Compressores - e-Turbinas, Notas de estudo de Mecatrônica

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MÁQUINAS DE FLUXO

RESUMO

BOMBAS CENTRÍFUGAS

DEFINIÇÃO DE BOMBAS

‐ Bombas são máquinas geratrizes, isto é, que recebem trabalho mecânico geralmente fornecidos por uma máquina motriz, e o transformam em energia hidráulica, comunicando ao líquido um acréscimo de energia sob as formas de energia potencial de pressão e cinética. CLASSIFICAÇÃO ‐ O modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica e o recurso para cedê‐la ao líquido aumentado sua pressão e/ou velocidade permitem classificar as bombas em: a) Bombas de Deslocamento Positivo; b) Turbobombas; c) Bombas Especiais (bombas com ejetor; pulsômetro; bomba de emissão de ar); BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO CARACTERÍSTICA Uma partícula líquida em contato com o órgão que comunica a energia tem aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está em contato. FUNCIONAMENTO Possuem uma ou mais câmaras em cujo interior o movimento de um órgão propulsor comunica energia de pressão ao líquido, provocando o seu

TURBOBOMBAS

CARACTERÍSTICAS:

Possuem um órgão rotatório dotado de pás chamado ROTOR, que exerce sobre o líquido forças que resultam da aceleração que o rotor imprime ao líquido. A descarga gerada depende das características da bomba, do número de rotações e das características do sistema de encanamentos ao qual estiver ligada. A finalidade do rotor é comunicar à massa líquida aceleração, para que adquira energia cinética e se realize assim a transformação da energia mecânica de que está dotado. É em essência, um disco ou uma peça de formato cônico dotada de pás. O Rotor também é chamado de Impulsor ou Impelidor. Tipos de Rotores Fechado: além do disco onde se fixam as pás. Existe uma coroa circular também preso as pás. Usa‐se para líquidos sem substâncias em suspensão. Aberto: quando não existe essa coroa circular. Usa‐se para líquido contendo pastas, lamas, areias, esgotos sanitários. As turbobombas necessitam de um outro órgão, o difusor, também chamado recuperador, onde é feita a transformação, em energia de pressão, da maior parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor. Tipos de Difusores ‐ De tubo reto troncônico, nas bombas axiais; ‐ De caixa com formas de caracol ou voluta, nos demais tipos de bombas (chamado neste caso simplesmente de coletor ou caracol).

‐ Entre a saída do rotor e o caracol, em certas bombas, colocam‐se palhetas, devidamente orientadas, as pás guias, para que o líquido que sai do rotor seja conduzido ao coletor com velocidade, direção e sentido tais que a transformação da energia cinética em energia potencial de pressão se processe com um mínimo de perdas por atrito ou turbulências. ‐ Nas bombas de múltiplos estágios, as pás guias ou diretrizes são necessárias. CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO A TRAJETÓRIA DO LÍQUIDO NO ROTOR A. BOMBA CENTRÍFUGA RADIAL OU PURA CARACTERÍSTICAS O líquido penetra no rotor paralelamente ao eixo, sendo dirigido pelas pás p/ a periferia, segundo trajetórias contidas em planos normais ao eixo. VANTAGENS Pela sua simplicidade, se prestam a fabricação em série, sendo generalizada a sua construção e estendida sua utilização a grande maioria das instalações comuns de água limpa, para pequenas, médias e grandes alturas de elevação, e baixas vazões, possui baixo custo e maior flexibilidade de operação. DESVANTAGENS Quando se trata de grandes descargas e pequenas alturas de elevação, o rendimento das bombas radiais torna‐se baixo e o seu custo se eleva em virtude das suas dimensões, tornando pouco conveniente empregá‐las.

bombas desse tipo prestam‐se a grandes descargas (vazões) e pequenas e médias cargas manométricas. Por serem as pás de dupla curvatura, seu projeto é mais complexo e sua fabricação apresenta alguns problemas de fundição. C. BOMBA AXIAL OU PROPULSORA A água sai do rotor com direção aproximadamente axial com relação ao eixo. Neste tipo de bomba o rotor é também chamado de hélice. Não são propriamente bombas centrífugas, pois a força centrífuga decorrente da rotação das pás não é a responsável pelo aumento da energia da pressão. É indicada para grandes vazões e baixas alturas manométricas. A energia transmitida ao fluido é devida puramente às forças de arrasto (propulsão). Gráfico ‐ Campo de Emprego das Bombas

CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O NÚMERO DE ROTORES EMPREGADOS

A. BOMBAS DE SIMPLES ESTÁGIO

Nela existe apenas um rotor e, portanto, o fornecimento da energia ao líquido é feito em um único estágio (constituído por um rotor e um difusor) não se utilizam para grandes alturas de elevação devido às dimensões excessivas, custo elevado e baixo rendimento. B. BOMBAS DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS Quando a altura de elevação é grande, faz‐se o líquido passar por dois ou mais rotores sucessivamente fixados ao mesmo eixo e colocados em uma caixa cuja forma permita esse escoamento. A passagem do líquido em cada rotor e difusor constitui um estágio na operação de bombeamento. São próprias para instalações de alta pressão. Utilizadas para alimentação de caldeiras com pressões superiores a 250 kgf/cm² e para poços profundos de água ou na pressurização de poços de petróleo. CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO O NÚMERO DE ENTRADAS PARA ASPIRAÇÃO A. BOMBAS DE ASPIRAÇÃO SIMPLES OU DE ENTRADA UNILATERAL Entrada do líquido se faz de um lado e pela abertura circular na coroa do rotor. B. BOMBAS DE ASPIRAÇÃO DUPLA OU DE ENTRADA BILATERAL O rotor permite receber o líquido por dois sentidos opostos. Paralelamente ao eixo de rotação.

RENDIMENTOS NAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

RENDIMENTO MECÂNICO: é a relação entre a potência de elevação e a motriz r = Le = He Lm Hm RENDIMENTO HIDRÁULICO: é a relação entre a potência útil e a de elevação e = Lu = Hu Le He RENDIMENTO TOTAL: é a relação entre a potência útil e a motriz η = Lu = Hu Lm Hm

ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

Dentre as razões que conduzem a necessidade de associarmos bombas, citamos: a) A inexistência, no mercado, de bombas que possam, isoladamente, atender a vazão necessária; b) Aumento escalonado de vazões com o correr do tempo; c) Inexistência no mercado de bombas capazes de vencer a altura manométrica de projeto. ‐ As razões (a) e (b) requerem associação em paralelo, que consiste em fazer duas ou mais bombas recalquem em uma ou mais linhas comuns, de forma que cada bomba recalque uma parte da vazão. ‐ Para satisfazer a razão (c) é necessária a associação em série. Neste caso as bombas recalcam em linha comum, de tal forma que a anterior bombeia para a sucção da posterior, que recebe o fluido com maior quantidade de energia de pressão. ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM PARALELO ‐ É recomendável neste tipo de associação que as bombas tenham as mesmas características, ou pelo menos muito próximas. ‐ Neste tipo de associação tem‐se:  Bombas operando com a mesma altura manométrica: HB1 = HB  A vazão do sistema é: Q (^) S = Q 1 + Q (^2)

COMPRESSORES

DEFINIÇÃO:

São máquinas operatrizes que transformam trabalho mecânico em energia comunicada a um gás, preponderantemente sob forma de energia de pressão. Graças à energia de pressão que adquire, isto é, à pressurização, o gás pode: ‐ Deslocar‐se a longas distâncias em tubulações; ‐ ser armazenado em reservatórios para ser usado quando necessário, isto é, acumular energia; ‐realizar trabalho mecânico, atuando sobre dispositivos, equipamentos e máquinas motrizes (motores a ar comprimido, por exemplo). UTILIZAÇÃO: Além de ser empregado para comprimir o ar, o compressor é aplicado a outros gases e misturas de gases, sendo de imensa importância nas instalações químicas, petroquímicas, mecânicas, na construção civil e outras mais. Façamos uma referência às aplicações de ar comprimido, conforme as características dos equipamentos que o utilizam: a) Equipamentos à pressão de ar ou de ação fechada: trabalhos submarinos; inflagem de câmaras de ar de veículos; transporte pneumático. b) Equipamentos a jato de ar ou de ação livre: resfriadores ou aquecedores a ar; jateamento de areia; pintura a pistola; metalização; projeção de revestimentos plásticos. c) Equipamentos e máquinas de percussão: marteletes a ar comprimido; perfuratrizes de rocha; bate‐estacas.

d) Motores a ar comprimido de pistões, de palhetas, de engrenagens. e) Bombas de injeção de concreto. f) Máquinas ferramentas fixas e portáteis de todos os tipos: furadeiras, serras, aparafusadeiras, etc. g) Abertura e fechamento de portas. CLASSIFICAÇÃO Os compressores visam conseguir que a pressão do gás venha a alcançar uma pressão consideravelmente maior do que a pressão atmosférica. Se classificam em: a) Compressores de Deslocamento Positivo O gás é admitido em uma câmara de compressão, que é, por isso, isolada do exterior. Por meio da redução do volume útil da câmara sob a ação de uma peça móvel, alternativa ou rotativa, realiza‐se a compressão de gás. b) Compressores Dinâmicos O gás penetra em uma câmara onde um rotor em alta rotação comunica às partículas gasosas aceleração tangencial e, portanto, energia. Atravé da descarga por um difusor, grande parte da energia cinética se converte em energia de pressão, forma adequada a transmissões por tubulações a distâncias consideráveis e à realização de operações específicas.

Pode‐se dizer que é o tipo mais versátil para a maioria das aplicações industriais, principalmente quando se trata de ar comprimido, sendo, por isso mesmo, o mais usado. VANTAGENS ‐ São facilmente controlados de acordo com a demanda do gás comprimido. Podem operar em plena carga, meia carga ou em vazio, mediante abertura automática das válvulas de admissão, de sorte que não há compressão durante os períodos em que não há demanda de gás comprimido. ‐ Operação econômica. ‐ Manutenção simples. ‐ Uma parcela elevada da energia fornecida ao eixo do compressor é dissipada sob forma de calor e pode ser aprovaitada para aquecimento de elementos de uma instalação industrial. Consumo específico de potência em compressores alternativos

COMPRESSORES DINÂMICOS

Possuem um ou mais rotores parecidos com os das turbobombas e que giram com elevada rotação no interior de uma caixa. Podem ser dos seguintes tipos:

1. CENTRÍFUGO OU TURBO COMPRESSOR Possui pás semelhantes às das bombas centrífugas. A unidade compressora desse tipo é conhecida na prática como uma centrífuga.
2. HELICOCENTRÍFUGO OU HELICOIDAL As pás são de dupla curvatura semelhantes, em alguns tipos, às de turbinas Francis. As vazões obtidas são maiores que as do turbocompressor e as pressões são menores.
3. COMPRESSOR AXIAL Possui grande número de palhetas e proporciona um escoamento no sentido longitudinal. É compressor para grandes descargas – até 1.000.000 m³/h, com pressão de trabalho de até 6 bars.
4. COMPRESSOR AXIAL‐CENTRÍFUGO Reúne em um mesmo eixo rotores do tipo axial e rotores centrífugos, conseguindo aliar as vantagens de vazões elevadas (500.000 m³/h) a pressões de até 9 bars.

Para Baixo Custo de Instalação = Baixos Custos Iniciais ‐ Pequeno espaço necessário. ‐ Compressor de projeto compacto e equipamento auxiliar reduzido economizam área de construção. ‐ Baixo peso. ‐ Economia de fundações e de equipamentos de levantamento. ‐ Instalação simples. ‐ Equipamento de instalação simples e adequado para a montagem sobre amortecedores de borracha em fundações simples (pequenos compressores). ‐ Equipamento elétrico simples ‐ Um compressor projetado para motores e chaves de partida padronizadas contribui para baixo custo inicial. ‐ Preços moderados. CONSUMO ESPECÍFICO Para uma comparação entre vários tipos de compressores, faz‐se referência à grandeza denominada consumo específico. Consumo específico é a potência absorvida por unidade de volume de ar e na unidade de tempo escolhida. O consumo específico de potência é medido em cv/m³/min, ou em HP/ pés³/min de descarga livre padrão de ar. Um consumo específico de 7 vc/m³/min já é bastante baixo, e 6, cv/m³/min é considerado extremamente baixo, portanto excelente. Os valores baixos são obtidos em geral em compressores para capacidade média e grande. Para se conseguir um bom desempenho, isto é, um baixo consumo de potência, é

preciso que o compressor seja adequadamente resfriado, e que a água de resfriamento seja fornecida a cerca de 10° abaixo da temperatura ambiente. Compressores resfriados a ar possuem consumo específico 3 a 5% superior ao dos resfriados a água, sendo o ventilador responsável por cerca de 1 a 1,5% deste acréscimo. O consumo específico de energia é, portanto, um parâmetro da qualidade de um compressor. DESCARGA LIVRE PADRÃO (DLP) OU DESCARGA LIVRE EFETIVA (DLE) É a quantidade de ar livre descarregada por um compressor, corrigida para as condições de pressão, temperatura e umidade reinantes na admissão. Considerar‐se‐à na admissão o ar livre, isto é, o ar submetido à pressão atmosférica, cujo valor corresponde a um coluna de 760 mm de mercúrio, à temperatura de 15°C e a uma umidade relativa igual a 36%. Consumo específico de potência em função da descarga. Escolha do tipo de compressor