Compressores: a máquina que consome nove décimos da energia de toda a instalação pneumática
O compressor consome quase toda a energia da instalação pneumática. Escolher o tipo, a regulação e a vazão certa decide a conta de luz da fábrica por muitos anos.
rotor machorotor fêmeaadmissãodescargaCompressor de parafuso em corte: rotor macho, rotor fêmea, admissão, descarga.
- Setor
- Utilidades · sala de compressores
- Solicitante
- Controladoria
- Equipamento
- Compressores C-01 (parafuso) e C-02 (pistão)
- Prioridade
- Média
- Prazo
- Fim do mês
Depois da ampliação, a conta de energia subiu 18 %. A controladoria quer saber quanto a sala de compressores pesa na conta, se o compressor atual dá conta da vazão da fábrica ampliada, e se vale trocar a regulação por carga e alívio por um compressor de velocidade variável.
- 1Identificar os tipos de compressor e a faixa de cada um
- 2Calcular a potência e o custo de energia
- 3Comparar os métodos de regulação em carga parcial
- 4Calcular a vazão que a fábrica ampliada precisa
- 5Fechar as contas no laboratório e emitir o parecer PT-03
Entrega: parecer técnico PT-03, no fim da aula
As 5 competências desta aula
- Classificar os compressores, e reconhecer a faixa de aplicação de cada tipo.
- Explicar o funcionamento dos compressores de pistão e de parafuso.
- Estimar a potência e o custo de energia de um compressor.
- Comparar os métodos de regulação de capacidade.
- Dimensionar a vazão necessária, e descrever os requisitos da sala de compressores.
Deslocamento positivo e dinâmicos
Há dois modos de aumentar a pressão do ar: prender uma porção e apertá-la, ou acelerar o ar e freá-lo.
Deslocamento positivo. Um volume de ar é isolado em uma câmara, a câmara diminui, e a pressão sobe. A vazão depende do tamanho da câmara e da rotação, e quase não muda com a pressão de descarga. São as máquinas de pequeno e médio porte.
Dinâmicos. Um rotor de alta rotação imprime velocidade ao ar, que é depois desacelerado em um difusor, convertendo velocidade em pressão. Não têm válvulas nem contato entre peças, entregam ar sem óleo, e só são eficientes em grandes vazões. A vazão cai quando a pressão sobe, e há um limite mínimo de vazão, abaixo do qual o escoamento se inverte, com vibração violenta.
| Tipo | Como comprime | Vazão típica | Pressão típica | Onde se usa |
|---|---|---|---|---|
| Pistão | Êmbolo em cilindro, com válvulas de aspiração e de descarga | 0,05 a 20 m³/min | 8 a 15 bar em um ou dois estágios. Até 400 bar com vários | Oficinas, uso intermitente, alta pressão |
| Diafragma | Membrana flexível, movida por excêntrico | Até 1 m³/min | Até 10 bar | Ar sem óleo em pequena escala: laboratório, medicina |
| Parafuso, com injeção de óleo | Dois rotores helicoidais, que se engrenam e empurram o ar | 0,3 a 80 m³/min | 5 a 13 bar | O padrão da indústria, em serviço contínuo |
| Parafuso isento de óleo | Rotores sincronizados, sem contato, em dois estágios | 2 a 150 m³/min | 5 a 10 bar | Alimentos, fármacos, eletrônica, pintura |
| Palhetas | Rotor excêntrico com lâminas deslizantes | 0,1 a 30 m³/min | 5 a 10 bar | Serviço contínuo, baixa rotação, baixo ruído |
| Espiral | Uma espiral orbita dentro de outra, fixa | 0,05 a 1,5 m³/min | 8 a 10 bar | Ar sem óleo, silencioso: odontologia, laboratórios |
| Lóbulos | Dois rotores em forma de oito, sem compressão interna | 1 a 1 000 m³/min | Até 1 bar | Sopradores: transporte pneumático, tratamento de efluentes |
| Centrífugo | Rotores radiais, em dois a quatro estágios | 40 a mais de 1 000 m³/min | 3 a 10 bar | Grandes indústrias, ar sem óleo, carga constante |
Com óleo e sem óleo. Na maioria dos compressores, o óleo lubrifica, veda as folgas e, nos de parafuso, retira o calor da compressão. Uma pequena parte dele segue com o ar, e precisa ser filtrada. Nos compressores isentos de óleo, nenhuma parte lubrificada toca o ar comprimido: custam mais, e são obrigatórios onde qualquer traço de óleo contamina o produto.
Sopradores, compressores e bombas de vácuo. São a mesma família, em faixas diferentes. Sopradores elevam a pressão em menos de 1 bar. Compressores, acima disso. Bombas de vácuo aspiram de um recinto abaixo da pressão atmosférica.
Dois irmãos, donos de uma fábrica de lã, queriam uma roda d'água mais eficiente. Construíram uma caixa com dois rotores de madeira, em forma de oito, que girariam com a passagem da água. A madeira inchou, os rotores travaram, e a máquina foi um fracasso. Ao testá-la a seco, girando os rotores com uma correia, um deles notou a corrente de ar que saía pela abertura. Tinham inventado, por engano, um soprador
Os irmãos Philander e Francis Roots tinham uma tecelagem de lã em Connersville, no estado americano de Indiana, movida pela água de um canal. Na década de 1850, tentaram substituir a roda d'água por um motor hidráulico de desenho próprio: dois rotores de madeira, com seção em forma de oito, girando em sentidos opostos dentro de uma carcaça justa, sincronizados por engrenagens.
Como motor hidráulico, não funcionou. A madeira absorvia água, inchava, e os rotores travavam contra a carcaça.
A história contada pela empresa, e repetida desde então, diz que, durante um ensaio com a máquina seca, acionada por correia, a corrente de ar que saía da abertura arrancou o chapéu de um visitante, o superintendente de uma fundição local, que comentou que aquilo serviria melhor para soprar o seu forno do que qualquer fole. Os irmãos refizeram os rotores em ferro fundido, e patentearam a máquina em 1860, como soprador rotativo.
O princípio é de uma simplicidade que explica a sobrevivência. Os dois rotores giram sem se tocar, e sem tocar a carcaça. Cada lóbulo aprisiona uma porção de ar contra a parede, e a carrega da entrada para a saída. Não há compressão dentro da máquina: o ar é apenas transportado, e a pressão sobe na saída, contra a resistência do que está adiante. Não há válvulas, nem atrito, nem lubrificação na câmara de ar. O ar sai sem óleo.
O soprador foi adotado, em poucos anos, em fundições, para soprar fornos de cubilô. Em minas, para ventilação. Em altos-fornos. Mais tarde, em redes de gás, em transporte pneumático de grãos, e em estações de tratamento de esgoto, onde continua insubstituível para aerar tanques.
Em 1900, um dos pioneiros do automóvel incluiu um soprador desse tipo em uma patente de motor, para forçar mais ar para dentro dos cilindros: a origem do compressor de sobrealimentação, que equipou motores de corrida, aviões e, até hoje, alguns automóveis.
A máquina tem um limite que vem do seu próprio princípio. Como não comprime internamente, o ar da saída, já pressurizado, reflui para dentro da câmara a cada vez que um lóbulo a abre, e é recomprimido. Com diferenças de pressão acima de cerca de 1 bar, o rendimento cai muito, e o aquecimento se torna excessivo. Para pressões maiores, é preciso que o volume diminua dentro da máquina, como no parafuso.
Fontes: Roots, Roots celebrates 170 years of blower and compressor innovation (rootsblower.com); Historical Marker Database, marcador de Connersville sobre o soprador Roots (1854); Google Patents, US 23267 (roda d'água, 15/03/1859, reemitida em 28/02/1860)
O compressor de parafuso, por dentro
Rotor macho de 4 lóbulos e fêmea de 6, cortados para mostrar onde o ar fica preso. Gire, aproxime e toque nos números. Depois veja os rotores girando.
Aponte a câmera do celular para o QR e veja a peça em tamanho real sobre a sua mesa. A peça tem o tamanho de um compressor de bancada pequeno.
Atenção: esta cópia está rodando só no seu computador. O QR funciona quando a aula estiver publicada.
As duas máquinas que o técnico encontra
Um veio da máquina a vapor. O outro, de uma patente sueca dos anos 1930. Juntos, respondem por mais de nove de cada dez compressores industriais.
Um compressor de 32,5 kW trabalha 4 000 horas por ano, a R$ 0,80 por kWh. Quanto gasta de eletricidade por ano, em mil reais?
Compressor de pistão. É simples, barato, e atinge qualquer pressão, com estágios suficientes. Em dois estágios, o ar é comprimido a cerca de 3 bar no cilindro maior, passa por um resfriador intermediário, e é comprimido à pressão final no menor. Tem as desvantagens do movimento alternado: vibração, ruído, pulsação, desgaste de anéis e de válvulas, e arraste de óleo. A maioria é projetada para serviço intermitente: trabalhar 50 a 70 % do tempo, e descansar. Exige reservatório.
Compressor de parafuso. Dois rotores helicoidais, um com lóbulos e outro com sulcos, giram engrenados dentro de uma carcaça. O ar entra por uma extremidade, é aprisionado nos espaços entre os rotores, e esses espaços diminuem à medida que os rotores giram, empurrando o ar para a outra extremidade. Não há válvulas, nem massas alternadas. O fluxo é contínuo, quase sem pulsação.
O papel do óleo no parafuso. No tipo mais comum, óleo é injetado em grande quantidade na câmara de compressão. Ele veda as folgas entre os rotores, lubrifica, e, sobretudo, absorve o calor: o ar sai a 70 a 90 °C, em vez de 250 °C. Depois, um reservatório separador e um filtro coalescente retiram o óleo do ar, e o devolvem ao circuito, passando por um resfriador. O ar segue com 2 a 5 miligramas de óleo por metro cúbico.
O conjunto. Um compressor de parafuso é vendido como unidade completa, em gabinete: filtro de admissão, válvula de admissão, unidade compressora, motor, separador de óleo, resfriadores de óleo e de ar, e painel de controle.
| Pistão | Parafuso com injeção de óleo | |
|---|---|---|
| Regime de trabalho | Intermitente, na maioria. Contínuo nos industriais de baixa rotação | Contínuo, 100 % do tempo |
| Pulsação e vibração | Altas: exige base e reservatório | Baixas |
| Ruído | 80 a 95 dB | 62 a 75 dB, em gabinete |
| Temperatura de descarga | 140 a 200 °C | 70 a 90 °C |
| Óleo no ar | Maior, e crescente com o desgaste | 2 a 5 mg/m³, depois do separador |
| Manutenção | Válvulas, anéis, correias. Frequente e simples | Óleo, filtros e separador, a cada 2 000 a 8 000 horas. Unidade compressora, a 40 000 horas ou mais |
| Rendimento em plena carga | Bom, nos de dois estágios | Bom |
| Faixa em que é a escolha natural | Até 5 a 10 kW, uso descontínuo, ou alta pressão | Acima de 7 a 10 kW, uso contínuo |
A potência e a conta de um compressor
Uma fábrica precisa de 5 m³/min de ar livre, a 7 bar. O compressor tem potência específica de 6,5 kW por m³/min. Qual é a potência? Quanto gasta em um ano de 4 000 horas, a R$ 0,80 por kWh, em plena carga?
- Potência: 6,5 × 5 = 32,5 kW.
- Energia: 32,5 × 4 000 = 130 000 kWh.
- Custo: 130 000 × 0,80 = R$ 104 000.
Rendimento volumétrico. A razão entre o ar que o compressor realmente entrega e o volume que as suas câmaras deslocam. Em um pistão, de 70 a 90 %, por causa do espaço morto, do aquecimento do ar na entrada e de fugas. É por isso que a vazão que interessa é sempre a efetivamente entregue, medida na saída, e não o deslocamento.
Altitude e temperatura. O compressor aspira um volume. Em local alto ou quente, o ar é menos denso, e o mesmo volume contém menos massa. A 1 000 metros de altitude, um compressor entrega cerca de 10 % menos ar, em massa, do que ao nível do mar. Aspirar ar frio é ganho direto: cada 3 °C a menos na aspiração dão cerca de 1 % a mais de ar para a mesma energia.
Como o compressor acompanha o consumo
A fábrica quase nunca consome exatamente o que o compressor fornece. O que ele faz com a sobra decide a conta.
| Método | Como funciona | Consumo com 50 % de demanda | Onde se usa |
|---|---|---|---|
| Liga e desliga | Um pressostato desliga o motor na pressão máxima, e religa na mínima | Cerca de 50 %: parado, não gasta | Pistão pequeno. O motor limita o número de partidas por hora |
| Carga e alívio | A válvula de admissão fecha, e o compressor gira sem comprimir, até a pressão cair | 60 a 70 %, com bom reservatório | Parafuso de velocidade fixa. O padrão |
| Modulação | A válvula de admissão estrangula a entrada de ar, reduzindo a vazão | 80 a 85 % | Parafuso antigo. Pressão estável, e péssimo rendimento em carga parcial |
| Velocidade variável | Um inversor de frequência ajusta a rotação do motor à demanda | 52 a 55 % | Parafuso moderno, com demanda variável |
| Válvula de deslizamento ou espiral | Parte do ar volta à aspiração antes de ser comprimido | 65 a 75 % | Alguns parafusos, em faixas de 50 a 100 % |
| Controle de vários compressores | Um gerenciador liga e desliga máquinas, e deixa só uma regulando | Próximo do ideal | Salas com dois ou mais compressores |
A banda de pressão. Em liga e desliga, e em carga e alívio, o compressor trabalha entre duas pressões: a de entrada em carga, e a de alívio. A diferença, de 0,5 a 1 bar, é a banda. A fábrica precisa da pressão mínima. Tudo o que está acima dela é pressão comprada a mais. Uma banda estreita economiza energia, e exige reservatório maior, para que o compressor não cicle demais. O compressor de velocidade variável mantém a pressão dentro de 0,1 bar do ajuste, e permite baixar a pressão média da rede.
Velocidade variável não é sempre melhor. O inversor tem as suas perdas, de 2 a 4 %. Em plena carga constante, um compressor de velocidade fixa gasta um pouco menos. A combinação que costuma dar o melhor resultado, em salas com várias máquinas: compressores de velocidade fixa cobrindo a base, sempre em plena carga, e um de velocidade variável cobrindo a variação.
O que o perfil de consumo diz. Antes de escolher, mede-se a demanda da fábrica ao longo de uma semana, com um registrador de vazão ou de corrente dos compressores. Três números decidem: o consumo máximo, o médio, e o mínimo, que, com a fábrica parada, é só vazamento.
Quantas partidas por hora
Um compressor de pistão fornece 600 L/min, com reservatório de 300 litros e banda de 2 bar, entre 6 e 8. A demanda é de 300 L/min. Quanto tempo fica ligado e desligado? Quantas partidas faz por hora?
- Tempo ligado: 300 × 2 ÷ (600 − 300) = 2,0 minutos.
- Tempo desligado: 300 × 2 ÷ 300 = 2,0 minutos.
- Ciclo: 4,0 minutos. Partidas por hora: 60 ÷ 4 = 15.
Sala de compressores, e quanto ar a fábrica precisa
Um compressor de 75 quilowatts é, também, um aquecedor de 70 quilowatts. A sala precisa dar conta disso.
Ar de aspiração. Frio, limpo e seco. A tomada de ar não deve ficar junto a fontes de calor, de poeira, de vapores de solvente ou de gases de escape. Poeira aspirada entope filtros, e desgasta a máquina. Vapores de solvente e gases ácidos concentram-se sete vezes na compressão, e atacam o óleo e os componentes.
Ventilação. Quase toda a energia elétrica que entra no compressor sai como calor, pelos resfriadores. A sala precisa de entrada de ar fresco embaixo, e de saída de ar quente em cima, dimensionadas para que a temperatura interna não passe de 40 °C. Sala quente reduz a vazão, degrada o óleo, e desliga o compressor por temperatura. O ar quente pode ser canalizado para aquecer um ambiente, ou a água de um processo: é a recuperação de calor.
Reservatório. Amortece pulsações, separa condensado, estabiliza a pressão, e reduz os ciclos. Como ordem de grandeza: para compressores de parafuso em carga e alívio, um volume, em litros, de cerca de 30 % da vazão por minuto, em litros. Para pistão em liga e desliga, 100 % ou mais. Para velocidade variável, 10 a 20 %. É um vaso de pressão, com válvula de segurança, manômetro, dreno, placa de identificação, e inspeções periódicas obrigatórias pela norma regulamentadora de caldeiras e vasos de pressão.
Outros requisitos. Piso nivelado e resistente. Espaço para manutenção em volta. Drenos de condensado ligados a separador de água e óleo. Proteção contra chuva e poeira. Ruído tratado. Iluminação e acesso.
A vazão de uma pequena fábrica
Consumidores: 8 parafusadeiras de 400 L/min, com fator de uso de 0,3. Uma máquina com cilindros, 350 L/min contínuos. Seis bicos de sopro de 250 L/min, com fator de 0,1. Simultaneidade de 0,8. Vazamentos de 10 %. Reserva de 20 %. Que vazão o compressor deve fornecer?
- Parafusadeiras: 8 × 400 × 0,3 = 960 L/min.
- Máquina: 350 L/min.
- Bicos: 6 × 250 × 0,1 = 150 L/min.
- Soma: 1 460 L/min. Com simultaneidade: 1 460 × 0,8 = 1 168 L/min.
- Com vazamentos e reserva: 1 168 × 1,10 × 1,20 = 1 542 L/min.
O túnel tinha menos de oito quilômetros, e levou vinte e quatro anos. Nos primeiros quinze, perfurado à mão, avançou tão devagar que os jornais o chamavam de o grande furo. Em 1866, chegaram ao canteiro duas novidades: uma perfuratriz movida a ar comprimido, e um explosivo líquido que ninguém nos Estados Unidos tinha usado em obra. O avanço dobrou. No ano seguinte, um incêndio no topo de um poço parou as máquinas, e treze homens ficaram lá embaixo
O túnel de Hoosac, no oeste de Massachusetts, deveria abrir uma rota ferroviária entre Boston e o interior. Começado em 1851, consumiu várias empreiteiras, uma máquina de perfurar gigantesca que avançou três metros e travou para sempre, e a paciência do Estado, que acabou assumindo a obra.
Em 1866, quinze anos depois do início, o túnel recebeu as perfuratrizes de ar comprimido projetadas por Charles Burleigh, engenheiro de uma oficina mecânica da região. Eram as primeiras a funcionar com sucesso nos Estados Unidos, poucos anos depois das dos Alpes. Para alimentá-las, construiu-se uma barragem em um rio próximo, e a água acionava compressores, de onde o ar seguia por tubos até as frentes de trabalho. Onde a água não alcançava, os compressores eram movidos a vapor.
No mesmo ano, a obra adotou a nitroglicerina, fabricada em uma instalação no próprio canteiro, por ser instável demais para o transporte. Com as duas inovações, o avanço mensal mais que dobrou.
Para ganhar frentes de trabalho, estava sendo aberto um poço central, vertical, do alto da montanha até o nível do túnel: mais de 300 metros. No topo do poço, um galpão de madeira abrigava o guincho, as bombas de drenagem e os equipamentos que mandavam ar para o fundo.
Em 19 de outubro de 1867, a iluminação a gás de nafta do galpão provocou um incêndio. A construção queimou em minutos. O guincho, as bombas e o suprimento de ar pararam, e ferramentas e madeira em chamas caíram pelo poço. No fundo, a mais de 160 metros de profundidade naquele momento, estavam treze trabalhadores. Não havia outra saída. Quando um voluntário conseguiu descer por uma corda, no dia seguinte, não encontrou ninguém vivo, e o poço começava a encher de água. Os corpos só foram recuperados um ano depois, e mostraram que os homens tinham sobrevivido algum tempo, e construído uma balsa.
O túnel foi concluído em 1875. Custou, ao todo, perto de duzentas vidas. O método de perfuração a ar comprimido e nitroglicerina, desenvolvido ali, tornou-se o padrão das grandes obras nas décadas seguintes.
Fontes: ASCE, Hoosac Tunnel (marco histórico: perfuratriz Burleigh a ar comprimido e nitroglicerina); Structurae, Hoosac Tunnel
Potência e custo, vazão necessária, regulação em carga parcial, ciclos e reservatório, que compressor é este, qual a escolha, e treino
O primeiro modo calcula a potência e a conta de energia. O segundo dimensiona a vazão. O terceiro compara regulações. O quarto conta partidas. O quinto classifica máquinas. O sexto apresenta decisões. O sétimo sorteia contas.
Quatro erros com compressores
Todos custam energia por anos, e nenhum aparece no dia da compra.
A energia é três quartos do custo da vida.
O compressor superdimensionado vive em alívio.
Cada bar custa 6 a 7 % de energia, e aumenta os vazamentos.
O calor reduz a vazão, degrada o óleo e desliga a máquina.
A conta do compressor C-01
O compressor C-01 entrega 6 m³/min, com potência específica de 6,8 kW por m³/min, e trabalha 4 000 horas por ano em plena carga. A energia custa R$ 0,75 por kWh. Qual é o custo anual de energia desse compressor, em reais?
Compressores no seu trabalho
O técnico em mecânica opera, mantém e, muitas vezes, especifica o compressor. É o equipamento em que mais vale a pena acertar. Clique em um cartão.
Emita o documento do seu trabalho
Os resultados do laboratório entram sozinhos. Complete o que falta, assine e salve em PDF: é a sua peça de portfólio desta aula.
Parecer técnico: consumo de energia e regulação da sala de compressores
| Vazão de ar livre do compressor (m³/min) | |
|---|---|
| Pressão de descarga (bar) | |
| Potência e custo anual de energia | |
| Vazão necessária da fábrica ampliada | |
| Método de regulação analisado | |
| Custo anual da regulação analisada | |
| Recomendação sobre a regulação |
| Conclusão do técnico |
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7 situações de trabalho
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Vazão de ar livre, pressão mínima, e a regulação que decide a conta
O ar sai do compressor quente, saturado de umidade, e carregando óleo e partículas. Se for para a rede assim, estraga tudo o que encontrar. A próxima aula trata do tratamento: o resfriador posterior, os secadores por refrigeração e por adsorção, os filtros, as classes de qualidade do ar, e o destino do condensado.