Antes de aprender sobre os diferentes compressores e métodos de compressão, é preciso conhecer os dois princípios básicos para a compressão de gás. Em seguida, iremos comparar os dois princípios e analisar os diferentes compressores contidos nessas categorias.
Existem dois princípios genéricos para a compressão de ar (ou gás): compressão de deslocamento positivo e compressão dinâmica. O primeiro inclui, por exemplo, compressores alternativos (pistão), compressores orbitais (scroll) e diferentes tipos de compressores rotativos (parafuso, dente, palheta).
Na compressão de deslocamento positivo, o ar é aspirado para uma ou mais câmaras de compressão, cujas entradas são então fechadas. Gradualmente, o volume de cada câmara diminui e o ar é comprimido internamente. No momento que a pressão atinge a taxa de pressão acumulada projetada, uma porta ou uma válvula é aberta. Então, o ar é descarregado no sistema de saída devido à redução contínua do volume da câmara de compressão.
Na compressão dinâmica, o ar é aspirado entre as pás em um impulsor de compressão de rotação rápida e acelera a uma alta velocidade. O gás é então descarregado através de um difusor, onde a energia cinética é transformada em pressão estática. A maioria dos compressores dinâmicos são turbocompressores com um padrão de fluxo axial ou radial.
Uma bomba de bicicleta é a forma mais simples de uma compressão de deslocamento positivo. O ar é aspirado para um cilindro e comprimido por um pistão móvel. Os compressores de pistão têm o mesmo princípio de funcionamento. Eles usam um pistão cujo movimento para frente e para trás é realizado por uma haste de conexão e um virabrequim rotativo.
Se apenas um lado do pistão for usado para compressão, é chamado de compressor de ação única. Se tanto a parte superior quanto a inferior do pistão forem usadas, o compressor será de ação dupla. A relação de pressão é a relação entre a pressão absoluta nos lados de entrada e saída.
Consequentemente, uma máquina que retira ar à pressão atmosférica (1 bar(a)) e a comprime até uma sobrepressão de 7 bar, trabalha a uma relação de pressão de (7 + 1)/1 = 8.
Nos dois gráficos abaixo, você encontrará a relação pressão-volume para um compressor teórico e um diagrama realista para um compressor de pistão ilustrado (respectivamente).
O volume de curso é o volume do cilindro que o pistão percorre durante o estágio de sucção. O volume de folga é o volume logo abaixo das válvulas de entrada e saída e acima do pistão. Ele deve permanecer no ponto de virada superior do pistão por razões mecânicas.
Diferenças entre o volume de curso e o volume de sucção é devido à expansão do ar que permanece no volume de folga antes de a sucção iniciar. O projeto prático de um compressor, por exemplo, um compressor de pistão, resulta em uma diferença entre o diagrama p/V teórico e o diagrama real.
As válvulas nunca estão completamente vedadas e há sempre um grau de vazamento entre a saia do pistão e a parede do cilindro. Além disso, não é possível abrir e fechar totalmente as válvulas sem que haja um atraso mínimo. Isso resulta em uma queda de pressão quando o gás passa pelos canais. O gás é também aquecido ao entrar no cilindro como consequência desse projeto.
Em um compressor dinâmico, o aumento de pressão ocorre enquanto o gás flui. O fluxo de gás acelera a uma velocidade alta por meio das lâminas rotativas de um impulsor. A velocidade do gás é posteriormente transformada em pressão estática ao ser forçada a desacelerar sob expansão em um difusor.
Dependendo da direção principal do fluxo de gás usado, esses compressores são chamados de compressores radiais ou axiais. Em comparação com os compressores de deslocamento, uma pequena alteração na pressão de trabalho dos compressores dinâmicos resulta numa grande alteração na vazão.
Cada velocidade do impulsor tem um limite de vazão superior e inferior. O limite superior significa que a velocidade do fluxo de gás atinge a velocidade sônica. O limite inferior significa que a contrapressão se torna maior que o acúmulo de pressão do compressor, o que significa fluxo de retorno dentro do compressor, isso, por sua vez, resulta em pulsação, ruído e risco de danos mecânicos.
Teoricamente, o ar ou o gás pode ser comprimido de forma isentrópica (em entropia constante) ou de forma isotérmica (em temperatura constante). Qualquer um dos processos pode fazer parte de um ciclo teoricamente reversível. Se for possível usar o gás comprimido imediatamente em sua temperatura final após a compressão, o processo de compressão isentrópica possui certas vantagens.
Na realidade, o ar ou o gás raramente é usado diretamente após a compressão e geralmente é resfriado à temperatura ambiente antes de ser usado. Consequentemente, o processo de compressão isotérmica é preferido, pois requer menos trabalho. Uma abordagem prática e comum para execução desse processo de compressão isotérmica envolve o resfriamento do gás durante a compressão. A uma pressão de trabalho efetiva de 7 bar, a compressão isentrópica teoricamente requer 37% mais energia do que a compressão isotérmica.
Um método prático para reduzir o aquecimento de gás é dividir a compressão em vários estágios. O gás é resfriado após cada estágio antes de ser comprimido até a pressão final. Isso também aumenta a eficiência energética, com o melhor resultado sendo obtido quando cada estágio de compressão tem a mesma relação de pressão. Aumentando o número de estágios de compressão, todo o processo se aproxima da compressão isotérmica. No entanto, existe um limite econômico para o número de estágios que o projeto de uma instalação real pode usar.
Trabalho de compressão com compressão isotérmica:
Trabalho de compressão com compressão isentrópica:
Essas relações mostram que mais trabalho é necessário para a compressão isentrópica do que para a compressão isotérmica.
A uma velocidade rotacional constante, a curva de pressão/fluxo de um turbocompressor difere significativamente de uma curva equivalente de um compressor de deslocamento positivo. O turbocompressor é uma máquina com vazão variável e característica de pressão variável. Por outro lado, um compressor de deslocamento é uma máquina com vazão constante e pressão variável. Um compressor de deslocamento fornece uma relação de pressão mais alta, mesmo a uma baixa velocidade. Os turbocompressores são projetados para grandes vazões de ar.
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