Máquinas de Fluxo

Máquinas de Fluxo

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As turbomáquinas são provavelmente os componentes mais críticos em termos construtivos e para a disponibilidade operacional de qualquer Planta de Processo e apesar disso são bem conhecidas de apenas uns poucos “experts”. Este trabalho pretende mostrar de maneira didática e simples, os seus principais tipos (compressores e turbinas de expansão, já que trataremos daqueles utilizados em Plantas de Separação de Gases do Ar), cobrindo desde seus princípios de funcionamento termodinâmico, formas construtivas, usos e vantagens de um modelo sobre outro até aspectos e cuidados a serem tomados quando de sua compra e manutenção.

XVIII ENCONTRO DE PRODUTORES E CONSUMIDORES DE GASES INDUSTRIAIS - Armando Juliani é engenheiro mecânico graduado pela ESCOLA

POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO, em 1986 tendo realizado diversos cursos de especialização na área de turbomáquinas no Vibration Institute (Chicago-IL-USA) e Bently Nevada (Houston-TXUSA) e participado de diversos “Turbomachinery Simposyum” realizados pela Texas A&M University – Houston-TX-USA; está na CEGELEC desde então, onde ocupa a Gerência Operacional das Regiões S-SE.

1-CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOMÁQUINAS

As turbomáquinas ou máquinas de fluxo podem ser de vários tipos e servir para várias aplicações industriais. A maneira mais simples de tentar classificá-las pode ser vista de um modo bastante didático no esquema abaixo:

Neste trabalho, como já dissemos, daremos ênfase àquelas de maior uso em plantas de gases industriais, a saber turbinas de expansão ou “expanders” e compressores.

2-PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

As máquinas de fluxo do tipo “dinâmico” (em oposição às “volumétricas”) são aquelas em que o intercâmbio de energia entre o fluido e o eixo ocorre por transferência de quantidade de movimento e essa energia é transformada (do tipo “cinético” para “de pressão” e vice-versa) por meio da mudança das seções de escoamento do fluido. Já as “volumétricas” ou “de deslocamento positivo” caracterizam-se pela alteração do estado de energia interna do fluido ocorrer em volumes discretos a cada ciclo de operação.

2.1-Turbinas, “Expanders” e Máquinas de Expansão

CONSOMEM ENERGIA (Com pres sores, B om bas , V entiladores, S oprador es Et c.)

São os equipamentos que fornecem energia ao meio externo retirando-a do fluido veiculado através da mudança de seu estado, podendo com ela acionar outras máquinas. O processo de expansão de um fluido através de uma turbina ou “expander” (máquinas dinâmicas) pode ser explicado da seguinte maneira:

Cada estágio de expansão do fluido é composto de uma fileira de palhetas fixas (bocais ou “nozzles”) e outra de palhetas móveis que agem em conjunto de modo a permitir que o fluxo do gás veiculado realize “trabalho” sobre o eixo. Há dois tipos clássicos de projeto de turbinas e expanders:

i) Ação ou Impulso: a expansão do gás dá-se apenas nas palhetas fixas, sendo esta “energia de pressão” convertida em cinética (o fluido é acelerado) e então impulsiona o eixo (transferência de quantidade de movimento) por meio das palhetas móveis.

i) Reação: a expansão do gás dá-se tanto nas palhetas fixas quanto nas móveis .

Fig. 1 – Tipos de Turbina

Na prática há hoje apenas raros casos de uma turbina que seja de ação ou reação “pura”.

Já as máquinas de expansão (hoje raramente usadas), funcionam como um compressor alternativo operando no sentido inverso: o gás expande-se num cilindro à custa do aumento de seu volume específico.

São os equipamentos que transferem a energia recebida do meio externo ao fluido veiculado visando aumentar seu estado de energia interna.

O processo de compressão de um fluido num equipamento do tipo dinâmico é o seguinte:

i) A “roda” do compressor transfere a energia mecânica que recebe do acionador através de seu eixo para o gás por transferência de quantidade de movimento, acelerando as partículas do gás (que, assim, tem sua velocidade aumentada). Na saída da “roda”, o gás tem, portanto, apenas sua energia cinética ( de velocidade) aumentada e não de pressão. i) Os “difusores” que existem em cada estágio, após cada “roda”, convertem a energia cinética do gás em energia de pressão através do direcionamento e frenagem deste, fazendo essa transformação de acordo com o “Princípio da Conservação da Energia”. Caso o aumento de pressão ocorrido seja suficiente para vencer a pressão reinante à saída do difusor em qualquer estágio, a operação do compressor é normal, ou seja, o fluxo de gás continua em seu sentido “correto” até a descarga final para a tubulação de processo.

Fig. 2 – Fluxo de gás em um compressor centrífugo

Já num equipamento do tipo volumétrico, o processo de compressão do gás dá-se num espaço confinado, cujo volume é reduzido por ação mecânica através do movimento de um êmbolo (máquinas alternativas) ou de engrenagens, lóbulos etc. a cada ciclo.

3-“EXPANDERS” E TURBINAS DE EXPANSÃO 3.1-Aplicação

Chamamos de Criogenia a ciência das “temperaturas muito baixas”. Há ainda certa divergência sobre a quais seriam estas temperaturas ou sobre qual o limite entre a Criogenia e a Refrigeração; alguns especialistas sugerem o valor de 173 K (- 100 ºC), outros 143 K (- 130 ºC), outros ainda a temperatura “abaixo da qual os materiais não apresentam um comportamento normal ou esperado”. De qualquer forma, a criogenia deve preocupar-se com uma série de problemas de natureza tecnológica, a saber: materiais de construção (os quais apresentam características diferentes quando trabalham a temperaturas muito baixas), métodos e materiais requeridos para a perfeita isolação térmica, equipamentos para a expansão e compressão de gases, processos, armazenagem, transporte e uso do produto.

A criogenia envolve a liquefação e uso de vários gases que têm temperatura de condensação muito baixas. Estes só são liqüefeitos quando resfriados a temperaturas iguais ou menores que suas temperaturas críticas (ponto no qual os estados de líquido e vapor saturado são idênticos independentemente da pressão). O ar seco é uma mistura de gases (notadamente o nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono e argônio), todos eles com larga aplicação industrial, cuja separação é feita pelo processo de liquefação. Uma vez que tal processo, pelo exposto, só ocorre a “temperaturas muito baixas” resulta a necessidade do frio em plantas de separação de ar. Nitrogênio e Oxigênio são os principais gases obtidos do ar líquido através da destilação fracionada; em muitos casos eles são liqüefeitos para sua purificação e/ou simplificar seu armazenamento.

Para que as “temperaturas muito baixas” sejam atingidas é necessário que o gás (ou a mistura de gases) seja expandido (ou apresente uma queda de pressão) de uma forma brutal. Esta expansão pode ser obtida de dois modos: seu “estrangulamento” através de uma válvula de expansão (efeito Joule-Thomson) ou o uso de uma turbina de expansão.

A turbina de expansão é o meio mais efetivo de se conseguir “temperaturas muito baixas” em comparação com a válvula de expansão, uma vez que para a mesma queda de pressão, a diminuição de temperatura é maior. Isso se deve ao fato de a expansão do gás que ocorre na válvula de expansão ser isoentálpica (queda de pressão adiabática irreversível), enquanto que na turbina esta seja isoentrópica (adiabática reversível), idealmente, isto é sem admitir perdas. Além disso, há também o fato da expansão realizada através da turbina de expansão poder gerar trabalho mecânico.

Há também máquinas de expansão alternativas com características semelhantes às das turbinas de expansão, hoje em desuso dada a baixa vazão de gás obtida e dificuldades construtivas.

3.2-Principais Características

O princípio termodinâmico ideal de funcionamento de uma turbina de expansão (expansão adiabática reversível) exposto no item anterior é um pouco diferente do real uma vez que as perdas existentes no processo (atritos, folgas etc.) reduzem a queda de temperatura já que o mesmo não é na realidade isoentrópico. A eficiência que pode ser conseguida é da ordem de 80 a 90% e será tanto melhor quanto maior for a queda de temperatura atingida (de acordo com a 2ª Lei da Termodinâmica).

A grande maioria das turbinas de expansão são de “reação” com fluxo radial ou misto. Suas faixas de operação são as mais variadas possíveis, uma vez que sua vazão e pressões de admissão podem ser controladas pelo uso de “VIGV” (“variable inlet guide vanes”), como exemplificamos a seguir:

Rotação Entre 10 0 e 60 0 rpm Pressão de Admissão Até 50 kgf/cm2 abs Pressão de Escape Até 0,8 kgf/cm2 abs Diâmetro do Rotor De 25 a 500 m Temperatura de Escape Até -230 ºC Potência na Ponta de Eixo De 100 a 2 0 HP

A energia gerada na expansão do gás deve de algum modo ser dissipada ou aproveitada, sem o que, para uma dada vazão de gás, a velocidade de rotação irá aumentar indefinidamente até a destruição do rotor.

Quando o processo é realizado apenas para a se conseguir “frio” num resfriador (por exemplo num ciclo simples de separação de ar), a energia gerada é dissipada por um “freio hidráulico”, que consiste num hélice imerso em óleo montado no mesmo eixo e do lado oposto à roda da turbina de expansão; de outro modo (o mais comum), quando além de ser utilizado para se conseguir “frio” num resfriador o gás deve ser novamente comprimido em um “booster”, a energia gerada é utilizada para este fim:

a roda do compressor é bastante parecida à da turbina e montada no mesmo eixo e do lado oposto a esta última (“back to back”).

3.3-Aspectos Construtivos

Fig. 3 – Desenho em corte do Expander 3.3.1-Conjunto Rotativo (Rotor)

Composto basicamente pelo eixo, rodas da turbina e compressor ou, eventualmente do “freio hidráulico”.

As rodas são normalmente fundidas em ligas leves (magnésio, alumínio ou titânio) e montadas, quando há o compressor, em oposição (“back to back”) de modo a reduzir o impulso axial, podendo ser tanto abertas quanto fechadas.

O eixo é normalmente fabricado em aço-liga, tendo o níquel como principal elemento de liga, uma vez que o mesmo reduz o ponto de transição de fratura dúctil para fratura frágil (AISI 3140, 4340, 2317 ou 2330).

Vale a pena mencionar que dadas as altas rotações de trabalho, o conjunto opera normalmente acima de sua segunda rotação crítica; visando reduzir os efeitos deste fato, entre outras coisas, a região entre mancais apresenta um diâmetro grande para aumentar sua rigidez.

3.3.2-Parte Estacionária (Estator)

Do estator, os elementos mais importantes são os mancais, labirintos de selagem e os “VIGV” (“variable inlet guide vanes”) também chamados de palhetas diretivas ou bocais.

Os mancais radiais, devido às altas rotações, baixas cargas estáticas e características dinâmicas advindas das altas rotações têm o formato “trilobular”. Observa-se também o mancal de escora, normalmente integral aos mancais radiais, destinado a suportar a carga axial originada na expansão do gás. Como já dissemos anteriormente, quando há turbina e compressor, tal efeito é minorado através da montagem das rodas em oposição (“back to back”).

Os labirintos de selagem servem para “separar” o gás do óleo dos mancais e para reduzir as perdas na expansão e localizam-se no eixo e nas rodas (nas costas e no lado do “olho” desta); podem ser fabricados de alumínio ou metal patente (quando o labirinto é na própria roda) e são feitos assim para que em caso de eventuais “roçamentos”, o conjunto rotativo não seja danificado. Há ainda casos em que a selagem é feita por anéis de carvão.

As “VIGV” ou palhetas diretrizes servem para controlar a vazão e expandir o gás (“palheta estacionária”). São normalmente fabricadas em aço inoxidável austenítico, devido à presença de altos teores de níquel.

3.4-Pontos Importantes na Especificação de Compra 3.4.1-Aspectos Dinâmicos

Conforme já dissemos, as elevadas rotações de trabalho deste tipo de equipamento fazem com que os mesmos operem, muitas vezes, acima de sua segunda rotação crítica. Tal fato, associado aos baixos níveis de vibração admissíveis (da ordem de 25 µm p-p ou 1 mil p-p para vibrações de eixo), obrigam o fabricante do equipamento a realizar uma série de estudos que visam a não ocorrência de problemas, conforme pode ser observado no quadro abaixo:

Rotações Críticas - Rotações críticas não amortecidas - Modos de vibrar

- Selecionar a faixa de rotações de operação a fim de mantê-las afastadas das críticas com uma margem de segurança - Posicionar os mancais fora dos pontos nodais

Análise dos Mancais

- Coeficientes dinâmicos dos mancais (rigidez e amortecimento) - Vazão de óleo de lubrificação

Melhorar a estabilidade do sistema mediante a modificação do projeto dos mancais

Estabilidade - Decrementos logarítmicos

- Rigidez “cruzada” devido a efeitos aerodinâmicos

- Freqüências naturais amortecidas

Verificar a capacidade do sistema de absorver excitações dinâmicas transitórias (aerodinâmicas por exemplo)

Resposta ao Desbalanço

Amplitudes relativas de vibração em função da rotação

Verificar as amplitudes de vibração síncrona e minimizá-las por meio da otimização do projeto, devidas a desbalanços colocados em pontos importantes do sistema

3.4.2-Materiais

As ligas de níquel são normalmente utilizadas uma vez que a presença deste elemento ajuda a reduzir a temperatura de transição da fratura dúctil para a fratura frágil. Os tratamento térmicos utilizados são os de normalização e revenimento e eventualmente solubilização (aços inoxidáveis).

O uso de ligas fundidas leves (alumínio, magnésio ou titânio) nas rodas é feito, entre outras coisas, para melhorar as características dinâmicas do conjunto rotativo, uma vez que a redução de massa nessas regiões altera substancialmente as rotações críticas e modos de vibrar.

3.4.3-Facilidade de Manutenção

Um aspecto muito importante a ser observado na especificação deste tipo de equipamento dada sua importância é a facilidade de manutenção.

Há usuários que mantêm outro equipamento reserva completamente montada pronta para substituição, em caso de falha, em poucas horas.

3.5-Cuidados de Operação 3.5.1-Cuidados na Partida Durante a partida, certos cuidados devem ser tomados, a saber:

• Verificar a limpeza do filtro de óleo; • Verificar a pressão do óleo e a temperatura dos mancais que não pode ser menor que 0 ºC;

• Verificar, antes do início do procedimento, se a válvula de “corte rápido” opera normalmente;

• Em algumas unidades é necessário gás de selagem externo durante a partida; sendo este o caso, deve ser verificado se o mesmo está alinhado;

• A elevação da rotação deve ser feita gradativamente (por exemplo em degraus de 2 0 em 2 0 rpm, evitando-se parar próximo das rotações críticas).

3.5.2-Cuidados Durante a Operação

• Verificar periodicamente as temperaturas de óleo de lubrificação após os resfriadores e dos mancais;

• Verificar a evolução dos níveis de vibração periodicamente; • Verificar através das temperaturas de admissão e escape o rendimento da turbina.

Uma das causas mais comuns de falhas em turbinas de expansão é o “arraste de líquido” que danifica a roda desbalanceando o conjunto. Isso se dá por problemas de processo e/ou condições operacionais e o melhor modo de se detectar o fato é posicionar a instrumentação (TIs e PIs) adequadamente na admissão do gás, além da existência de um vaso separador de condensado na admissão.

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