Refrigeracao e Ar CondicionadoCompressores

Filipe Fernandes de Paulafilipe.paula@engenharia.ufjf.br

Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia

Universidade Federal de Juiz de Fora

Engenharia Mecanica

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Introducao

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Introducao

I O compressor e um dos principais componentes do sistema derefrigeracao, sua funcao e aumentar a pressao do fluido refrigerantee promover a circulacao desse fluido no sistema;

I Os principais tipos de compressores utilizados sao:I Alternativo;I Centrıfugo;I Parafusos;I Palhetas;I Scroll;

I A escolha do tipo de compressor mais adequado e devidoprincipalmente a

I Capacidade do sistema de refrigeracao requerido;I Temperatura de vaporizacao;I Fluido refrigerante adotado.

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Introducao

I Pode-se dividir os sistemas basicamente em,I Pequena capacidade - < 2,5 TR;I Media capacidade - entre 2,5 TR e 75 TR;I Grande capacidade - > 75 TR.

I TR e a tonelada de refrigeracao, que e definida como a energianecessaria para liquefazer aproximadamente uma tonelada de aguaem 24h;

I 1TR = 3, 53kW .

I Em muitos sistemas, o compressor e o condensador sao montadosde forma compacta, denominado unidade condensadora.

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Introducao

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Classificacao do Compressores

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Segundo o processo de compressao

I Compressores de deslocamento positivoI Aumenta a pressao do vapor de refrigerante pela reducao do volume

interno de uma camara de compressao;I Compressores alternativos, de parafuso, de palheta e scroll sao de

deslocamento positivo.

I Compressores de FluxoI Nesse tipo de compressor, o aumento de pressao se deve,

principalmente, a conversao de pressao dinamica em pressao estatica.

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Intervalos de Aplicacao

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Segundo o modo de construcaoI Hermetico

I Quanto o compressor e o motor de acionamento sao selados nointerior de uma carcaca;

I Opera predominantemente com refrigerantes halogenados;I O vapor de fluido refrigerante entra em contato com o enrolamento

do motor, resfriando-o;I Sao geralmente utilizados em refrigeradores domesticos e

condicionadores de ar com potencias da ordem de 30kW.I Semi-hermetico

I Sao semelhantes aos hermeticos, porem, permitem a remocao docabecote, tornando possıvel o acesso as valvulas e aos pistoes,facilitando os servicos de manutencao.

I AbertoI O eixo de acionamento do compressor atravessa a carcaca permitindo

o acionamento por um motor externo;I Esse tipo de compressor e adequado para operar com amonia,

podendo tambem utilizar refrigerantes halogenados.

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Compressores Alternativos

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IntroducaoI Os compressores alternativos sao os mais utilizados em sistemas de

refrigeracao, sao amplamente utilizados em sistemas de pequena emedia capacidade;

I Os compressores alternativos podem ser:I De simples ou duplo efeito;I De um ou mais cilindros;I Abertos, hermeticos ou semi-hermeticos;I Horizontais, verticais, em V, em W ou radiais.

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Ciclo Mecanico

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Ciclo Termodinamico

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Eficiencia Volumetrica

I Mede o nıvel de enchimento do cilindro;I Serao consideradas dois tipos de eficiencias volumetricas

I Eficiencia Volumetrica Efetiva;I Eficiencia Volumetrica de Espaco Morto.

I Volume de espaco morto e o volume residual mınimo;

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Eficiencia Volumetrica Efetiva

I Taxa de deslocamento e o volume total que o pistao desloca porunidade de tempo;

I A vazao de ar que entra no compressor e o volume aspirado pelocilindro, que compreende o deslocamento do pistao desde a aberturada valvula de admissao ate o volume maximo.

ηv ,ef =Vazao de ar que entra no compressor (m3/s)x100

Taxa de deslocamento do pistao (m3/s)

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Eficiencia Volumetrica de Espaco Morto

I Depende da expansao do gas retido no espaco morto;

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Eficiencia Volumetrica de Espaco Morto

I A eficiencia volumetrica de espaco morto e dada por:

ηv ,m =V3 − V1

V3 − Vmx100 = 100 − rm

(vaspvdes

− 1

)(1)

I rm e a fracao de volume morto e e dada por:

rm =Vm

V3 − Vmx100 (2)

I Considerando-se a expansao politropica, onde

Vasp

Vdes=

(pdp1

)1/n

(3)

I tem-se

ηv ,m = 100 − rm

[(pdp1

)1/n

− 1

](4)

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Eficiencia VolumetricaI Para um compressor ideal, ηv ,m depende apenas da temperatura de

evaporacao;I Para um processo de compressao ideal do R-22, rc = 4, 5%, 50 L/s

de taxa de deslocamento e TC = 35°C , tem-se:

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Vazao Massica

I A vazao em massa m e dada por:

m = Taxa de deslocamento xηv ,m

100vasp(5)

I A medida que a pressao de aspiracao diminui, o volume especıficodo gas que entra no compressor aumenta, diminuindo assim a vazaoe a eficiencia volumetrica.

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PotenciaI Para um compressor ideal, a potencia e dada por:

Wc = m∆h (6)

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Potencia

I Para baixas temperaturas de evaporacao, o trabalho de compressao(∆h) aumenta;

I para altas temperaturas de evaporacao, ∆h vai diminuindo ateatingir zero, no ponto em que a pressao de aspiracao e igual apressao de descarga;

I A curva de potencia apresenta valor nulo em dois pontos:I Ponto de vazao nula;I Ponto onde a temperatura de evaporacao e igual a de condensacao.

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Potencia

I A maioria dos sistemas de refrigeracao trabalham a esquerda dopico de potencia;

I Na partida, a temperaturas do evaporarador e alta, e a potenciapassa pelo pico;

I Muitas vezes, os motores sao superdimensionados para suportar essepico, o que nao e adequado em termos de uso eficiente de energia;

I O superdimensionamento pode ser evitado reduzindo-seartificialmente a pressao de evaporacao atraves de um dispositivo deestrangulamento.

I Durante a operacao normal, cargas termicas elevadas aumentam atemperatura de evaporacao e consequentemente a potencia docompressor, podendo sobrecarregar o motor.

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Capacidade de RefrigeracaoI A capacidade de refrigeracao e dada por:

Qo = m(h1 − h4) (7)

I A capacidade de refrigeracao aumenta com o aumento datemperatura de evaporacao.

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COPI O coeficiente de performance aumenta com o aumento da

temperatura de evaporacao;I A medida que a temperatura de evaporacao diminui, o volume

especıfico aumenta e a vazao em massa no compressor diminui,reduzindo a capacidade de refrigeracao e consequentemente o COP.

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Efeito da Temperatura de CondensacaoI Instalacoes frigorıficas normalmente rejeitam calor atraves do

condensador para a atmosfera, cujas condicoes variam ao longo doano;

I Para uma temperatura de evaporacao de −20°C , tem-se:

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Efeito da Temperatura de Condensacao

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Efeito da Temperatura de Condensacao

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Eficiencia Volumetrica EfetivaI A eficiencia efetiva, alem da expansao do gas residual do espaco

morto, engloba outros fatores tais como:I Perda de carga;I Fugas atraves das valvulas de admissao e descarga;I Fugas pelos aneis dos embolos;

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Eficiencia de Compressao

I Para compressores alternativos abertos essas eficiencias variam entre65% e 70%.

ηc =h2s − h1

h2 − h1(8)

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Temperatura de Descarga do Compressor

I Temperaturas de descarga do compressor excessivamente altaspodem deteriorar o oleo de lubrificacao, resultando em desgasteexcessivo e reducao da vida util das valvulas;

I De maneira geral quanto maior a razao de pressoes, maior atemperatura de descarga;

I O refrigerante tambem influencia a temperatura de descarga docompressor.

I A amonia apresenta altas temperaturas de descarga exigindocompressores com cabecotes refrigerados a agua.

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Temperatura de Descarga do Compressor

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Controle de Capacidade

I Os sistemas frigorıficos estao sujeitos a variacoes de carga termica;

I O aumento de carga termica sem uma resposta do compressor,pode provocar um aumento na temperatura de evaporacao ecomprometer a qualidade dos produtos armazenados;

I Por outro lado, o funcionamento contınuo do compressor para umacondicao de carga termica reduzida pode baixar demasiadamente atemperatura de evaporacao, o que pode ser indesejavel, porexemplo, na conservacao de alimentos frescos, cuja temperatura econtrolada;

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Controle de Capacidade

I Entre os varios metodos empregados no controle de capacidade docompressor estao:

I Atuacao no compressor, ligando-o ou desligando-o;I Estrangulamento do gas de aspiracao entre o evaporador e o

compressor atraves do uso de uma valvula reguladora de pressao desuccao;

I Desvio do gas na descarga do compressor para a linha de aspiracaoou para o evaporador;

I Funcionamento a vazio de um ou mais cilindros, atraves da aberturacontınua da valvula de descarga;

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Compressor Parafuso

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Introducao

I O compresor parafuso e uma maquina de deslocamento positivo.

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Introducao

I Vantagens em relacao aos alternativos:I Menor tamanho;I Numero inferior de partes moveis.

I Desvantagens em relacao aos alternativos:I Menor eficiencia em condicoes de carga parcial.

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Funcionamento

I O gas e comprimido pela rotacao de rotores acoplados a um motor,geralmente eletrico;

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Efeito da Temperatura de Condensacao e EvaporacaoI No caso do compressor parafuso o rendimento volumetrico nao

exerce um efeito tao significativo como nos compressoresalternativos, pois nao temos a expansao do gas residual no espacomorto;

I As tendencias sao as mesmas, mas com efeito reduzido. A potenciae mais afetada pela temperatura de condensacao do que pelatemperatura de evaporacao.

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Controle de CapacidadeI O controle de capacidade em compressores parafuso pode ser feito

atraves de valvulas corredicas localizadas na carcaca do compressor,que se movem na direcao axial provocando um retardamento doinıcio da compressao.

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Compressor de Palheta

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IntroducaoI Os compressores de palhetas podem ser classificados em dois tipos

basicos:I Compressor de palheta simples;I Compressor de multiplas palhetas.

I Apresentam menor vibracao durante seu funcionamento e destaforma sao mais utilizados em situacoes onde o baixo nıvel de ruıdo efundamental;

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Compressor de Palheta

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Compressor de Palheta

I Em compressores de palheta simples, a linha de centro do eixo deacionamento coincide com a do cilindro, porem, e excentrica emrelacao ao rotor, de maneira que, o rotor e o cilindro permanecemem contato a medida que gira;

I Uma palheta simples acionada por mola, divide as camaras deaspiracao e descarga.

I Nos compressores de multiplas palhetas, o rotor gira em torno doproprio eixo, que nao coincide com o eixo do cilindro;

I O rotor possui duas ou mais palhetas que permanecem em contatocom a superfıcie do cilindro pela acao da forca centrıfuga.

I Apresentam menor vibracao durante seu funcionamento e destaforma sao mais utilizados em situacoes onde o baixo nıvel de ruıdo efundamental.

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Compressores Centrıfugos

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Introducao

I Sao amplamente utilizados em sistemas de grande porte;

I O refrigerante entra pela abertura central do rotor e, devido a acaoda forca centrıfuga, ganha energia cinetica a medida que edeslocado para a periferia. Ao atingir as pas do difusor ou a voluta,parte de sua energia cinetica e transformada em pressao.

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Compressores Centrıfugos

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Compressores Centrıfugos

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Compressores Scroll

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IntroducaoI O princıpio de funcionamento do compressor Scroll e baseado num

movimento orbital;I Apresenta diversas vantagens como;

I Eficiencia de 5 a 10% maior que um compressor alternativo de igualcapacidade;

I Ausencia de valvulas;I Menor quantidade de partes moveis em relacao a um compressor

alternativo;I Operacao suave e silenciosa;I Baixa variacao de torque com consequente aumento da vida util e

reducao de vibracao;

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Exemplo

I Exemplo 1 - Dados de um catalogo de um compressor de 6cilındros, operando com R-22 a 29 rps, indicam uma capacidade derefrigeracao de 96, 4kW e potencia de 28, 9kW para umatemperatura de evaporacao de 5°C e uma temperatura decondensacao de 50°C . O desempenho e baseado em 3°C desub-resfriamento e 8°C de superaquecimento. O diametro docilındro e de 67mm e o percurso e 57mm. Determine,

1. Eficiencia volumetrica se a fracao de espaco nocivo e 4,8%;2. Eficiencia volumetrica efetiva;3. Eficiencia de compressao.

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