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:
Ar comprimido: energia na forma de pressão
Fugas de ar comprimido e seu custo
Comum perdas de 40% do ar comprimido produzido!
Forma eficiente de economizar energia Forma eficiente de economizar energia
Eliminar ou reduzir as fugas Eliminar ou reduzir as fugas
Fugas de ar comprimido e seu custo
Diâmetro do furo (mm)
Perda a 6 bar (m3/min)
Potência necessária para sustentar a compressão
CV kW 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 6,31 44 33 Período: 1 hora Consumo eléctrico Fuga 1 mm (5 lâmpadas x 60w)
Fugas de ar comprimido e seu custo
50 fugas de 1 mm 5 fugas de 3mm
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 =
259860 kwh !
Indústria
Indústria
Cálculo do caudal de fugas
Dispositivos pneumáticos fora de serviço
Consumo de fugas pode ser medido de duas formas:
- no reservatóriono reservatório: medindo o tempo de queda no diferencial de pressão;
- no compressorno compressor: medindo os tempos de carga num dado período.
Cálculo do caudal de fugas
Exemplo
Num reservatório com o volume de 2000 litros (2 m3), inicialmente
à pressão de 7,5 bar, foram necessários 40 segundos para baixar a pressão 0,5 bar (diferencial normal), ou seja , de 7,5 para 7 bar. l diferencia queda min máx res
t
)
P
(P
V
fugas
de
Caudal
=
×
−
Caudal de fugas = 1500 l/min
Cálculo do caudal de fugas
Exemplo
Um compressor que debita 12 m3/min, durante 600 segundos
Cálculo do caudal de fugas
total compressort
t
Cap.
fugas
de
Caudal
=
×
Caudal de fugas (m3/min)
Capacidade do compressor (m3/min)
t – tempo durante o qual o compressor laborou em carga ttotal– tempo total (carga + vazio)
t = t1+t2+t3+t4+t5 = 24x5 = 120s ttotal = 600 s
Caudal de fugas = 2,4 m3/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.
Unidades de pressão
Unidades de pressão
Regra geral, na pneumática as pressões de ar comprimido são referidas em valores manométricos (diferenciais positivos), enquanto novácuoos valores sãoabsolutos.
Classes de vácuo Classes de vácuo
Objectivos do ar comprimido
O
O queque sese podepode fazerfazer comcom arar comprimido?comprimido? - Mais fácil explicar o que não se pode fazer!
PneumáticaPneumática
Usa o ar comprimido como transformação de potência através da actuadores lineares (cilindros pneumáticos) e/ou actuadores rotativos (motores pneumáticos).
FluidicaFluidica
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.
Rede de distribuição de ar comprimido
Equipamentos de um sistema de ar comprimido
1 - Filtro de Admissão 2 - Motor Eléctrico 3 - Separador de Condensado 4 - Compressor 5 - Reservatório 6 – Arrefecedor Intermediário 7 - Secador 8 – Arrefecedor Posterior 1 2 3 4 5 6 7 8
Instalação de produção de ar comprimido
Classificação dos compressores
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
-pressão + velocidade + pressão-Tipos de compressão
Compressão dinâmicaA energia cinética, de que o gás vem animado, é convertida em energia de pressão, devido à contínua desaceleração do referido fluxo.
Tipos de compressão
Compressão volumétrica
A compressão volumétrica, também conhecida por deslocamento positivo ou fluxo intermitente, é a que resulta da diminuição de um volume, ou seja, a pressão do gás aumenta se 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).
Tipos de compressão
Compressão volumétrica 0 a 3 - admissão do ar AdmissãoTipos de compressão
Compressão volumétrica Compressão 3 a 4 - compressão do arTipos de compressão
Compressão volumétrica 4 a 5 - descarga do ar DescargaTipos de compressão
Compressão volumétrica 5 a 2 – expansão do gás remanescente no espaço “morto” (0-1) Expansão A partir de 2 até 3 – a válvula abre e tudo volta ao ciclo com a admissão de arEficiência 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 inimigoinimigo 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.
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.
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
Selecção dos compressores
Compressores de pistão Compressores de pistão
aplicados para pequenos caudais (até 100 m³/h).
Compressores de parafuso
indicados para pequenas, médias e grandes caudais (50 m³/h a 2000 m³/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 caudalcaudal, pressãopressão e nível
Selecção dos compressores
Compressed Air and GCompressed Air and Gas Institute (CAGI-EUA)as Institute (CAGI-EUA) Caudal (ft3/min) P re s s ã o d e s c a rg a ( p s ig )
Compressed Air and Gas Institute (CAGI-EUA)
Selecção dos compressores
NívelNível dede purezapureza dodo arar comprimidocomprimido: aplicação critica ou não critica
Aplicações críticas (hospitais, laboratórios, ar para respiração humana, etc.) deverão ser equipados com compressores do tipo não-lubrificados (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.
Compressores dinâmicos
• Os compressores dinâmicos podem ser – centrífugoscentrífugos ouou radiais
radiais e axiaisaxiais – e operam a velocidades superiores aos
compressores volumétricos.
• Na indústria, de um modo geral, operam à volta de 20000 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 Compressor centrífugo
- 4 andares de compressão (impellers) - gama de pressões entre 17 e 24 bar.
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 m3/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 m3/min a 35 bar,
50 m3/min a 200 bar ou 90 l/s a 1000 bar, a única solução
tecnológica actual continua, ainda, no recurso ao compressor alternativo.
Compressores volumétricos: alternativos
CompressoresCompressores dede efeitoefeito simplessimples
Compressores
Compressores dede efeitoefeito duploduplo
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
Sistemas de lubrificação dos compressores alternativos
Chapinhagem
Chapinhagem CapilaridadeCapilaridade
Desvantagem destes dois sistemas:
-película de óleo muito fina e falta desta no arranque
- distribuição não equitativa e não é possível filtrar o óleo
Forçada Forçada
Compressores rotativos
• Compressores rotativos de parafusoparafuso são os mais utilizados na indústria transformadora.
• Outros: - roots - dentes - espiral - anel líquido - alhetas
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.
Compressores rotativos: Roots
Principio
Principio dede funcionamentofuncionamento
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
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
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.
Compressores rotativos: Espiral
Espiral orbitante Abertura De saída Câmara De compressão Abertura De aspiração Câmara De aspiração Espiral fixaCompressores 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.
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).
• 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.
Compressores volumétricos rotativos: parafuso
Compressão volumétrica idêntica ao de pistão, porque em ambos existe aumento de pressão por diminuição do volume.
Compressores volumétricos rotativos: parafuso
Compressores volumétricos rotativos: parafuso
Arrefecedor final
Filtro de ar Reservatório de óleo
Filtro de óleo
Compressores volumétricos rotativos: parafuso
O acto de arrefecer a compressão é algo que distingue a tecnologia
tecnologia rotativarotativa, comparativamente à alternativaalternativa.
- compressãocompressão rotativarotativa: o óleo, em quantidade muito superior ao do pistão e para igual potência, funciona tecnologicamente como arrefecedor intermédio (intercooler).
- compressãocompressão alternativaalternativa: 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)
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 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
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 estágioCompressor 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.
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.
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.
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 30000 a 40000 horas e a reparação demora cerca de 3 dias.
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.