O que é um purificador de óleo combustível?
Um separador centrífugo, também conhecido como ‘centrífuga’, é uma máquina utilizada para separar fases de um fluido com base na densidade. O termo ‘separador centrífugo’ é utilizado porque o princípio de operação da máquina se baseia na força centrífuga. Purificadores e clarificadores são tipos de separadores centrífugos.
Purificador de Óleo Combustível 3D
Este artigo aborda os purificadores de óleo combustível utilizados no setor marítimo. Ao longo deste artigo, a palavra ‘combustível’ pode ser substituída por ‘fluido’, aplicando os princípios de funcionamento a outras aplicações e indústrias, como por exemplo, purificador de óleo lubrificante em vez de purificador de óleo combustível. Para saber mais sobre purificadores de óleo combustível após ler este artigo, consulte nosso Curso Online de Fundamentos de Purificadores e Clarificadores.
Nota: Os termos ‘separador centrífugo’ e ‘centrífuga’ são frequentemente usados de forma intercambiável; não há diferença entre os dois além da terminologia.
Aplicações do Separador Centrífugo
A separação de um fluido em suas várias fases é essencial em muitos processos de engenharia, alguns exemplos comuns incluem:
- Remover sólidos e água do óleo combustível (água do diesel etc.).
- Remover gordura do leite para produzir leite desnatado (a gordura removida é vendida como creme).
- Remover gomas e lecitina do óleo vegetal (melhora a qualidade do óleo, gomas vendidas como subproduto).
- Remover água de roupas molhadas (máquinas de lavar).
Sistema de Combustível Marítimo
Este artigo foca nos purificadores de óleo combustível utilizados no sistema de combustível de um navio, ou seja, purificadores que removem água e impurezas do óleo combustível. Um sistema típico de óleo combustível para uma grande embarcação comercial (navio porta-contêineres, petroleiro etc.) é ilustrado abaixo. As ‘centrífugas’ podem ser purificadores ou clarificadores, dependendo dos requisitos do sistema.
Sistema de Combustível de Embarcação Comercial
Navios comerciais tradicionalmente utilizavam óleo combustível pesado (HFO), mas isso mudou na última década devido a novas legislações ambientais. Um navio queima óleo diesel não exigirá aquecedores no sistema de combustível, pois o combustível flui facilmente na maioria das condições (baixa viscosidade). O óleo combustível pesado requer aquecedores dentro dos tanques de combustível e qualquer tanque de armazenamento intermediário devido à sua alta viscosidade (alta resistência ao fluxo, ou seja, é ‘grosso’ em temperaturas mais baixas e não flui facilmente).
Qual é a diferença entre um purificador e um clarificador?
Purificadores e clarificadores são tipos de separadores centrífugos. Um purificador é projetado para separar fases de um fluido e impurezas. Um clarificador é projetado para separar apenas impurezas. Por exemplo, um purificador de óleo combustível separará a água do combustível, que representam diferentes fases do fluido, e também separará impurezas sólidas como partículas de ferrugem, partículas de ferro, partículas de alumínio etc. do combustível. Um clarificador separará apenas impurezas sólidas do combustível, não separará água do combustível.
Fluxo de Fluido para Dentro e Fora de um Purificador
A imagem acima mostra um purificador sendo alimentado com óleo combustível sujo. Óleo limpo e água são continuamente descarregados do purificador (setas para baixo). Quaisquer sólidos/impurezas no combustível sujo se acumularão dentro do purificador e devem ser removidos periodicamente.
Purificador e Clarificador Comparados
Existem várias diferenças importantes entre um purificador e um clarificador:
- Purificadores têm um disco de gravidade, clarificadores não.
- Purificadores requerem água de vedação, clarificadores não.
- Purificadores separam água e impurezas, clarificadores separam apenas impurezas.
Partes Internas do Purificador de Óleo Combustível
As partes internas de um purificador podem ser divididas aproximadamente entre descartáveis e não descartáveis. Partes descartáveis são vedações e anéis O; partes não descartáveis são todas as outras partes. As partes internas comuns de um purificador de óleo combustível auto-deslodante são mostradas abaixo.
Partes Internas do Purificador de Óleo Combustível
As partes internas de um purificador de óleo combustível consistem em:
- Anel de Travamento (Anel de Trava) – um anel de travamento superior e inferior. O anel de travamento superior é chamado de ‘grande anel de travamento’ enquanto o anel de travamento inferior é chamado de ‘pequeno anel de travamento’.
IMPORTANTE
Anéis de travamento têm uma rosca à esquerda, ou seja, devem ser girados para a esquerda para apertá-los e para a direita para afrouxá-los. Outras partes internas também usam uma rosca à esquerda!
- Capô da Tigela – conecta-se ao corpo da tigela para formar um recipiente selado.
- Disco Superior – retém o tubo de entrada e saída, discos de emparelhamento e disco de gravidade, na posição acima da pilha de discos.
- Tubo de Entrada e Saída – fluidos entram na tigela e são descarregados da tigela através desta conexão.
- Disco de Gravidade – define a interface entre o combustível e a água dentro do purificador. Clarificadores não têm disco de gravidade porque não separam água do combustível.
- Discos da Tigela – discos da tigela são pressionados juntos no distribuidor para formar uma pilha de discos.
- Auto-deslodagem – o deslizador de descarga, deslizador de operação, suporte e anel de água de operação são todos usados para controlar a operação de deslodagem de um purificador auto-deslodante (discutido mais adiante no artigo).
- Corpo da Tigela – forma a parte inferior do recipiente selado; a parte superior do recipiente é o capô da tigela.
Todas as partes de um purificador de óleo combustível devem ser fabricadas com tolerâncias exatas devido às altas velocidades de operação em que operam. Quaisquer imperfeições presentes nas partes internas causarão desequilíbrios quando o purificador estiver em operação, com efeitos prejudiciais correspondentes ao purificador. Cada uma das partes de um purificador tem um código de fabricação estampado/embossado em sua superfície para garantir que uma peça de reposição adequada possa ser obtida do fabricante (o fabricante equilibra cada uma das partes na fábrica e registra suas características). Partes de purificadores nunca devem ser compartilhadas entre máquinas!
Partes Externas do Purificador de Óleo Combustível
A aparência externa de cada purificador de óleo combustível difere consideravelmente, no entanto, há algumas partes comuns presentes na maioria dos purificadores.
Partes Externas do Purificador de Óleo Combustível
Algumas das partes mais relevantes são discutidas em mais detalhes abaixo.
- Freio – para desacelerar a máquina. O freio deve ser aplicado quando o purificador não estiver mais girando ou quando estiver girando a uma velocidade muito baixa.
- Sistema de Óleo – composto pelo tampão de drenagem, tampa de enchimento e visor de nível de óleo. Óleo de lubrificação é adicionado através da tampa de enchimento e drenado através do tampão de drenagem. Um visor de nível de óleo é fornecido para verificar visualmente o nível de óleo (o nível de óleo deve estar entre as marcações mínima e máxima no visor).
- Contador de Velocidade – exibindo a velocidade de rotação da unidade em rotações por minuto (rpm).
- Motor de Acionamento – um motor de indução elétrico conectado via engrenagens ou uma correia ao eixo de acionamento do purificador. A velocidade de rotação do motor é geralmente regulada por meio de um acionamento de velocidade variável (VSD)/acionamento de frequência variável (VFD).
- Conexões – para combustível sujo, água e combustível limpo.
Acionamentos do Purificador de Óleo Combustível
Purificadores de óleo combustível podem ser acionados por engrenagem ou correia. O arranjo de um purificador acionado por engrenagem está abaixo.
Purificador de Óleo Combustível Acionado por Engrenagem
Purificadores de óleo combustível acionados por correia também são bastante comuns; um arranjo é mostrado abaixo.
Purificador de Óleo Combustível Acionado por Correia
As engrenagens dentro de um purificador de óleo combustível são fabricadas em aço inoxidável e não se desgastam consideravelmente ao longo do tempo, portanto, são raramente substituídas. Correias devem ser substituídas frequentemente à medida que se desgastam ao longo do tempo e perdem sua resistência à tração, o que leva ao seu alongamento.
Teoria do Purificador de Óleo Combustível
Para entender como um purificador funciona - de fato, como qualquer centrífuga funciona -, é necessário entender o conceito de densidade e força centrífuga.
Densidade
Densidade pode ser descrita como o peso de algo em relação ao seu volume. Um objeto pesado (grande peso) com um pequeno volume é considerado de alta densidade. Um objeto leve (baixo peso) com um grande volume é considerado de baixa densidade. Por exemplo, o metal chumbo é considerado muito denso porque tem uma alta relação peso-volume.
Se dois fluidos de diferentes densidades forem misturados, eles se separarão por densidade se deixados sem agitação. O diagrama abaixo mostra um tanque cheio de óleo combustível sujo, ou seja, óleo combustível que contém água e impurezas.
Tanque de Óleo Combustível
O processo acima pode ser descrito como:
- A imagem à esquerda mostra o tanque de combustível cheio de óleo combustível sujo.
- A imagem do meio mostra a condição do tanque após esperar um período de tempo, por exemplo, 24 horas.
- A imagem à direita mostra a condição do tanque uma vez que a água foi drenada do tanque.
Ao observar a imagem do meio, note que a água no combustível se acumulou na base do tanque porque é mais densa que o combustível. Fluidos mais leves sempre serão deslocados por fluidos mais densos se deixados sem agitação, ou seja, fluidos mais densos afundam abaixo de fluidos mais leves. A água é geralmente considerada ‘peso’ e a maioria dos óleos combustíveis - e óleos vegetais - será deslocada por ela se misturada em um recipiente. O tipo de separação descrito é referido como ‘separação por gravidade’, ou ‘separação devido à gravidade’.
Óleo Vegetal Deslocado por Água
Força Centrífuga
Força centrífuga não é uma força verdadeira, é uma força fictícia (não verdadeira) usada para explicar a segunda lei do movimento de Newton. A segunda lei do movimento de Newton é descrita como:
A mudança de movimento de um objeto é proporcional à força impressa; e é feita na direção da linha reta em que a força é impressa.
Para fins de engenharia, é melhor imaginar que a força centrífuga é a força externa exercida sobre um objeto em rotação. Por exemplo, a imagem abaixo mostra duas forças agindo sobre a Terra, centrípeta e centrífuga. Se a força centrípeta está causando a Terra a ser puxada em direção ao sol, outra força é necessária para manter a Terra em sua órbita; essa força é a força centrífuga.
IMPORTANTE – a explicação dada acima não é estritamente correta em termos de física newtoniana, mas uma explicação mais aprofundada está além do escopo deste artigo.
Forças Centrífuga e Centrífuga
É possível aumentar a força centrífuga exercida sobre um objeto aumentando sua velocidade de rotação. Quando um objeto é restrito a um ponto central e uma força é aplicada, o objeto girará em torno desse ponto, porque as forças centrípeta e centrífuga estão equilibradas. Se o objeto se tornar não restrito, ele viajará em um caminho em ângulo reto ao ponto de rotação; isso pode ser demonstrado na imagem abaixo de um homem girando uma criança em círculos.
Exemplo de Força Centrífuga
Pode-se ver que quando um objeto está girando em velocidade, forças agem sobre esse objeto. Quando um fluido é girado em velocidade, forças agem sobre o fluido fazendo com que ele se separe em suas várias fases. Fases mais densas se movem para mais longe do ponto de rotação e deslocam quaisquer fases mais leves no processo. Por exemplo, se um recipiente cilíndrico selado estivesse cheio de óleo combustível sujo e girado muito rápido ao longo de seu eixo central, as moléculas de água viajariam para o exterior do recipiente e as moléculas de óleo seriam forçadas em direção ao centro do recipiente; impurezas densas no combustível sujo deslocariam a água e se acumulariam na periferia mais externa do recipiente.
Separação do Purificador de Óleo Combustível
Como Funcionam os Purificadores de Óleo Combustível (Básico)
Um purificador de óleo combustível é um recipiente selado que é girado em alta velocidade por um motor elétrico. Um fluido é alimentado no recipiente e o movimento rotacional (energia cinética) do recipiente é transferido para o fluido. À medida que a energia é transmitida para o fluido, ele começa a se separar em suas fases (água e óleo) devido às suas diferenças de densidade; impurezas se acumulam na periferia externa do recipiente, pois são as partículas mais pesadas suspensas no fluido. Água e combustível limpo são continuamente descarregados do purificador, enquanto impurezas são removidas periodicamente.
Nota - o ‘recipiente’ é formado pela fixação do corpo da tigela e do capô da tigela juntos.
Como Funciona o Purificador de Óleo Combustível (Detalhado)
Óleo combustível sujo é alimentado no purificador através da entrada de combustível sujo. O óleo combustível sujo entra na cobertura do purificador e flui para baixo através do distribuidor e sai de sua base. Da base do distribuidor, o óleo combustível sujo flui para cima através da pilha de discos. O fluxo através da pilha de discos ocorre através de pequenos orifícios localizados na periferia externa de cada um dos discos.
Componentes Internos do Purificador de Óleo Combustível
A separação de água e impurezas ocorre entre os discos da pilha de discos. Moléculas de água coalescem na parte inferior de cada disco e viajam para fora em direção à periferia da tigela; partículas estranhas e outras impurezas também viajam em direção à periferia da tigela. ‘Óleo combustível limpo’ (combustível sem água e impurezas) viaja para o topo da pilha de discos e é extraído através da conexão de descarga de óleo limpo.
Pilha de Discos do Purificador
A água se acumula na superfície interna da tigela do purificador até ter volume suficiente para fluir ao redor do disco de gravidade e sair através da conexão de descarga de água. Um fio de água da conexão de descarga de água pode ser frequentemente visto quando um purificador está em operação, mas a quantidade de água separada vista depende muito do tipo de combustível e de seu teor de água.
Saídas de Água e Combustível Limpo
Impurezas se acumulam na superfície interna da tigela do purificador e podem ser descarregadas automaticamente via auto-deslodagem, ou, devem ser removidas manualmente.
Manutenção do Purificador
Purificadores e clarificadores requerem relativamente pouca manutenção. Intervenções de manutenção são classificadas como ‘menores’ ou ‘maiores’, e ocorrem em intervalos programados com base no tempo (horas de serviço) ou data (dias desde o último serviço, independentemente das horas de serviço).
Serviço Menor
Um serviço menor exigirá apenas que o purificador seja limpo e que vedações e/ou anéis O sejam substituídos. Peças de reposição necessárias para um serviço menor são fornecidas em um Kit de Serviço Menor.
Serviço Maior
Um serviço maior inclui um serviço menor e outras tarefas adicionais. Um serviço maior requer o uso de muitas mais peças de reposição, como rolamentos e eixos etc. Peças de reposição necessárias para um serviço maior são fornecidas em um Kit de Serviço Maior.
Por que usar centrífugas em vez de separação por gravidade?
O processo de separação por gravidade é muito lento para ser usado na maioria dos processos industriais. Muitos processos industriais requerem grandes volumes contínuos de fluidos, e não é possível alcançar isso confiando apenas na separação por gravidade. Além dos baixos volumes, a qualidade do produto final também é difícil de determinar em comparação com o uso de uma centrífuga.
Separação centrífuga ocorre porque os efeitos da gravidade são simulados e amplificados dentro do purificador. Quando um purificador gira em alta velocidade, as fases do fluido dentro do purificador se separam devido às forças aumentadas a que são submetidas. Astronautas experimentam uma situação semelhante quando são submetidos a uma força gravitacional aumentada (força-g) como parte de seu treinamento para entrar no espaço. Eles são colocados dentro de um cockpit e girados em alta velocidade para simular uma força gravitacional aumentada; o tipo de máquina usada para isso é chamado de ‘centrífuga humana’. A máquina mostrada abaixo é capaz de fornecer 20g (20 vezes a força da gravidade da Terra). Este tipo de treinamento tem se mostrado valioso porque o sangue fluirá para longe do cérebro à medida que a força-g aumenta, o que pode causar visão em túnel e desmaios; treinar para essa eventualidade aumenta a probabilidade de um astronauta identificar e remediar a situação antes que se torne crítica.
Centrífuga Humana de 20 g
Como Funciona a Auto-Deslodagem do Purificador de Óleo Combustível
Purificadores de óleo combustível maiores são equipados com uma capacidade de auto-deslodagem. À medida que a tigela de um purificador se torna suja, o diâmetro de trabalho da tigela diminui gradualmente, e a eficiência da unidade diminui. Em purificadores mais antigos, era necessário abrir o purificador frequentemente para limpar impurezas/lama da superfície interna da tigela do purificador, mas o recurso de auto-deslodagem permite que um purificador seja lavado com água e deslodado sem precisar abri-lo.
Operação de Auto-deslodagem
A operação de deslodagem é realizada usando um sistema de controle hidráulico localizado sob a tigela deslizante do purificador (uma pequena tigela colocada dentro da tigela principal). A água é drenada do sistema, o que faz com que a tigela deslizante se mova para baixo, descobrindo portas de deslodagem. Lama é descarregada através das portas de descarga na tigela do purificador, então a água (água de operação) reabastece a câmara sob a tigela deslizante, o que faz com que a tigela deslizante suba e cubra novamente as portas de descarga de lama.