circuito de refrigeração mecânica

Entalpia

Gás

Mistura Saturada

Pre

ssão

Líquido

Evaporador

Condensador

Compressor

Trocador

de

Calor

Superaquecido Sub-resfriado Condensação

Válvula de

expansão

Circuito de Refrigeração Mecânica

Parte 1

Introdução a Compressores

O compressores aumentam a

pressão do fluido refrigerante

vindo do evaporador enviando-o ao

condensador.

Compressor Hermético do Refrigerador Doméstico Atual

Visão sistêmica do funcionamento: https://www.youtube.com/watch?v=nA-XbfxqgRo

Compressores Ciclos Refrigeração

https://www.youtube.com/watch?v=nA-XbfxqgRo



I. Classificação quanto a forma de

realizar o aumento de pressão:

I.1. Volumétricos ou Deslocamento Positivo

• Compressão por redução de volume

I.2. Centrífugos

• Fluido é acelerado ao passar pelas pás de um

rotor e sua velocidade é convertida em pressão

I.1. Compressores Volumétricos:

Alternativos –elemento de compressão

é um pistão alternativo.

Rotativos – elemento de compressão

toma forma de rolo.

• Parafuso (ou Helicoidais);

• Palhetas;

• Engrenagens;

• Scroll (Caracol)

Os mais comuns!

Aplicação em "Booster”

sistemas de duplo estágio de pressão.

I.2. Compressores Centrífugos:

Não existe elemento de compressão, mas sim a

ação de uma força.

Muito usados na indústria química e de processos

uma vez que podem ser acionados tanto por

turbina a gás como por motores elétricos

Turbocompressores

Curiosidade:

Turbocompressor

(Não é visto nesta ementa, logo,

não entrará para a prova!)

Turbocompressores permitem que um motor queime mais ar e combustível ao

colocá-los em maior quantidade dentro dos cilindros existentes.

II. Classificação quanto ao acionamento:

1. Direto

Motor ligado diretamente ao

compressor.

2. Indireto

Ligação do motor com o

compressor feita por sistema polia-correia.

III. Classificação quanto a construção:

1. Hermético

Motor e compressor na mesma carcaça e sem acesso.

2. Semi-hermético

Motor e compressor na mesma carcaça mas com acesso.

3. Aberto

Motor e compressor separados.

Operado por motor independente acoplado por meio de

correias ou polias;

Montados sobre conjuntos parciais “unidades

condensadoras”;

Tem fácil manutenção, possibilita o uso de motores

elétricos (sistemas de acionamento);

Os motores podem ser removidos e separados sem

qualquer ação sobre o sistema que contém o

refrigerante;

Ponto fraco: selo de vedação que poderá deixar escapar

o refrigerante.

III. 1. Conjunto Motor-Compressor

Aberto

Motor-Compressor Aberto

• O motor vem incorporado, mas ao invés do

conjunto motor-compressor ser montado

dentro da caixa selada há um acoplamento que

permite a desmontagem do compressor;

• Herméticos e semi- herméticos: são usados

para halogenados devido à incompatibilidade

da amônia com os materiais do motor.


Semi-Hermético

Motor-Compressor Semi-Hermético

Compressores Herméticos: • Motor + compressor: hermeticamente fechado;

• Não há problemas do refrigerante escapar;

• Custo relativamente baixo;

• Grande aplicação na refrigeração doméstica e algumas

na comercial.

• Os motores são projetados economicamente para ocuparem menor espaço, e se queimar é necessário trocar toda a unidade;

• Não se recomenda a abertura da caixa metálica para substituição ou conserto;

• Têm boa eficiência e são, relativamente silenciosos.


Hermético

Motor-Compressor Hermético

VI. Classificação quanto ao n de estágios:

Relaciona o número de compressões sucessivas

sofridas pela massa fluida que circula no

compressor.

Assim, um compressor de 2 estágios tem duas

câmaras de compressão.

Refrigeração de Compressores

durante funcionamento:

À ar

Aletas externas ao cilindro aumentam a convecção.

À água

Circulação de água em cavidades localizadas na

parede e na parte superior do cilindro.

Parte 2

Compressores Alternativos

Compressão por

pistão alternativo

I. Tipos de Compressores Alternativos: 1. Aberto

Único adequado a instalações de amônia, podendo também operar

com halogenados.

2. Semi-Hermético (permite remoção do cabeçote dando acesso às válvulas e pistões)

- Opera só com refrigerantes halogenados.

- Nesse compressor o vapor de refrigerante entra em contato com

o enrolamento do motor resfriando-o.

3. Hermético (utilizados em refrigeradores domésticos e condicionadores de ar a Potênci 30kW)

- Aquecimento do refrigerante devido enrolamento pode prejudicar

a eficiência.

II. Funcionamento dos Compressores

Alternativos:

Princípio de operação:

Movimento de um pistão

dentro de um cilindro

com uma válvula de

sucção e outra de

descarga;

É uma bomba de

deslocamento positivo.

Vapor é aspirado (6);

Aspiração do pistão é acionada pelo conjunto biela-girabrequim (9);

Instalado no interior do cárter (5) onde há óleo para lubrificação;

Pistão sobe, comprime o vapor, a válvula de sucção se fecha e a de descarga é aberta.

(continuação) Funcionamento dos Compressores Alternativos:

Compressores de duplo estágio:

Construídos com pistões para o lado de baixa e outros para o lado de alta;

• Pistões de baixa: são interligados com o evaporador e resfriador intermediário;

• Pistões de alta: conectados à aspiração do resfriador intermediário e descarrega o vapor no condensador

(continuação) Funcionamento dos Compressores Alternativos:

a) Pistão no ponto morto superior;

b) Válvulas de admissão abertas;

c) Pistão no ponto morto inferior;

d) Válvulas de escape abertas.

Va Vb Vc

Psucção

Pdesc.

Admissão

Re-expansão Compressão

Descarga a

b c

d

1 2

3

4

1) Volume de Compressão: volume do

cilindro quando o pistão está no pto morto superior.

2) Volume do vapor de compressão re-expandido.

3) Volume total do cilindro.

4) Volume do cilindro cheio com o vapor de sucção.

Eficiência

A performance de um compressor

pode ser dada como:

consumida Energia

Capacidade

Explicação detalhada do Compressor:

https://www.youtube.com/watch?v=YCpayFv83Tc

Compressores Ciclos Refrigeração

https://www.youtube.com/watch?v=YCpayFv83Tc

Deslocamento do pistão (Vp) Volume total do cilindro movimentado pelo pistão por unidade de tempo:

Vp = (/4) * D2 * L * N * n

Onde:

D2 = diâmetro interno do pistão

L = extensão do percurso

N = número de rotações do eixo da manivela por tempo

n = número de cilindros

Massa de refrigerante no compressor

Considerando que o cilindro compressor enche-se completamente

com o vapor de sucção da tubulação de admissão:

m = Vp * ou m = Vp /

Onde:

Vp = deslocamento do pistão

= densidade do vapor na admissão

= volume específico do vapor na admissão

III. Capacidade de Refrigeração é

influenciada pelo Volume Comprimido Capacidade Refrigeração = fç (Efeito Frigorífico , Taxa Fluxo Massa):

Qe = qe * m

QeTeórica considera que:

1) Cilindro compressor enche-se

completamente com o vapor de sucção

da tubulação de admissão.

2) Densidade do vapor que preenche o

cilindro é a mesma que a da tubulação

de admissão.

QeReal :

1) Volume do vapor de sucção que enche

o cilindro é sempre menor que o

volume do cilindro.

2) Densidade do vapor que preenche o

cilindro é mais baixa que a da

tubulação de admissão.

QeReal = Qe

Teórica * E

Onde: E = Eficiência Volumétrica

IV. Eficiência Volumétrica Total de

Compressão (E ou v )

Relação entre o deslocamento real do vapor de sucção

removido da tubulação de admissão comprimido por unidade

de tempo e o deslocamento do pistão do compressor:

E = Va * 100

Vp

Onde:

Va = volume real do vapor de compressão por unidade de tempo

Vp = deslocamento do pistão do compressor

NOTA: Conhecendo-se E Va e Q EReal podem ser determinadas

Determinação da Eficiência

Volumétrica Total (E ou v )

Testes reais em laboratório evidenciaram que:

E = fç (R) especificamente E 1/R

onde R = taxa de compressão

R = Pressão de escape absoluta

Pressão de admissão absoluta

E

R 0 14

100

É o efeito combinado de vários fatores (veremos no item V),

que irão variar com:

-Projeto;

-Refrigerante usado;

-Condições de operação.

Fatores que Influenciam a Eficiência

Volumétrica Total (E ou v )

(Ou seja, limitam o volume do vapor de compressão!)

1. Folga do Compressor (Espaço Morto)

2. Efeitos da Trefilação (estrangulamento)

3. Aquecimento do Cilindro

4. Fulgas no Pistão e Válvulas

IV.1. Folga no Compressor

b) Variações com pressões de Exaustão e Admissão Aumento da Padmissão

ou Aumenta Efic.Teórica de Compressão

Diminuição da Pescape

(Sozinha é a denominada Eficiência Volumétrica Teórica)

Dependência:

a) Quantidade de Afastamento do Pistão

maior Vre-expansão menor Vadmissão recebido no compressor

Logo, “Volume de Compressão” deve ser o menor possível. Não vale para líquidos pois

são incompressíveis!

IV.2. Efeitos de Trefilação

(Estrangulamento)

b) Descarga

Pdescarga deverá ser maior para superar trefilação, logo para

re-expandir ocupará volume maior do compressor

a) Admissão

Pvaporsucção < Pvapor

tubulação

Perda de carga no percurso

Logo o volume do vapor de sucção é menor!

Efeitos da Trefilação aumentam com o aumento da velocidade de

vapor através das válvulas, ou seja, quando a rotação aumenta.

IV.3. Efeitos do Aquecimento do

Cilindro de Compressão

Aquecimento expansão

Logo: Vcomprimido diminuindo E

Aquecimento pode ser devido:

- Condução das paredes quentes do cilindro;

- Atrito devido a turbulência do vapor no cilindro.

Quanto maior a taxa de compressão, maior o trabalho de

compressão e, logo, maior o aquecimento (menor E)

IV.4. Fulgas no Pistão e Válvulas

Válvulas

Impossível projetar válvulas de fechamento instantâneo.

Feitas leves e com ligeira carga de mola (limite é trefilação).

Pistão:

São desprezíveis devido a precisão dos processos de fabricação.

Quanto maior a taxa de compressão, maior a quantidade de

vazamento nas válvula (menor E)

Escape do gás diminuirá, obviamente, o volume de vapor

bombeado.

V. Variação da Capacidade do

Compressor

1. Temperatura de Admissão (Tvaporização)

Fator + importante que determina a capacidade do compressor.

Maior Tvaporização + elevada Pevaporação e maior vaporsucção

Logo mais massa de refrigerante será comprimida

2. Temperatura de Condensação

A capacidade de refrigeração diminui quando Tcondensação aumenta.

(Será quantificado, nos cálculos do Ciclo!)

Energia Teórica do Compressor

Energia Teórica Requerida ao Compressor (Eteórica):

Eteórica = Qreal * Wteórica

Apenas indicação de Energia requerida.

Na prática há perdas devido atrito mecânico no compressor e

desvio de um ciclo de compressão real do ideal. Assim uma

potência adicional deve ser fornecida!

Qreal não Qteórica!

VI. Variação da Potência do

Compressor

1. Temperatura de Admissão (Tvaporização)

Mesmo que a potência requerida por unidade de capacidade de

refrigeração diminui, a potência total requerida pelo compressor pode

aumentar ou diminuir: depende do trabalho total efetuado pelo

compressor aumentar ou diminuir.

(Demonstraremos no Gráfico de P x v das diferentes compressões)

2. Temperatura de Condensação

Mesmo que a potência teórica requerida por ton aumente quando

a Tcondensação aumenta, a potência teórica requerida por qualquer

compressor não aumentará na mesma proporção.

Superaquecimento: a massa de

refrigerante circulada pelo compressor /

tempo é maior que quando o vapor é

saturado;

Subresfriamento: o do vapor de

sucção não é afetado pelo

subresfriamento, a massa de refrigerante

circulado será a mesma.

VII. Superaquecimento e Subresfriamento

no Desempenho do Compressor

Utiliza-se tabelas do fabricante com dados:

Capacidade de refrigeração requerida;

Temperatura de sucção (temperatura de saturação

do refrigerante na saída do evaporador)

considerando perda de carga na tubulação de

admissão;

Temperatura de escape (temperatura de

condensação) considerando o tamanho do

condensador e a temperatura do agente de

condensação.

VIII. Seleção de Compressores

Considerações

Do ponto de vista de operação é mais econômico

instalar 2 compressores para uma determinada

carga térmica do que somente 1 para a carga total:

• Quando ocorre carregamento em uma câmara fria

carga total (capacidade total dos compressores);

• Após resfriamento do produto somente 1 compressor

é necessário para manter a temperatura de

armazenamento;

• Caso falhe 1 compressor existe outro.

Por que os compressores falham

Retorno de líquido;

Golpes de líquido;

Sujeira na instalação;

Tdescarga alta

Contaminação (água é o inimigo n1)

Problemas elétricos (oscilações de freqüência, mal contato, sobrecarga, etc)

Parte 3

Compressores Rotativos

Parafuso ou Helicoidais;

Palhetas;

Scroll.

I. Compressores Helicoidais

Também conhecido

como parafuso;

Têm uma ou duas peças

em forma de parafuso

sem fim onde o fluxo do

refrigerante é

direcionado axialmente.

Compressores Helicoidais

Parafuso simples:

• Tem um rotor principal operando com um par

de volantes com aspecto de estrela;

• Rotor + parafuso instalados no interior de

uma carcaça acionados por motores de alta

velocidade;

• Com a rotação do parafuso ocorre a

compressão.


Duplo parafuso:

• Tem dois rotores, o macho

provido de lóbulos e o rotor

fêmea com canais que recebe a

ação dos lóbulos;

• Rotor macho é lubrificado e

movimenta o conjunto. A

rotação fica entre 2400 a 3600

RPM e pode ser regulada em

função da capacidade desejada.


Duplo parafuso (continuação): • Alguns modelos permitem variar o volume

deslocado;

• Estes compressores tem aberturas de entrada e saída fixas ao invés de válvulas, o grau de compressão depende destas aberturas;

• Para maior eficiência a pressão entre os lóbulos durante a compressão deve ser igual a da linha de alta quando atinge a abertura de descarga. Pressões maiores ou menores reduzem a eficiência;


Duplo parafuso (continuação):

• Para aumentar a eficiência óleo é injetado na área de

compressão agindo como lubrificante e resfriador, assim

é necessário um trocador de calor para baixar a

temperatura do óleo cujo meio de resfriamento pode ser

água ou líquido do refrigerante;

• Tem alto nível de ruído proteção sonora é exigida;

• Tem menor peso e ocupa menor espaço que os

recíprocos para uma mesma capacidade frigorífica;

• Tem menor números de peça móveis como vantagem,

mas exige um separador e resfriador de óleo mais

sofisticado.


Possuem um eixo que gira no interior da

carcaça com uma série de pás onde, entre

elas, é comprimido o refrigerante;

Próprio para baixas pressões, é comum

ser empregado como compressores tipo

“booster”(compressor de baixa em um

sistema de dois estágio).

II. Compressores de Palhetas

Compressores de Palhetas

III. Compressores Scroll

1 ciclo de compressão = 4 voltas completas

Fluido entra pelas extremidades e sai pela parte central já comprimido

Compressores Ciclos Refrigeração Compressor Hermético Scroll

Visão sistêmica do funcionamento: https://www.youtube.com/watch?v=YNeoFebbU6I

https://www.youtube.com/watch?v=YNeoFebbU6I

Parte 2

Compressores Centrífugos

Visão Básica

Do visto em Operações Unitárias

Compressores Centrífugos

A força centrifuga desloca o refrigerante;

O aumento da P é feito pelo efeito

dinâmico;

Refrigerante de elevado peso molecular

(R-114) são os mais indicados;

São operados à altas velocidades;

São utilizados para temperatura de ar

condicionado ou resfriamento de H2O.

Demais considerações sobre

compressores

Lubrificação: • Óleo lubrificante diminui o atrito entre as partes

móveis do compressor;

• O óleo é colocado no carter segue através de força centrífuga pelas partes que necessitam de lubrificação volta para o carter;

• O óleo se mistura com refrigerante dentro do compressor separador de óleo é importante na saída do compressor evita o arraste para o resto do sistema.

• O óleo com o tempo adere no evaporador e condensador a Transferência de calor.

Demais considerações sobre

compressores

Compressor tipo seco:

• As partes em contato com refrigerante não

recebem lubrificação;

• São lubrificados biela e virabrequim.

Por que os compressores falham

https://www.youtube.com/watch?v=T-K2iu9rj1U




Interior dos Compressores (Pistões) https://www.youtube.com/watch?v=gVoJX18LXI0&index=36&list=UUJmCu8WuHmfKj2a6_5sp55g

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