Compressores a pistao

Compressores a pistao

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Departamento de Energia ES747 - Laboratório de Sistemas Térmicos e Fluidomecânicos

1 INTRODUÇÃO

Compressores podem ser definidos como estruturas mecânicas industriais destinadas, essencialmente, a elevar a energia utilizável de gases, pelo aumento de sua pressão.

A compressão de um gás pode ser feita adiabaticamente ou com transferência de calor, dependendo da finalidade para a qual o gás está sendo comprimido; se o mesmo vai ser usado em um motor ou em um processo de combustão, a compressão adiabática é desejável a fim de se obter a maior energia disponível (exergia) no gás após o processo de compressão. Em muitas aplicações, no entanto, o gás é armazenado em um tanque para ser empregado posteriormente. Durante o processo de armazenagem há transferência de calor para a atmosfera e quando o gás for usado estará praticamente a temperatura ambiente. Neste caso, a compressão com transmissão de calor é mais vantajosa.

Gases comprimidos armazenados a temperatura ambiente são empregados para diversas finalidades; os exemplos mais comuns são o uso de ar comprimido em ferramentas pneumáticas, para controle pneumático de máquinas ou processos, como veículo de transporte de partículas sólidas (transporte pneumático), como propelente para tintas e vernizes, para limpeza industrial (puro ou em emulsão com água e detergentes), etc.

2. OBJETIVOS

Esta experiência tem por objetivos:

a) Aplicar conceitos da termodinâmica b) Estudar o comportamento de um compressor de ar a pistão c) Verificar a influência da compressão em estágios d) Verificar a influência do resfriamento interestágios no desempenho e) Avaliar o desempenho do compressor através de eficiências

3. DESCRIÇÃO GERAL DA MONTAGEM

O equipamento que será utilizado é um sistema de compressão de ar, com finalidades didáticas, fornecido pela Plint & Partners (Inglaterra). O sistema é composto por um compressor de dois cilindros de baixa pressão (1o estágio), um inter-resfriador, um compressor de alta pressão também de dois cilindros, um pós-resfriador e um tanque de armazenamento. O conjunto é acionado por motores elétricos; o primeiro estágio, por um motor de corrente alternada e o segundo por um motor de corrente contínua, cuja rotação pode ser variada. O sistema é instrumentado de modo a se medir pressões, temperaturas, vazões, torque de eixo, rotação de cada estágio e as potências elétricas de acionamento.

Para medir a vazão de ar que está sendo aspirado, há um bocal situado na entrada do tanque de sucção. Este tanque amortece a pulsação no escoamento de ar induzida pela aspiração transiente do compressor. Após passar pelo primeiro estágio de compressão, o ar é resfriado por água em um trocador de calor (inter-resfriador) e é então admitido no segundo estágio de compressão. O ar comprimido é novamente resfriado a água (pós-resfriador) antes de ser mandado ao reservatório de ar comprimido. Uma vez que os balanços de massa e energia devem ser feitos com o sistema operando em regime permanente, o tanque descarrega o ar comprimido através de um orifício calibrado para a atmosfera. A Figura 1 mostra esquematicamente o sistema, indicando ainda pontos de medidas de temperaturas, pressões e vazões.

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Figura 1: Esquema geral do sistema de compressão

4. DADOS TÉCNICOS NECESSÁRIOS

São fornecidas a seguir algumas especificações técnicas necessárias para o cálculo das diferentes grandezas e parâmetros de desempenho.

número de cilindros2
diâmetro do cilindro101,6 m
curso do pistão101,6 m
pressão máxima de saída1000 kPa
Razão de redução de rotação entre o motor e o compressor3:1
Eficiência mecânica da transmissão por correia0,98
Volume do espaço morto20 cm3

a) Compressor, 1o estágio:

número de cilindros2
diâmetro do cilindro6,7 m
curso do pistão63,5 m
pressão máxima de saída1500 kPa
Razão de redução de rotação entre o motor e o compressor3:1
Eficiência mecânica da transmissão por correia0,98
Volume do espaço morto13 cm3

b) Compressor, 2o estágio:

c) Potência de eixo dos motores elétricos: Os motores elétricos de acionamento encontram-se montados em balanço. A reação do torque de eixo na carcaça do motor é medida através de um braço de alavanca e de uma balança graduada em newton (N).

Wm = F N / K ( watt) (1)

onde F é a carga aplicada sobre a balança, N é a rotação em rpm e K é a constante de carga do dinamômetro ( 43,41 nas unidades acima)

Departamento de Energia ES747 - Laboratório de Sistemas Térmicos e Fluidomecânicos d) Fluxo de massa de ar

Diâmetro da placa de orifício de entrada3,202 cm
Diâmetro do bocal de descarga2,500 cm

Para medir a descarga mássica de ar o sistema dispõe de dois orifícios calibrados; o primeiro é situado na entrada do tanque de sucção e o segundo situado após a válvula de controle de vazão de descarga. O fluxo de massa em cada caso pode ser calculado a partir das condições ambientes, do diâmetro do orifício e da depressão lida no manômetro inclinado, conforme as equações abaixo. Na entrada:

m = 0,001232 d h(kg/s) O

2O PTAA

m = 0,002012 d h(kg/s) n

e na saída: 2 nPT A7 onde d é o diâmetro do orifício (centímetros), P é dada em kN/m2 e a depressão h deve ser expressa em cm H2O. Em regime permanente, os fluxos de massa na entrada e na saída devem ser iguais.

5. ANÁLISE TERMODINÂMICA DO PROCESSO DE COMPRESSÃO 5.1 - Trabalho mínimo de compressão politrópica

Para realizar a compressão de um gás é necessário consumir trabalho. Freqüentemente é conveniente que se conheça o trabalho mínimo de um processo, para comparação com o processo real. Aplicando-se a primeira lei para um processo em regime permanente, internamente reversível e politrópico, pode-se mostrar que o trabalho de compressão é dado por n T R m =W n

(4)

Deve-se observar que a expressão acima pode ser utilizada também para um processo isentrópico desde que n = k. Para o processo isotérmico, porém, a expressão não pode ser empregada (n=1)

No caso de um processo politrópico com rejeição de calor, o calor rejeitado pode ser determinado a partir da aplicação da 1a lei da termodinâmica, resultando:

()T-T
k-n c m = Q 12vf(5)

5.2 - Trabalho mínimo de compressão isotérmica.

O trabalho isotérmico - que constitui o caso ideal para um processo em que se requer o gás à temperatura ambiente - pode ser determinado diretamente a partir da primeira lei para um volume de controle, em um processo internamente reversível, impondo-se que o processo seja isotérmico:

P Pln T R m = W2

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Neste caso, o calor rejeitado é igual ao trabalho consumido. 5.3 - Compressor a pistão: diagrama indicador (P x V) e T x S

Na Figura 2 é apresentado o diagrama P x V teórico de operação de um compressor alternativo a pistão. Os processos que compõe um ciclo mecânico completo são:

- COMPRESSÃO : começa quando o volume do cilindro é máximo, no ponto 1. Conforme diminui o volume, a pressão aumenta até atingir P2 (ponto 2), quando se abre a válvula de descarga (acionada automaticamente pela pressão do cilindro).

- DESCARGA : entre os pontos 2 e 3 o gás é descarregado a pressão constante, impelido pelo movimento do pistão.

- EXPANSÃO - de 3 a 4 ocorre a expansão do gás que restou dentro do cilindro devido ao espaço morto. Essa expansão prossegue até que a pressão de admissão seja atingida.

- SUCÇÃO - quando se abrem as válvulas de admissão, o pistão aspira gás a baixa pressão (entre os pontos 4 e 1) para então reiniciar o ciclo mecânico.

Supondo-se que os processos de compressão e expansão sejam politrópicos, pode-se mostrar que a soma dos trabalhos envolvidos em cada um dos processos acima descritos é exatamente igual à expressão do trabalho mínimo politrópico, obtida a partir de um volume de controle em regime permanente.

Figura 2 - Diagrama indicador de um compressor a pistão.

As Figuras 3 e 4 apresentam os diversos valores possíveis de n nos diagramas PxV e TxS, respectivamente. Uma vez que a área do ciclo mecânico (pontos 1 a 4) no diagrama PxV é proporcional ao trabalho necessário, é evidente que quanto menor o valor de n, menor será o trabalho politrópico de acionamento do compressor. A energia disponível no gás (exergia), porém, será também menor. Caso o ar comprimido deva estar à temperatura ambiente quando for empregado, é mais conveniente tentar aproximar o processo de compressão de um processo isotérmico.

- se n = 1teremos um processo isotérmico (ideal).
- se 1 < n < kteremos um processo com rejeição de calor.

O valor do coeficiente n depende do tipo de processo termodinâmico que ocorre - se n = k teremos um processo adiabático, reversível.

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- se k < nteremos um processo adiabático com atrito.
Fig. 3 - Diagrama P x VFig. 4 - Diagrama T x S

Se a fase de compressão se estendesse até que fosse atingido o volume de espaço morto

V3, a fase de descarga ficaria eliminada. O gás, que estaria na pressão máxima, não poderia ser descarregado para o duto de descarga. Nesse caso, toda a massa de ar contida no cilindro seria reexpandida sem sair do cilindro (fluxo de massa nulo através do compressor).

Nesta condição, a pressão máxima seria dada por:

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5.4 - Rendimento volumétrico aparente e real

Um compressor sempre possui um espaço morto ou espaço nocivo, que corresponde ao volume mínimo ( V3). Define-se o coeficiente de espaço nocivo ε:

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O rendimento volumétrico aparente relaciona o deslocamento volumétrico durante a sucção com o deslocamento total do compressor (cilindrada); usando a Figura 2 como base, podemos então escrever:

ηvap

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Pode-se mostrar que o rendimento volumétrico aparente pode ser expresso em função do coeficiente de espaço nocivo e da relação de pressões:

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