Análise e comparação dos padrões atuais de desempenho de sopradores industriais

A indústria de tratamento de águas residuais depende fortemente de uma fonte eficiente de ar isento de óleo e de baixa pressão para fornecer oxigênio ao processo de digestão aeróbica da matéria orgânica.

Originalmente, esse ar de baixa pressão era fornecido por sopradores de deslocamento positivo com lóbulos rotativos, mas devido aos altos volumes de ar necessários para aplicações de aeração, a indústria de tratamento de águas residuais adotou rapidamente a tecnologia de sopradores dinâmicos, especificamente os sopradores centrífugos de múltiplos estágios. Como resultado do sucesso na indústria de tratamento de águas residuais, os sopradores dinâmicos alcançaram ampla aceitação e uso em toda a indústria em geral.

A necessidade de maior eficiência impulsionou a inovação de novas tecnologias de sopradores, como os sopradores turbo de alta velocidade e os sopradores de parafuso de baixa pressão. Essas tecnologias têm apresentado desempenho aprimorado ao longo do tempo. Tais características despertaram o interesse tanto de usuários finais quanto de engenheiros de especificação, e muita discussão tem ocorrido sobre a comparação do desempenho entre sopradores de deslocamento dinâmico e de deslocamento positivo.

Entende-se que, quando um usuário especifica o desempenho de um soprador, ele espera que o fabricante do soprador entregue o desempenho especificado. Isso é especialmente verdadeiro na indústria de tratamento de águas residuais, onde a aeração de baixa pressão representa uma despesa operacional significativa para o processo.

Assim, é necessário um meio válido e confiável para comparar o desempenho entre diferentes tecnologias de sopradores, de modo que as decisões de compra e especificação possam ser baseadas em fatos e dados. O desafio na comparação do desempenho entre diferentes tecnologias de sopradores, como os de deslocamento dinâmico e positivo, reside no fato de que elas operam sob diferentes princípios de compressão. Isso complica os requisitos de teste necessários para se obter uma comparação de desempenho precisa e abre espaço para relatórios de desempenho criativos.

A próxima geração de padrões para sopradores

As normas de desempenho existentes para compressores dinâmicos (PTC-10 e ISO 5389) e compressores de deslocamento positivo (ISO 1217) foram desenvolvidas há décadas.

Embora essas normas tenham sofrido diversas revisões e alterações ao longo dos anos, o setor de tratamento de águas residuais vem solicitando uma nova metodologia de teste de desempenho "fio-ar" que meça o desempenho real do conjunto de compressores de ar de baixa pressão (sopradores) e permita comparações precisas de desempenho entre diferentes tecnologias de sopradores.

Em resposta a esse desafio, o Compressed Air & Gas Institute (CAGI), a International Standards Organization (ISO) e a American Society of Mechanical Engineers (ASME) desenvolveram, de forma independente, os três padrões de desempenho a seguir para sopradores de baixa pressão:

Considere o exemplo de três pessoas viajando de Miami para Chicago: uma de carro, uma de avião e uma de trem. Todas as três chegarão ao mesmo destino, cada uma com uma experiência diferente durante a viagem. Da mesma forma, embora cada norma de teste, quando seguida corretamente, deva gerar os mesmos dados de desempenho quando aplicada ao mesmo soprador, cada norma possui nuances e diferenças em relação à metodologia do teste.

Este artigo aborda os limites estabelecidos para determinar o que está incluído no pacote do soprador, como a similaridade é alcançada com cada norma e a validação de dados que cada norma exige para permitir uma comparação justa entre quaisquer dois sopradores, independentemente de sua tecnologia.

Ao final do artigo, é apresentado um gráfico comparativo dos principais pontos das três normas de teste.

ASME PTC 13 - 2018: Código de teste de desempenho de fio-ar para sistemas de sopradores

A ASME é bem conhecida, tanto nacional quanto internacionalmente, por seus padrões de teste.

Como o nome sugere, a norma concentra-se em sistemas ou conjuntos de sopradores completos e fornece uma métrica de desempenho que é a razão entre a potência de entrada do conjunto e o fluxo de saída. Esse conceito é conhecido como "Wire-to-Ar" e difere das normas de desempenho anteriores, que se concentravam principalmente no desempenho do compressor e não no desempenho do conjunto completo.

O objetivo da norma é atender às necessidades de máquinas completas, como sopradores turbo de alta velocidade e sopradores de parafuso, que são projetadas, fabricadas, vendidas e utilizadas como conjuntos completos, compostos por bloco compressor, motor de acionamento, inversor de frequência e componentes internos. Considerando-as como conjuntos completos, a norma as define como uma caixa que aspira ar, o envia para um tubo de descarga e consome energia nesse processo.

limites de desempenho termodinâmico e elétrico

A norma estabelece a camada limite típica para um sistema de soprador, definindo claramente quais itens são considerados parte do sistema/conjunto. Os limites do conjunto são subdivididos em um limite de desempenho termodinâmico e um limite de desempenho elétrico. O limite termodinâmico concentra-se no elemento compressor e seus controles, enquanto o limite elétrico concentra-se no motor de acionamento e seus controles. Esses dois limites foram estabelecidos para permitir que o comprador e o fornecedor negociem os itens a serem incluídos no teste do conjunto.

O objetivo é identificar todos os componentes relevantes necessários para o funcionamento da máquina e incluí-los tanto no teste da máquina quanto nos dados apresentados na oferta.

Onde coletar as medições

O próximo item de interesse e importância é a configuração do teste. Para alcançar o desempenho ideal de transmissão de dados entre o fio e o ar, o equipamento de teste é fundamental para garantir que todo o sistema/pacote e todos os componentes afetados sejam considerados.

Os itens a serem incluídos no teste foram definidos pelos limites do teste, mas o posicionamento dos dispositivos de medição é igualmente importante. O objetivo aqui é capturar a pressão e a temperatura de sucção antes que o ar atinja o limite da embalagem, em contraste com a medição da pressão e da temperatura do ar na saída da camada limite.

A vazão é medida a jusante do limite da embalagem e a potência é medida na entrada desse limite. Em teoria, isso permite contabilizar todas as perdas de fluxo internas e todos os consumidores de energia. Pressões e temperaturas são necessárias para a conversão precisa das condições de teste de volta às condições garantidas durante o processo de validação de dados.

Como medir a vazão

Para medir a vazão, é importante fazê-lo na saída, pois nem todo o ar admitido na flange de sucção do soprador ou na entrada da máquina chega à porta de saída. Esse fluxo de ar pode se perder devido a vazamentos internos ou ser desviado para resfriamento ou outras necessidades. Medir no tubo de descarga é o meio mais preciso de confirmar a vazão de ar fornecida sob pressão.

Medições de potência

A medição da potência é igualmente importante porque, durante muitos anos, a potência fornecida no eixo do soprador era usada para calcular teoricamente a potência total de entrada do conjunto. Agora que existem máquinas completas, a potência real de entrada da máquina pode ser medida com um único medidor de potência. Todas as bombas auxiliares, ventiladores ou outros dispositivos consomem energia e também devem ser considerados no teste.

Validação de dados e metodologia

A última parte da norma que será abordada é a validação de dados. A norma fornece a metodologia necessária para quantificar as propriedades termodinâmicas de operação, os pontos de similaridade e a validação dos dados do desempenho do teste em relação às condições garantidas projetadas.

É também aqui que são estabelecidas as métricas de comparação importantes. No caso do PTC-13, estas podem ser identificadas como::

• Proporção de volume
• Taxa de fluxo volumétrico
• Cabeça isentrópica (desempenho específico do fio ao ar)
• Número de Mach
• Pressão de descarga

Proporção de volumeé utilizado como ponto de comparação entre a densidade do ar nas condições do local de teste e a densidade do ar nas condições garantidas. Todos os testes de desempenho são planejados para serem realizados em laboratório, que pode não reproduzir as condições do local, o que afetará os resultados de desempenho.

Taxa de fluxo volumétricoé calculado a partir da vazão de descarga medida, que é convertida em vazão de entrada nas condições do local de teste para comparação com a vazão de entrada garantida nas condições do local.cabeça isentrópicaé o ponto central deste teste. Isso estabelece a quantidade de trabalho termodinâmico necessária para atingir a vazão e a pressão desejadas. Para que haja semelhança, as condições devem ser iguais em ambos os locais de teste.

Número Mach da máquinaOutro ponto de semelhança para máquinas dinâmicas é a velocidade das moléculas de ar que saem da ponta do rotor. Isso se relaciona com a compressibilidade do fluido em diferentes densidades de ar, e as densidades de ar, por sua vez, dependem das condições do local de teste e das condições de garantia. Novamente, para garantir a semelhança, essas condições devem ser mantidas iguais entre o teste e a garantia.

Esses são os elementos fundamentais do código de teste PTC-13.

Por que desenvolver esses padrões de teste de sopradores?

Como grandes consumidores de ar comprimido de baixa pressão, o setor de tratamento de águas residuais espera que os fabricantes de sopradores produzam equipamentos que ofereçam o desempenho especificado pelo usuário.

São necessárias normas de teste para sopradores que permitam a comparação direta entre dois sopradores quaisquer, sejam eles de deslocamento positivo ou dinâmicos. As normas de teste PTC 13, BL300 e ISO 22484 fornecem metodologias de teste para sopradores que podem ser usadas para verificar se os fabricantes estão entregando o desempenho anunciado.

Este artigo identificou as diferenças entre essas normas e descreveu como esses padrões de teste pretendem atender à necessidade do mercado por um padrão de teste simples, confiável e válido que permita a comparação precisa entre quaisquer dois sopradores.

Embora as normas, em sua maioria, alcancem esse objetivo de maneira semelhante, a aplicação das leis de similaridade e os critérios de aceitação variam.

O PTC-13 está ativo no mercado desde 2019. O ANSI/BL300 foi publicado como um Padrão Nacional Americano em 2022 e está disponível através doSite da CAGIA norma ISO 22484 está em fase de finalização e sua publicação está prevista para 2024.