XVIII ENCONTRO DE PRODUTORES E CONSUMIDORES DE GASES INDUSTRIAIS TURBOMQUINAS PRINCIPAIS MODELOS E TIPOS USADOS EM PLANTAS DE SEPARAO DE GASES - TEORIA E PRTICA SUMRIO As turbomquinas so provavelmente os componentes mais crticos em termos construtivos e para a disponibilidade operacional de qualquer Planta de Processo e apesar disso so bem conhecidas de apenas uns poucos experts. Este trabalho pretende mostrar de maneira didtica e simples, os seus principais tipos (compressores e turbinas de expanso, j que trataremos daqueles utilizados em Plantas de Separao de Gases do Ar), cobrindo desde seus princpios de funcionamento termodinmico, formas construtivas, usos e vantagens de um modelo sobre outro at aspectos e cuidados a serem tomados quando de sua compra e manuteno.

PALAVRAS CHAVE: MQUINAS DE FLUXO, COMPRESSORES, TURBINAS XVIII ENCONTRO DE PRODUTORES E CONSUMIDORES DE GASES INDUSTRIAIS - Armando Juliani engenheiro mecnico graduado pela ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE DE SO PAULO, em 1986 tendo realizado diversos cursos de especializao na rea de turbomquinas no Vibration Institute (Chicago-IL-USA) e Bently Nevada (Houston-TXUSA) e participado de diversos Turbomachinery Simposyum realizados pela Texas A&M University Houston-TX-USA; est na CEGELEC desde ento, onde ocupa a Gerncia Operacional das Regies S-SE.

1-CLASSIFICAO DAS TURBOMQUINAS As turbomquinas ou mquinas de fluxo podem ser de vrios tipos e servir para vrias aplicaes industriais. A maneira mais simples de tentar classific-las pode ser vista de um modo bastante didtico no esquema abaixo:

TU R B O M Q U IN A S

F O R N E C E M E N E R G IA

C O N S O M E M E N E R G IA (C om pres s ores , B om b as , V en tilad ores , S op radores E tc .)

D IN M IC A S

V O L U M TR IC A S

D IN M IC A S

V O L U M TR IC A S (D E S L O C A M E N TO P O S ITIV O )

TU R B IN A S E X PA N D E RS

M Q U IN A S D E E X PA NS O

M Q U IN A S C E N TR FU G A S S O P R A D O R E S A X IA IS

A L TE R N A TIV A S ENG RENA G EM PA R A FUS O L B U L O S

A O

REA O

F L U X O A X IA L , R A D IA L O U M IS TO

F L U X O A X IA L

F L U X O A X IA L F L U X O R A D IA L

Neste trabalho, como j dissemos, daremos nfase quelas de maior uso em plantas de gases industriais, a saber turbinas de expanso ou expanders e compressores.

2-PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO As mquinas de fluxo do tipo dinmico (em oposio s volumtricas) so aquelas em que o intercmbio de energia entre o fluido e o eixo ocorre por transferncia de quantidade de movimento e essa energia transformada (do tipo cintico para de presso e vice-versa) por meio da mudana das sees de escoamento do fluido. J as volumtricas ou de deslocamento positivo caracterizam-se pela alterao do estado de energia interna do fluido ocorrer em volumes discretos a cada ciclo de operao. 2.1-Turbinas, Expanders e Mquinas de Expanso

So os equipamentos que fornecem energia ao meio externo retirando-a do fluido veiculado atravs da mudana de seu estado, podendo com ela acionar outras mquinas. O processo de expanso de um fluido atravs de uma turbina ou expander (mquinas dinmicas) pode ser explicado da seguinte maneira: Cada estgio de expanso do fluido composto de uma fileira de palhetas fixas (bocais ou nozzles) e outra de palhetas mveis que agem em conjunto de modo a permitir que o fluxo do gs veiculado realize trabalho sobre o eixo. H dois tipos clssicos de projeto de turbinas e expanders: i) Ao ou Impulso: a expanso do gs d-se apenas nas palhetas fixas, sendo esta energia de presso convertida em cintica (o fluido acelerado) e ento impulsiona o eixo (transferncia de quantidade de movimento) por meio das palhetas mveis. ii) Reao: a expanso do gs d-se tanto nas palhetas fixas quanto nas mveis .

Fig. 1 Tipos de Turbina Na prtica h hoje apenas raros casos de uma turbina que seja de ao ou reao pura.

J as mquinas de expanso (hoje raramente usadas), funcionam como um compressor alternativo operando no sentido inverso: o gs expande-se num cilindro custa do aumento de seu volume especfico. 2.2-Compressores So os equipamentos que transferem a energia recebida do meio externo ao fluido veiculado visando aumentar seu estado de energia interna. O processo de compresso de um fluido num equipamento do tipo dinmico o seguinte: i) A roda do compressor transfere a energia mecnica que recebe do acionador atravs de seu eixo para o gs por transferncia de quantidade de movimento, acelerando as partculas do gs (que, assim, tem sua velocidade aumentada). Na sada da roda, o gs tem, portanto, apenas sua energia cintica ( de velocidade) aumentada e no de presso. ii) Os difusores que existem em cada estgio, aps cada roda, convertem a energia cintica do gs em energia de presso atravs do direcionamento e frenagem deste, fazendo essa transformao de acordo com o Princpio da Conservao da Energia. Caso o aumento de presso ocorrido seja suficiente para vencer a presso reinante sada do difusor em qualquer estgio, a operao do compressor normal, ou seja, o fluxo de gs continua em seu sentido correto at a descarga final para a tubulao de processo.

Fig. 2 Fluxo de gs em um compressor centrfugo J num equipamento do tipo volumtrico, o processo de compresso do gs d-se num espao confinado, cujo volume reduzido por ao

mecnica atravs do movimento de um mbolo (mquinas alternativas) ou de engrenagens, lbulos etc. a cada ciclo.

3-EXPANDERS E TURBINAS DE EXPANSO 3.1-Aplicao Chamamos de Criogenia a cincia das temperaturas muito baixas. H ainda certa divergncia sobre a quais seriam estas temperaturas ou sobre qual o limite entre a Criogenia e a Refrigerao; alguns especialistas sugerem o valor de 173 K (- 100 C), outros 143 K (- 130 C), outros ainda a temperatura abaixo da qual os materiais no apresentam um comportamento normal ou esperado. De qualquer forma, a criogenia deve preocupar-se com uma srie de problemas de natureza tecnolgica, a saber: materiais de construo (os quais apresentam caractersticas diferentes quando trabalham a temperaturas muito baixas), mtodos e materiais requeridos para a perfeita isolao trmica, equipamentos para a expanso e compresso de gases, processos, armazenagem, transporte e uso do produto. A criogenia envolve a liquefao e uso de vrios gases que tm temperatura de condensao muito baixas. Estes s so liqefeitos quando resfriados a temperaturas iguais ou menores que suas temperaturas crticas (ponto no qual os estados de lquido e vapor saturado so idnticos independentemente da presso). O ar seco uma mistura de gases (notadamente o nitrognio, oxignio, dixido de carbono e argnio), todos eles com larga aplicao industrial, cuja separao feita pelo processo de liquefao. Uma vez que tal processo, pelo exposto, s ocorre a temperaturas muito baixas resulta a necessidade do frio em plantas de separao de ar. Nitrognio e Oxignio so os principais gases obtidos do ar lquido atravs da destilao fracionada; em muitos casos eles so liqefeitos para sua purificao e/ou simplificar seu armazenamento. Para que as temperaturas muito baixas sejam atingidas necessrio que o gs (ou a mistura de gases) seja expandido (ou apresente uma queda de presso) de uma forma brutal. Esta expanso pode ser obtida de dois modos: seu estrangulamento atravs de uma vlvula de expanso (efeito Joule-Thomson) ou o uso de uma turbina de expanso. A turbina de expanso o meio mais efetivo de se conseguir temperaturas muito baixas em comparao com a vlvula de expanso, uma vez que para a mesma queda de presso, a diminuio

de temperatura maior. Isso se deve ao fato de a expanso do gs que ocorre na vlvula de expanso ser isoentlpica (queda de presso adiabtica irreversvel), enquanto que na turbina esta seja isoentrpica (adiabtica reversvel), idealmente, isto sem admitir perdas. Alm disso, h tambm o fato da expanso realizada atravs da turbina de expanso poder gerar trabalho mecnico. H tambm mquinas de expanso alternativas com caractersticas semelhantes s das turbinas de expanso, hoje em desuso dada a baixa vazo de gs obtida e dificuldades construtivas. 3.2-Principais Caractersticas O princpio termodinmico ideal de funcionamento de uma turbina de expanso (expanso adiabtica reversvel) exposto no item anterior um pouco diferente do real uma vez que as perdas existentes no processo (atritos, folgas etc.) reduzem a queda de temperatura j que o mesmo no na realidade isoentrpico. A eficincia que pode ser conseguida da ordem de 80 a 90% e ser tanto melhor quanto maior for a queda de temperatura atingida (de acordo com a 2 Lei da Termodinmica). A grande maioria das turbinas de expanso so de reao com fluxo radial ou misto. Suas faixas de operao so as mais variadas possveis, uma vez que sua vazo e presses de admisso podem ser controladas pelo uso de VIGV (variable inlet guide vanes), como exemplificamos a seguir: Rotao Entre 10 000 e 60 000 rpm Presso de Admisso At 50 kgf/cm2 abs Presso de Escape At 0,8 kgf/cm2 abs Dimetro do Rotor De 25 a 500 mm Temperatura de Escape At -230 C Potncia na Ponta de Eixo De 100 a 2 000 HP A energia gerada na expanso do gs deve de algum modo ser dissipada ou aproveitada, sem o que, para uma dada vazo de gs, a velocidade de rotao ir aumentar indefinidamente at a destruio do rotor. Quando o processo realizado apenas para a se conseguir frio num resfriador (por exemplo num ciclo simples de separao de ar), a energia gerada dissipada por um freio hidrulico, que consiste num hlice imerso em leo montado no mesmo eixo e do lado oposto roda da turbina de expanso; de outro modo (o mais comum), quando alm de ser utilizado para se conseguir frio num resfriador o gs deve ser novamente comprimido em um booster, a energia gerada utilizada para este fim:

a roda do compressor bastante parecida da turbina e montada no mesmo eixo e do lado oposto a esta ltima (back to back). 3.3-Aspectos Construtivos

Fig. 3 Desenho em corte do Expander 3.3.1-Conjunto Rotativo (Rotor) Composto basicamente pelo eixo, rodas da turbina e compressor ou, eventualmente do freio hidrulico. As rodas so normalmente fundidas em ligas leves (magnsio, alumnio ou titnio) e montadas, quando h o compressor, em oposio (back to back) de modo a reduzir o impulso axial, podendo ser tanto abertas quanto fechadas. O eixo normalmente fabricado em ao-liga, tendo o nquel como principal elemento de liga, uma vez que o mesmo reduz o ponto de transio de fratura dctil para fratura frgil (AISI 3140, 4340, 2317 ou 2330). Vale a pena mencionar que dadas as altas rotaes de trabalho, o conjunto opera normalmente acima de sua segunda rotao crtica; visando reduzir os efeitos deste fato, entre outras coisas, a regio entre mancais apresenta um dimetro grande para aumentar sua rigidez. 3.3.2-Parte Estacionria (Estator)

Do estator, os elementos mais importantes so os mancais, labirintos de selagem e os VIGV (variable inlet guide vanes) tambm chamados de palhetas diretivas ou bocais. Os mancais radiais, devido s altas rotaes, baixas cargas estticas e caractersticas dinmicas advindas das altas rotaes tm o formato trilobular. Observa-se tambm o mancal de escora, normalmente integral aos mancais radiais, destinado a suportar a carga axial originada na expanso do gs. Como j dissemos anteriormente, quando h turbina e compressor, tal efeito minorado atravs da montagem das rodas em oposio (back to back). Os labirintos de selagem servem para separar o gs do leo dos mancais e para reduzir as perdas na expanso e localizam-se no eixo e nas rodas (nas costas e no lado do olho desta); podem ser fabricados de alumnio ou metal patente (quando o labirinto na prpria roda) e so feitos assim para que em caso de eventuais roamentos, o conjunto rotativo no seja danificado. H ainda casos em que a selagem feita por anis de carvo. As VIGV ou palhetas diretrizes servem para controlar a vazo e expandir o gs (palheta estacionria). So normalmente fabricadas em ao inoxidvel austentico, devido presena de altos teores de nquel.

3.4-Pontos Importantes na Especificao de Compra 3.4.1-Aspectos Dinmicos Conforme j dissemos, as elevadas rotaes de trabalho deste tipo de equipamento fazem com que os mesmos operem, muitas vezes, acima de sua segunda rotao crtica. Tal fato, associado aos baixos nveis de vibrao admissveis (da ordem de 25 m p-p ou 1 mil p-p para vibraes de eixo), obrigam o fabricante do equipamento a realizar uma srie de estudos que visam a no ocorrncia de problemas, conforme pode ser observado no quadro abaixo: TIPO RESULTADOS OBJETIVO

Rotaes Crticas

Anlise Mancais

Estabilidade

Resposta Desbalano

- Rotaes crticas no - Selecionar a faixa de amortecidas rotaes de operao a fim - Modos de vibrar de mant-las afastadas das crticas com uma margem de segurana - Posicionar os mancais fora dos pontos nodais dos - Coeficientes dinmicos Melhorar a estabilidade do dos mancais (rigidez e sistema mediante a amortecimento) modificao do projeto dos - Vazo de leo de mancais lubrificao Decrementos Verificar a capacidade do logartmicos sistema de absorver Rigidez cruzada excitaes dinmicas devido a efeitos transitrias (aerodinmicas aerodinmicos por exemplo) - Freqncias naturais amortecidas ao Amplitudes relativas de Verificar as amplitudes de vibrao em funo da vibrao sncrona e rotao minimiz-las por meio da otimizao do projeto, devidas a desbalanos colocados em pontos importantes do sistema

3.4.2-Materiais As ligas de nquel so normalmente utilizadas uma vez que a presena deste elemento ajuda a reduzir a temperatura de transio da fratura dctil para a fratura frgil. Os tratamento trmicos utilizados so os de normalizao e revenimento e eventualmente solubilizao (aos inoxidveis). O uso de ligas fundidas leves (alumnio, magnsio ou titnio) nas rodas feito, entre outras coisas, para melhorar as caractersticas dinmicas do conjunto rotativo, uma vez que a reduo de massa nessas regies altera substancialmente as rotaes crticas e modos de vibrar. 3.4.3-Facilidade de Manuteno Um aspecto muito importante a ser observado na especificao deste tipo de equipamento dada sua importncia a facilidade de manuteno.

H usurios que mantm outro equipamento reserva completamente montada pronta para substituio, em caso de falha, em poucas horas. 3.5-Cuidados de Operao 3.5.1-Cuidados na Partida Durante a partida, certos cuidados devem ser tomados, a saber: Verificar a limpeza do filtro de leo; Verificar a presso do leo e a temperatura dos mancais que no pode ser menor que 0 C; Verificar, antes do incio do procedimento, se a vlvula de corte rpido opera normalmente; Em algumas unidades necessrio gs de selagem externo durante a partida; sendo este o caso, deve ser verificado se o mesmo est alinhado; A elevao da rotao deve ser feita gradativamente (por exemplo em degraus de 2 000 em 2 000 rpm, evitando-se parar prximo das rotaes crticas).

3.5.2-Cuidados Durante a Operao Verificar periodicamente as temperaturas de leo de lubrificao aps os resfriadores e dos mancais; Verificar a evoluo dos nveis de vibrao periodicamente; Verificar atravs das temperaturas de admisso e escape o rendimento da turbina.

Uma das causas mais comuns de falhas em turbinas de expanso o arraste de lquido que danifica a roda desbalanceando o conjunto. Isso se d por problemas de processo e/ou condies operacionais e o melhor modo de se detectar o fato posicionar a instrumentao (TIs e PIs) adequadamente na admisso do gs, alm da existncia de um vaso separador de condensado na admisso. Outro importante problema de operao a formao de gelo na admisso ou escape da turbina, afetando seu rendimento e, em alguns casos, causando o roamento entre este e o conjunto rotativo, danificando-o. O acompanhamento das condies operacionais e o correto posicionamento da instrumentao previnem e ajudam a identificar tal ocorrncia. 3.6-Cuidados na Manuteno

3.6.1-Conjunto Rotativo (Rotor) Aps a desmontagem do equipamento, o conjunto rotativo deve ser submetido a um controle dimensional (notadamente na regio dos moentes e selagem) e de empeno; alm disso, quando a mquina apresenta sensores de vibrao tipo no-contato, a regio de leitura deve ter seu run out verificado e corrigido se for o caso. Dadas as elevadas rotaes a que estes equipamentos podem atingir, especial cuidado deve ser tomado no balanceamento do conjunto rotativo. Este pode ser realizado em mquinas de baixa rotao, desde que sua sensibilidade seja adequada (compatvel com o peso do rotor), havendo vrias metodologias a serem seguidas dependendo do seu tipo e forma construtiva. Recomendamos que tal procedimento seja realizado por empresas idneas e com o acompanhamento de especialistas. 3.6.2-Parte Estacionria Todos os labirintos, anis de selagem e mancais devem ser cuidadosamente inspecionados quanto a desgastes e roamentos e controlados dimensional e geometricamente (notadamente o formato multilobular dos mancais).

4-COMPRESSORES 4.1-Aplicao e Principais Tipos Mquinas do tipo alternativo so utilizadas h sculos, enquanto que as centrfugas tm menos de 80 anos de emprego. Inicialmente, os compressores do tipo centrfugo foram largamente utilizados na indstria siderrgica (anos 1930s) comprimindo ar para o alto-forno ou na coqueria e da passaram a ter mltiplos usos. Sua aplicao original foi estendida para todos os outros gases, incluindo-se o vapor dgua (permitindo o reaproveitamento de energia que, de outra forma, seria perdida), indo desde o fornecimento de ar comprimido para instrumentao ou servio at a compresso de gases de refrigerao (plantas criognicas). Dentre os usurios deste tipo de equipamento, mencionamos: plantas de separao de gases do ar; indstrias qumicas e petroqumicas; indstrias automotivas; plantas de papel e celulose;

indstrias siderrgicas; explorao e refino de petrleo e gs; minerao e metalurgia etc.

Os compressores centrfugos so to usados hoje quanto os alternativos, sendo o nmero de mquinas instaladas, hoje em dia, dos dois tipos, praticamente igual. Hoje em dia, os compressores de todos os tipos so utilizados dentro de uma vasta gama de presses (at 800 kgf/cm2a) e vazes que variam entre 300 e 400 000 m3/h, em oposio aos alternativos usados em vazes menores (at 20 000 m3/h). A potncia absorvida pode variar at um valor que, hoje, chega a cerca de 30 MW. O acionamento deste tipo de equipamento pode ser feito por meio de turbina a vapor ou a gs, expanders ou motores eltricos. Os compressores alternativos (volumtricos ou de deslocamento positivo), diferenciam-se dos compressores dinmicos (centrfugos e axiais) por serem capazes de atingir taxas de compresso muito elevadas em contraposio a uma vazo mais limitada. Os compressores centrfugos diferenciam-se dos axiais no s pelo sentido predominante do fluxo do gs (que nos primeiros eminentemente radial), mas tambm pela vazo e presso de gs que se alcana nestes tipos de mquinas. Nos compressores centrfugos podem ser atingidas altas taxas de compresso em relao s alcanadas pelos axiais; em compensao, nestes ltimos as vazes veiculadas so bem maiores que as dos centrfugos (ver fig. 4).

Fig. 4 Ranges tpicos de presso e vazo de vrios tipos de compressores Esse fato se reflete em suas curvas caractersticas: enquanto que nos compressores centrfugos, para uma reduo pequena na vazo, h um aumento pequeno na presso de descarga (ou head), nos axiais, a elevao brusca, como pode ser observado comparando-se as figuras 5 e 6. Como importante bibliografia para consulta na especificao e compra de compressores, recomendamos que sejam consultadas as seguintes normas do American Petroleum Institute: -API 617: Centrifugal Compressors for General Refinery Services -API 618: Reciprocating Compressors for General Refinery Services -API 672: Packaged, Integrally, Geared, Centrifugal Plant and Instrument Air Compressor for General Refinery Services

Fig. 5 Curvas caractersticas de compressor centrfugo 4.2-Compressores Alternativos

Fig. 6 Curvas caractersticas de compressor axial

Os compressores alternativos, como j dissemos, so mquinas que tm uma concepo muito antiga e ainda hoje apresentam algumas vantagens sobre os centrfugos, a saber: menores custos de aquisio e manuteno; maior confiabilidade operacional grande flexibilidade em termos de capacidade e razo de compresso menor sensibilidade a variaes nas condies do gs veiculado

Fig. 7 Compressor Alternativo 4.2.1-Consideraes de Projeto O elemento mais importante dos compressores alternativos so seus cilindros que dependendo do tipo e tamanho da mquina podem ser de simples ou duplo efeito. H equipamentos em que os cilindros de duplo efeito so utilizados para os estgios de mais baixa presso enquanto que os de simples efeito para os de presses mais altas.

Fig. 8 Cilindro Os cilindros so fabricados normalmente de materiais selecionados por sua resistncia, resistncia corroso, resistncia ao choque e outras; a tabela abaixo nos d uma idia dos materiais mais empregados em funo da presso de trabalho: MATERIAL DO CILINDRO Ferro Fundido Cinzento Ferro Fundido Nodular Ao Fundido Ao Forjado PRESSO DE DESCARGA At 80 kgf/cm2 g Cerca de 100 kgf/cm2 g De 80 a 170 kgf/cm2 g Acima de 170 kgf/cm2 g

A norma API 618 recomenda 70 kgf/cm2 g como sendo a presso limite para o uso de ferros fundidos nodular e cinzento. Outro aspecto importante no projeto o uso de cilindros lubrificados ou no, sendo estes ltimos utilizados para a compresso de ar ou gases onde

seja essencial que no ocorra sua contaminao por leo lubrificante. Nestes casos, o fabricante prev que o cilindro seja projetado com anis de grafite ou outro material resistente ao desgaste (TFE por exemplo) de modo a manter a vedao (e eficincia) durante a operao. No caso de compressores no lubrificados, a seleo apropriada do material das vlvulas tambm essencial para prevenir seu desgaste excessivo. Gostaramos de enfatizar aqui a absoluta necessidade de em que compressores que operem com oxignio, nitrognio e hlio todos os traos de hidrocarbonetos sejam removidos: no primeiro caso por razes de segurana e nos demais para evitar a contaminao do sistema. De um modo geral, as tubulaes de suco e descarga do cilindro so projetadas de um s dimetro e classe pelas seguintes razes: Facilidade de fabricao (fundio e usinagem) Realizao do teste hidrosttico As garrafas de pulsao de suco e descarga so projetadas em funo da presso de descarga devido a regulamentao governamental por questes de segurana.

4.2.2-Dispositivos de Controle As condies de descarga de um compressor alternativo devem ser controladas de modo a satisfazer as condies da demanda requerida. Para manter a vazo constante a despeito de variaes de presso (ou o contrrio), o dispositivo deve atuar alterando sua capacidade. A natureza do controle depender, naturalmente, da varivel a ser controlada e do acionador. - Partida A carga durante a partida deve ser limitada de modo que o torque do acionador no exceda seus limites. Isso feito atravs de unloaders automticos ou manuais que podem apenas ventilar ou aliviar a descarga ou alinhar o gs da descarga para a suco. - Controle de Capacidade H muitas maneiras de se controlar a capacidade de um compressor alternativo em operao a partir da medida da presso de descarga: se esta cai um indicativo de que mais gs requerido, em oposio, se a presso de descarga sobe, a vazo deve ser reduzida.

Em casos onde o acionador pode ter sua rotao varivel (turbinas a vapor) , o controle de capacidade feito sobre a mesma. Quando o acionador um motor eltrico, o controle de capacidade pode ser feito das seguintes maneiras: Dispositivo de partida e parada automtica em funo da demanda de gs: utilizado apenas em mquinas at 100 hp Inlet valve unloaders que mantm as vlvulas de suco abertas durante todo o ciclo clearence unloaders que nada mais so que bolsas utilizadas para aumentar ou reduzir o espao nocivo do compressor (ver fig.9)

Fig. 9 Clearence Unloaders

- Controle de Pulsao de Gs A pulsao um fenmeno inerente ao modo de trabalho de um compressor alternativo dado que as vlvulas de suco e descarga permanecem abertas durante apenas parte do ciclo. A pulsao deve ser controlada de modo a: manter um fluxo de gs suave prevenir a ocorrncia de sobrecargas reduzir a vibrao global do sistema

Normalmente o problema controlado atravs do uso de um vaso de presso dimensionado adequadamente para amortecer a pulsao montado prximo dos cilindros de suco e/ou descarga. 4.3-Compressores Centrfugos Neste captulo tentaremos mostrar de modo bastante simplificado, dada a complexidade do tema, as principais consideraes a este tipo de equipamento que como vimos acima tem larga aplicao em todas as reas industriais. 4.3.1-Projeto das Rodas A roda (impeller) de um equipamento dinmico seu principal componente e consequentemente sua geometria tem um grande impacto sobre a performance da mquina. As rodas podem ser classificadas (fig. 10 e 11) quanto ao sentido predominante do fluxo do gs (radial, misto e axial) e forma construtiva (abertas e fechadas). Em termos prticos, o projeto das rodas caminha do sentido radial para o axial quando se desejam maiores vazes e ao contrrio quando o que se quer so presses mais elevadas; da mesma maneira, as rodas fechadas so utilizadas para presses mais altas e rotaes mais elevadas.

O ngulo de curvatura das ps em relao a tangente roda o elemento fundamental para seu projeto. Como as ps so sempre inclinadas para trs com relao rotao, essa forma construtiva conhecida como Backward Lean (fig. 12).

Fig. 10 Rodas de compressores de fluxo radial, misto e axial

Fig. 11 Rodas tipo aberta e fechada

Fig. 12 Roda de compressor tipo Backward lean O Backward Lean determina o quanto se pode aumentar a presso ou reduzir a vazo antes da ocorrncia do surge da seguinte forma: quanto maior o ngulo (ou menos Backward Lean for a roda), menor ser a variao possvel no fluxo e maior ser o aumento de presso possvel antes do surge; da mesma forma, quanto mais Backward Lean, o range possvel de variao de vazo maior e o de presso menor (ver fig. 13). O uso de rodas fechadas tambm importante dada sua maior eficincia com relao s abertas; o problema que a velocidade perifrica admissvel menor.

Fig. 13 Influncia do Backward lean no range operacional 4.3.2-Formas Construtivas Os compressores centrfugos apresentam-se, basicamente, sob trs formas construtivas, a saber: 4.3.2.1-Horizontalmente Partidos a forma construtiva mais comum, caracterizando-se por ter a sua carcaa partida horizontalmente ao longo de todo o comprimento do eixo e aparafusada em seu plano de juntas. Possui vrias rodas (impellers) montadas em um nico eixo. Normalmente, seu projeto permite a fcil inspeo dos mancais e selagens externas. So utilizados quando se requer baixa ou mdia presso de descarga.

Fig. 14 Vista de um compressor centrfugo horizontalmente partido 4.3.2.2-Barrel Utilizados em servios de mdia e alta presso diferenciam-se dos anteriores por possurem duas carcaas, uma exterior outra. A carcaa interna, bipartida horizontalmente, tem a forma de um barril, montada na externa verticalmente, da seu nome. Normalmente, seu projeto tambm permite a fcil inspeo dos mancais e selagens externas, sem a necessidade de se remover o barrel.

Fig. 15 Vista de um compressor centrfugo tipo Barrel 4.3.2.3-Gear Type Tambm conhecidos como integrally geared centrifugal compressor foram inicialmente desenvolvidos e patenteados pela Mannesmann DEMAG em 1949 e hoje fabricados por diversas outras empresas (INGERSOLL RAND, ALSTOM, JOY, HITACHI, NUOVO PIGNONE, GHH etc.) so constitudos por uma engrenagem motriz de baixa rotao (coroa) que aciona duas ou mais engrenagens de alta rotao (pinhes) montadas em eixos em cujas extremidades localizam-se rodas de compressor.

Fig. 16 Vista de um compressor centrfugo Gear type Este tipo de compressor apresenta caractersticas bastante interessantes entre as quais citamos: tamanho compacto; resfriamento aps cada estgio (melhor rendimento); possibilidade de controle individual para cada estgio; baixo custo comparativo; alta confiabilidade.

4.3.3-Compressores de Eixo nico X Gear Type

De modo a compararmos ambos os gear type e eixo nico, numa mesma base, consideramos as seguintes configuraes: um nico estgio de compressor gear type e de eixo nico com a mesma capacidade (vazo) e taxa de compresso; um compressor gear type de um nico estgio versus um compressor de eixo nico com um nico estgio. compressor gear type de vrios estgios com resfriamento interestgio versus compressor de eixo nico com vrios estgios e resfriamento interestgio. - Vazo Compressores gear-type so geralmente capazes de veicular maiores vazes volumtricas atravs de si, especialmente os de mltiplos estgios, devido orientao axial de suas rodas (impellers) e maiores velocidades (rotaes). Os compressores de eixo-nico tm sua rotao limitada a aproximadamente 16 000 rpm, enquanto que os gear type operam normalmente (ou mais) a at 50 000 rpm. - Razo de Compresso Embora ambos os tipos possam atingir altas razes de compresso, os compressores de eixo-nico, especialmente os tipo barrel atingem nveis de presso de descarga muito mais elevados devido ao projeto de sua carcaa que cilndrica, enquanto que a dos compressores gear type tm um formato tridimensional mais complexo. A forma cilndrica reduz as tenses, embora j se tenha atingido valores de at 300 bars em compressores gear type. - Faixa de Operao e Turndown Em geral, compressores de eixo-nico tm um range de operao mais estreito devido mais baixa razo de compresso por estgio e ao uso de difusores de geometria fixa. Compressores gear type podem ter seu range operacional aumentado pelo uso de difusores de geometria varivel (IGVs e OGVs); entretanto esta soluo introduz maior complexidade ao projeto alm de aumentar seu custo.

Fig. 17 Estgio de compressor com IGV

Fig. 18 Influncia do uso de IGVs e DVs de geometria varivel no range operacional (a API define o turndown como sendo a relao entre a vazo de projeto presso de descarga rated e a vazo em que ocorre o surge nesta presso)

- Consumo Especfico Na grande maioria dos casos, o consumo especfico (ou a potncia consumida por unidade de vazo mssica de gs veiculada) mais baixa em unidades gear type porque as perdas internas so menores e tambm devido possibilidade deste tipo de equipamento poder ter IGVs de geometria varivel que aumentam a performance a baixas vazes. - Empuxo Axial Compressores de eixo-nico necessitam para o equilbrio do empuxo axial gerado na compresso de um pisto de balano que reduz consideravelmente a carga sobre o mancal de escora; isso faz com que o equipamento permanea axialmente equilibrado em qualquer condio de carga (mesmo em transitrios de partida ou parada). J os compressores gear type apresentam cargas axiais elevadas notadamente na partida; a compensao destas cargas feita em parte pelos mancais de escora e em parte pela prpria engrenagem de acionamento (fora axial gerada pelo ngulo da hlice). H dois tipos de projeto para absorver a carga axial excedente: um utiliza mancais de escora de alta eficincia e o outro transfere a carga axial dos eixos-pinho para a coroa (bull gear) por meio de colares de escora localizados nos extremos dos pinhes. - Operao a Rotao Varivel A variao da rotao utilizada em compressores de eixo nico para aumentar o range operacional do equipamento de modo a adapt-lo diferentes condies do gs na suco (vazo e presso); a variao da rotao entretanto passa a perder eficincia em funo de existncia de resfriamento interestgios e de um maior nmero de estgios. Compressores gear type de um modo geral no tm rotao varivel, especialmente em configuraes multi-estgios; a compensao necessria para eventuais alteraes nas condies de suco do gs obtida atravs da presena de IGVs de geometria varivel. - Caractersticas Dinmicas Os compressores gear type operam geralmente acima de seu primeiro modo rgido na configurao de um estgio e acima de seu segundo modo rgido para configuraes de dois estgios; tambm pode operar acima de seu primeiro modo flexvel. Compressores de eixo nico

operam normalmente acima de seu segundo modo rgido e do primeiro modo flexvel. Os mancais dos dois tipos de compressores so projetados, em termos de rigidez e amortecimento, de modo que os conjuntos rotormancais dos compressores gear type operem como corpo rgido, em oposio aos conjuntos rotor-mancais de compressores de eixo nico, facilitando muito sua anlise dinmica lateral; as cargas radiais adicionais geradas nos mancais dos compressores gear type devidas s engrenagens reduzem a necessidade de pr-cargas em seus projetos, tornando seu projeto mais simples. De outro lado, por estarem associados a engrenagens, os compressores gear type necessitam sempre a realizao de anlise dinmica torcional. - Requerimentos de Limpeza Os compressores gear type so menos tolerantes entrada de slidos e lquidos devido alta velocidade de suas rodas (o impacto e eroso decorrentes so muito maiores). A velocidade maior, por outro lado reduz a probabilidade de deposio de sujeira nos rotores, embora tambm amplie o efeito de desbalano causado por possveis depsitos que se formem. - Partida e Parada Ambos os tipos de compressor no apresentam em si limitaes para partida ou parada a plena condio de carga. As recomendaes para a reduo de presso durante a procedimentos de partida devem-se mais a limitaes do acionador que do tipo de compressor. Compressores gear type possuem mais inrcia de partida devido as altas relaes de transmisso entre bull gear e eixos-pinho. - Manuteno As principais diferenas sobre o modo como os dois tipos de compressor iro responder a condies anormais so as seguintes: Compressores de eixo nico

- danos nos mancais devido a elevado desalinhamento entre eixos (acoplamento); - depsitos de sujeira nos difusores devido presena de lquidos condensveis no gs; - eroso em labirintos interestgio e do pisto de balano devido suco de partculas, resultando na reduo da performance e sobrecarga do mancal de escora;

- os danos no conjunto rotativo devido a falhas nos mancais normalmente atingem todos ao estgios, j que eles esto sobre um mesmo eixo. Compressores gear type

- forte eroso nas rodas (impellers) causada pela suco de lquidos ou partculas slidas amplificada pelas maiores velocidades atingidas; - formao de depsitos nos mancais radiais devidos s altas velocidades nas superfcies moentes-mancais, tornando os mancais mais sensveis qualidade do leo lubrificante; - sobrecarga axial causada por presso de descarga excessiva em partidas ou condies de trabalho extremas; - falhas no conjunto rotor-mancais devem resultar em danos nos pares engrenados. - Concluses Como pudemos observar acima, os compressores gear type apresentam uma forma construtiva mais simples (e portanto mais eficiente) que os compressores de eixo nico; no entanto, as altas rotaes envolvidas tornam este tipo de equipamento mais suscetveis a pequenas falhas, tornando-as potencialmente perigosas. Isso faz com que os compressores gear type sejam usados essencialmente para o ar e gases inertes em condies de presso de descarga menores que os de eixo nico e em maiores vazes de gs veiculadas. 4.3.4-Seleo e Especificao Tcnica Os principais cuidados que devem ser levados em conta na seleo e especificao dos compressores so os seguintes: Lista de referncias do fabricante, com os compressores de sua linha em uso em aplicaes similares (gs veiculado, presso e vazo); Tipo de gs para definio das caractersticas do compressor e da sua selagem; As vrias condies operacionais desejadas: presso, temperatura e vazo de suco e as necessidades de presso e temperatura de descarga; Nmero de estgios compatvel com a relao de presses necessria. Deve-se evitar uma relao de presses muito elevada por estgio; Tipo de mancais adequado rotao; Faixa operacional adequada s possveis variaes de vazo que se faam necessrias; Materiais utilizados em sua construo;

Tipo de roda ou impeller (aberta ou fechada, radial ou mista, backward lean ou forward lean etc.); Presena ou no de IGVs ou difusores de geometria varivel; Sistemas de leo de lubrificao e selagem; Sistema de monitorao e controle: vibrao, temperatura dos mancais, presses, temperaturas e vazes de gs etc.; Sistema anti-surge. extremamente importante que a especificao do compressor seja elaborada pelo usurio, uma vez que ningum melhor que ele sabe o que necessita do equipamento. Uma boa e completa indicao dos cuidados a serem tomados na seleo e especificao de compressores centrfugos pode ser obtida com a consulta das normas API 617 e 672.

4.3.5-Manuteno 4.3.5.1-Generalidades Os compressores centrfugos so, de um modo geral, equipamentos de elevada confiabilidade, podendo operar continuamente por longos perodos cobrindo uma ou mais campanhas de operao anuais. Isso se deve em parte sua concepo mecnica relativamente simples, com, praticamente, ausncia total de partes mveis em contato com partes estacionrias. Salientamos, ainda, que so mquinas de tecnologia avanada que incorporam desenvolvimentos de engenharia com vistas a torn-las cada vez mais confiveis e eficientes. Periodicamente, entretanto, dever-se- efetuar uma reviso geral no equipamento visando a verificao detalhada de seu estado interno e a preparao para novas campanhas de longa durao. Os intervalos para execuo dessa manuteno geral dependem muito das condies de operao da mquina e do gs veiculado. Se, por exemplo, o gs for muito sujo e/ou com elementos contaminantes, recomenda-se a realizao de inspees mais freqentes, em prazos de 2 a 3 anos de operao. Para a tomada de deciso recomendamos que sejam analisados, periodicamente, os nveis de vibrao e a eficincia do compressor. Com gases limpos, as campanhas de operao podem ser bem maiores; nesses casos, o ideal seria efetuar-se uma reviso completa a cada 5 ou 6 anos de operao para se verificar se nenhuma anormalidade est-se desenvolvendo nas partes estacionrias.

Conhecemos casos de mquinas em operao h mais de 10 anos sem terem sido abertas havendo, porm, um risco potencial que no pode ser desprezado: o longo tempo de operao resulta em probabilidade de aparecimento de problemas devido a envelhecimento de componentes. Nas revises recomenda-se, no ato de abertura da carcaa, observar o estado interno do rotor, difusores, planos de junta etc. e efetuar medio de folgas entre as partes fixas e mveis antes da remoo do rotor. Isso possibilitar a anlise criteriosa de detalhes importantes que sero perdidos aps sua limpeza. Em seguida, o rotor e os difusores devem ser removidos para limpeza (normalmente, o rotor jateado com xido de alumnio), cuidadosa inspeo com lquido penetrante para a pesquisa de eventuais fissuras e controle dimensional e geomtrico. Deve-se ainda examinar os mancais e sistemas de selagem quanto a seu estado, folgas, aparncia e aderncia do metal-patente etc. Os equipamentos auxiliares, como os sistemas de leo de lubrificao e selagem, devem tambm ser revisados; o leo do tanque precisa ser cuidadosamente avaliado quanto a seu estado. Na montagem, aps a reviso, dever ser realizado um cuidadoso oil flushing com o fluxo desviado dos mancais com telas de malha fina, para avaliao do estado de limpeza do sistema de lubrificao como um todo. 4.3.5.2-Mancais Os mancais radiais normalmente so dos tipos multilobulares ou de sapatas oscilantes para eixos que operam a maiores rotaes e cilndricos para rotaes menores. Os mancais de escora podem ter sapatas fixas ou oscilantes.

Fig. 19 Tipos de mancais radiais Na montagem deve-se tomar extremo cuidado quanto orientao das sapatas e cunhas de leo, uma vez que seu projeto leva em conta a

direo da carga que atua sobre os mesmos a qual composta por duas parcelas: uma esttica e outra dinmica.

Fig. 20 Mancal axial

4.3.5.3-Selagens O sistema de selagem utilizado depende muito do gs veiculado. Entre estgios so utilizados labirintos (buchas com lminas circunferenciais que apresentam folga mnima em relao ao eixo, formando cmaras de expanso do gs que minimizam sua fuga); os selos externos podem ser tambm por meio de labirintos (ar ou nitrognio, por exemplo), selos mecnicos, com anis flutuantes ou de carvo ou ainda os dry seals que dispensam o uso de leo de selagem utilizando gs de barragem.

Fig. 21 Labirintos Os danos que podem ocorrer dependem do tipo da selagem (labirintos ou selo mecnico), sendo os originados por contato mecnico indevido, em qualquer caso, os mais comuns.

Fig. 22 Selos Diversos Podemos encontrar lminas de labirintos amassadas ou soltas (quando as mesmas so cravadas no rotor ou estator), travamento ou desgaste de anis flutuantes causados, por exemplo, por montagem inadequada, roamentos devido a folgas muito reduzidas ou elevada vibrao, etc.

Fig. 23 Dry seal 4.3.5.4-Acoplamentos Normalmente para este tipo de mquina so utilizados do tipo de engrenagem ou diafragma que permitem acomodar um certo grau de desalinhamento. Em virtude das prprias caractersticas construtivas, o carretel do acoplamento relativamente longo, o que permite maior tolerncia para desalinhamentos; entretanto, um carretel longo significa maior peso podendo tornar-se uma fonte de excitao de vibraes.

Fig. 24 Tipos de acoplamentos utilizados 4.3.5.5-BALANCEAMENTO DINMICO Aps qualquer servio de limpeza e/ou recuperao do conjunto rotativo, este deve ser submetido a um procedimento de balanceamento dinmico. Este deve ser feito seguindo-se os procedimentos e cuidados adequados para cada tipo de rotor (rgido ou flexvel, rodas entre mancais ou em balano, etc.). Quanto a isso, vale a pena mencionar que temos observado algumas dvidas entre nossos clientes sobre a adequabilidade de se efetuar o balanceamento de rotores que operem acima de suas rotaes crticas em mquinas de balancear de baixa rotao. Tais dvidas parecem decorrer de informaes parciais ou incompletas fornecidas por terceiros, dando margem a interpretaes incorretas. O receio nesse caso de que o rotor balanceado em baixa rotao no ir se comportar bem em sua rotao normal de operao. Entretanto, o balanceamento em mquina de balancear de baixa rotao praticado h muito tempo por fabricantes de turbinas e compressores centrfugos, por meio de tcnicas apropriadas sempre com bons resultados. Temos executado, rotineiramente, balanceamentos dessa natureza sem qualquer problema. O custo de se enviar o rotor para o exterior apenas para execuo do balanceamento em alta rotao (em cmaras de vcuo que no existem no Brasil) torna essa soluo economicamente invivel, alm do prazo de execuo ser sempre longo. 4.3.6-Cuidados Especiais 4.3.6.1-O Surge Todos os compressores chamados dinmicos (tipo centrfugo ou axial) so susceptveis a um fenmeno de instabilidade operacional conhecido

como surge (em ingls) ou pompage (em francs). Tal fenmeno bastante prejudicial e necessita ser evitado a qualquer custo uma vez que, quando um compressor entra em surge, as presses e vazes do gs pulsam erraticamente, o(s) rotor(es) entra(m) em vibrao anormal e a intensidade de rudo pode atingir nveis assustadores; as temperaturas de suco elevam-se consideravelmente. Com o aumento da vibrao podem ocorrer danos por contato entre partes fixas e mveis sendo, geralmente, afetados os labirintos e at mesmo os mancais radiais e de escora (axial). A explicao de como o mesmo ocorre no muito simples. Ele est ligado ao modo como opera o compressor tipo dinmico (ver item 2.2). O fenmeno do surge acontece, exatamente, quando a presso que o gs adquire na sada do difusor no suficiente para vencer aquela existente no meio seguinte (presso de descarga do estgio). A h, ento, a frenagem da corrente de gs mesmo com o rotor do compressor girando. Instantaneamente ocorrem problemas de turbilhonamento do gs dentro dos estgios e inicia-se o seu refluxo para a suco. Nesse ponto, entretanto, a presso na descarga do difusor comea a se reduzir uma vez que ela era mantida com o fluxo constante do gs da suco para a descarga. Quando essa presso cai , o conjunto roda-difusor, imediatamente, fica em condies de fazer o gs vencer a nova presso do meio, restabelecendo o fluxo em direo descarga. Em conseqncia, a presso no meio comea a se elevar outra vez at a mesma condio inicial, repetindo-se o processo. O intervalo de tempo, entre cada ciclo, varia, em geral, de caso para caso, no passando, porm, de fraes de segundo, fazendo com que o compressor oscile e trepide com violncia, gerando ondas sonoras caractersticas. O problema s pode ser resolvido reduzindo-se a presso na descarga ou alterando-se sua rotao para uma nova condio de equilbrio. A partir da compreenso de como e porqu o surge ocorre, fica fcil entender a importncia de se saber em que condies ele acontece para um determinado compressor. Conhecendo-se sua linha podemos determinar a curva de proteo ao surge (aquela que regula a abertura das vlvulas de alvio atmosfrico ou blow-off e/ou as de reciclo) e o range operacional do compressor. A API define o turndown como sendo a relao entre a vazo de projeto presso de descarga rated e a vazo em que ocorre o surge nesta presso, estabelecendo que ele deve ser de no mnimo 60% para compressores gear type. Da maneira como foi descrito, percebe-se que o surge pode ocorrer em qualquer dos estgios do compressor, pois cada estgio preocupa-se

apenas com as suas condies de suco e descarga. Em geral, quando o surge ocorre, no sabemos, a priori, dizer em qual dos estgios. Entretanto, a reduo da presso de descarga do compressor, como um todo, reflete-se em todos os estgios, sendo esta a forma mais comum para o controle do fenmeno. As presses de suco, descarga e vazo do compressor dependem do sistema ao qual o mesmo est ligado, portanto a condio em que o surge ocorre depende da instalao e varia de um compressor para outro e do gs que est sendo comprimido. Nas curvas caractersticas do compressor so assinalados os pontos de ocorrncia do surge e a linha que une esses pontos chamada de linha de surge. Atravs do conhecimento da linha de surge so desenvolvidos sistemas automatizados de proteo contra a ocorrncia desse fenmeno.

Fig. 25 Curvas caractersticas Tais sistemas so conhecidos como sistemas de controle anti-surge e constam basicamente do seguinte: um sensor de vazo do gs, outro de presso de descarga e um dispositivo lgico que compara essas informaes com a posio da linha de segurana contra o surge. Quando o compressor estiver operando numa condio sobre ou esquerda dessa linha de proteo, o dispositivo lgico comanda a abertura da vlvula anti-surge que aumenta a vazo e/ou reduz a presso de descarga. Essa vlvula conhecida como vlvula de reciclo para sistemas fechados ou blow-off para sistemas abertos (ar). Normalmente, essa linha de segurana situa-se 10% em vazo a mais do que a linha de surge para se evitar qualquer risco. Salientamos que a

vlvula anti-surge deve permanecer fechada quando a mquina estiver em operao normal para economia de energia.

Fig. 26 Sistema de controle Anti Surge 4.3.6.2- Filtros de Suco (ar) Nos compressores de ar importante que o filtro de suco esteja sempre em boas condies e que seja adequado para evitar a entrada de partculas que possam vir a depositar-se nas rodas, provocando o desbalanceamento dinmico do conjunto rotativo. J houve casos em que esse problema trouxe muita intranqilidade a um cliente, por este desconhecer a causa do aumento gradual da vibrao. Uma anlise de vibraes levou concluso de que o problema era desbalano residual simples e, conhecidas suas causas e caractersticas da mquina, decidiuse pela sua operao controlada at uma parada programada para limpeza das rodas, resolvendo-se o problema. 4.3.6.3-Monitorao De um modo geral, os compressores apresentam no mnimo os seguintes sistemas de monitorao: Temperatura dos mancais radiais e axial; Deslocamento axial do eixo; Vibrao de eixo; Proteo contra o surge.

muito importante que todos esses sistemas funcionem adequadamente de modo a impedir uma anlise falsa das condies do equipamento. So inmeros os casos de que problemas na monitorao levaram nossos clientes a uma interveno desnecessria no equipamento.