Fundamentos do compressor de ar centrífugo Parte II - Compreendendo a curva de desempenho básico

Por Hank van Ormer, Editor colaborador

A Parte I explicou a terminologia necessária para entender as operações centrífugas. A Parte II analisa curvas típicas de desempenho operacional e como interpretá-las.

Um compressor de ar centrífugo opera em uma variedade de fluxos e pressões de descarga. A curva de desempenho operacional é modelada pelos componentes internos individuais selecionados e afetada pelas condições operacionais, como pressão de entrada, temperatura de entrada e temperatura da água de resfriamento.

O processo de compressão dinâmica, aplicado em um estágio operacional do compressor centrífugo, é a velocidade e a energia cinética convertidas em pressão e temperatura à medida que o fluxo é restrito. Outro termo para esse processo é fluxo de massa - o requisito de energia para fornecer o cfm nominal de fluxo na pressão nominal (psig) é determinado pelo peso do ar (alguns fabricantes também usam o termo “densidade”).

O requisito de energia nesse tipo de processo de compressão, quando as partes internas do projeto não são consideradas, depende basicamente do peso do ar que passa pela máquina. Ignorar cargas parciais controla qualquer coisa que aumente ou diminua o peso do ar que passa pelos estágios até o fluxo final, e a pressão terá um impacto direto na energia de entrada.

Figura 1a. Efeito da temperatura do ar de entrada na pressão de descarga

Figura 1b. Efeito da temperatura do ar de entrada na potência

Aumentar a temperatura de entrada aliviará o fluxo total de ar fixo e fornecerá menos ar utilizável ao usuário (scfm) e reduzirá o requisito de energia de entrada. Temperaturas mais baixas produzirão o efeito oposto.

Reduzir a pressão de entrada (altitude, pressão negativa da sala do compressor, filtro de entrada sujo / de tamanho ruim) aliviará o fluxo de ar comprimido (cfm) que viaja pelos estágios, resultando também em menos ar utilizável (scfm) com menor necessidade de energia de entrada. Pressão de entrada mais alta terá o efeito oposto.

O aumento da temperatura da água de resfriamento terá novamente o mesmo efeito de “iluminação” no ar comprimido através dos estágios e requisitos de energia das condições anteriores.

O efeito líquido real de qualquer uma dessas condições depende da curva de desempenho real e das características aerodinâmicas do projeto. Este também é o caso da pressão de descarga com um estágio de compressor de roda fixa ou impulsor / difusor / velocidade.

Aumentar a pressão de descarga normalmente deixará o efeito de aumentar o peso da corrente de ar comprimido através dos estágios, o que resultará em menos fluxo de ar utilizável (scfm) frequentemente na ou próximo à mesma potência de entrada. A redução da pressão geralmente permite mais fluxo na mesma entrada de energia ou similar. O desempenho específico da máquina real é abordado mais adiante neste documento.

Entendendo as curvas de operação do fabricante centrífugo

Os dados devem ser equalizados para:

• SCFM ou Nm ³ / h com carga total e parcial

• Potência de entrada em kW

• Pressões em psig ou bar (apenas usando psia para converter de icfm / acfm para scfm)

Figura 2. Curvas típicas de desempenho centrífugo

O que são Turndown, Stonewall e Rise to Surge?

Uma vez que um impulsor é projetado e uma velocidade definida, é estabelecida a energia que uma libra de ar absorverá ao passar pelo impulsor.

Um compressor centrífugo libera uma libra de ar com um gasto constante de energia - inverno ou verão. O volume real de ar de entrada a ser comprimido variará por um período de tempo com as condições de entrada de pressão e temperatura.

Aumentar para aumentar: À medida que mais ar comprimido é produzido do que o necessário, o compressor centrífugo deve descarregar ou fornecer menos ar para evitar excesso de pressão. Cada compressor centrífugo tem uma pressão máxima que pode atingir para condições específicas de entrada, o que fará com que o fluxo de ar reverta e surja , desligando o compressor para evitar danos causados pelas vibrações.

Essa é uma simplificação excessiva da ação de sobretensão; no entanto, cada unidade aumenta o limite de sobretensão ou a pressão máxima. Turndown é a porcentagem abaixo do fluxo de carga total que o compressor pode operar sem sofrer oscilação. Por exemplo, 15% de recuo significa que a unidade pode funcionar com um fluxo de 85% ou mais, conforme equipado sem sofrer picos de tensão. Em uma maior abertura, estará próximo ou em alta.

Paredão : em algum momento, quando a descarga cai e o ar flui através dos aumentos a plena carga, as limitações físicas não permitem mais ar através dos estágios - esse ponto é conhecido como paredão . A operação contínua nesse ponto ou além dele pode causar taxas de fluxo tão altas com um diferencial de pressão maior que os impulsores não preenchem totalmente as áreas das palhetas e uma ação semelhante à cavitação ocorrerá, criando outro tipo de onda com vibrações potencialmente prejudiciais.

A Figura 3 é uma representação de amostra da curva de desempenho geral do fabricante e os dados podem ser desenvolvidos para uma eficiência operacional real projetada previsível e provável.

Figura 3. Amostras de curvas de desempenho para compressor de carga completa a 125 psig

• 2.050 cfm a 125 psig a 430 cv (x 0,7457 = 321 kW)

• Recuo 1.535 cfm a 125 psig a 345 cv (x .7457 = 257 kW)

Utilizando as Curvas Centrífugas de Desempenho Operacional para Otimização do Sistema

Trabalhar com um fornecedor OEM e suas curvas de desempenho operacional efetivamente ajudará a levar a um aplicativo bem-sucedido. Para que o usuário forneça ao fornecedor OEM os dados apropriados, ele deve estar familiarizado com as informações apresentadas para entender completamente e solicitar dados adicionais significativos, como:

• Quais são as características de operação do impulsor / difusor em relação ao ponto de pico, abertura de abertura, carga específica de potência total, etc.

• Qual é o conjunto de impulsor / difusor padrão para maior capacidade de abertura de cama?

Controles de capacidade e palhetas de guia de entrada

As curvas de desempenho operacional na Figura 4 mostram que havia dois valores diferentes de kW de entrada de carga parcial para a válvula borboleta de entrada (IBV) e a aleta guia de entrada (IGV). Como todas as coisas nas centrífugas, os dados reais são específicos da máquina.

Por que tudo isso é significativo?

Quando o compressor centrífugo, conforme projetado e aplicado, fica sem abertura de cama, ele não pode continuar produzindo ar comprimido que o sistema não aguenta, então basicamente uma das duas coisas acontece:

• Um controle de capacidade disponível em quase todos os fabricantes descarrega o compressor fechando a válvula de entrada e abrindo a válvula de descarga, permitindo que a unidade fique ociosa com uma potência de entrada reduzida sem fluxo de ar.

Um refinamento adicional permite que o motor seja desligado; quanto maior o motor de indução, menos partidas por hora ou por dia. Esse tipo de controle pode ser muito eficaz e também depende do armazenamento, pois a recarga e / ou a reinicialização da unidade de classe de 100 psig pode levar até 1 minuto ou mais. As unidades de alta pressão (500 a 550 psig) podem levar mais de 3 minutos para chegar à carga máxima.

• O controle de capacidade mais comumente usado é o blow off. Quando a unidade atinge a abertura total (conforme ajustado), a válvula de sopro se abre e expele o excesso de capacidade para a atmosfera. O kW de entrada não será mais reduzido, independentemente da redução da demanda de ar.

Figura 4. Comparação do controle do compressor centrífugo

Palhetas típicas de guia de entrada

A Figura 4 mostra a curva de desempenho gerada pelo DOE (Departamento de Energia) para os controles de entrada padrão do IBV (válvula borboleta de entrada) ou IGV (paleta guia de entrada) com uma redução nominal de 30%.

Os IGVs não permitem mais recuo, mas permitem recuo com melhor eficiência, reduzindo as perdas de turbulência do ar que entra nos impulsores.

A terceira curva mostrada na Figura 4 representa uma nova tecnologia de acionamento centrífugo com motores de rolamentos magnéticos. Este controle é um VSD (inversor de velocidade variável) muito eficaz, de 100% a 75%, com a potência de entrada diretamente proporcional. Na abertura total, a unidade descarrega totalmente em 7 a 12 segundos e pode ser carregada em 12 a 15 segundos. A operação eficaz requer armazenamento apropriado.

E quanto à pressão de descarga de água de resfriamento?

A Tabela 1 mostra o desempenho projetado de uma única unidade a 85 ° F de água de resfriamento e 60 ° F de água de resfriamento a diferentes pressões de descarga.

Tabela 1. Unidade com ponto de surto natural de 135 psig a 85 ° F de refrigeração e 60 ° F de refrigeração

ME = nominal 0,95

Tabela 1 Notas: De pressão de descarga de 125 psig (água de resfriamento de 85 ° F) a pressão de descarga de 100 psig (água de resfriamento de 60 ° F), o fluxo varia de 1.572 acfm a 1.707 acfm; a potência do eixo passa de 334 cv a 335 cv (175 acfm a mais para 1 bhp); e a recuo passa de 35,8% para 51,2%.

Lições aprendidas

Este documento foi criado para identificar e explicar as definições por trás dos dados de desempenho centrífugos e sua importância. Com essas informações, o usuário pode trabalhar com seu fornecedor local de OEM e / ou grupos de engenharia técnica para selecionar e aplicar adequadamente uma unidade para atender às condições específicas do local da maneira ideal.

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