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2025-03-20 11:40:25 André Casaleiro: Added attachment(s): Compressores_de_Ar.md.| /dev/null .. Utilidades industriais/Compressores_de_Ar.md | |
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| + | Universidade de Coimbra |
| + | Mestrado Integrado em Engenharia Química |
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| + | **COMPRESSORES DE AR** |
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| + | **INDUSTRIAIS** |
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| + | Integração e Intensificação de Processos Diogo Lucas |
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| + | Orientador: |
| + | Professor Doutor Nuno Oliveira |
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| + | Diogo Alexandre Lima Lucas Fevereiro de 2020 0 |
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| + | Compressores de Ar Industriais ![ref1] |
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| + | 1. **Caraterização e funcionamento** |
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| + | O ar comprimido é frequentemente utilizado na indústria (ver Anexo A), sendo considerado uma “quarta utilidade”, a par da água, gás e eletricidade [1]. Atualmente, uma grande parte das instalações industriais, tem sistemas de ar comprimido, cujo papel é de tal forma vital que as instalações não podem operar sem este recurso. Um típico sistema industrial de ar comprimido é constituído por vários subsistemas importantes, sendo um dos principais o Compressor de Ar [2]. |
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| + | Os Compressores de Ar podem ser definidos como equipamentos ou dispositivos mecânicos que comprimem / compactam o ar atmosférico, exercendo uma forte pressão sobre o fluido, de modo a que este ocupe o menos espaço possível, mas acumulando mais energia [3]. |
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| + | Matematicamente é possível resumir o funcionamento de um Compressor de Ar, através da relação existente entre pressão ( ), volume ( ) e temperatura ( ) [1]: |
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| + | ~ <=> . ~ (1) |
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| + | Assim, à medida que o diminui, a e a aumentam. Portanto, a atuação do Compressor de Ar traduz-se em absorver o ar atmosférico e diminuir o seu , o que resulta num aumento da e da . Essa tem utilização imediata ou é armazenada em Tanques para uso futuro. |
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| + | Quanto à sua constituição, os Compressores de Ar têm três componentes básicos (Figura 1) [4] [5]: |
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| + | - *Drive* - gera energia para que os outros componentes do dispositivo possam operar. Pode ser um motor a gás ou elétrico. Este último requer eletricidade para funcionar, geralmente uma tomada elétrica. No caso de compressores mais portáteis, as baterias podem fornecer eletricidade ao motor; |
| + | - Bomba - considerada como o “coração e a alma” do compressor. De certa forma, é o próprio compressor que, ao usar a energia da *Drive*, extrai o ar atmosférico e comprime-o. Esse ar comprimido será posteriormente enviado, através de um tubo de descarga, para um Tanque de armazenamento; |
| + | - Tanque de armazenamento - local de armazenamento do ar comprimido. O ar comprimido permanece sempre no Tanque até ser necessário o seu uso. De referir que, o Tanque é equipado com uma válvula de retenção que impede o ar comprimido de aplicar contrapressão na Bomba. |
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| + | **Figura 1-** Esquema dos componentes básicos de um Compressor de Ar da *Campbell Hausfeld* [5]: 1) *Drive*; 2) Bomba; |
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| + | \3) Tanque de armazenamento\. ![ref2] |
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| + | 2. **Classificação** |
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| + | Os Compressores de Ar podem ser classificados de acordo com a pressão por estes fornecida, tal como é exibido na Tabela 1, sendo assim organizados em compressores de baixa, média e alta pressão [6]. |
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| + | **Tabela 1-** Compressores de Ar classificados de acordo com a pressão fornecida [6]. |
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| + | |**Compressores de Ar** |**Pressão fornecida (psi)** | |
| + | | - | - | |
| + | |Baixa-Pressão Média-Pressão Alta-Pressão |<p>≤ 150 </p><p>151 – 1000 </p><p>> 1000 </p>| |
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| + | Outra possibilidade de classificação dos Compressores de Ar é baseada no *design* e operação, havendo assim duas famílias distintas de tipos de compressores: Deslocamento-Positivo e Dinâmicos. A seguir, encontra-se ilustrada na Figura 2, a “árvore” de família dos compressores, para uma melhor interpretação desta forma de classificação, antes de se proceder à explicação detalhada de cada tipo [2]. |
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| + | **Figura 2-** "Árvore" de família dos compressores (adaptada de *US Department of Energy*, 2003) [2]. |
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| + | Nos **Compressores de Deslocamento-Positivo**, a compressão do ar dá-se pela redução física do volume de uma massa constante de ar [7]. Estes compressores subdividem-se, ainda, em dois tipos: Alternativos e Rotativos. Os **Compressores Alternativos** estão disponíveis em tamanhos cuja potência pode variar entre 1hp (ou mesmo inferior) e 600hp (ou superior) [2], consistindo num ou mais pistões (mecanicamente ligados a uma cambota que, por sua vez, está adaptada a um motor elétrico ou motor de combustão interna) que se movem no interior de um ou mais cilindros. A potência consumida, no processo de compressão, pode ser consideravelmente reduzida, se a compressão do ar for executada em dois (Figura 3) ou mais estágios, com refrigeração do ar entre estágios (*intercooler*), melhorando o desempenho. O *intercooler*, presente nas Figuras 3 e 4, consiste num permutador de calor projetado para reduzir a temperatura do ar comprimido proveniente do primeiro estágio [7]. ![ref2] |
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| + | **Figura 3-** Compressor Alternativo a dois estágios [7]. **Figura 4-** *Intercooler* para Compressores Alternativos [8]. De referir que, os Compressores Alternativos também se subdividem em dois tipos, tendo como fator distintivo a forma de atuação dos cilindros: **Ação-Simples**, existindo apenas uma sucção e uma compressão por ciclo para cada cilindro, e **Dupla-Ação** (Figura 5), em que a compressão do ar tem lugar em ambos os lados do pistão, implicando o dobro da compressão por revolução [7]. |
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| + | **Figura 5-** Compressor Alternativo de Dupla-Ação [7].  |
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| + | Quanto aos **Compressores Rotativos**,** cuja popularidade é elevada na indústria americana, estão disponíveis numa gama de tamanhos que varia entre os 30 e 200hp [2]. Nestes compressores, a redução de volume não é alcançada por pistões, mas pelo movimento rotativo de um conjunto de peças móveis. Têm a vantagem de fornecer um fluxo de ar praticamente contínuo, sem grandes componentes de alta frequência, e a trepidação associada é muito menor, dada a forma como são concebidos [7]. |
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| + | O tipo mais conhecido dos Compressores Rotativos designa-se por **Parafusos-Helicoidal** (ou simplesmente, de Parafusos-Rotativo), representado na Figura 6, sendo caraterizados por ter um baixo custo inicial, um tamanho compacto e um baixo peso associado [2]. São concebidos a partir de dois parafusos, um com contorno convexo e outro côncavo. O ar é aprisionado numa cavidade entre espirais adjacentes e obrigado a comprimir por redução do volume [7]. |
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| + | **Figura 6-** Compressor Rotativo de Parafusos-Helicoidal [9]. ![ref2] |
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| + | Outros tipos de Compressores Rotativos, menos usuais na indústria, podem ser os de **Anel-Líquido**, de ***Scroll*** e de **Palhetas-Deslizantes** (sujeitos a constante injeção de lubrificante para redução de atrito e colmatação de fugas) [2] [7]. |
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| + | Nos **Compressores Dinâmicos**, o fenómeno de compressão é devido à transmissão de energia cinética para o ar, acelerando-o [7]. Ao contrário dos Compressores de Deslocamento-Positivo, que trabalham com fluxo constante, os Compressores Dinâmicos trabalham com pressão constante e o desempenho é afetado por condições externas, como mudanças nas temperaturas de entrada [10]. Estes compressores subdividem-se em dois tipos: Centrífugos (ou Radiais) e Axiais (Figura 7). Os **Compressores Centrífugos (ou Radiais)** são os mais comumente utilizados, sendo bastante mais fáceis de projetar e tendo o ar um escoamento à saída perpendicular ao eixo. São adequados a situações em que é necessário comprimir uma grande quantidade de ar a alta pressão. Nos **Compressores** **Axiais**, o escoamento do ar é paralelo ao eixo e são adequados para grandes caudais e pressões de descarga até 30bar [11]. |
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| + | **Figura 7-** Compressor Dinâmico Centrífugo (esquerda) e Axial (direita) [12].  |
| + | |
| + | 3. **Custos do ciclo de vida** |
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| + | Os custos do ciclo de vida dos Compressores de Ar são organizados em três vertentes: *Capital Expenditure* (CAPEX) ou Custos de Investimento, Custos de Manutenção e Custos de Energia. Destes custos enunciados, aquele que tem maior relevância no ciclo de vida de um Compressor de Ar prende-se com o consumo de energia, sendo seguido da manutenção do compressor e, por último, do investimento inicial executado [13]. |
| + | |
| + | Como o objetivo de todas as instalações industriais é fornecer o maior volume de ar, usando a menor quantidade de energia possível, é importante perceber quais são as necessidades específicas de capacidade de ar e como é efetuada a sua gestão. Existem, assim, cinco elementos-chave que permitem determinar os Custos de Energia de um compressor [13]: |
| + | |
| + | - Potência nominal (classificação da potência do motor que alimenta o compressor de ar); |
| + | - Eficiência do motor (eficiência operacional do motor); |
| + | - Fator de serviço (valor acima da potência nominal que um motor pode atingir, sem se danificar); |
| + | - Horário de funcionamento (número de horas de operação do Compressor de Ar, anualmente); ![ref2] |
| + | - Taxa de energia (custo de energia atualizado do fornecedor). |
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| + | Deste modo, o cálculo do Custo Energia anual do Compressor de Ar obtém-se a partir da equação [13]: |
| + | |
| + | ê × ç × á × |
| + | |
| + | = (2) |
| + | |
| + | ê |
| + | |
| + | No que respeita aos Custos de Manutenção, é necessário compreender que todos os equipamentos requerem sempre atividades de manutenção e substituição de artigos para se assegurar a sua operacionalidade com eficiência. É o que sucede com todos os Compressores de Ar que requerem, obrigatoriamente, produtos consumíveis para substituição, de modo regular, tais como filtros, separadores e óleos, no âmbito da sua manutenção [13]. |
| + | |
| + | Embora possa ser um processo complexo analisar todo o custo do ciclo de vida de um Compressor de Ar, todavia torna-se essencial para uma melhor compreensão do seu custo-benefício [13]. Deste modo, a tomada de decisão para a escolha de um compressor tem de ter em consideração o custo do seu ciclo de vida, englobando os Custos de Investimento associados à sua aquisição, aos Custos de Energia e aos Custos de Manutenção. ![ref2] |
| + | |
| + | 4. **Referências Bibliográficas** |
| + | 1. – Air Compressor Works, Inc (2017). *Compressed Air Basic Part1: The Fourth Utility*. Acedido a 19 de Fevereiro de 2020, em: https://aircompressorworks.com/compressed-air-basics-part-1-the-fourth-utility/ |
| + | 1. – US Department of Energy (2003). *Improving Compressed Air System Performance*. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech\_assistance/pdfs/compressed\_air\_sourcebook.pdf |
| + | 1. – Informativos Industriais (2019). *Detalhes dos compressores de ar e seus componentes*. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: http://www.exotech.com.br/detalhes-dos-compressores-de-ar-e-seus-componentes/ |
| + | 1. – Carbibles (2019). *How Does an Air Compressor Work?*. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: https://www.carbibles.com/how-air-compressors-work/ |
| + | 1. – Campbell Hausfeld (2020). *How Does an Air Compressor Work*. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: https://www.campbellhausfeld.com/how-does-an-air-compressor-work-campbell-hausfeld.html |
| + | 1. – United States Naval Education and Training (2004). *Machinist’s Mate 3 & 2*. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: http://militarynewbie.com/wp-content/uploads/2013/11/NAVEDTRA-14151-Machinists-Mate- 3-2-Surface.pdf |
| + | 1. – Coelho (2005). *Pneumática e Automatismos - Princípios e Conceitos Fundamentais*. Acedido a 22 de Fevereiro de 2020, em: http://www.ipb.pt/~jpcoelho/CET/pneum.pdf |
| + | 1. – IndiaMART, TDK Die Castings (2020). *Compressor Intercooler* [Figura]. Acedido a 22 de Fevereiro de 2020, em: https://www.indiamart.com/tdkdiecastings/compressor-inter-cooler.html |
| + | 1. – Gfycat (2017). *Curso Compressor Parafuso - ar comprimido GIF* [Figura]. Acedido a 21 de Fevereiro de 2020, em: https://gfycat.com/everlastingheavyblackpanther |
| + | 1. – The Compressed Air Blog (2015). *How it Works: Centrifugal Compressors*. Acedido a 21 de Fevereiro de 2020, em: https://www.thecompressedairblog.com/how-it-works-centrifugal-compressors |
| + | 1. – Fundação Saúde Governo do Estado do Rio de Janeiro (2016). *Anexo I do TR*. Acedido a 21 de Fevereiro de 2020, em: http://www.fundacaosaude.rj.gov.br/fidelidade/wp- content/uploads/2017/12/ANEXOSDOTR.pdf |
| + | 1. – AerMech (2015). *Centrifugal Compressors vs Axial Compressors* [Figura]. Acedido a 21 de Fevereiro de 2020, em: https://aermech.com/centrifugal-compressors-vs-axial-compressorsworking- principleengineering-explained/ |
| + | 1. – FS-Elliott Co., LLC (2016). *The Hidden Costs of Air Compressor Operation*. Acedido a 22 de Fevereiro de 2020, em: https://www.energymanagertoday.com/wp-content/uploads/2017/06/The-Hidden-Costs-of-Air- Compressor-Operation-White-Paper.pdf ![ref2] |
| + | 5. **Anexo A – Utilização do Ar Comprimido na Indústria** |
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| + | **Tabela 2-** Sectores Industriais que utilizam Ar Comprimido [2]. |
| + | |
| + | **Industry Example Compressed Air Uses ** |
| + | |
| + | Apparel Conveying, clamping, tool powering, controls and actuators, automated equipment Automotive Tool powering, stamping, control and actuators, forming, conveying |
| + | |
| + | Chemicals Conveying, controls and actuators |
| + | |
| + | Food Dehydration, bottling, controls and actuators, conveying, spraying coatings, |
| + | |
| + | cleaning, vacuum packing |
| + | |
| + | Furniture Air piston powering, tool powering, clamping, spraying, controls and actuators General Manufacturing Clamping, stamping, tool powering and cleaning, control and actuators |
| + | |
| + | Lumber and Wood Sawing, hoisting, clamping, pressure treatment, controls and actuators |
| + | |
| + | Metals Fabrication Assembly station powering, tool powering, controls and actuators, injection |
| + | |
| + | molding, spraying |
| + | |
| + | Petroleum Process gas compressing, controls and actuators |
| + | |
| + | Primary Metals Vacuum melting, controls and actuators, hoisting |
| + | |
| + | Pulp and Paper Conveying, controls and actuators |
| + | |
| + | Rubber and Plastics Tool powering, clamping, controls and actuators, forming, mold press powering, |
| + | |
| + | injection molding |
| + | |
| + | Stone, Clay and Glass Conveying, blending, mixing, controls and actuators, glass blowing and molding, |
| + | |
| + | cooling |
| + | |
| + | Textiles Agitating liquids, clamping, conveying, automated equipment, controls and |
| + | |
| + | actuators, loom jet weaving, spinning, texturizing ![ref2] |
| + | Diogo Alexandre Lima Lucas 7 |
| + | |
| + | [ref1]: Aspose.Words.92c43248-f892-471d-8115-7670424ed33d.002.png |
| + | [ref2]: Aspose.Words.92c43248-f892-471d-8115-7670424ed33d.005.png |