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
Compressor Hermético do Refrigerador Doméstico Atual
Visão sistêmica do funcionamento: https://www.youtube.com/watch?v=nA-XbfxqgRo
Compressores Ciclos Refrigeração
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
• 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.
III. 2. Conjunto 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.
III. 3. Conjunto 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.
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.
Explicação detalhada do Compressor:
https://www.youtube.com/watch?v=YCpayFv83Tc
Compressores Ciclos Refrigeração
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)
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.
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.
Compressores Helicoidais
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.
Compressores Helicoidais
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;
Compressores Helicoidais
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.
Compressores Helicoidais
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
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
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