Experiência: compressores a pistãO



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Compressão de Ar EM 847 – Laboratórico Calor e Fluidos - DE/FEM


Faculdade de Engenharia Mecânica

Departamento de Energia


EM 847 - Laboratório de Calor e Fluidos



Compressão de Ar
1 INTRODUÇÃO
Compressores podem ser definidos como estruturas mecânicas industriais destinadas, essencialmente, a elevar a energia utilizável de gases, pelo aumento de sua pressão.
A compressão de um gás pode ser feita adiabaticamente ou com transferência de calor, dependendo da finalidade para a qual o gás está sendo comprimido; se o mesmo vai ser usado em um motor ou em um processo de combustão, a compressão adiabática é desejável a fim de se obter a maior energia disponível (exergia) no gás após o processo de compressão. Em muitas aplicações, no entanto, o gás é armazenado em um tanque para ser empregado posteriormente. Durante o processo de armazenagem há perda de calor para a atmosfera e quando o gás for usado estará praticamente à temperatura ambiente. Neste caso, a compressão com transmissão de calor é mais vantajosa.
Gases comprimidos armazenados à temperatura ambiente são empregados para diversas finalidades; os exemplos mais comuns são o uso de ar comprimido em ferramentas pneumáticas, para controle pneumático de máquinas ou processos, como veículo de transporte de partículas sólidas (transporte pneumático), como propelente para tintas e vernizes, para limpeza industrial (puro ou em emulsão com água e detergentes), etc.

2. OBJETIVOS
Esta experiência tem por objetivos:
a) Aplicar conceitos da termodinâmica

b) Estudar o comportamento de um compressor de ar a pistão

c) Verificar a influência da compressão em estágios

d) Verificar a influência do resfriamento inter-estágios no desempenho

e) Avaliar o desempenho do compressor através de eficiências
3. DESCRIÇÃO GERAL DA MONTAGEM
O equipamento que será utilizado é um sistema de compressão de ar, com finalidades didáticas, fornecido pela Plint & Partners (Inglaterra). O sistema é composto por um compressor de dois cilindros de baixa pressão (1o estágio), um inter-resfriador, um compressor de alta pressão também de dois cilindros, um pós-resfriador e um tanque de armazenamento. O conjunto é acionado por motores elétricos; o primeiro estágio, por um motor de corrente alternada e o segundo por um motor de corrente contínua, cuja rotação pode ser variada. O sistema é instrumentado de modo a se medir pressões, temperaturas, vazões, torque de eixo, rotação de cada estágio e as potências elétricas de acionamento.
Para medir a vazão de ar que está sendo aspirado, há uma placa de orifício montada na entrada do tanque de sucção. Este tanque amortece a pulsação no escoamento de ar induzida pela aspiração transiente do compressor. Após passar pelo primeiro estágio de compressão, o ar é resfriado por água em um trocador de calor (inter-resfriador) e é então admitido no segundo estágio de compressão. O ar comprimido é novamente resfriado a água (pós-resfriador) antes de ser mandado ao reservatório de ar comprimido. Uma vez que os balanços de massa e energia devem ser feitos com o sistema operando em regime permanente, o tanque descarrega o ar comprimido através de um bocal calibrado para a atmosfera. A Figura 1 mostra esquematicamente o sistema, indicando ainda pontos de medidas de temperaturas, pressões e vazões.


Figura 1: Esquema geral do sistema de compressão

4. DADOS TÉCNICOS NECESSÁRIOS
São fornecidas a seguir algumas especificações técnicas necessárias para o cálculo das diferentes grandezas e parâmetros de desempenho.
a) Compressor, 1o estágio:

número de cilindros 2

diâmetro do cilindro 101,6 mm

curso do pistão 101,6 mm

pressão máxima de saída 1000 kPa

Razão de redução de rotação entre o motor e o compressor 3:1

Eficiência mecânica da transmissão por correia 0,98

Volume do espaço morto 20 cm3


b) Compressor, 2o estágio:

número de cilindros 2

diâmetro do cilindro 66,7 mm

curso do pistão 63,5 mm

pressão máxima de saída 1500 kPa

Razão de redução de rotação entre o motor e o compressor 3:1

Eficiência mecânica da transmissão por correia 0,98

Volume do espaço morto 13 cm3


c) Potência de eixo dos motores elétricos:

Os motores elétricos de acionamento encontram-se montados em balanço. A reação do torque de eixo na carcaça do motor é medida através de um braço de alavanca e de uma balança graduada em Newtons.


Wm = F N / K ( Watts) (1)
onde F [Newtons] é a carga aplicada sobre a balança, N é a rotação em rpm e K é a constante de carga do dinamômetro ( 43,41 nas unidades acima)
d) Fluxo de massa de ar

Para medir a descarga mássica de ar o sistema dispõe de dois medidores calibrados; o primeiro, uma placa de orifício, está montada na entrada do tanque de sucção e o segundo, um bocal, está montado após a válvula de controle de vazão de descarga. O fluxo de massa em cada caso pode ser calculado a partir das condições ambientes, do diâmetro do orifício ou do bocal, e da depressão lida no manômetro inclinado, conforme as equações abaixo. PA e TA são a pressão e a temperatura ambiente, e T7 é a temperatura da corrente de ar no tubo de descarga do tanque.


Diâmetro da placa de orifício de entrada 3,202 cm

Diâmetro do bocal de descarga 2,500 cm


Na entrada:

(2)
e na saída:

(3)
onde d é o diâmetro do orifício (centímetros), P é dada em kN/m2, a depressão h deve ser expressa em cm H2O e as temperaturas, TA e T7, em oK. Evidentemente, em regime permanente os fluxos de massa na entrada e na saída devem ser iguais.

5. ANÁLISE TERMODINÂMICA DO PROCESSO DE COMPRESSÃO
5.1 - Trabalho mínimo de compressão politrópica
Para realizar a compressão de um gás é necessário consumir trabalho. Frequentemente é conveniente que se conheça o trabalho mínimo de um processo, para fins de comparação com o processo real. Aplicando-se a primeira lei para um processo em regime permanente, internamente reversível e politrópico, pode-se mostrar que o trabalho de compressão é dado por

(4)
Deve-se observar que a expressão acima pode ser utilizada também para um processo isentrópico desde que n = k. Para o processo isotérmico, porém, a expressão não pode ser empregada (n=1).
No caso de um processo politrópico com rejeição de calor, o calor rejeitado pode ser determinado a partir da aplicação da 1a lei da termodinâmica, resultando em:
(5)
5.2 - Trabalho mínimo de compressão isotérmica.
O trabalho isotérmico - que constitui o caso ideal para um processo em que se requer o gás à temperatura ambiente - pode ser determinado diretamente a partir da primeira lei para um volume de controle, em um processo internamente reversível, impondo-se que o processo seja isotérmico:

(6)
Neste caso, o calor rejeitado é igual ao trabalho consumido.

5.3 - Compressor a pistão: diagramas indicador (P x V) e (T x S)
Na Figura 2 é apresentado o diagrama P x V teórico de operação de um compressor alternativo a pistão. Os processos que compõe um ciclo mecânico completo são:
- COMPRESSÃO : começa quando o volume do cilindro é máximo, no ponto 1. Conforme diminui o volume, a pressão aumenta até atingir P2 (ponto 2), quando se abre a válvula de descarga (acionada automaticamente pela pressão do cilindro).
- DESCARGA : entre os pontos 2 e 3 o gás é descarregado a pressão constante, impelido pelo movimento do pistão.
Figura 2 - Diagrama indicador de um compressor a pistão.
EXPANSÃO - de 3 a 4 ocorre a expansão do gás que restou dentro do cilindro devido ao espaço morto. Essa expansão prossegue até que a pressão de admissão seja atingida.
SUCÇÃO - quando se abrem as válvulas de admissão, o pistão aspira gás a baixa pressão (entre os pontos 4 e 1) para então reiniciar o ciclo mecânico.
Supondo-se que os processos de compressão e expansão sejam politrópicos, pode-se mostrar que a soma dos trabalhos envolvidos em cada um dos processos acima descritos é exatamente igual á expressão do trabalho mínimo politrópico, obtida a partir de um volume de controle em regime permanente.
As Figuras 3 e 4 apresentam os diversos valores possíveis de n nos diagramas PxV e TxS, respectivamente. Uma vez que a área do ciclo mecânico (pontos 1 a 4) no diagrama PxV é proporcional ao trabalho necessário, é evidente que quanto menor o valor de n, menor será o trabalho politrópico de acionamento do compressor. A enernia disponível no gás (exergia), porém, será também menor. Caso o ar comprimido deva estar à temperatura ambiente quando for empregado, é mais conveniente tentar aproximar o processo de compressão por um processo isotérmico.
O valor do coeficiente n depende do tipo de transmissão de calor que ocorre

- se n = 1 teremos um processo isotérmico (ideal).

- se 1 < n < k teremos um processo com rejeição de calor.

- se n = k teremos um processo adiabático, reversível.

- se k < n teremos um processo adiabático com atrito.
Fig. 3 - Diagrama P x V Fig. 4 - Diagrama T x S

Se a fase de compressão se estendesse até que fosse atingido o volume de espaço morto V3 , a fase de descarga ficaria eliminada. O gás, que estaria na pressão máxima, não poderia ser descarregado para o duto de descarga. Nesse caso, toda a massa de ar contida no cilindro seria re-expandida sem sair do cilindro (fluxo de massa nulo através do compressor).


Nesta condição, a pressão máxima seria dada por:
(7)
5.4 - Rendimento volumétrico aparente e real
Um compressor sempre possui um espaço morto ou espaço nocivo, que corresponde ao volume mínimo ( V3). Define-se o coeficiente de espaço nocivo e por:

(8)
O rendimento volumétrico aparente relaciona o deslocamento volumétrico durante a sucção com o deslocamento total do compressor (cilindrada); usando a Figura 2 como base, podemos então escrever:

(9)
Pode-se mostrar que o rendimento volumétrico aparente pode ser expresso em função do coeficiente de espaço nocivo e da relação de pressões:

(10)
O rendimento volumétrico real de um compressor expressa uma relação entre massas (apesar do nome); este conceito compara a massa de gás que foi efetivamente succionada com a massa que caberia no volume deslocado (cilindrada), nas condições de pressão e temperatura à montante da válvula de sucção:
(11)
onde ri é a densidade do gás imediatamente antes de entrar no compressor e Vcc é a cilindrada. O rendimento volumétrico real só pode ser obtido experimental-mente.
5.5 -Definições de eficiências para compressores
A avaliação do desempenho de um compressor normalmente é realizada através do conceito de eficiência. Este conceito permite comparar o desempenho de diferentes compressores realizando uma mesma tarefa ou para comparar o desempenho de uma mesma máquina operando em diferentes condições
Várias são as definições possíveis para o conceito de eficiência. Tradicionalmente são adotadas as definições de eficiência isentrópica (hsc), eficiência isotérmica (hit) e eficiência politrópica (hpc). A primeira é empregada basicamente para compressores axiais e centrífugos operando sem resfriamento. A segunda é adotada para compressores a pistão operando com resfriamento. A terceira é adotada como critério de avaliação de quanto que o processo real se afasta do politrópico devido a perdas e atritos internos. As equações a seguir mostram cada uma das definições acima citadas:
(12)
(13)
(14)
onde Wc representa o trabalho de eixo fornecido ao compressor

Ws representa o trabalho de compressão isentrópica

Wit representa o trabalho de compressão isotérmica

Wp representa o trabalho de compressão politrópica.
Usando o conceito de exergia, pode-se definir uma eficiência exergética para o compressor, relacionando a variação de exergia obtida pela compressão ao trabalho de eixo fornecido:
(15)
Esta definição, apesar de pouco usada atualmente, é a que efetivamente
compara um trabalho reversível entre os estados inicial e final do gás, com o trabalho real, sem recorrer a processos auxiliares (isoentrópico, isotérmico ou politrópico).

5.6 - A compressão por estágios
À medida que se requer maior pressão de um dado compressor (a pressão de descarga se aproxima da pressão máxima), o rendimento volumétrico aparente se reduz, como pode ser visto pela equação (10). Consequentemente, o fluxo de massa que escoa através do compressor também se reduz. Para evitar este problema pode-se realizar a compressão em estágios, onde o segundo compressor aspira a partir da descarga do primeiro e assim por diante. Se entre dois estágios consecutivos se faz um inter-resfriamento, o trabalho consumido por kg de ar comprimido se reduz, como pode ser visto na Figura 5.
Se o número de estágios entre dois níveis de pressão é aumentado, e entre cada estágio há um inter-resfriador, o processo tende a uma compressão isotérmica e portanto a um menor trabalho requerido por kg de gás comprimido. Evidentemente, por razões econômicas, há um número adequado de estágios para cada nível de pressão pretendido.


Figura 5: Compressão em dois estágios



Figura 6: Diagrama T x S para compressão em dois estágios

O diagrama T x S para a compressão em dois estágios pode ser visto na Figura 6 e corresponde à montagem experimental completa que temos no laboratório: uma compressão até a pressão intermediária Pinterm., politrópica, com resfriamento a ar (Q1) no corpo do compressor, seguida de um inter-resfriamento a água (Q2), nova compressão até a pressão final P2, também politrópica com resfriamento a ar (Q3) e finalmente um pós-resfriamento a água (Q4). As áreas hachuradas correspondem às perdas de calor do gás para o fluido refrigerante (ar ambiente ou água nos trocadores contra-corrente).


Pode-se mostrar que, uma vez escolhido o número de estágios, a relação de pressão para cada estágio é dada pela expressão abaixo (considerando-se que o ínter-resfriamento restitui o gás sempre à temperatura de sucção do primeiro estágio):
(16)

onde z é o número de estágios.



6. INSTRUÇÕES DE OPERAÇÃO E PROCEDIMENTO DE TESTE
Antes de iniciar a operação:
a) verifique os zeros dos manômetros inclinados

b) complete com óleo os copos dos termômetros

c) drene eventual condensado do resfriador intermediário, do resfriador posterior e do reservatório.
Procedimento de partida
a) coloque as válvulas controladoras do fluxo de ar dos resfriadores na posição desejada, que corresponde à montagem a realizar.

b) ligue a bomba e ajuste os fluxos de água de refrigeração no meio das escalas dos medidores.

c) verifique se a válvula de gaveta da entrada do reservatório está aberta

d) acione o dispositivo de alívio de partida do primeiro estágio

e) ligue o 1o estágio do compressor

f) coloque o controlador de velocidade do segundo estágio no máximo (painel elétrico)

g) abra a válvula de esfera da entrada do segundo estágio

h) ligue o segundo estágio mediante a chave do painel de controle

i) quando a pressão do reservatório chegar ao valor desejado, abra gradativamente a válvula de saída do tanque (anterior ao bocal ISA de saída) até obter operação em regime permanente.
j) certifique-se que haja alguma válvula de saída aberta!
pressão máxima no primeiro estágio: 1000 kPa
pressão máxima no segundo estágio: 1500 kPa

ATENÇÃO: A cada novo ajuste das condições de operação, deve-se esperar pelo menos 20 minutos para o sistema entrar em regime. Quando as diversas leituras de pressão, temperatura e vazão estiverem estabilizadas, deve-se proceder então às leituras. Deve-se observar a pressão no reservatório, que deve permanecer constante durante o teste. Para isto, pequenos ajustes na válvula de estrangulamento devem ser feitos periodicamente.

Ensaios a realizar:
Montagem 1: Compressão em um estágio

só o primeiro estágio funcionando

recomenda-se a pressão de descarga de 800 kPa
Montagem 2: Compressão em dois estágios

Ambos os estágios em operação

Pressão recomendada: 400 kPa

Montagem 3: Compressão em dois estágios

Ambos os estágios em operação



Pressão recomendada: 800 kPa

6. RELATÓRIO
O relatório deste experimento deve seguir as orientações gerais quanto à apresentação de resultados, análise de erros experimentais e conclusões obtidas.
ATENÇÃO: AS PRESSÕES LIDAS SÃO MANOMÉTRICAS! Há um barômetro no laboratório principal.
Pede-se:
a) deduzir as expressões (4), (5) e (6).
b) calcular os coeficientes da politrópica de compressão para cada estágio em cada condição de operação.
c) calcular o coeficiente de espaço nocivo para cada compressor e o rendimento volumétrico aparente de cada estágio, para cada condição de operação.
d) calcular os rendimentos volumétricos, trabalho politrópico de cada estágio, calor rejeitado ao ar, calor rejeitado à água no inter-resfriador e pós-resfriador, eficiências isotérmica, politrópica e exergética para cada condição de operação.
e) Para a montagens 1 e 3, analisar o efeito da compressão em estágios.
f) Compare as Montagens 2 e 3, analisar o efeito da pressão nos indicadores de desempenho.
7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ATLAS COPCO "Manual do ar Comprimido". McGraw-Hill do Brasil, São Paulo, 1976.
BARBOSA, P.S. "Compressores". Apostila Petrobrás - CENPES - DIVEN, 2a edição, 1984.
CHERKASSKI, V.M. "Bombas, Ventiladores e Compressores". Editora MIR, Moscou, 1986.
COSTA, E.C. "Compressores". Editora Edgard Blucher, São Paulo 1978.
GALLO, W.L.R. & WALTER, A..S. "Compressores a Pistão". Complemento à Apostila Didática "Máquinas Térmicas", CABS, 1986.
COMPRESSOR DE DOIS ESTÁGIOS - FOLHA DE TESTE

Pressão Ambiente:

TESTE




1

2

3

4

5

6

P intermed.

KPa



















P reservat.

Kpa



















Ho

mmh2o



















Hn

mmh2o



















T ambiente

°C



















T1

°C



















T2

°C



















T3

°C



















T4

°C



















T5

°C



















T6

°C



















T7

°C



















RESFRIAMENTO

Vazão inter.

l/min



















T8

°C



















T9

°C



















Vazão pós

l/min



















T10

°C



















MOTORES

Força - 1

N



















W- 1

rpm



















Pot Elétrica

W



















Força - 2

N



















W- 2

rpm



















Dif. Pot.-2

V



















Corrente-2

A
























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