compressores

compressores

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•Compressores: tipos, características

•Relações termodinâmicas básicas •Diagrama de velocidades

•Características de operação e performance: mapa de desempenho

Prof. Silvia Azucena Nebra

Aulas 5-6 COMPRESSORES

Este capítulo focaliza os compressores, particularmente os de fluxo axial e os centrífugos. Os compressores a pistão serão vistos mais adiante. É realizada uma descrição geral dos tipos e aplicações. Depois são abordados o diagrama de velocidades e as relações termodinâmicas referentes a cada um destes dois tipos. São apresentadas as variáveis adimensionais características da operação, e analisado um mapa de desempenho do compressor.

Tipos de compressores: •Compressores

Compressor de fluxo axialCompressor centrífugo

Os compressores de fluxo axial são aqueles em que o escoamento acontece na direção do eixo do rotor. Eles são majoritariamente utilizados em turbinas a gás, particularmente, as de maior tamanho. Este tipo de compressores são construídos normalmente com múltiplos estágios, assim, no caso de turbinas a gás, têm entre 8 e 16 estágios. Os compressores de fluxo centrífugo se caracterizam porque o escoamento entra no rotor paralelo ao eixo e sai dele perpendicular ao mesmo. Eles são utilizados nos sistemas de turbocompressão em motores alternativos (de combustão interna a pistão). Embora, são também utilizados em certo tipo de turbinas a gás, particularmente aquelas de menor potência. Os compressores centrífugos são mais adequados quando se precisa trabalhar numa faixa mais ampla de fluxo mássico (variável), sem mudar a rotação. Este tipo de compressor é mais adequado para baixas pressões, razões de pressão de 4:1 são as mais comuns neles. Novos desenvolvimentos na forma das pás e a utilização de ligas de titânio permitiram chegar até razões de pressão de 8:1 em compressores centrífugos de um único estágio. Quando se deseja obter maiores razões de pressão é necessário combinar este tipo de compressor com um de fluxo axial, ou utilizar diretamente um compressor de fluxo axial.

Na fotografia podem ser apreciadas as características de uma turbina industrial. É uma turbina de um único eixo. Nela pode apreciar-se o compressor, à esquerda, a câmara de combustão e a turbina de potência. O compressor consta de 1 estágios. O combustor é de forma anular, adequado para diversos combustíveis, sólidos e gasosos.

Detalhe da boca de entrada do ar no compressor. Fotos tiradas na visita realizada à oficina de reparos de turbinas, da PETROBRÁS, em Macaé. A visita e as fotos foram realizadas pela turma 1999-2000, do curso de extensão da FEM/UNICAMP: Engenharia de Gás Natural.

Detalhe do compressor, observar o formato das pás, e o raio do tubo central. O tamanho do tubo central vá aumentando a medida que o ar vá sendo comprimido e avança ao longo do eixo. As pás, em troca, vão sendo cada vez de menor tamanho. Observar o formato das pás.

Detalhe das últimas fileiras de pás do compressor e entrada do ar na câmara de combustão.

Compressor centrífugo -Rolls-Royce

pressão)
systems throughout the world

Um compressor centrífugo consta de quatro partes: entrada , rotor, estator ou difusor e coletor (em alguns casos o coletor pode não existir). A entrada pode (ou não) possuir palhetas fixas que direcionem o escoamento. O rotor possui palhetas com formato característico (ver slide seguinte). O estator têm por missão frear o escoamento e transformando a energia cinética em energia de estagnação. O coletor atua como um acumulador de ar pressurizado (absorve flutuações de Texto e figura tirados do site: w.Rolls-Royce.com. Our range of pipeline compressors currently operate on most major natural gas pipeline systems throughout the world. Performing reliably in a variety of compression jobs in all kinds of climates, they can operate for 100,0 hours before major maintenance. More than 835 of these compressors have been sold over the last 50 years, and 40% of the pipeline compressors sold worldwide bear our name. The model RFA36 provides field-proven isentropic efficiencies of 86 to 91%, and can deliver substantial cost savings annually compare to conventional pipeliners of similar capacity. The broad line of Cooper-Bessemer pipeline and multi-stage barrel centrifugal compressors is designed to offer efficient and dependable operation in numerous natural gas handling applications. Based on over 50 years of experience in the aerodynamic and mechanical design of centrifugal compressors, state-of-the-art computer programs are used to apply this technology to engineering functions such as developing aerodynamic configurations, designing components and assemblies, and determining performance. Cooper-Bessemer pipeline compressors currently operate on most major natural gas pipeline Cooper-Bessemer multi-stage, vertically-split barrel centrifugal compressors are in natural gas gathering, storage, lift and reinjection service worldwide. These compressors are sized to meet a wide combination of flow and pressure requirements and are designed for continuous, fullload operation. They offer high dependability, even when andling natural gas with large amounts of sulfur, carbon dioxide and water. Over 685 Cooper-Bessemer barrel compressors have been sold worldwide. Outras Informações sobre compressores centrífugos (características, desempenho) podem ser encontradas no site: http://www.pneumofore.com

Rotores de Compressores centrífugos utilizados em motores de combustão interna

As palhetas do rotor pode ter diferentes desenhos, a sua missão é a de dar energia cinética ao fluído e também mudar a direção do escoamento em direção perpendicular ao eixo, daí a forma característica destes rotores. Figuras tiradas do livro: “Internal Combustion Engines Fundamentals”, de John H. Heywood, McGraw – Hill International Editions, 1988.

Compressor rotativo (de parafuso) -MYCOM

Simples estágio

Duplo estágio

Este tipo de compressores são largamente utilizados na Indústria, para processos que precisem de ar comprimido. São adequados para grandes volumes de ar, mas relativamente baixas pressões. Sua faixa normal de trabalho é 0- 4 bares de pressão manomêtrica.

"Relações termodinâmicas básicas h V h

V hVolume de controle

&Para gás ideal:

ou:

p p

T s c h W

Mc sM h W

O objetivo de um compressor é pressurizar o gás, o que implica em aumentar sua entalpia. À esquerda do slide é mostrado o processo num diagrama entalpia – entropia (h-s). O gás entra na condição 1, 01 é a condição de estagnação, e chega até o estado 2, com uma certa energia cinética, a condição de estagnação correspondente é 02. Normalmente o processo é praticamente adiabático, mas acontece geração interna de entropia devido à viscosidade do gás, que produz perdas por atrito interno. Devido a esta característica, o processo real é comparado com um ideal, isentrópico, indicado na figura pelos pontos 2s e 02s, sendo este último o ponto de estagnação isentrópica. A primeira equação à direita surge da aplicação da primeira lei da termodinâmica ao volume de controle indicado, que abrange o compressor todo, ela calcula a potência que deve ser entregue ao compressor, a partir da informação das condições do gás na entrada e saída deste. Se consideram condições na estagnação porque o ar está inicialmente em repouso e no final, ele pode perder boa parte de sua energia cinética na câmara de combustão. Embaixo é definida a eficiência do compressor, considerando que a energia cinética dos gases não é aproveitada, devido a que os gases atravessam os dutos de admissão, e exaustão, largos, onde essa energia acaba sendo dissipada. Se a energia cinética dos gases é aproveitada, por exemplo, na saída, a definição pode ser alterada, utilizando as entalpias e temperaturas do gás, em lugar das entalpias, temperaturas e pressões na estagnação. A terceira linha de equações mostra a forma em que se calcula a potência consumida pelo compressor, se se possui a informação da sua eficiência isentrópica, a condição na entrada e a pressão na saída. Se se conhece a eficiência de transmissão mecânica no eixo de turbina, ela pode ser introduzida no cálculo. A última equação reporta a eficiência isentrópica para gases ideais com calor específico constante, para obter ela foi utilizada a expressão da entalpia para gases ideais e também as relações conhecidas para processos isentrópicos.

Diagrama entalpia -entropia no compressor centrífugo

entrada rotor

Difusor ou estator

Potência:

A figura indica de que forma contribui cada componente do compressor para a pressurização do ar. O ar em condição de estagnação, a P0, é acelerado na entrada até uma pressão P1 e adquire uma velocidade V1, devido à sucção na entrada do compressor. A compressão nas palhetas do impulsor rotativo (rotor) faz com que sua pressão se eleve a P2 e sua velocidade passe a ser V2, situação corresponde ao estado de estagnação 02, se toda a energia cinética fosse recuperada. O processo isentrópico equivalente vá até o estado 2s e 02s. O difusor faz com que o estado do gás passe do 2 ao 3, convertendo boa parte da energia cinética do gás em entalpia, e aumentando conseqüentemente a pressão. A energia cinética diminui, junto com a velocidade, que passa de V2(alta) para V3 (baixa). A pressão final P3 fica um pouco abaixo da P02, de estagnação do estado 2. P02 seria a maior pressão atingível, com velocidade nula no gás e sem perdas depois do rotor.

2bb w

Triângulo de velocidades num compressor centrífugo

Potência do compressor:

W ptc &

2tV r

1tV r

2pV r

1pV r

O rotor é que transmite trabalho de eixo ao gás. Como em qualquer máquina de fluxo, podemos fazer para ele o triângulo de velocidades. No desenho, V1 e V2 são as velocidades absolutas do gás, na entrada e na saída. U1 e U2 são as velocidades tangenciais da palheta, na entrada e na saída. W1 e W2 são as velocidades relativas do gás, em relação às palhetas, na entrada e na saída, respectivamente. A velocidade tangencial do gás, Vt1, é nula na entrada quando não há palhetas fixas para direcionar o gás na entrada. O ângulo beta2 é o próprio ângulo da palheta se não houver deslizamento do gás, na prática acostuma haver deslizamento, e o ângulo beta2 costuma ser de fato menor que o ângulo da palheta. O torque exercido sobre o gás pelo rotor se iguala à variação de momento angular. É calculada a potência consumida no compressor, utilizando a assim denominada equação de Euler. O trabalho calculado aqui se iguala à variação na entalpia de estagnação vista antes. Bibliografia: Fox, R.W. and McDonald, A T., Introdução à Mecânica dos Fluídos, Cap. 4. Edit. Guanabara Dois.

"Compressores de fluxo axial: princípio de funcionamento

Tanto os compressores quanto as turbinas de fluxo axial se caracterizam por possuir discos com palhetas no seu entorno. A carcaça que cobre estes discos também possui palhetas, fixas, no caso. Cada par de jogos de palhetas fixas e móveis constitui um estágio. As palhetas móveis têm por missão acelerar o gás, as palhetas fixas reduzem a velocidade do gás e aumentam a pressão do mesmo. As turbinas trabalham em forma exatamente oposta aos compressores, a energia associada à pressão do gás é transformada em energia cinética nas palhetas estacionárias. O gás a alta velocidade entra nas palhetas móveis, onde a energia cinética é transformada em trabalho mecânico (”trabalho de eixo”). É visível a importância que têm um aprimorado projeto aerodinâmico do perfil das palhetas, sendo que este projeto deverá levar em contas as características do escoamento compressível vistas na aula anterior. Ao fazer o diagrama de velocidades será necessário levar em conta esta dupla passagem em cada um dos estágios do compressor.

Figuras tiradas do site: w.Rolls-Royce.com

Equação de transferência de energia em compressores

U r palhetas do rotor

palhetas do estatorou difusor r 1bb 1aa r 2bb 2aa

U r

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