Introdução à estrutura dos compressores centrífugos

Os principais tipos de compressores a vapor comumente utilizados são os do tipo Roots, centrífugos e de fluxo axial. Os ventiladores centrífugos são normalmente empregados como equipamentos auxiliares de fornecimento de ar e não são incluídos na mesma categoria dos compressores. Os compressores Roots são principalmente adequados para aplicações de baixo fluxo, enquanto os compressores de fluxo axial são projetados para condições de alto fluxo e geralmente são configurados como sistemas de múltiplos estágios. Os compressores a vapor mais amplamente utilizados são os ventiladores centrífugos e os compressores centrífugos.

Os principais tipos de compressores a vapor comumente utilizados são os do tipo Roots, os centrífugos e os de fluxo axial. Os ventiladores centrífugos são normalmente empregados como equipamentos auxiliares de fornecimento de ar e não são incluídos na mesma categoria dos compressores. Os compressores Roots são principalmente adequados para aplicações de baixo fluxo, enquanto os compressores de fluxo axial são projetados para condições de alto fluxo e geralmente são configurados como sistemas de múltiplos estágios. Os compressores a vapor mais amplamente utilizados são os ventiladores centrífugos e os compressores centrífugos.

Os ventiladores centrífugos podem ser utilizados em condições de operação com baixas relações de pressão, até um valor máximo de Π = 1,25. Assim como os compressores centrífugos, o gás entra no rotor axialmente e sai radialmente sob a ação da força centrífuga. O rotor e o carcaça do ventilador são fabricados em chapa metálica soldada, reforçados com nervuras de rigidez conforme necessário. Em geral, não é necessária uma caixa de engrenagens, pois o sistema de acionamento consegue atingir a velocidade de rotação do rotor requerida.

As principais características de um compressor centrífugo de estágio único são seu arranjo compacto, com o impulsor em balanço, o compressor e a caixa de engrenagens montados conjuntamente. O motor, a caixa de engrenagens e o compressor são normalmente instalados sobre uma base comum. A carcaça do compressor é fabricada por fundição ou soldagem. Devido à elevada velocidade periférica do impulsor — superior a 400 m/s —, este sofre esforços significativos e, por isso, é confeccionado com materiais de alta qualidade, como aços cromo‑níquel ou ligas de titânio.

Compressores centrífugos multietapa são utilizados em aplicações que exigem altas vazões e elevadas elevações de temperatura do vapor saturado. Esses compressores são configurados mediante o arranjo de múltiplas etapas ao longo de um eixo comum. Após sair de uma etapa, o gás passa por um difusor e por um canal interetapa antes de entrar no rotor da etapa seguinte. O eixo do rotor gira sobre mancais alojados na carcaça e é acionado por um parafuso helicoidal separado. Para aumentar a eficiência e evitar temperaturas excessivamente elevadas no interior da carcaça, pode-se injetar água nos canais interetapa. Para razões de pressão superiores a Π = 10, unidades de etapa única também podem ser conectadas em série. Quando os rotores são acionados por um conjunto central de acionamento equipado com vários engrenagens de pequeno porte, o compressor pode ser classificado como de dois, três ou quatro rotores.

Impulsor

O impulsor adota uma configuração em balanço, sendo montado na extremidade livre do eixo. Conforme a configuração do compressor, são empregados impulsores semi‑abertos ou fechados. Para razões de pressão mais baixas — correspondentes a menores velocidades na ponta —, os impulsores fechados são preferidos, pois apresentam uma curva de desempenho mais acentuada. Os impulsores podem ser usinados com alta precisão ou fabricados por soldagem. Aços inoxidáveis duplex, que oferecem simultaneamente resistência à corrosão e a resistência mecânica requerida, são amplamente utilizados; outros aços ligados de cromo‑níquel e materiais especializados, como ligas de titânio, também podem ser especificados.

Voluta

Após ser acelerado, o gás sai do impulsor e flui para a voluta e para o difusor tubular, onde sua velocidade diminui e sua elevada energia cinética é convertida em pressão estática. A carcaça de um compressor centrífugo é geralmente fundida ou soldada em aço-liga Cr–Ni; deve-se ter cuidado ao selecionar a espessura da carcaça e as dimensões dos elementos de reforço externos, a fim de garantir que não sejam ultrapassadas as deformações admissíveis — consideração especialmente crítica quando o equipamento opera sob condições de vácuo.

Caixa de velocidades

As engrenagens helicoidais do compressor são integradas ao próprio compressor. Consequentemente, não é necessária nenhuma junta entre as engrenagens e o eixo do compressor. As arruelas de empuxo são montadas no eixo do pinhão de alta velocidade; elas transmitem qualquer empuxo axial residual para o eixo principal de baixa velocidade.

Rolamentos e Sistema de Lubrificação

Os mancais de um compressor centrífugo devem garantir condições de operação estáveis e livres de vibrações, a fim de suportar a rotação em alta velocidade do eixo do pinhão. Nesse sentido, são utilizados mancais de película lubrificante de sapatas radiais basculantes para o eixo do pinhão de alta velocidade, enquanto o eixo principal da engrenagem gira sobre mancais hidrodinâmicos de múltiplas superfícies, e os mancais de empuxo absorvem a carga axial remanescente.
Os rolamentos são lubrificados por óleo pressurizado. Para esse fim, foi instalado um sistema de lubrificação padronizado, composto por um reservatório de óleo, uma bomba de óleo principal, uma bomba de óleo auxiliar, um filtro de óleo e um resfriador de óleo.

Dispositivo de unidade

Uma variedade de motores primários pode ser utilizada para acionar unidades de recompressão a vapor. Para cada condição de operação, o motor é selecionado com base em sua eficiência e no tipo de energia disponível. Motores elétricos são amplamente empregados como acionamentos, apresentando vantagens significativas, tais como tipos e dimensões de carcaças padronizados, baixas relações potência‑peso e potência‑volume, favoráveis relações preço‑desempenho e requisitos mínimos de manutenção.
Podem ser utilizados dois tipos de motores de indução trifásicos: motores de baixa tensão e motores de alta tensão. Em geral, sob tensões de alimentação de 400 V ou 690 V, os motores de baixa tensão podem operar com potências nominais de 630 kW ou 1.250 kW, respectivamente. Já os motores de alta tensão, associados a inversores de frequência, são adequados para aplicações de até aproximadamente 10.000 kW. Os motores de indução trifásicos podem ser operados a velocidades variáveis quando equipados com um inversor de frequência.

Se o vapor residual puder ser recuperado e reutilizado, é também recomendável utilizar uma turbina a vapor de velocidade variável como máquina motriz do compressor. Nesse caso, embora a eficiência de uma turbina a vapor de estágio único seja relativamente baixa, essa questão passa a ser secundária quando o custo é a principal preocupação.

Equipamentos de Monitoramento e Segurança

Para detectar condições anormais durante a operação do compressor, fornecer alertas precoces sobre o desgaste do equipamento e prevenir danos mecânicos, são necessários numerosos dispositivos de monitoramento e segurança. Esses geralmente incluem os seguintes:
　　
　　- Velocidade do impulsor
　　
　　- Monitoramento de Vibração
　　
　　- Nível do tanque de combustível
　　
　　- Bomba de óleo
　　
　　- Resfriador de óleo
　　
　　- Pressão diferencial do filtro de óleo
　　
　　- Vazão de óleo
　　
　　- Temperatura do rolamento
　　
　　- Temperatura do enrolamento do motor
　　
　　- Temperatura do rolamento do motor elétrico
　　
　　- Temperatura da carcaça do compressor
　　
　　- Indicador de deslocamento axial do eixo
　　
　　- Drenagem de condensado
　　
　　- Proteção contra surtos para compressores centrífugos
　　

Controle do Compressor

As unidades de evaporação, geralmente aquecidas por recompressão mecânica do vapor, podem operar de forma estável dentro de uma determinada faixa, mesmo quando parâmetros como a vazão mássica, a pressão e a temperatura sofrem variações ao longo do tempo. Como é frequentemente desejável ajustar a capacidade de evaporação em uma ampla faixa — isto é, operar a carga parcial —, torna-se necessário adaptar a taxa de aquecimento de acordo. As alterações na capacidade de processamento da unidade são obtidas mediante a modificação do perfil de distribuição de temperatura ou de pressão. O projeto do compressor deve estabelecer um equilíbrio entre essas variações operacionais e as exigências de projeto. O desempenho operacional da unidade é caracterizado pelas chamadas curvas características do equipamento ou curvas de desempenho, que representam a relação entre o superaquecimento do vapor de saturação requerido e a vazão mássica do vapor de entrada. Na maioria dos casos, o desempenho operacional da unidade deve ser determinado experimentalmente ou, no mínimo, estimado. Para uma operação otimizada de um sistema de recompressão de vapor, é indispensável que as curvas características do evaporador e do compressor sejam compatibilizadas.

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