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Compressores – Parte 1

Na refrigeração são utilizados praticamente todos os tipos de compressores:

AlternativosDeslocamento

positivo

Dinâmicos

Rotativos

Parafuso

Scroll

Pistão Rolante

Palhetas

Centrífugos

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(a) (b)

(c)

(d)

(e)

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Oscompressores de deslocamento positivoaumentam a pressão dovapor do refrigerante através da redução do volume da câmara decompressão através da aplicação de trabalho mecânico no mecanismode compressão. Exemplos desses compressores são os alternativos, osrotativos (parafuso, scroll, pistão rolante e palhetas).

Os compressores dinâmicosaumentam a pressão do vapor dorefrigerante através da transferência contínua de momento angularpelas pás do rotor, acelerando o refrigerante, seguido de umaconversão desse momento em um aumento de pressão, isso é, aconversão da energia cinética em energia de pressão. Oscompressores centrífugos são exemplos de compressores dinâmicos.

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O desempenho dos compressores é o resultado de diversoscompromissos de projeto envolvendo desde as limitações físicas dorefrigerante, do compressor e do motor, buscando sempre atender asseguintes condições:

� Aumento da expectativa de vida do equipamento;� Obter o maior efeito de refrigeração para um menor consumo de

potência;� Diminuição do custo do equipamento;� Grande faixa de operação;� Níveis de vibração e ruído aceitáveis.

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Os compressores alternativosbaseiam-se no movimento de umpistão dentro de um cilindro. Quando o pistão desloca-se do pontomorto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI), o vaporentra no cilindro através de uma válvula de sucção, que se abreautomaticamente pela diferença de pressão. Nesse deslocamento, ovolume do cilindro é quase que totalmente preenchido pelo vapor dorefrigerante.

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Nesse momento a válvula de sucção encontra-se fechada pela ação deuma mola e a pressão no interior do cilindro aumenta pela diminuiçãodo volume do cilindro. Esse processo continua até que a pressão nointerior do cilindro consiga vencer a pressão da mola da válvula dedescarga, próxima da pressão de condensação. Nesse processo, partedo vapor permanece dentro do cilindro, na pressão de descarga, umavez que o pistão não consegue varrer todo o volume do cilindro.

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Os compressores alternativos ainda podem ser subdivididos em trêscategorias:compressor hermético, semi-hermético e aberto.No compressor hermético, representado na Fig. 4.4, o sistema decompressão é interligado ao motor elétrico de tal forma que permite ocompartilhamento de componentes dos sistemas elétrico e mecânico.

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Neste caso, todos os componentes são vedados do ambiente externopor uma carcaça de aço sem a possibilidade de uma eventualmanutenção. O vapor do refrigerante, proveniente do evaporador, éaspirado pelo compressor, entrando em sua carcaça. Esse processoserve para resfriar o motor do compressor. Somente depois de entrarna carcaça do compressor o vapor é aspirado pela câmara decompressão. Nesses compressores o processo de compressão érealizado, geralmente, por um êmbolo no lugar do pistão. Durante oprocesso de resfriamento, o vapor do refrigerante aumenta suatemperatura, superaquecendo, o que é uma desvantagem desseequipamento. No entanto, suas vantagens são:

� Menor ruído;� Ausência de vazamentos.

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Como desvantagens principais podem-se citar:

� Perda de eficiência devido ao aquecimento do gás peloenrolamento do motor (superaquecimento);

� Contaminação do sistema pelos resíduos após queima do motor;� Difícil manutenção e reparação;� Não permitem o controle de capacidade;� Não podem ser utilizados com amônia;� Capacidades reduzidas;� Apresentam problemas sérios com a umidade do sistema.

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No compressor semi-hermético, apesar de também compartilhar amesma carcaça com o motor elétrico, existem acessos que permitemreparos de seus componentes internos. As capacidades derefrigeração desse compressor são mais elevadas do que as doscompressores semi-herméticos. Na Fig. 4.5 é apresentado um detalhedesse compressor.

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No compressor aberto não existe nenhuma interligação entre as carcaças dosistema mecânico e a do acionador, com exceção do eixo, que pode ser um motorelétrico, uma turbina ou um motor de combustão, caso comum emsistemas detransporte de produtos resfriados. Este é o compressor maisutilizado narefrigeração industrial pela sua facilidade de reparo e porser um equipamento maisrobusto e de maiores capacidades com relação aos demais. Um detalhe dessecompressor é apresentado na Fig. 4.6.

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O compressor de pistão rolante, representado na Fig. 4.7, possui apenas umapalheta, atuada por uma mola, que divide as câmaras de sucçãoe descarga. O eixode rotação (O) é excêntrico ao eixo do rotor (O’), mas coincide com o eixo docilindro. A selagem entre as regiões de alta e baixa pressão deve ser realizada nalinha de contato entre a pá e o rotor e entre a pá e a sua ranhura.Portanto, elevadastolerâncias devem ser mantidas para evitar folgas nesses locais. Como pode servisto nessa figura, o compressor apresenta apenas uma válvula, a de descarga.

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Enquanto a descarga acontece, o volume na sucção é preenchido pelo vaporproveniente do evaporador. O efeito do pequeno volume de vapor residual existentena porta de descarga é diferente do que acontece na sucção do compressoralternativo. No compressor de pistão rolante, o volume na sucção já estácompletamente preenchido de vapor durante o final da descarga e o volume residualpresente na descarga mistura-se com o vapor que está sendo comprimido.

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Como características principais em relação aos outros compressores, apresentamenor número de partes móveis (aproximadamente a metade de componentes que ocompressor alternativo), é compacto e leve. As peças deslizantes devem apresentargrande resistência ao desgaste. O processo completo de sucção e compressão érepresentado na Fig. 4.9.

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No compressor de palhetas deslizantes, representado na Fig. 4.10, a selagementre as regiões de alta e baixa pressão ocorre nas linhas de contato entre as pás e ocilindro e entre as pás e as ranhuras. Pelo fato de apresentarmúltiplas palhetas,forma múltiplas câmaras de compressão onde cada uma representa uma fração dadiferença de pressão total do compressor. Não há necessidade de que o rotor tenhacontato com o cilindro, mas as folgas radiais devem ser reduzidas ao mínimo paraque o vapor comprimido não penetre no lado de sucção.

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Ao contrário do que acontece no compressor de pistão rolante, não há necessidadede molas para comprimir as palhetas contra o cilindro, pois operando com altasvelocidades as palhetas são arremessadas pela ação da forçacentrífuga para fora.Esse compressor não necessidade de válvulas de sucção ou descarga, pois a entradae saída do vapor são controladas por arranjos geométricos. Além disso, quando ocompressor está parado, as pás não são arremessadas para o cilindro e o vapor podeescoar da região de alta pressão para a de baixa pressão. Essaequalização depressão no rotor é útil, pois podem ser utilizados motores debaixo torque departida.

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Por outro lado poderá haver retorno de vapor comprimido (quente) para oevaporador, o que não é conveniente. Para evitar isso, pode-se instalar uma válvulade retenção na descarga do compressor. Nesse compressor, o eixo de rotação (O)coincide com o eixo do rotor, mas é excêntrico em relação ao eixo do cilindro (O’).

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O compressor scroll, representado na Fig. 4.11, é o compressor de projeto maisrecente. Possui duais espirais sendo uma fixa e outra móvel,acionada por um eixoexcêntrico. As principais características desse compressor são:

� Ausência de válvulas de sucção e descarga;� Baixo ruído e vibração;� Alta eficiência (não possui espaço nocivo);� Compacto e leve;� Alta confiabilidade.

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O processo de compressão do compressor scroll é representado na Fig. 4.12. Nesseprocesso, o refrigerante é comprimido pela interação entreuma espiral móvel e umafixa. O refrigerante entra através de uma das aberturas externas. Na continuação dogiro da espiral móvel a abertura externa é fechada e, com o seumovimento, orefrigerante é comprimido através da redução de seu volume.A condição dedescarga é atingida quando o refrigerante atinge a região central do compressor.

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O compressor de parafuso, apresentado esquematicamente na Fig. 4.13, consistede dois rotores, um macho e um fêmea, montados em rolamentos para fixar suaposição dentro de uma carcaça, com elevadas tolerâncias.

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O formato dos rotores é helicoidal, com diferentes números de lóbulos tanto dorotor macho quanto no rotor fêmea, conforme representação da Fig. 4.14.

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O motor de acionamento é geralmente conectado ao rotor macho, acionando o rotorfêmea através de um filme de óleo lubrificante. Para aplicações de baixa e médiapressão, como na refrigeração industrial, o rotor macho possui quatro a cincolóbulos enquanto o rotor fêmea possui seis ou sete lóbulos. Como característicasprincipais desse compressor, citam-se:

� Alta eficiência volumétrica, pois não há espaço nocivo;� Baixa temperatura de descarga (entre 60 a 80°C), obtida através da injeção de

óleo na câmara de compressão;� Menor número de componentes;� Ausência de válvulas de sucção e descarga;� Baixo ruído;� Menor vibração.

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Os diâmetros de rotores mais comuns são: 125, 160, 200, 250 e 320 mm.Geralmente são oferecidos dois ou três comprimentos para cada diâmetro de rotor,com relações da ordem de 1.12 a 1.70. Qualquer um dos rotores pode serimpulsionado pelo motor. Quando o rotor fêmea é acoplado ao motor, com umarelação entre os lóbulos de 4:6, a velocidade é 50% maior que oacoplamento feitono rotor macho, aumentando a capacidade do compressor. Issono entanto aumentaa força de carregamento nos rotores na região de transferência do torque, podendodiminuir a vida útil dos rotores.

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O processo de compressão é dividido em três etapas: sucção, compressão edescarga. O vapor é aspirado pela parte superior e entra na folga entre os doisrotores (porta de aspiração) sendo conduzido, então, axialmente no espaço entre osdois rotores, até a porta de descarga, situada na parte inferior do compressor.Esses três processos estão representados na Fig. 4.15.

Figura 4.15. Processos de (a) sucção, (b) compressão e (c) descarga em umcompressor parafuso.

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Quando os rotores desengrenam, o lóbulo do rotor macho sai daranhura do rotorfêmea. O volume liberado pelo rotor macho é preenchido com vapor do refrigeranteproveniente da sucção. À medida que o desengrenamento prossegue, o volume emcada ranhura irá aumentar. A Fig. 4.16 (a) mostra uma vista detopo da extremidadede sucção que mostra os rotores desengrenando, permitindo aentrada do vapor e aFig. 4.16 (b) mostra uma vista lateral do compressor na mesmasituação.

Figura 4.16. Posição da entrada de vapor em um compressor parafuso.

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À medida que os rotores giram, há novamente o encaixe entre osdois rotores e ovapor deixa a região de entrada, finalizando o processo de sucção, como mostradonas Fig. 4.17 (a e b). Esse volume preso no início do processo échamado devolume na sucção, Vs.

Figura 4.17. Final do processo de sucção em um compressor parafuso.

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Quando o lóbulo do rotor macho entra na ranhura do rotor fêmea, na parte inferiordo compressor, o volume de vapor preso nesse espaço começa a ser comprimido.Os dois volumes separados em cada rotor juntam-se, formandoum “V” naintersecção dos dois parafusos, tal como representado nas Fig. 4.18 (a e b).

Figura 4.18. Início do processo de compressão em um compressor parafuso.

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A partir desse momento, com a continuidade da rotação dos rotores, o volume presocomeça a reduzir, aumentando sua pressão, tal como representado nas Fig. 4.19 (a eb).

Figura 4.19. Final do processo de compressão em um compressor parafuso.

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Em um compressor alternativo, a descarga inicia com a abertura da válvula dedescarga. Para que isso aconteça, a pressão no cilindro deveser maior que a pressãoacima da válvula. Como o compressor parafuso não possui válvulas, apenas aposição da porta de descarga determina quando a descarga finaliza, conformerepresentação da Fig. 4.20 (a e b). Ainda em relação à Fig. 4.19 (b), o volume devapor remanescente, preso no espaço formado pela junção em “V” dos dois rotoresno final da compressão, é chamado de volume na descarga, Vd.

Figura 4.20. Processo de descarga em um compressor parafuso.

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4.5.1 Relação entre volumes internos

Como esse compressor não possui válvulas de descarga, a localização da porta dedescarga determina a máxima pressão de descarga que será atingida antes do vaporcomprimido ser empurrado para a tubulação de descarga.Com essa ideia, define-se um parâmetro chamado derelação entre volumesinternos, Vi, que é uma característica de projeto dos compressores tipo parafuso,uma vez que esse compressor é essencialmente um dispositivode redução devolume.Assim, relação entre volumes internosé a razão entre o volume preso na sucção,Vs, e o volume de vapor preso remanescente na câmara de compressão quando aporta de descarga abre,Vd, conforme a Eq. 4.1 e Fig. 4.21.

d

si V

VV =

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A relação entre volumes internos,Vi, determina a relação entre as pressões internasdo compressor,Pi, e a relação entre esses dois termos pode ser aproximadaconforme a Eq. 4.2.

kii VP =

ondek é a relação entre os calores específicos do vapor sendo comprimido e Pi édado pela Eq. 4.3.

s

di P

PP =

ondePd é a pressão interna de descarga ePs é a pressão interna de sucção.

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Relação entre pressões para compressão isentrópica de alguns refrigerantes.

R717 R22

Vi Pi Pi

2,6 3,5 3,1

3,6 5,3 4,4

5,0 8,0 6,4

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O nível da pressão interna no volume de vapor preso antes da abertura da porta dedescarga é determinado com a pressão de sucção e com a relaçãoentre volumesinternos. No entanto, em qualquer sistema, as pressões de sucção e descarga sãodeterminadas pela necessidade do processo e não pelo compressor.Se a relação entre volumes internos do compressor for muito elevada para umadada condição de operação, o vapor na descarga permanecerá excessivamente presono espaço de compressão e sua pressão de descarga interna subirá acima da pressãoda tubulação de descarga. Esse efeito é chamado de sobre pressão e é representadono diagrama pressão vs. volume da Fig. 4.22.

Figura 4.22. Efeito da sobre pressão nofinal da descarga do compressorparafuso.

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O nível da pressão interna no volume de vapor preso antes da abertura da porta dedescarga é determinado com a pressão de sucção e com a relaçãoentre volumesinternos. No entanto, em qualquer sistema, as pressões de sucção e descarga sãodeterminadas pela necessidade do processo e não pelo compressor.Se a relação entre volumes internos do compressor for muito elevada para umadada condição de operação, o vapor na descarga permanecerá excessivamente presono espaço de compressão e sua pressão de descarga interna subirá acima da pressãoda tubulação de descarga. Esse efeito é chamado desobre pressãoe é representadono diagrama pressão vs. volume da Fig. 4.22.

Figura 4.22. Efeito da sobre pressão nofinal da descarga do compressor parafuso.

Nessa situação, o vapor é comprimido além da pressão de descarga e, quando a porta de descarga abre, acontece uma expansão brusca desse vapor na linha de descarga. Assim, há um consumo de energia desnecessário se comparado com o caso no qual a pressão interna fosse igual à pressão de descarga.

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Quando a relação entre volumes internos do compressor for muito baixa para ascondições de operação do sistema, acontece o efeito chamadode sob pressão,representado na Fig. 4.23. Nessa situação, a abertura da porta de descarga aconteceantes que a pressão interna de descarga do volume de vapor preso tenha alcançadoo nível de pressão de descarga do sistema. A maior pressão na linha de descargacria um fluxo reverso de vapor para dentro do compressor. O compressor tem entãoque bombear esse vapor contra a pressão do sistema, consumindo mais energia.Em ambos os casos o compressor opera normalmente e o mesmo volume de vaporserá movimentado, mas sempre utilizando um consumo de energia adicional queseria desnecessário caso a porta de descarga estivesse perfeitamente localizada paraatender as condições de pressão do sistema.

Figura 4.23. Efeito da sob pressão nofinal da descarga do compressorparafuso.

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4.5.2 Controle de capacidade

O controle de capacidade é utilizado em compressores parafusos para variar aquantidade de vapor comprimido, fazendo um balanço entre a capacidade docompressor e a capacidade de refrigeração necessária para osistema, em função devariações de carga térmica. As formas de controle de capacidade mais utilizadassão:

� Válvula de deslizamento (slide valve) controlando a porta de descarga;� Válvula de deslizamento controlando a porta de descarga e a relação entre

volumes internos;� Motor com velocidade variável.

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A válvula de deslizamento é o dispositivo mais comum utilizado para o controle decapacidade. Oferece um controle para ajuste da capacidade de forma contínua,geralmente entre 10 e 100%. Está posicionada na parte inferior dos parafusos, entreeles e a carcaça, sendo acionada hidraulicamente, conformeesquema apresentadona Fig. 4.24 (a e b).

Figura 4.24. Válvula de deslizamento(slide valve) de um compressorparafuso para controle de suacapacidade.

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Essa válvula abre uma passagem para a recirculação de parte do vapor situado naregião onde deveria iniciar o processo de compressão, de volta para a extremidadede sucção (Fig. 4.24 (c)). É um método bastante efetivo para operações em cargaparcial uma vez que, quando a válvula se desloca da sua posição axial, a porta dedescarga radial também se move. Como o volume na sucção diminui, a abertura daporta de descarga é atrasada, mantendo aproximadamente a mesma relação entrevolumes internos em cargas parciais como em plena carga, talcomo mostrado naFig. 4.25.

Figura 4.25. Posição da válvulade deslizamento (slide valve)em um compressor operandoem carga parcial.

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Acionamento do motor do compressor com velocidade variávelé outra forma decontrole da capacidade, geralmente obtido com o uso de um inversor. A potência docompressor não diminui linearmente com a redução da velocidade mais sim éfunção da velocidade na extremidade do rotor e da relação entre as pressões deoperação.Em geral, a eficiência de um compressor operando em carga parcial e baixa relaçãode pressão é boa mas operando com elevada relação de compressão é melhor ainda,quando operando com baixas rotações e em comparação com o controle via válvulade deslizamento.No entanto, com o uso do inversor, a diminuição de eficiênciado conjunto motor-inversor operando em baixas rotações é significativa. Assim, se o compressoroperar na maior parte do tempo em plena carga, o uso do inversor e o custo que issorepresenta, talvez não seja a melhor solução.

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Em compressores alternativos, a eficiência de compressão é significativamente afetada pela temperatura de vaporização. Nos compressores parafuso, a eficiência depende da razão entre volumes do compressor e da relação entre pressões.

Outro aspecto é a redução de eficiência resultante da compressão até pressões inferiores ou superiores àquela na região de saída. Esta explicação é encontrada nos conceitos de expansão não resistida, da Termodinâmica.

Rendimento de compressão adiabática

Sob-pressãoSobre-pressão

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4.5.3 Separação e resfriamento do óleo

A maioria dos compressores parafuso usados atualmente usa ainjeção de óleo daregião de compressão para lubrificação, vedação entre os parafusos durante acompressão e resfriamento. A quantidade de óleo injetado pode variar entre 38 a 75L/min por cada 75 kW de potencia do compressor. Dessa forma, amaior parte docalor resultante do processo de compressão é transferido para o óleo, fazendo comque a temperatura de descarga seja bastante reduzida mesmo em altas relações decompressão.

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4.5.3 Separação e resfriamento do óleo

Entretanto, esse óleo é indesejável nas outras partes do processo, principalmentenos trocadores de calor, onde funciona como uma incrustação, exigindo o uso deseparadores de óleo. Um tipo de separador de óleo muito utilizado é apresentado naFig. 4.26.

Figura 4.26. Separador de óleo em um compressor parafuso.

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A mistura vapor do refrigerante + óleo é dirigida da descargado compressor paraum tanque separador, onde sofre uma mudança de direção e grande redução develocidade. As partículas maiores de óleo caem por gravidade no reservatórioenquanto as menores passam por um filtro coalescente. Além da remoção de óleodo fluxo vapor + óleo, o separador também permite que eventuais quantidades derefrigerante condensado possam absorver calor e vaporizar, melhorando a qualidadedo óleo restante para reinjeção no compressor.

O calor transferido para o óleo durante a compressão deve serremovido através deum sistema de resfriamento. As três formas mais comuns de resfriamento de óleosão: resfriamento a água, resfriamento por termosifão ou injeção de líquido.

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4.5.3.1 Resfriamento a água

Utilizando a Fig. 4.27 como referencia, o óleo quente deixa oseparador de óleopassando por um filtro de peneira, dirigindo-se até a bomba de óleo. O óleo é entãobombeado para um trocador de calor, casco e tubo ou a placas, onde o calor érejeitado para uma corrente de água ou outro fluido secundário. O óleo frio passapor um filtro e retorna ao compressor enquanto a água ou outrofluido secundáriosão resfriados. No caso da água, utiliza-se uma torre de arrefecimento.

Figura 4.27. Processo deresfriamento a água.

Esse método apresenta algumas desvantagens, tais como: custo inicial e de manutenção do sistema água-trocador de calor-torre de arrefecimento e de eventuais rupturas dos tubos de água ou de refrigerante.

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4.5.3.2 Termosifão

Similar ao sistema de resfriamento com água, exceto que a água é substituída pelavaporização do refrigerante, no lado do tubo, no trocador decalor do óleo. Osistema é basicamente um evaporador inundado, alimentandopor gravidade desdeum reservatório de líquido situado acima do trocador de calor. O óleo circula pelolado do casco enquanto o refrigerante vaporiza no interior dos tubos do trocador. Ovapor formado durante a ebulição do refrigerante retorna aoreservatório de líquido.O vapor produzido durante esse processo é conduzido de voltaao condensador,onde cede calor ao ambiente, voltando como líquido. A temperatura vaporização édefinida pela pressão do condensador.

Figura 4.28. Processo deresfriamento com termosifão.

Esse tipo de sistema é bastante utilizado uma vez que, geralmente, não necessita manutenção e não degrada o desempenho do compressor.

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4.5.3.2 Resfriamento com injeção de líquido

A injeção de líquido resfria o óleo através de injeção diretade refrigerante líquidocondensado, proveniente do reservatório de líquido. A taxacom que o refrigerante éinjetado no compressor é regulada por uma válvula de expansão termostática,controlada pelo superaquecimento do vapor na descarga do compressor. Umesquema representando esse tipo de sistema é mostrado na Fig. 4.29.

Figura 4.29. Processo de resfriamento com injeção de líquido.

A conveniência desse esquema de resfriamento é muito discutível uma vez que parte do refrigerante injetado permanece na fase líquida e sua expansão poderia influir na diminuição da capacidade do compressor.

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A representação do circuito de óleo é ilustrado abaixo.

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Problemas com compressores – retorno de líquido

Diluição do óleo de lubrificação afetando a película de óleo e gerando desgaste prematura das peças móveis.

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Causas:

� Excesso de carga de refrigerante;� Fluxo de ar-água inadequado no evaporador;� Ajuste ou seleção incorreta do dispositivo deexpansão.

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Em compressores alternativos

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Problemas com compressores:

� Partida inundada: na condição de parada do compressor, há uma migração do refrigerante para o carter do compressor. Na partida, o óleo diluído não lubrifica o eixo e mancais.

� Golpe de líquido: é o caso extremo do retorno de líquido ao compressor.

� Temperatura de descarga elevada: falha de lubrificação, carbonização do óleo, etc.

� Falhas elétricas