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COMPRESSORESE BOMBAS DE

VÁCUOA

PROF. RICARDO CRUZ

EST/UEA – [email protected]



2

CLASSIFICAÇÃO E TIPOLOGIA

DOS

COMPRESSORES



3

CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS

MÁQUINAS TÉRMICAS GERADORAS

• Compressor: quando >

• Bomba de vácuo: quando <

• Ventilador: quando ≈



4

CLASSIFICAÇÃO DOS COMPRESSORES

Alternativos de êmbolo

•

Volumétricos

Pás retas deslizantesRotativos Parafusos casados

Lóbulos casados

Centrífugos (trajetória radial) • Dinâmicos Axiais (trajetória axial)

Ejetores (fluxo puro de gases)



5

CLASSIFICAÇÃO DOS COMPRESSORES

Tipo

Máxima

pressão de

descarga

[bar]

Máxima

relação de

compress.

por estágio

Máxima

relação de

compress.

por máquina

Máxima

vazão

medida na

sucção

[m³/min]

VolumétricosAlternativos

2 400a

3 50010 100 a 150

Rotativos 7 a 18 4 8 1 400

DinâmicosCentrífugos 200 a 400 3 a 4,5 8 a 10 5 700

Axiais 5 a 10 1,2 a 1,5 5 a 6,5 60 000

Fonte: adaptado de “Compressores de Ar Comprimido” (dispon. em : http://dc146.4shared.com/doc/

cF-KR3x5/preview.html. Acessado: 11/01/2013).



6

COMPRESSORES VOLUMÉTRICOS

• Alternativos de êmbolo:

• Simples estágio (1 cilindro);

• Duplo estágio (2 cilindros);

• Simples efeito ( só na cabeça

do pistão);

• Duplo efeito (na cabeça e

debaixo do pistão);

• Usados com qualquer gás.




• Alternativos de êmbolo:

• Alguns tipos comuns para refrigeração.

AUTOMOTIVO MÉDIA CAPACIDADE (< 50 TR)




• De parafusos e lóbulos:

• Simples estágio (1 par rotor);

•

Duplo estágio (2 pares rotores);

• Só usados com ar (barulhentos).

PARAFUSO

LÓBULO




• De pás:

• Em geral, só 1 estágio;• Só usados com ar (baixas vazões);•

Geometria muito usada em bombas de vácuo industriais.



10

COMPRESSORES DINÂMICOS

•Radiais:

• 1 ou vários estágios = ° á × (/á);• Usados com ar e gases refrigerantes;• Geometria também usada em bombas hidráulicas.

1 ESTÁGIO VÁRIOS ESTÁGIOS



11


•Radiais:

• Grande aplicação: turbinas propulsoras até 10 MW.



12


•Axiais:

• Só vários estágios = ° á × (/á);

• Só usados com ar;• Geometria também usada em bombas centrífugas.



13


•Axiais:

• Grande aplicação: turbinas propulsoras acima de 10 MW.



14


•Ejetores

termocompressores

):

• Não tem partes móveis; dependem somentede dois gases ( gás a alta e gás a baixa pr.);

• O gás de baixa pressão é comprimido às cus

tas da expansão do gás de baixa pressão;• O gás de alta pressão comum é o vapor;

• Após a expansão os gases se misturam;

• Fornecem baixas vazões e baixas pressões;

• O lado de sucção pode operar em série pa-ra alcançar baixas pressões (por ex., 2 eta-

pas10 mmHg, 5 etapas0,05 mmHg );

• Tem baixa eficiência ( se justificam quando o vapor é barato);

• Não permitem variação de vazão: é “tudo ou nada”.



15


•

Ejetores

termocompressores

): • Na figura abaixo se mostram imagens internas da variação da

pressão e da velocidade dos gases misturados.



16


• Ejetores para vácuo

• Abaixo, se exemplifica uma aplicação em série de um ejetor comuma bomba de vácuo. O processo se inicia pelo ejetor.

As curvas acima mostram qual é a vantagem deste arranjo:apesar da bomba de vácuo sozinha permitir maior vazão de suc-

ção, seu casamento com o ejetor permite baixíssimos vácuos.



17


• Ejetores

• Desempenho termodinâmico.



18

ANÁLISE TERMODINÂMICA

DOS

COMPRESSORES



19

PROCESSOS TERMODINÂMICOS

•Diagrama teórico dos compressores:

• A curva 1 - 2 podeseguir um dos trêsprocessos ao lado;

• O gás é idealizadoescoando continua-mente em regimepermanente (ou se-

ja: 1 ciclo/rotação);

• Então, o trabalho é:

=

(não é = vi

de M&S, Cap. 6, s. 6.9).



20


•Diagrama real dos compressores

• Na figura:

VA = válvula de admissão;VE = válvula de exaustão;

= pto. morto superior = pto. morto inferior = volume real aspirado

pelo êmbolo; = volume deslocado pe-

lo êmbolo;

= volume morto; = ponto mais à direita

do ponto 1 (devido o

aquecimento do gás

pelo cilindro); pontoonde se tem .



21


•Possíveis tipos de compressão:

Área à esquerda da curva pV : trabalhoconsumido na compressão.

Área abaixo da curva TS : calorrejeitado na compressão.



22


• Possíveis trabalhos

gás ideal

)

• ISOTÉRMICO:

. ≡ . = ∙

[1]

A = , ∆ = . Logo, todo o = .

•

ISENTRÓPICO:

. =

−

− [2]

. = [2]

• POLITRÓPICO:

. =

−

− [3]

. =

− [3]

Os termos destas expressões são especificados nospróximos slides.

=

Para o ar:

= ,

Para o ar:

= ,

~ ,,

tab s 23)

A despeito das “qualidades” do isotérmi-

co e do isentrópico, o processo que maisse aproxima do trabalho real é o processo

politrópico.




•

Eficiência volumétrica de 1 estágio de compressão

:

≡

= + ,

[4]

Onde: fator de perdas de carga na VA e VE, fugas por válvulas e anéisde segmento (varia de , a ,); ≡ razão de espaço morto,

varia de , (CP grandes) a , (CP pequenos); expoente politrópico(tabela abaixo, onde o termo “resfriado” é o caso do cilindro ser refrigera-

do); e , = (,./,.) razão de compressão real ( sl. 25).

• Eficiência mássica de 1 estágio:

á.

≡

[5]

Onde:

,≅

+

,

[5]

é a temperatura de sobreaquecmentodo gás produzido pelo cilindro ( sl. 20).

23



24


• Trabalho Real e Calor Dissipado de 1 Estágio de Compressão:

O trabalho é dado pela equação da politrópica [3], mas tendo emconta a razão de compressão real , , = (,./,.).

=

,

− [6]

E o calor dissipado, pela 1ª lei, prova-se, é dado como

. =

[7]

Onde: as pressões corrigidas por perda de carga, que ocorrem, respectiva-mente, no fim da compressão e no início da sucção, são estimáveis por

,. = + ∆ ≅ , [7] ,. = ∆ ≅ , [7] ;

[ ] massa de gás de cada ciclo; e expoente politrópico; [ . ] = ,/ – constante do gás, sendo [ ] a massamolecular do gás. Notar, um ciclo ocorre a cada rotação da manivela do CP.




• Relação de pressões de estágios de compressão:

Mais de 1 estágio é usado quando se quer uma elevada; masisso também eleva e ;

Comprimindo por estágios, consegue-se reduzir o trabalho to-tal.As razões dos estágios , , ..., (na figura, = ), assumidas

iguais, são:

, =,

,.=

,

,. ,

, =,

,=

,

, ,

,

, =,.

,=

,.

,() ,

,. =,.

,.

[8]

25




•

Temperaturas rebaixadas em estágios de compressão

:

São obtida por resfriamento (ar ou água) num TC intermediário entredois estágios sucessivos. Assumindo ,á e , constantes (gás e

fluido de resfriamento), obtém-seas , da equação seguinte, pa-

ra o TC de resfriamento do gás: ,á =

= , ,(−) , [9]

mais a equação por estágio

,(−)

,= ,(−)

,

− [10]

Onde: [ ] vazão do gás; e

[ ] vazão do FR.

26



27


• Trabalho e calor dissipado reais de estágios

:

, = ,()

−∙ ,.

[11]

., = ,−

− [12]



28


• Eficiência mecânica

:

. ≡.

.≅ , . + , [13]

Onde: .

trabalho indicado, igual a (ou ,); e .

potência efetiva consumida. A estimação logarítmica acima é sugerida por Costa (1978), para compressores até 100 cv (75 kW ). Como primeiraaproximação, Costa (1978) também sugere o valor . = , .

• Torque do compressor:

. = .

. [14]

Onde: [] rotação do motor que aciona o CP.



29


• Potência consumida e taxa de calor dissipado reais de z

estágios de compressão:

Tendo determinado o trabalho , , a potência consumida,que é provida pelo motor que aciona o compressor, é

., = ,

. [15]

E a taxa de calor dissipado, consequentemente, é dada como

., = .,−

− [16]

Onde: [ ] vazão mássica do gás no CP.



30


• Volume deslocado em um 1 estágio CP alternativos:

=

á.≡

[17]

Onde: [ ] vazão mássica; massa específica do gásna admissão; e e [] curso e diâmetro do êmbolo, limitados pelos

parâmetros seguintes.

i. Velocidade máxima do êmbolo – posição (figura):

,á. = = [18]

Onde: [] raio da manivela; [] rotação do CP; e

ii. Velocidade média do êmbolo – em 1 rotação (ou 1 ciclo):

= () = ,á. , [19]

O autor Silva (1978) recomenda: ,á. ≤ / e ≤ /.



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EXERCÍCIO PRA EXERCITAR:

Calcular um CP pra amônia, desde

a pressão 1,5 bar até a pressão

de 15 bar, resfriado a água,

assumindo:

• Número de estágios = ;

• Vazão de gás = /;

• Assumir a regra prática para a

vazão de água = , ;

• Rotação = ;

• Coeficiente = , ;



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