Um compressor alternativo é uma máquina de deslocamento positivo que usa um pistão para comprimir um gás e entregá-lo a alta pressão.
São frequentemente alguns dos sistemas mais críticos e caros em uma instalação de produção, e merecem atenção especial. Gasodutos de transmissão de gás, plantas petroquímicas, refinarias e muitas outras indústrias dependem deste tipo de equipamento.
Devem a muitos fatores, incluindo mas não se limitando à qualidade da especificação/desenho inicial, adequação das práticas de manutenção e fatores operacionais, as instalações industriais podem esperar custos de ciclo de vida muito variáveis e confiabilidade de suas próprias instalações.
Vários compressores são encontrados em quase todas as instalações industriais. Os tipos de gases comprimidos incluem os seguintes:
-
Ar para sistemas de ar comprimido de ferramentas e instrumentos
-
Hidrogênio, oxigênio, etc. para processamento químico
-
Fracções leves de hidrocarbonetos em refinação
-
Gases diversos para armazenamento ou transmissão
-
Outras aplicações
Existem duas classificações primárias de compressores industriais: fluxo intermitente (deslocamento positivo), incluindo tipos alternativos e rotativos; e fluxo contínuo, incluindo tipos centrífugos e axiais.
Compressores recíprocos são tipicamente utilizados onde são necessárias altas taxas de compressão (relação entre pressões de descarga e de sucção) por estágio sem altas taxas de fluxo, e o fluido de processo é relativamente seco.
Compressores de gás úmido tendem a ser do tipo centrífugo. As aplicações de alta vazão e baixa taxa de compressão são mais bem servidas por compressores de fluxo axial. Os tipos rotativos são especificados principalmente em aplicações de ar comprimido, embora outros tipos de compressores também sejam encontrados no serviço de ar.
Design Básico
Os componentes primários de um sistema de compressor alternativo típico podem ser vistos nas Figuras 1 e 2. Deve-se notar que o autor nunca viu uma instalação “típica” de compressor e reconhece a existência de muitas exceções.
Os cilindros de compressão (Figura 1), também conhecidos como estágios, dos quais um determinado projeto pode ter de um a seis ou mais, fornecem confinamento para o gás de processo durante a compressão.
Um pistão é acionado em uma ação recíproca para comprimir o gás. Os arranjos podem ser de simples ou duplo efeito. (No projeto de dupla ação, a compressão ocorre em ambos os lados do pistão durante o curso de avanço e recuo.)
Alguns cilindros de dupla ação em aplicações de alta pressão terão uma haste de pistão em ambos os lados do pistão para proporcionar a mesma área de superfície e equilibrar as cargas. A disposição dos cilindros em tandem ajuda a minimizar as cargas dinâmicas através da localização dos cilindros em pares, ligados a uma cambota comum, de modo a que os movimentos dos pistões se oponham uns aos outros.
A pressão do gás é selada e o desgaste dos componentes caros é minimizado através da utilização de anéis de pistão descartáveis e bandas de rodagem, respectivamente. Estes são formados por metais comparativamente macios em relação à metalurgia do pistão e do cilindro ou materiais como o politetrafluoretileno (PTFE).
Figure 2 A. Estrutura e Engrenagem de Corrida HSE de duas fileiras
Figure 2 B. Estrutura e Engrenagem de Corrida HSE de duas fileiras
Designs de equipamentos mais complexos incorporam sistemas de lubrificação de alimentação forçada do tipo bloco; no entanto, quando há tolerância zero de processo para o transporte de óleo, são empregados designs não lubrificados.
Cilindros para aplicações maiores (o corte típico é de 300 hp) são equipados com passagens de líquido refrigerante para sistemas tipo termosifão ou líquido refrigerante circulante, enquanto alguns compressores menores para residências e oficinas são tipicamente refrigerados a ar. Os grandes cilindros de aplicação são geralmente equipados com camisas substituíveis que são prensadas no furo e podem incluir um pino anti-rotação.
O gás de processo é aspirado para dentro do cilindro, espremido, contido e depois liberado por válvulas mecânicas que normalmente operam automaticamente por pressões diferenciais. Dependendo do projeto do sistema, os cilindros podem ter uma ou várias válvulas de sucção e descarga.
Descarregadores e bolsas de folga são válvulas especiais que controlam a porcentagem de carga total transportada pelo compressor a uma determinada velocidade de rotação do seu acionador. Os descarregadores manipulam a ação das válvulas de sucção para permitir a reciclagem do gás.
Válvulas de bolso de liberação alteram o espaço da cabeça do cilindro (volume de folga). Elas podem ser de volume fixo ou variável. Estes dispositivos estão além do escopo deste artigo.
A peça de distância (às vezes chamada de doghouse) é um elemento estrutural que liga a estrutura do compressor ao cilindro. A mistura de fluidos entre o cilindro e a peça distanciadora deve ser evitada. Os anéis de vedação contêm pressão de gás dentro do cilindro e impedem a entrada de óleo no cilindro, limpando o óleo da haste do pistão ao longo de seu curso.
A peça distanciadora é normalmente ventilada de acordo com o material mais perigoso do sistema, que muitas vezes é o gás comprimido no cilindro. Os anéis de gaxetas são projetados para conter o gás dentro do cilindro, mas com a alta pressão é possível que parte do gás comprimido passe pelos anéis de gaxetas.
A engrenagem de marcha, alojada dentro da carcaça do compressor (Figura 2), consiste na cruzeta e na biela que conectam a biela do pistão ao virabrequim, convertendo seu movimento rotativo em um movimento linear recíproco.
O virabrequim é equipado com contrapesos para equilibrar as forças dinâmicas criadas pelo movimento dos pistões pesados. Ele é suportado dentro da estrutura do compressor por mancais de deslizamento em vários moentes. Um volante também é fornecido para armazenar a inércia rotacional e fornecer vantagem mecânica para a rotação manual do conjunto.
Alguns compressores irão lubrificar a engrenagem de funcionamento do quadro com uma bomba de óleo integral, acionada por eixo, enquanto outros são fornecidos com sistemas de lubrificação mais extensivos, montados sobre patins. Todos os sistemas adequadamente projetados irão proporcionar não apenas a circulação de óleo para as superfícies tribo críticas do equipamento, mas também para o controle da temperatura do lubrificante, filtragem e alguma medida de instrumentação e redundância.
Gases de sucção são geralmente passados através de filtros de sucção e separadores para remover partículas arrastadas, umidade e fluido de processo da fase líquida que poderiam causar danos severos às válvulas do compressor e outros componentes críticos, e até mesmo ameaçar a integridade do cilindro com conseqüências desastrosas.
Gás também pode ser pré-aquecido para coaxar o gás de processo líquido na fase de vapor. Os intercoolers fornecem uma oportunidade para a remoção de calor do gás de processo entre as fases de compressão. (Veja a seguinte seção: O Ciclo Termodinâmico.) Estes trocadores de calor podem fazer parte do(s) sistema(s) de resfriamento do óleo e/ou cilindro(s) do compressor, ou podem ser conectados ao sistema de água de resfriamento da planta.
No lado da descarga, os vasos de pressão servem como amortecedores de pulsação, fornecendo capacidade do sistema para equalizar as pulsações de fluxo e pressão correspondentes aos cursos de compressão do pistão.
Tipicamente, os compressores alternativos são dispositivos de velocidade relativamente baixa, e são acionados diretamente ou por correia por um motor elétrico, com ou sem controlador de velocidade variável.
Amacia o motor é fabricado para ser integral ao compressor, e o eixo do motor e o virabrequim do compressor são inteiriços, eliminando a necessidade de um acoplamento. Os redutores de velocidade do tipo caixa de velocidades são utilizados em várias instalações.
Por vezes, embora menos comumente, são acionados por turbinas a vapor ou outras fontes de energia, como motores a gás natural ou a diesel. O projeto geral do sistema e o tipo de acionador selecionado influenciará a lubrificação desses sistemas periféricos.
O ciclo termodinâmico
Uma explicação de alguns princípios termodinâmicos básicos é necessária para entender a ciência dos compressores alternativos. A compressão ocorre dentro do cilindro como um ciclo de quatro partes que ocorre a cada avanço e recuo do pistão (dois tempos por ciclo).
As quatro partes do ciclo são compressão, descarga, expansão e admissão. Elas são mostradas graficamente com pressão vs. volume plotado no que é conhecido como diagrama P-V (Figura 3).
Figure 3. Entrada
No final de um ciclo anterior, o pistão é totalmente recuado dentro do cilindro em V1, cujo volume é preenchido com gás de processo em condições de sucção (pressão, P1 e temperatura, T1), e as válvulas de sucção e descarga estão todas fechadas.
Esta é representada pelo ponto 1 (zero) no diagrama P-V. medida que o pistão avança, o volume dentro do cilindro é reduzido. Isto faz com que a pressão e a temperatura do gás suba até que a pressão dentro do cilindro atinja a pressão do cabeçote de descarga. Neste momento, as válvulas de descarga começam a abrir, anotadas no diagrama pelo ponto 2.
Com as válvulas de descarga abertas, a pressão permanece fixa em P2 durante o restante do curso de avanço, pois o volume continua a diminuir para a parte de descarga do ciclo. O pistão chega a uma parada momentânea em V2 antes de inverter a direção.
Note que algum volume mínimo permanece, conhecido como volume de folga. É o espaço que resta dentro do cilindro quando o pistão está na posição mais avançada em seu curso. Algum volume mínimo de folga é necessário para evitar o contato pistão/cabeça, e a manipulação desse volume é um parâmetro importante de desempenho do compressor. O ciclo está agora no ponto 3.
Expansão ocorre em seguida, pois o pequeno volume de gás no bolso de folga é expandido para um pouco abaixo da pressão de sucção, facilitado pelo fechamento das válvulas de descarga e pelo recuo do pistão. Este é o ponto 4.
Quando P1 é atingido, as válvulas de admissão abrem permitindo a entrada de nova carga no cilindro para a admissão e último estágio do ciclo. Mais uma vez, a pressão é mantida constante à medida que o volume é alterado. Isto marca o retorno ao ponto 1.
A compreensão deste ciclo é fundamental para diagnosticar problemas no compressor e compreender a eficiência do compressor, requisitos de potência, operação da válvula, etc. Este conhecimento pode ser adquirido através de informações de tendência do processo e monitoramento do efeito que estes itens têm sobre o ciclo.
