Circuito de Refrigeração Mecânica

Transcrição

1 Pressão Circuito de Refrigeração Mecânica Sub-resfriado Condensação Superaquecido Líquido Válvula de expansão Condensador Mistura Saturada Trocador de Calor Compressor Evaporador Gás Entalpia

2 Parte 1 Introdução a Compressores O compressores aumentam a pressão do fluido refrigerante vindo do evaporador enviando-o ao condensador.

3 Compressores Ciclos Refrigeração Compressor Hermético do Refrigerador Doméstico Atual Visão sistêmica do funcionamento:

4 Compressores Ciclos Refrigeração Compressor Hermético do Refrigerador Doméstico Atual Visão sistêmica do funcionamento:

5 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

6 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.

7 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

8 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.

9 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.

10 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.

11 III. 1. Conjunto Motor-Compressor Aberto 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.

12 Motor-Compressor Aberto

13 III. 2. Conjunto Motor-Compressor Semi-Hermético 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.

14 Motor-Compressor Semi-Hermético

15 III. 3. Conjunto Motor-Compressor 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.

16 Motor-Compressor Hermético

17 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.

18 À ar Refrigeração de Compressores durante funcionamento: Aletas externas ao cilindro aumentam a convecção. À água Circulação de água em cavidades localizadas na parede e na parte superior do cilindro.

19 Parte 2 Compressores Alternativos Compressão por pistão alternativo

20 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.

21 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.

22 (continuação) Funcionamento dos Compressores Alternativos: 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.

23 (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

24 P desc. a Descarga d a) Pistão no ponto morto superior; b) Válvulas de admissão abertas; c) Pistão no ponto morto inferior; d) Válvulas de escape abertas. P sucção 1 Re-expansão 2 b Compressão Admissão 4 3 c 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. Va Vb Vc

25 Eficiência A performance de um compressor pode ser dada como: Capacidade Energia consumida

26 Compressores Ciclos Refrigeração Explicação detalhada do Compressor:

27 Deslocamento do pistão (V p ) Volume total do cilindro movimentado pelo pistão por unidade de tempo: V p = ( /4) * D 2 * L * N * n Onde: D 2 = diâmetro interno do pistão L = extensão do percurso N = número de rotações do eixo da manivela por tempo n = número de cilindros

28 Massa de refrigerante no compressor Considerando que o cilindro compressor enche-se completamente com o vapor de sucção da tubulação de admissão: m = V p * ou m = V p / Onde: V p = deslocamento do pistão = densidade do vapor na admissão = volume específico do vapor na admissão

29 III. Capacidade de Refrigeração é influenciada pelo Volume Comprimido Capacidade Refrigeração = fç (Efeito Frigorífico, Taxa Fluxo Massa): Q e Teórica considera que: 1) Cilindro compressor enche-se completamente com o vapor de sucção da tubulação de admissão. Q e = q e * m Q e Real : 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 a mesma que a da tubulação de admissão. 2) Densidade do vapor que preenche o cilindro é mais baixa que a da tubulação de admissão. Q e Real = Q e Teórica * E Onde: E = Eficiência Volumétrica

30 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 = V a * 100 Onde: V p V a = volume real do vapor de compressão por unidade de tempo V p = deslocamento do pistão do compressor NOTA: Conhecendo-se E V a e Q E Real podem ser determinadas

31 Determinação da Eficiência Volumétrica Total (E ou v ) É o efeito combinado de vários fatores (veremos no item V), que irão variar com: -Projeto; -Refrigerante usado; -Condições de operação. 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 100 E 0 R 14

32 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

33 IV.1. Folga no Compressor (Sozinha é a denominada Eficiência Volumétrica Teórica) b) Variações com pressões de Exaustão e Admissão Aumento da P admissão ou Diminuição da P escape Dependência: a) Quantidade de Afastamento do Pistão maior V re-expansão menor V admissão recebido no compressor Logo, Volume de Compressão deve ser o menor possível. Não vale para líquidos pois são incompressíveis! Aumenta Efic.Teórica de Compressão

34 IV.2. Efeitos de Trefilação a) Admissão b) Descarga (Estrangulamento) P vapor sucção < P vapor tubulação Perda de carga no percurso Logo o volume do vapor de sucção é menor! P descarga deverá ser maior para superar trefilação, logo para re-expandir ocupará volume maior do compressor Efeitos da Trefilação aumentam com o aumento da velocidade de vapor através das válvulas, ou seja, quando a rotação aumenta.

35 IV.3. Efeitos do Aquecimento do Cilindro de Compressão Aquecimento pode ser devido: - Condução das paredes quentes do cilindro; - Atrito devido a turbulência do vapor no cilindro. Aquecimento expansão Logo: V comprimido diminuindo E Quanto maior a taxa de compressão, maior o trabalho de compressão e, logo, maior o aquecimento (menor E )

36 IV.4. Fulgas no Pistão e Válvulas Pistão: Escape do gás diminuirá, obviamente, o volume de vapor bombeado. São desprezíveis devido a precisão dos processos de fabricação. Válvulas Impossível projetar válvulas de fechamento instantâneo. Feitas leves e com ligeira carga de mola (limite é trefilação). Quanto maior a taxa de compressão, maior a quantidade de vazamento nas válvula (menor E )

37 V. Variação da Capacidade do Compressor 1. Temperatura de Admissão (T vaporização ) Fator + importante que determina a capacidade do compressor. Maior T vaporização + elevada P evaporação e maior vapor sucção Logo mais massa de refrigerante será comprimida 2. Temperatura de Condensação A capacidade de refrigeração diminui quando T condensação aumenta. (Será quantificado, nos cálculos do Ciclo!)

38 Energia Teórica do Compressor Energia Teórica Requerida ao Compressor (E teórica ): E teórica = Q real * W teórica Q real não Q teórica! 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!

39 VI. Variação da Potência do Compressor 1. Temperatura de Admissão (T vaporização ) 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 T condensação aumenta, a potência teórica requerida por qualquer compressor não aumentará na mesma proporção.

40 VII. Superaquecimento e Subresfriamento no Desempenho do Compressor 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.

41 VIII. Seleção de Compressores 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.

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43 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.

44 Por que os compressores falham Retorno de líquido; Golpes de líquido; Sujeira na instalação; T descarga alta Contaminação (água é o inimigo n 1) Problemas elétricos (oscilações de freqüência, mal contato, sobrecarga, etc)

45 Parte 3 Compressores Rotativos Parafuso ou Helicoidais; Palhetas; Scroll.

46 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.

47 Compressores Helicoidais

48 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.

49 Compressores Helicoidais

50 Compressores Helicoidais

51 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.

52 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;

53 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.

54 II. Compressores de Palhetas 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).

55 Compressores de Palhetas

56 Compressores de Palhetas

57 III. Compressores Scroll 1 ciclo de compressão = 4 voltas completas Fluido entra pelas extremidades e sai pela parte central já comprimido

58 Compressores Ciclos Refrigeração Compressor Hermético Scroll Visão sistêmica do funcionamento:

59 Parte 2 Compressores Centrífugos Visão Básica Do visto em Operações Unitárias

60 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 H 2 O.

61 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.

62 Demais considerações sobre compressores Compressor tipo seco: As partes em contato com refrigerante não recebem lubrificação; São lubrificados biela e virabrequim.

63 Por que os compressores falham

64 Interior dos Compressores (Pistões)