Diferença entre compressores de deslocamento positivo e dinâmicos
16 Março, 2023
Existem dois princípios genéricos para a compressão de ar (ou gás): compressão de deslocamento positivo e compressão dinâmica. Este guia aborda ambos.
Tipos de compressor dinâmico: centrífugo e axial
Os compressores dinâmicos, muitas vezes designados por turbocompressores, utilizam impulsores de alta velocidade para converter energia mecânica em pressão de gás. Os principais tipos são centrífugos e axiais. Ao contrário dos compressores de deslocamento positivo, estes funcionam a uma pressão constante, pelo que o desempenho depende das condições de entrada. Neste artigo, vamos comparar ambos os tipos, as suas aplicações e como escolher o certo para aplicações de alto volume.
Princípio de funcionamento da compressão dinâmica
Na compressão dinâmica, o ar é aspirado entre as pás de um impulsor de rotação rápida. Isto acelera o ar para uma velocidade muito elevada antes de ser descarregado através de um difusor. No difusor, a energia cinética, ou velocidade, do ar é transformada em pressão estática. Este processo baseia-se no princípio de Bernoulli, que afirma que à medida que a velocidade de um fluido aumenta, a pressão diminui. O difusor inverte este efeito desacelerando o ar para aumentar a pressão.
Embora ambas as máquinas sejam dinâmicas, gerem o caudal de gás de forma diferente. Os compressores axiais deslocam o ar em acoplamento em paralelo com o veio, enquanto os compressores centrífugos empurram o ar radialmente para fora a partir do centro.
| Característica | Compressor axial | Compressor centrífugo |
| Direção do caudal | Acoplamento em paralelo ao eixo através de várias filas de lâminas | Entra axialmente, roda para fora para descarga radial |
| Relação de pressão (por estágio) | Tipicamente 1,2: 1 a 1,6: 1 | Tipicamente 2,2: 1 a 3,0: 1 |
| Intervalo de descida | Região de operação estável mais estreita | Intervalo de funcionamento estável mais amplo |
| Dimensões e peso | Fino, comprido, mais leve para caudais muito elevados | Maior diâmetro, maior caudal por unidade de massa |
| Eficiência | Excelente com caudal de massa muito elevado | Elevado em designs de estágio único ou múltiplo |
| Assistência Técnica | Exigente (sensível à erosão e sujidade) | Robusto contra contaminação, menos componentes |
Um compressor centrífugo é definido pelo seu caudal de descarga radial. O ar entra no centro de um impulsor rotativo e é projetado para fora por forças centrífugas. Este movimento radial aumenta a pressão e a energia cinética. Antes de passar para a fase seguinte, o ar passa por um difusor e uma voluta, onde a velocidade é convertida em pressão estática.
em maquinaria industrial, um único estágio centrífugo é normalmente limitado a uma relação de pressão de 2,2 a 3,0 para manter a eficiência máxima. Embora a tecnologia possa atingir relações mais elevadas, exceder esta gama aumenta frequentemente a tensão do impulsor e reduz a eficiência do estágio.
Impulsores de design aberto para operação a alta velocidade
A maioria dos compressores centrífugos para aplicações de ar utiliza impulsores de design aberto. São fabricados em ligas de aço inoxidável ou alumínio de alta resistência para suportar velocidades de rotação entre 15.000 e 100.000 rpm. Nestas velocidades, são utilizados rolamentos de película de óleo simples no eixo de alta velocidade, uma vez que os rolamentos de rolos padrão não conseguem acomodar o calor.
Tecnologia isenta de óleo para processos sensíveis
Os compressores centrífugos isentos de óleo utilizam rolamentos de película de ar ou rolamentos magnéticos ativos para evitar o contacto e o desgaste. Estes sistemas eliminam a necessidade de lubrificantes tradicionais na câmara de compressão. Os motores elétricos de acionamento direto são frequentemente utilizados para melhorar a eficiência mecânica em até 5%, removendo a caixa de engrenagens e os sistemas de óleo associados.
Sistemas de vedação e contenção de gás
Uma vedação eficaz é vital para a segurança. São utilizados vários tipos de vedantes, dependendo da aplicação:
- Vedantes de labirinto: simples e fiáveis para ar padrão.
- Vedantes mecânicos e de anel: utilizados para gás de alta pressão ou gás especializado.
- Vedantes de gás seco: Vedantes sem contacto que utilizam uma película de gás para reduzir a fricção e as fugas.
O que é um compressor dinâmico axial?
Um compressor centrífugo é definido pelo seu caudal de descarga radial. O ar entra no centro de um impulsor rotativo e é projetado para fora por forças centrífugas. Este movimento radial aumenta a pressão e a energia cinética. Antes de passar para a fase seguinte, o ar passa por um difusor e uma voluta, onde a velocidade é convertida em pressão estática.
Em maquinaria industrial, um único estágio centrífugo é normalmente limitado a uma relação de pressão de 3 a 4 para manter a eficiência. Para atingir pressões mais elevadas, é utilizado o multi-estágio com inter-arrefecimento, o que pode reduzir os requisitos totais de potência em aproximadamente 15% a 20%, dependendo da configuração.
Aplicações industriais e critérios de seleção
A escolha entre estas tecnologias baseia-se principalmente nos requisitos de caudal mássico. Os compressores centrífugos são a norma para caudais baixos a médios, normalmente entre 5000 e 150.000 Nm3/h (aproximadamente 2943 a 88.287 CFM). Por outro lado, os compressores axiais são a solução preferida para aplicações de caudal muito elevado superior a 150.000 Nm3/h (88.287 CFM). Embora as unidades axiais ofereçam um intervalo de funcionamento estável mais estreito, a sua capacidade de lidar com volumes maciços com um diâmetro mais pequeno torna-os ideais para propulsão de aeronaves e entradas de centrais elétricas de grande caudal.
Aplicações de compressores de ar centrífugos
Aplicações:
- instalações químicas e petroquímicas, incluindo o processamento de polietileno
- petróleo e gás, por exemplo, reliquefação de GNL
- geração de energia, como o reforço de gás combustível
Aplicações do compressor de ar axial
Estas são especializadas em:
- propulsão de aeronaves
- ventilação industrial grande
- ar de admissão para turbinas a gás de centrais elétricas
Limites operacionais de sobretensão e estrangulamento
Os compressores dinâmicos têm um intervalo de estabilidade específico. O limite de sobretensão é o ponto em que o caudal é demasiado baixo para superar a pressão de descarga, causando uma inversão do caudal que pode levar a danos mecânicos.
O limite de estrangulamento, ou parede de pedra, ocorre quando a velocidade do gás atinge a velocidade sónica, impedindo qualquer aumento adicional do caudal. A monitorização destes limites através de sistemas de controlo anti-surtos é um fator de seleção crítico para a segurança da instalação.
Impacto das variáveis ambientais específicas do local
Os parâmetros ambientais influenciam significativamente as curvas de desempenho. Uma humidade relativa elevada reduz a densidade do ar, o que diminui a pressão de descarga no pico e diminui o caudal ponderal. A altitude também afeta a densidade, exigindo que o compressor trabalhe mais para atingir a mesma pressão de saída. Para máquinas de vários estágios, a temperatura da água de arrefecimento é vital, uma vez que a água mais fria melhora o caudal e a eficiência energética, enquanto a água mais quente a reduz.
Pureza do ar e conformidade com a norma ISO 8573-1:2010
Compreender a norma ISO 8573-1:2010 é fundamental para selecionar a pureza do ar correta para qualquer aplicação ou indústria. Define classes de qualidade do ar com base em três contaminantes: partículas, água e óleo. Consulte a tabela abaixo para obter uma visão geral rápida das classes de pureza.
Na terminologia da Atlas Copco, a Classe 0 refere-se sempre a ar produzido por um compressor isento de óleo, não a alcançar um teor de óleo mais baixo através de fases de filtragem adicionais. Esta distinção garante ar verdadeiramente isento de óleo na fonte, reduzindo as necessidades de manutenção e o risco de contaminação em aplicações sensíveis.
Consultoria especializada para soluções de compressores dinâmicos
A seleção do compressor centrífugo ou axial ideal requer uma análise detalhada dos perfis de carga, das condições ambientais e dos objetivos de eficiência energética a longo prazo. Os especialistas da Atlas Copco fornecem auditorias técnicas abrangentes e mapeamento do desempenho para identificar a configuração de turbomaquinaria mais eficaz para processos industriais específicos.
Perguntas comuns sobre compressores dinâmicos
Qual é a principal diferença entre compressores axiais e centrífugos?
A principal diferença entre os compressores axiais e centrífugos é a forma como movem e comprimem o ar. Um compressor centrífugo utiliza um impulsor rotativo para acelerar o ar para fora e converter essa velocidade em pressão. Um compressor axial desloca o ar através de filas de lâminas rotativas e estacionárias em acoplamento em paralelo com o veio. Em termos simples, os compressores centrífugos são frequentemente escolhidos para um funcionamento estável e uma pressão mais elevada, enquanto os compressores axiais são mais adequados para caudais muito elevados.
Que tipo de compressor é mais eficiente para aplicações de volume elevado?
Os compressores axiais são geralmente mais eficientes para aplicações que requerem um caudal de massa extremamente elevado, especificamente aquelas que excedem 150.000 Nm3/h (88.287 CFM). Fornecem uma excelente eficiência no seu ponto de conceção, embora sejam mais sensíveis à sujidade e ao desgaste das lâminas do que os modelos centrífugos.
Que relações de pressão podem ser alcançadas pelos compressores dinâmicos?
Os compressores dinâmicos podem atingir uma vasta gama de relações de pressão, dependendo do seu design e do número de estágios. Os compressores centrífugos de um estágio proporcionam normalmente um aumento moderado da pressão, enquanto os designs multi-estágio podem atingir relações de pressão muito mais elevadas. Os compressores axiais são normalmente utilizados quando é necessário um caudal muito elevado, com a pressão a ser acumulada gradualmente em vários estágios.
Que manutenção é necessária para compressores dinâmicos?
Os compressores dinâmicos requerem manutenção regular para manter o desempenho estável e evitar tempos de inatividade não planeados. O serviço típico inclui a verificação de rolamentos, vedantes, sistemas de lubrificação, filtros, e componentes de refrigeração, juntamente com a monitorização da vibração, temperatura e condições gerais de funcionamento. A monitorização de rotina é importante porque as condições de entrada e as alterações de carga podem afetar o desempenho ao longo do tempo.
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