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Dois princípios básicos de compressão: Compressão de deslocamento e compressão dinâmica

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Antes de poder aprender sobre os diferentes compressores e métodos de compressão, temos primeiro de apresentar-lhe os dois princípios básicos para a compressão de gás. Depois disso, iremos comparar os dois e examinar os diferentes compressores nestas categorias.

Quais são os dois princípios básicos de compressão?

deslocamento e compressão dinâmica
Existem dois princípios genéricos para a compressão de ar (ou gás): Compressão de deslocamento positivo e compressão dinâmica. O primeiro inclui, por exemplo, compressores de movimento alternativo (pistão), compressores orbitais (em espiral) e diferentes tipos de compressores rotativos (parafuso, dente, palheta). Em compressão de deslocamento positivo, o ar é aspirado para uma ou mais câmaras de compressão, que são depois fechadas a partir da entrada. Gradualmente, o volume de cada câmara diminui e o ar é comprimido internamente. Quando a pressão atinge a relação de pressão integrada concebida, abre-se uma porta ou válvula e o ar é descarregado para o sistema de saída devido à redução contínua do volume da câmara de compressão.Em compressão dinâmica, o ar é aspirado entre as lâminas num impulsor de compressão de rotação rápida e acelera para uma velocidade elevada. O gás é então descarregado através de um difusor, onde a energia cinética é transformada em pressão estática. A maioria das compressões dinâmicas são turbocompressores com um padrão de caudal axial ou radial.

O que são compressores de deslocamento positivo?

Compressor de Pistão
Uma bomba para bicicletas é a forma mais simples de uma compressão de deslocamento positivo, onde o ar é aspirado para um cilindro e comprimido por um pistão em movimento. O compressor de pistão tem o mesmo princípio de funcionamento, utiliza um pistão cujo movimento para a frente e para trás é realizado por uma biela e uma cambota rotativa. Se apenas um dos lados do pistão for utilizado para compressão, este é designado por compressor de efeito simples. Se forem utilizados os lados superior e inferior do pistão, o compressor atua duas vezes.A relação de pressão é a relação entre a pressão absoluta nos lados de entrada e saída. Desta forma, uma máquina que aspira ar à pressão atmosférica (1 bar(a) e comprime-o a uma sobrepressão de 7 bar funciona a uma relação de pressão de (7 1)/1 8).

O diagrama do compressor para compressores de deslocamento positivo

Os dois gráficos abaixo ilustram (respetivamente) a relação pressão/volume para um compressor teórico e um diagrama do compressor mais realista para um compressor de pistão. O volume do curso é o volume do cilindro que o pistão desloca durante a fase de sucção. O volume da folga é o volume imediatamente abaixo das válvulas de entrada e saída e acima do pistão, que deve permanecer no ponto de viragem superior do pistão por motivos mecânicos.

A diferença entre o volume de curso e o volume de sucção deve-se à expansão do ar que permanece no volume de folga antes de a sucção poder arrancar. A diferença entre o diagrama teórico de p/V e o diagrama real deve-se ao design prático de um compressor, por exemplo, um compressor de pistão. As válvulas nunca estão completamente seladas e existe sempre um grau de fuga entre a saia do pistão e a parede do cilindro. Além disso, as válvulas não podem abrir e fechar completamente sem um atraso mínimo, o que resulta numa queda de pressão quando o gás flui através dos canais. O gás também é aquecido quando flui para o cilindro como consequência deste design.

Compressão isotérmica de fórmula

Trabalho de compressão com compressão isotérmica:

Compressão isentópica de fórmula

Trabalho de compressão com compressão isentrópica:

Essas relações mostram que é necessário mais trabalho para compressão isentrópica do que para compressão isotérmica.

O que são compressores dinâmicos?

Num compressor dinâmico, o aumento de pressão ocorre enquanto o gás flui. O gás que flui acelera para uma velocidade elevada através das lâminas rotativas num impulsor. A velocidade do gás é subsequentemente transformada em pressão estática quando é forçado a desacelerar sob expansão num difusor. Dependendo da direção principal do caudal de gás utilizado, estes compressores são designados por compressores radiais ou axiais. Em comparação com os compressores de cilindrada, os compressores dinâmicos têm uma caraterística em que uma pequena alteração na pressão de trabalho resulta numa grande alteração na taxa de caudal.Cada velocidade do impulsor tem um limite de taxa de caudal superior e inferior. O limite superior significa que a velocidade do caudal de gás atinge a velocidade sónica. O limite inferior significa que a contrapressão se torna superior à acumulação de pressão do compressor, o que significa caudal de retorno no interior do compressor. Isto, por sua vez, resulta em pulsação, ruído e risco de danos mecânicos.

Compressão em várias fases

Teoricamente, o ar ou o gás podem ser comprimidos isentropicamente (em entropia constante) ou isotérmico (a temperatura constante). Qualquer um dos processos pode fazer parte de um ciclo teoricamente reversível. Se o gás comprimido pudesse ser utilizado imediatamente à temperatura final após a compressão, o processo de compressão isentrópica teria certas vantagens. Na realidade, o ar ou o gás raramente são utilizados diretamente após a compressão e, normalmente , são arrefecidos à temperatura ambiente antes da utilização. Consequentemente, o processo de compressão isotérmico é preferido, pois requer menos trabalho. Uma abordagem comum e prática à execução desse processo isotérmico de compressão envolve o arrefecimento do gás durante a compressão. A uma pressão de trabalho efetiva de 7 bar, a compressão isentrópica requer teoricamente 37% de energia superior à compressão isotérmica.

Um método prático para reduzir o aquecimento do gás é dividir a compressão em várias fases. O gás é arrefecido após cada fase antes de ser comprimido mais à pressão final. Isto também aumenta a eficiência energética, sendo obtido o melhor resultado quando cada fase de compressão tem a mesma relação de pressão. Ao aumentar o número de estágios de compressão, todo o processo aborda a compressão isotérmica. No entanto, existe um limite económico para o número de fases que a conceção de uma instalação real pode utilizar.

Qual é a diferença entre um turbocompressor e um compressor de cilindrada positiva?

A uma velocidade de rotação constante, a curva de pressão/caudal para um turbocompressor difere significativamente de uma curva equivalente para um compressor de cilindrada positiva. Os turbocompressores são uma máquina com uma taxa de caudal variável e uma caraterística de pressão variável. Por outro lado, um compressor de deslocamento é uma máquina com uma taxa de caudal constante e uma pressão variável. Um compressor de cilindrada proporciona uma relação de pressão mais elevada, mesmo a baixa velocidade. Os turbocompressores foram concebidos para taxas de caudal de ar elevadas.

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