alternativos de Pistão◦ Estes compressores podem ser classificador como:◦ Simples efeito;

◦ Duplo efeito.

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Resfriamento de Compressões

◦O compressor necessita ser resfriado, e esse resfriamentopode ser a ar (forçado ou natural) ou a água.

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Compressores Rotativos◦ Compressores rotativos de parafusos:◦ Contêm dois rotores helicoidais, um com lóbulos

convexos e outro com lóbulos côncavos ou sulcos.Geralmente o rotor macho é acionado pelo motor eos rotores são sincronizados por meio deengrenagens para não atritarem um contra o outro.O gás é admitido na abertura de entrada ecomprimido à medida que as porções engrenadasde cada parte dos lóbulos se movem no sentido daextremidade de descarga.

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Compressores Rotativos◦ Compressores rotativos de parafusos:

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Compressores Rotativos

◦ Compressores Rotativos de Palhetas:◦ Apresenta um rotor girando excentricamente no

interior de uma carcaça. As palhetas movem-seradialmente nas ranhuras do rotor e são forçadas porefeito da força centrípeta contra as paredes internasda carcaça. Quando o rotor gira, as palhetasacompanham a parede interna da carcaça, destaforma, o espaço entre as palhetas variamcomprimindo o gás aspirado.

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Compressores Rotativos◦ Compressores rotativos Roots:◦ Este compressor é composto de uma carcaça dentro da qual

goram, em sentido opostos, dois rotores. Os rotores sãosincronizados por meio de engrenagens, de forma que não existecontato entre os rotores e carcaça, sem necessidade delubrificação.

◦ Estes compressores não trabalham com compressão elevada, maspodem ser usados também como bombas de vácuo.

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Compressores Dinâmicos◦Os compressores transferem energia ao fluido por meio da aceleração

do gás (rotor), para posterior transformação da energia cinética emenergia de pressão (carcaça). Estes compressores são utilizados quandonecessita-se de elevadas vazões e normalmente não estão ligados areservatórios de armazenamento.

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Compressores Dinâmicos◦ Compressores Centrífugo:◦ Sob o efeito da rotação, forma-se uma corrente de

gás, aspirado pela parte central do rotor e projetadopara a periferia, na direção do raio, pela ação daforça centrífuga, alcançando os difusores. Osdifusores são um conjunto de condutosestacionários que envolvem o rotor, conduzindo ogás em uma trajetória radial e espiral para aperiferia. Dessa maneira, a área de passagem éaumentada gradativamente, pois o escoamento é dedentro para fora. Isso faz com que o gás, aoatravessá-lo, sofra uma desaceleração que resultaem um aumento de pressão.

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Compressores Dinâmicos

◦ Compressores Axiais:◦ Os compressores axiais são formados por componentes estacionários– anéis com aletas estatoras – e por componentes rotativos – anéiscom palhetas rotoras.

◦ Cada estágio de compressão é formado por um rotor com palhetas eum anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsávelpela aceleração do ar, como um ventilador. Nessa etapa, o ar recebetrabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade etemperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade dedirecionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetasdo próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de arpara ocorrer a conversão da energia de velocidade em pressão.

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Compressores Dinâmicos

◦ Compressores Axiais:◦ Os compressores axiais são formados por componentes estacionários– anéis com aletas estatoras – e por componentes rotativos – anéiscom palhetas rotoras.

◦ Cada estágio de compressão é formado por um rotor com palhetas eum anel com aletas estatoras. O rotor com palhetas é responsávelpela aceleração do ar, como um ventilador. Nessa etapa, o ar recebetrabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade etemperatura. O anel de aletas estatoras tem a finalidade dedirecionar o ar para incidir com um ângulo favorável sobre as palhetasdo próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo de arpara ocorrer a conversão da energia de velocidade em pressão.

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Compressores Dinâmicos

◦Diagramas de Performance:◦ Nestes mapas é indicada a região de

funcionamento estável. Esta região édefinida por duas linhas: a linha de “surge” ,e a de “choking” (linha de choque) oustonewall.

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Compressores Dinâmicos

◦Diagramas de Performance:◦ Nestes mapas é indicada a região de

funcionamento estável. Esta região édefinida por duas linhas: a linha de“surge” , e a de “choking” (linha dechoque) ou stonewall.

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Compressores Dinâmicos

◦ Surge:◦ A linha de surge é alcançada reduzindo a vazão do

escoamento, até um ponto em que aconteceescoamento reverso na camada limite nas palhetas dorotor (devido à forma curva delas). Se continuarreduzindo a vazão, pode acontecer reversão completado escoamento e uma queda brusca na pressão. Estaforma de funcionamento deve, obviamente ser evitada,o compressor não consegue operar em forma estávelnesta condição.

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Compressores Dinâmicos

◦ Choking ou Stonewal:◦ Do lado direito, o limite é estabelecido pela linha de“choking”. Aumentando a vazão no compressor podeser atingida velocidade sônica dentro dos canais daspalhetas gerando ondas de choque, se isto acontece,com um pequeno aumento da vazão o compressorpode aumentar muito sua velocidade de rotação.

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Fundamentos de Compressão Aplicáveis aos Compressores

◦ Lei de Gay-Lussac: Equação de Clapeyron:

◦ Processo Politrópico:◦ Chama-se processo politrópico ao processo de compressão ou expansão de um gás

perfeito cuja dependência entre a pressão e o volume é dada a equação:

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Fundamentos de Compressão Aplicáveis aos Compressores

◦ Processo Politrópico:

◦Abaixo temos o efeito de n sobre a equação:◦ n=1 - Processo Isotérmico;

◦ n=0 – Processo Isobárico;

◦ n=k – Processo Isentrópico, onde k é dado por:

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Fundamentos de Compressão Aplicáveis aos Compressores

◦ Processo Politrópico:

◦O processo politrópico pode ser expressado também pelas equações abaixo:

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Ciclo de Compressão

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Ciclo de Compressão

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Trabalho de Compressão

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Trabalho Total

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Trabalho Total

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Trabalho Total

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Pressão Média Efetiva◦ Com o objetivo de simplificar a

análise do estudo da compressão emseu processo, uma propriedade podeser usada como referência para ocálculo de trabalho e potência, estapropriedade é denominada PressãoMédia Efetiva (PME) e pode sercalculada pela seguinte expressão:

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Ciclo de Compressão◦ A compressão se dá por um processo

politrópico representado no gráfico aolado do ponto B para C. Este processoestá entre o processo adiabático onden=1,4 e um processo isotérmico onden=1.

◦ Como o trabalho representa a área dográfico, é possível observar que quantomais próximo de um processosisotérmico menor será a área do gráfico,ou seja, menor o trabalho requerido.

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Compressão Polifásica◦No processo polifásico a compressão se dá em

mais de um cilindro. Normalmente compressoresmonofásicos são empregados quando a pressãodesejada é de até 5 atm, até este patamarobtém-se um rendimento razoável.

◦ Para compressões em uma única fase compressão de descarga acima de 5 atm orendimento cai consideravelmente, entãocompressores com mais de um cilindro obtémrendimentos melhores.

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Compressão Polifásica◦ Entre o primeiro e segundo

estágio é possível realizar oresfriamento do gás reduzindo atemperatura até atingir a curvaa curva isotérmica, isto reduz otrabalho de compressão emrelação a uma compressão únicade AH. A área BCDH representaa redução de trabalho pelo usode dois estágios de compressão.

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Compressão Polifásica◦ Para calcula a pressão intermediária

entre estágios pode-se usar a seguinteexpressão:

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𝑷𝟏 𝑷𝟐

𝑷𝒊𝒏𝒕

𝑷𝒊𝒏𝒕 = 𝑷𝟏 ∙ 𝑷𝟐

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Compressão Polifásica◦Neste caso para calcular o trabalho de

compressão é necessário ajustar aequação já apresentada, tornando-se:

◦A Pressão Média Efetiva, fica:

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𝑷𝟏 𝑷𝟐

𝑷𝒊𝒏𝒕

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Exercícios1. Um compressor comprime adiabaticamente 10m³ de ar à

temperatura ambiente de 25°C. Qual será a temperatura do arcomprimido quando o volume ficar reduzido a 2m²? Adomita que oíndice de compressão seja n=1,4.

2. Um compressor comprime um gás na temperatura de 20°C e, napressão atmosférica, até a pressão de 7 atm manométricas.Supondo k=1,3, qual será a temperatura do gás ao final?

3. Calcule o trabalho de compressão 3m³ de ar da pressão ambientepara 4 atm. Utilize um índice de compressão n=1,3.

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Exercícios4. Calcule o trabalho de compressão 4m³ de ar da pressão ambiente

para 8 atm. Compare os resultados de uma compressão monofásicae uma polifásica, determina a diferença de trabalho entre as duas.

5. Determinar a economia de trabalho absorvido por um compressorde dois estágios em relação ao de um estágio. Supor que sãoadmitidos 3m³ por minuto de ar na temperatura ambiente, e que apressão final deva ser de 12 atm. Considerar o índice decompressão n=1,3.

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Exercícios6. Determine o índice de

compressão adiabático quese verifica em umcompressor cujo dodiagrama representadotiramos os seguintesparâmetros: V1=252,8mm³;P1=1.38 atm, P3=3,5atm,V3=124,3mm³

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Exercícios7. Ache a pressão média efetiva de uma compressão politrópica

monofásica e de uma bifásica, sendo a pressão final de 7 atm.Adotar n=1,4.

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