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.
Existem dois princípios genéricos para a compressão de ar (ou gás): Compressão de deslocamento positivo e compressão dinâmica. O primeiro inclui, por exemplo, compressores reciprocantes (pistão), compressores orbitais (scroll)e diferentes tipos de compressores rotativos (parafuso, dente, palheta).
Na compressão de deslocamento positivo, o ar é puxado para uma ou mais câmaras de compressão, que são então fechadas da entrada. Gradualmente, o volume de cada câmara diminui e o ar é comprimido internamente. Quando a pressão atinge a relação de pressão incorporada projetada, uma porta ou válvula é aberta. O ar é então descarregado para o sistema de saída devido à redução contínua do volume da câmara de compressão.
Na compressão dinâmica, o ar é puxado entre as lâminas em um impulsor de compressão de rotação rápida e acelerado para 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 caudal axial ou radial.
Uma bomba de bicicleta é a forma mais simples de uma compressão de deslocamento positivo. O ar é puxado para dentro de um cilindro e é 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 biela e uma cambota rotativa.
Se apenas um lado do pistão for usado para compressão, isso é chamado de compressor de ação única. Se forem utilizadas as partes superior e inferior do pistão, o compressor tem dupla ação. A relação de pressão é a relação entre a pressão absoluta nos lados de entrada e saída.
Assim, uma máquina que aspira ar à pressão atmosférica (1 bar(a)) e comprime-o a uma sobrepressão de 7 bar, funciona a uma taxa de pressão de (7 a 1)/1 a 8.
Nos dois gráficos abaixo, encontrará a relação pressão-volume para um compressor teórico e um diagrama realista para um compressor de pistão ilustrado (respetivamente).
O volume de curso é o volume do cilindro que o pistão percorre durante a fase de sucção. O volume de folga é o volume por baixo das válvulas de entrada e saída e por cima do pistão. Deve permanecer no ponto de viragem superior do pistão por razões mecânicas.
As diferenças entre o volume de curso e o volume de sucção devem-se à expansão do ar restante no volume de folga antes do início da sucção. O design prático de um compressor, por exemplo, um compressor de pistão, resulta numa diferença entre o diagrama teórico de p/V e o diagrama real.
As válvulas nunca são completamente vedadas e há sempre um grau de vazamento entre a saia do pistão e a parede do cilindro. Além disso, as válvulas não podem abrir totalmente e fechar sem um atraso mínimo. Isso resulta em uma queda de pressão quando o gás flui através dos canais. O gás também é aquecido quando flui para o cilindro como consequência deste projeto.
Num compressor dinâmico, o aumento de pressão ocorre enquanto o gás flui. O gás que flui acelera a uma alta velocidade por meio das lâminas rotativas em um impulsor. A velocidade do gás é subsequentemente transformada em pressão estática quando é forçado a desacelerar sob expansão em um difusor.
Dependendo da direção principal do caudal de gás utilizado, estes compressores são denominados compressores radiais ou axiais. Em comparação com os compressores de cilindrada, uma pequena alteração na pressão de trabalho dos compressores dinâmicos resulta numa grande alteração na taxa de caudal.
Cada velocidade do impulsor tem um limite superior e inferior da taxa de caudal. O limite superior significa que a velocidade do caudal de gás atinge a velocidade sónica. O limite inferior significa que a contrapressão torna-se superior à acumulação de pressão do compressor, o que significa ar de retorno no interior do compressor. Isto, por sua vez, resulta em pulsação, ruído e risco de danos mecânicos.
Em teoria, o ar ou o gás podem ser comprimidos isentropicalmente (em entropia constante) ou isotermalmente (em temperatura constante). Qualquer um dos processos pode fazer parte de um ciclo teoricamente reversível. Se o gás comprimido pudesse ser usado imediatamente em sua temperatura final após a compressão, o processo de compressão isentrópico teria certas vantagens.
Na realidade, o ar ou o gás raramente são usados diretamente após a compressão, e geralmente são
Em teoria, o ar ou o gás podem ser comprimidos isentropicalmente (em entropia constante) ou isotermalmente (em temperatura constante). Qualquer um dos processos pode fazer parte de um ciclo teoricamente reversível. Se o gás comprimido pudesse ser usado imediatamente em sua temperatura final após a compressão, o processo de compressão isentrópico teria certas vantagens.
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Em teoria, o ar ou o gás podem ser comprimidos isentropicalmente (em entropia constante) ou isotermalmente (em temperatura constante). Qualquer um dos processos pode fazer parte de um ciclo teoricamente reversível. Se o gás comprimido pudesse ser usado imediatamente em sua temperatura final após a compressão, o processo de compressão isentrópico teria certas vantagens.
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Em teoria, o ar ou o gás podem ser comprimidos isentropicalmente (em entropia constante) ou isotermalmente (em temperatura constante). Qualquer um dos processos pode fazer parte de um ciclo teoricamente reversível. Se o gás comprimido pudesse ser usado imediatamente em sua temperatura final após a compressão, o processo de compressão isentrópico teria certas vantagens.
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Em teoria, o ar ou o gás podem ser comprimidos isentropicalmente (em entropia constante) ou isotermalmente (em temperatura constante). Qualquer um dos processos pode fazer parte de um ciclo teoricamente reversível. Se o gás comprimido pudesse ser usado imediatamente em sua temperatura final após a compressão, o processo de compressão isentrópico teria certas vantagens.
Na realidade, o ar ou o gás raramente são usados diretamente após a compressão, e geralmente sãoresfriadosà temperatura ambiente antes do uso. Consequentemente, o processo de compressão isotérmica é preferido, pois requer menos trabalho. Uma abordagem prática comum para a execução deste processo de compressão isotérmica envolve o resfriamento do gás durante a compressão. A uma pressão de trabalho eficaz de 7 bar, a compressão isentrópica requer teoricamente 37% mais energia do que a 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.
Trabalho de compressão com compressão isotérmica:
Trabalho de compressão com compressão isentrópica:
Essas relações mostram que é necessário mais trabalho para compressão isentrópica do que para compressão isotérmica.
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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