Ar comprimido: energia na forma de pressão

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1 Ar comprimido: energia na forma de pressão Transformação de energia eléctrica em pressão; resulta da compressão do ar ambiente, cuja composição é uma mistura de oxigénio ( 23,2 %(m/m)), nitrogénio ( 75,5 %(m/m)), alguns gases raros e vapor de água. Segunda energia na indústria transformadora! Mais cara cerca de 7 a 10 vezes mais que a energia eléctrica para realizar uma tarefa idêntica. Menos racionalizada Ar comprimido: energia na forma de pressão Custo aproximado de um sistema de ar comprimido: compressornumperíododetrabalhode10anos( 80milhoras). 1

2 Ar comprimido: energia na forma de pressão Fugas de ar comprimido e seu custo 2

3 Fugas de ar comprimido e seu custo Comum perdas de 40% do ar comprimido produzido! Forma eficiente de economizar energia Eliminar ou reduzir as fugas Fugas de ar comprimido e seu custo Período: 1 hora Consumo eléctrico Fuga 1 mm (5 lâmpadas x 60w) Diâmetro do furo (mm) Perda a 6 bar (m 3 /min) Potência necessária para sustentar a compressão 1 0,06 0,4 0,3 2 0,37 1,6 1,17 3 0,61 4,2 3,1 4 1,16 7,5 5,5 10 6, CV kw 3

4 Fugas de ar comprimido e seu custo Indústria 50fugasde1mm 5fugasde3mm 24 horas/dia(365 dias/ano) Potência requerida para 1 mm = 0,3 kw Potência requerida para 3 mm = 3,1 kw kwh = [(50x0,3 + 5x3,1)*24 = 732 kwh kwh/ano= 732 kwh x 365 = kwh! Cálculo do caudal de fugas Dispositivos pneumáticos fora de serviço Consumo de fugas pode ser medido de duas formas: - no reservatório: medindo o tempo de queda no diferencial de pressão; - no compressor: medindo os tempos de carga num dado período. 4

5 Cálculo do caudal de fugas Exemplo Num reservatório com o volume de2000litros(2m 3 ),inicialmente à pressão de 7,5 bar, foram necessários 40 segundos para baixar a pressão 0,5 bar (diferencial normal), ou seja, de 7,5para7bar. Vres (P Caudal defugas= t máx P quedadiferencial Caudal de fugas = 1500 l/min min ) Cálculo do caudal de fugas Exemplo Um compressor que debita 12 m 3 /min, durante 600 segundos entrouemcargacincovezes,comtemposiguaisa24s. 5

6 Cálculo do caudal de fugas t Caudal de fugas = Cap. compressor t total Caudal de fugas (m 3 /min) Capacidade do compressor (m 3 /min) t tempo durante o qual o compressor laborou em carga t total tempo total (carga + vazio) t = t1+t2+t3+t4+t5 = 24x5 = 120s t total = 600 s Caudal de fugas = 2,4 m 3 /min = 20% Temperatura de admissão do ar A elevação da temperatura ambiente diminui a densidade do ar, provocando uma redução da massa aspirada pelo compressor. 6

7 Unidades de pressão Unidades de pressão Regra geral, na pneumática as pressões de ar comprimido são referidas em valores manométricos (diferenciais positivos), enquanto no vácuo os valores são absolutos. Classes de vácuo 7

8 Objectivos do ar comprimido Oquese pode fazer comar comprimido? -Mais fácil explicar o que não se pode fazer! Pneumática Usa o ar comprimido como transformação de potência através da actuadores lineares (cilindros pneumáticos) e/ou actuadores rotativos(motores pneumáticos). Fluidica Neste âmbito refere-se sempre ao meio gasoso. Distingue-se da pneumática porque não possui peças móveis no interior dos seus compomentes. Produção de ar comprimido Em termos tecnológicos a produção de ar comprimido é realizada pelos compressores, sendo estes accionados, na indústria transformadora por motores eléctricos. 8

9 Rede de distribuição de ar comprimido Equipamentos de um sistema de ar comprimido Filtro de Admissão 2 - Motor Eléctrico 3 - Separador de Condensado 4 - Compressor 5 - Reservatório 6 Arrefecedor Intermediário 7 - Secador 8 Arrefecedor Posterior 9

10 Instalação de produção de ar comprimido Classificação dos compressores Dinâmicos 10

11 Tipos de compressão Compressão dinâmica Transformação de energia cinética em pressão, ou seja, gasta-se energia para movimentar fortemente o ar captado à atmosfera e quando este desacelera a pressão aumenta. velocidade + velocidade - pressão - pressão + Tipos de compressão Compressão dinâmica A energia cinética, de que o gás vem animado, é convertida em energia de pressão, devido à contínua desaceleração do referido fluxo. 11

12 Tipos de compressão Compressão volumétrica A compressão volumétrica, também conhecida por deslocamento positivo ou fluxo intermitente, é a que resulta da diminuiçãode um volume, ou seja,apressãodogás aumentase o volume, onde está contido, diminuir. Tipos de compressão Compressão volumétrica Compressor alternativo (êmbolo ou pistão) de simples efeito (compressão só numa das faces do êmbolo) e para ar atmosférico. Posição 1 ar admitido (aspirado) por sucção(válvula de admissão aberta). Posição 2 - (válvula de admissão fechada), o volume inicialmente aspirado começa a diminuir, pelo que o aumento de pressão do ar é inevitável. Posição 3 - volume foi reduzido ao mínimo e a pressão ao máximo, com a consequente abertura da válvula de descarga(válvula de entrega). 12

13 Compressão volumétrica Admissão Tipos de compressão 0 a 3 - admissão do ar Compressão volumétrica Compressão Tipos de compressão 3 a 4 - compressão do ar 13

14 Compressão volumétrica Descarga Tipos de compressão 4 a 5 - descarga do ar Compressão volumétrica Expansão Tipos de compressão 5 a 2 expansão do gás remanescente no espaço morto (0-1) A partir de 2 até 3 a válvula abre e tudo volta ao ciclo com a admissão de ar 14

15 Eficiência volumétrica Causas da diminuição da eficiência: - fugas internas e externas - expansão do espaço morto - perdas de carga na sucção - aquecimento do ar devido ao atrito nos canais da válvula de admissão - perdas mecânicas - factor de compressibilidade na admissão - factor de compressibilidade na descarga Ciclos de compressão Calor maior inimigo do ar comprimido, quer durante a produção, quer no seu tratamento. Compressão isotérmica: durante o aumento de pressão, a temperatura do gás manter-se-á sempre constante. Para que tal fosse possível, seria necessário remover, continuamente todo o calor produzido na fase de compressão. 15

16 Compressão politrópica Compressor industrial transforma a energia eléctrica em energia mecânica e esta, por sua vez, é transformada em calor e pressão. Compressão politrópica Construção de unidades compressoras capazes de se libertarem do calor o mais possível, o que significa, em termos reais, a aproximação da compressão politrópica à isotérmica, ainda que esta seja impossível de atingir, por razões de ordem prática. No entanto, é possível uma boa aproximação quando se recorre à técnica de vários andares de compressão e, por complemento, optimamente arrefecidos. 16

17 Andares de compressão Forma pratica de retirar calor durante a fase de compressão Dividir a compressão em vários andares A cilindro de alta pressão B cilindro de baixa pressão P arrefecedor intermédio (intercooler) Compressor alternativo para uma pressão final de 7 bar e com dois estágios de pressão. Andares de compressão Para cada pressão existe um número óptimo de estágios Exemplo: compressor alternativo (pistão) -unidades pequenas, potência máxima de 7,5 kw (10cv) e intervalo de 1-14 bar 1 andar de compressão -compressores ditos industriais, potencias superiores a 10 cv, intervalo 6-30 bar 2 andares compressão -30 a 180 bar 3 andares compressão -180 a 350 bar 4 andares compressão 17

18 Selecção dos compressores Compressores de pistão aplicados para pequenos caudais (até 100 m³/h). Compressores de parafuso indicados para pequenas, médias e grandes caudais(50m³/ha2000m³/h) Compressores centrífugos Indicados para grandes caudais (> 1500 m³/h) Selecção dos compressores Sistema eficiente de ar comprimido começa pela escolha do compressor mais adequado para cada actividade. A selecção do compressor mais adequado para uma determinada aplicação é função do caudal, pressão e nível de pureza ar exigidos por tal aplicação. 18

19 Selecção dos compressores Compressed Air and GCompressed Air and Gas Institute (CAGI-EUA)as Institute (CAGI-EUA) Compressed Air and Gas Institute (CAGI-EUA) Pressão descarga (psig) Caudal (ft 3 /min) Selecção dos compressores Nível de pureza do ar comprimido: aplicação critica ou não critica Aplicações críticas (hospitais, laboratórios, ar para respiração humana, etc.) deverão ser equipados com compressores do tipo nãolubrificados (isentos de óleo), eliminando-se o risco de contaminação do ar com óleo no caso de um acidente com os filtros de óleo dos compressores lubrificados. 19

20 Compressores dinâmicos Os compressores dinâmicos podem ser centrífugos ou radiais e axiais e operam a velocidades superiores aos compressores volumétricos. Na indústria, de um modo geral, operam à volta de r.p.m., embora velocidades superiores sejam cada vez mais comuns. Compressores dinâmicos: centrífugos Compressão processa-se perpendicularmente ao veio motor e a descarga do ar efectua-se segundo a tangente ao raio das pás impulsoras Unidades indicadas para produzirem ar isento de óleo. Compressor centrífugo - 4 andares de compressão (impellers) - gama de pressões entre 17 e 24 bar. 20

21 Compressores dinâmicos: axiais Compressão nesta unidade processa-se paralelamente ao veio motor, daí a designação de axial. O caudal mínimo em jogo é de tal forma elevado (900 m 3 /min) que dificilmente se destina à produção de ar comprimido, pelo menos, para a dimensão no nosso tecido industrial Compressores volumétricos Os compressores volumétricos classificam-se em alternativos (pistão ou êmbolo) e rotativos, no que respeita ao tipo de movimento imposto ao órgão propulsor do fluido a comprimir. Condições de trabalho, por exemplo 6 m 3 /min a 35 bar, 50 m 3 /min a 200 bar ou 90 l/s a 1000 bar, a única solução tecnológica actual continua, ainda, no recurso ao compressor alternativo. 21

22 Compressores volumétricos: alternativos Compressores de efeito simples Compressores de efeito duplo Sistemas de lubrificação dos compressores alternativos Funções do óleo (mineral ou sintético) num compressor alternativo: - redução do atrito, logo diminuição do desgaste mas também da potência em jogo Uma boa vedação interna implica uma melhor eficiência energética 22

23 Sistemas de lubrificação dos compressores alternativos Chapinhagem Capilaridade Forçada Desvantagem destes dois sistemas: -película de óleo muito fina e falta desta no arranque - distribuição não equitativa e não é possível filtrar o óleo Compressores rotativos Compressores rotativos de parafuso são os mais utilizados na indústria transformadora. Outros: - roots - dentes - espiral - anel líquido - alhetas 23

24 Compressores rotativos: Roots Consiste num corpo de secção elíptica (oval) contendo dois rotores simétricos (impulsores) em forma de oito, rodando em sentidos opostos e cujos lóbulos engrenam, isto é, a parte convexa de um penetra na concava do outro, sincronizados por engrenagens exteriores. O espaço por onde o ar passa não é lubrificado, dando origem a ar comprimido isento de óleo. Contrariamente ao que se possa pensar, não há compressão do fluido (redução de volume) no interior do espaço atrás referido durante a rotação de ambos os rotores Compressores rotativos: Roots A compressão existe na tubagem de descarga, uma vez que o ar no orifício de saída é forçado (bombeado) a penetrar nessa mesma tubagem, tendo a oposição de uma contra corrente de fluido já comprimido. Este tipo de unidade compressora não possui válvulas e o arrefecimento é sempre por ar. 24

25 Principio de funcionamento Compressores rotativos: Roots Baixa eficiência deste tipo de compressor em comparação com uma unidade alternativa Compressores rotativos: Roots Aplicações onde uma baixa pressão (2 a 3 bar) de ar comprimido é necessária, como por exemplo, no transporte pneumático de cereais. Devido às baixas pressões de utilização, muitos dos aplicadores denominam o compressor Roots como que um soprador (blower) semelhante a um forte ventilador. Estas unidades são também utilizadas como bombas de vácuo, contadores de gás e, especificamente, na medição de caudais em compressores de parafuso 25

26 Compressores rotativos: Alhetas Contrariamente ao compressor Roots, o de alhetas só possui um rotor. O eixo da peça móvel é paralelo ao do estator e por essa razão acaba por rodar de forma excêntrica relativamente ao corpo onde se insere. Compressores rotativos: Alhetas A redução de volume existe porque à medida que o ar admitido à atmosfera é transportado por bolsas formadas entre alhetas, esses espaços (bolsas móveis) são gradualmente reduzidos quando o rotor se move no sentido dos ponteiros de um relógio. Rotor possui oito ranhuras onde se situam oito alhetas 26

27 Compressores rotativos: Alhetas Pressão máxima de ar comprimido: 10 bar. Compressores não possuem válvulas e tanto podem ser arrefecidos por ar como por água. Fornecimento uniforme de ar livre de qualquer pulsação. Para evitar o atrito entre o estator e as alhetas, a unidade é lubrificada e, portanto, a película de óleo existente entre as peças móveis e o corpo fixo garante que não haja contacto metálico. Compressores rotativos: Espiral Principio de funcionamento inovador e de extrema simplicidade: compreende uma espiral fixa e outra orbitante e a compressão do ar processa-se pela interacção destas duas espiras. 27

28 Compressores rotativos: Espiral Abertura De aspiração Câmara De aspiração Espiral fixa Câmara De compressão Espiral orbitante Abertura De saída Compressores rotativos: Espiral O processo de compressão repete-se continuamente, gerando um caudal de ar isento de pulsações. Concepção verdadeiramente revolucionária ainda que é usado para caudais pequenos (2,7 a 6,7 l/s e pressões até 10 bar) e, naturalmente, para pequenas potências (1,5 2,2 e 3,7 kw). Produção de ar comprimido isento de óleo destinado a aplicações altamente exigentes. 28

29 Compressores volumétricos rotativos: parafuso Funcionamento: dois rotores que giram dentro de um bloco fixo, entre uma abertura de admissão (entrada) e uma de descarga(saída). Compressores volumétricos rotativos: parafuso O ar vai ocupar os espaços vazios entre dois lóbulos adjacentes. À medida que os parafusos giram, o gás vai sendo conduzido para espaços menores, ou seja, está sendo comprimido por redução directa do seu volume. Compressão volumétrica idêntica ao de pistão, porque em ambos existe aumento de pressão por diminuição do volume. 29

30 Compressores volumétricos rotativos: parafuso Compressores volumétricos rotativos: parafuso Arrefecedor final Filtro de ar Reservatório de óleo Filtro de óleo Elemento compressor 30

31 Compressores volumétricos rotativos: parafuso O acto de arrefecer a compressão é algo que distingue a tecnologia rotativa, comparativamente à alternativa. - compressão rotativa: o óleo, em quantidade muito superior ao do pistão e para igual potência, funciona tecnologicamente como arrefecedor intermédio (intercooler). - compressão alternativa: arrefecimento é confiado a um permutador de calor situado entre o cilindro de baixa e o cilindro de alta pressão. Compressores volumétricos rotativos: parafuso Ciclo de compressão constituída por quatro fases distintas: a) mistura de ar/óleo durante a compressão b) separação dos fluidos c) arrefecimento do óleo d) arrefecimento do ar comprimido Transferência de calor, de ambos os fluidos, é efectuada em permutadores independentes (oil cooler e aftercooler) 31

32 Compressores volumétricos rotativos: parafuso Compressão isotérmica é a mais económica por que é a que exige menos energia num ciclo de compressão. Métodos para obter a tecnologia isotérmica: - arrefecer por ar - arrefecer por água - injectar óleo durante a compressão - comprimir com elementos em paralelo - comprimir em vários estágios (andares) de compressão Compressores rotativos isentos de óleo 32

33 Compressores isentos de óleo: oil free Os compressores isentos de óleo tanto podem ser dinâmicos como volumétricos: os que transformam a energia cinética em energia de pressão (dinâmicos), axiais ou centrífugos, são por construção técnica unidades que não possuem película lubrificante nas zonas onde o fluido gasoso é comprimido, pelo que produzem sempre gás sob pressão isento de óleo; os que recorrem à redução de volume para aumentarem a pressão do gás em causa (volumétricos) modificam a sua tecnologias tradicional. Compressores rotativos por dentes (rotary tooth) este tipo de compressores distingue-se dos helicoidais porque os elementos básicos de compressão têm a forma de dentes. tal como os de parafuso possuem um rotor macho e um rotor fêmea que rodam em sentidos opostos e não há contacto metálico entre eles, visto existirem engrenagens (timimg gears) que os afastam, com tolerâncias muito rigorosas e simultaneamente os sincronizam. 33

34 Compressores rotativos por dentes (rotary tooth) Posição 1 o espaço A admite ar através dos orifícios de entrada e até à posição 2 Posição 2 os elementos ao rodarem fecham a comunicação com o exterior, dando inicio à compressão (redução de volumes) Posição 3 a compressão aproxima-se do seu fim na medida em que o rotor fêmea coloca o ar comprimido em contacto com os orifícios de saída Posição 4 entrega do ar sob pressão através dos orifícios de saída Compressores rotativos por dentes (rotary tooth) Unidade de duplo estágio 34

35 Compressor de parafuso isento de óleo Processo semelhante ao anterior, ou seja, para impedir o contacto metálico entre os rotores macho e fêmea, usa um sistema de engrenagens que sincronizam os movimentos de ambos os elementos compressores. Duplo estágio Compressor de parafuso isento de óleo A câmara de compressão não recorre a nenhum lubrificante, pelo que este tipo de unidade produz ar comprimido, ou qualquer outro gás, isento de óleo. 35

36 Compressor de parafuso isento de óleo Duplo estágio Compressores alternativos vs rotativos A sistemática descontinuidade na descarga de ar comprimido, a partir de uma unidade alternativa, origina pulsação, a qual, não raras vezes, se transforma em ressonância. Este fenómeno pode causar não só oscilações à tubagem, cuja intensidade pode danificá-la, mas também rotura nas respectivas válvulas do compressor. 36

37 Compressores alternativos vs rotativos O compressor alternativo (ao contrário do rotativo) não foi projectado para trabalhar a 100 % de carga durante 24 horas por dia e 365 dias por ano. Temperatura elevada do ar no final da compressão no compressor alternativo. Compressores alternativos vs rotativos Unidades de compressores rotativos de parafuso (lubrificado) até potências de 250 kw (340 hp) são arrefecidos por ar enquanto para esta ordem de grandeza energética se revela impossível para a tecnologia de pistão. Unidades alternativas de 75 kw (100 hp) e 7 bar ainda podem ser arrefecidas por ar, mas a partir desta potência é necessário usar água. 37

38 Compressores alternativos vs rotativos Compressores alternativos com custos superiores com o pavimento onde os compressores são montados devido à transmissão de pulsações pelo movimento dos seus êmbolos. Custos de manutenção e o número de horas de imobilização anual muito superiores para o compressor alternativo. Compressores alternativos vs rotativos Tecnologia alternativa possui maior número de peças ou órgãos em movimento que exigem inspecções regulares. Um compressor alternativo ao fim de 8000 horas de serviço necessita de se abrir e inspeccionar as suas peças que demora cerca de uma semana enquanto que um compressor rotativo de parafuso a manutenção pode ser feita só ao fim de a horas e a reparação demora cerca de 3 dias. 38

39 Sistemas de controlo Objectivo do controlo de um compressor: regular o seu débito (ou caudal) de acordo com o consumo efectivo e pressão de trabalho de cada instalação. 39