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. Esses princípios são fundamentados na teoria de como o ar é comprimido e descarregado.
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. Daí, 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 acelerado até uma alta velocidade. O gás é então descarregado através de um difusor, onde a energia cinética é transformada em pressão estática.
Os compressores de deslocamento positivo fornecem fluxo de ar consistente, independentemente da pressão do sistema. Eles comprimem o ar prendendo um volume fixo e comprimindo-o mecanicamente, como ocorre com pistões ou parafusos giratórios.
Esses compressores fornecem taxas de pressão mais altas mesmo em velocidades mais baixas, e são ideais para aplicações menores e estáveis, como indústrias manufatureiras e automotivas. Seu design simples garante confiabilidade e fácil manutenção.
Os compressores dinâmicos usam pás giratórias de alta velocidade para comprimir grandes volumes de ar.
Suas taxas de fluxo e pressão variam de acordo com a velocidade de operação, tornando-os adequados para aplicações de alto volume, como geração de energia e HVAC. Seu projeto complexo é otimizado para taxas de fluxo variáveis e operações eficientes de alta velocidade.
Uma bomba de bicicleta é o exemplo mais simples que existe de uma compressão de deslocamento positivo. O ar é aspirado para um cilindro e comprimido por um pistão móvel. Os compressores a 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 (p/V) para um compressor teórico e um diagrama realista para um compressor a 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 a 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 pás 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. No limite superior, a velocidade do fluxo de gás atinge velocidade sônica. No limite inferior, a contrapressão se torna maior que o acúmulo de pressão do compressor, o que provoca fluxo de retorno dentro do compressor e, por sua vez, resulta em pulsação, ruído e risco de danos mecânicos.
Para entender mais sobre como os compressores dinâmicos são regulados e como o desempenho é otimizado, leia este guia sobre a regulagem de compressores dinâmicos.
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