Refrigeração e Ar Condicionado

Transcrição

1 Refrigeração e Ar Condicionado Compressores Filipe Fernandes de Paula filipe.paula@engenharia.ufjf.br Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecânica 1/43

2 Introdução 2/43

3 Introdução O compressor é um dos principais componentes do sistema de refrigeração, sua função é aumentar a pressão do fluido refrigerante e promover a circulação desse fluido no sistema; Os principais tipos de compressores utilizados são: Alternativo; Centrífugo; Parafusos; Palhetas; Scroll; A escolha do tipo de compressor mais adequado é devido principalmente à Capacidade do sistema de refrigeração requerido; Temperatura de vaporização; Fluido refrigerante adotado. 2/43

4 Introdução Pode-se dividir os sistemas basicamente em, Pequena capacidade - < 2,5 TR; Média capacidade - entre 2,5 TR e 75 TR; Grande capacidade - > 75 TR. TR é a tonelada de refrigeração, que é definida como a energia necessária para liquefazer aproximadamente uma tonelada de água em 24h; 1TR = 3, 53kW. Em muitos sistemas, o compressor e o condensador são montados de forma compacta, denominado unidade condensadora. 3/43

5 Introdução 4/43

6 Classificação do Compressores 5/43

7 Segundo o processo de compressão Compressores de deslocamento positivo Aumenta a pressão do vapor de refrigerante pela redução do volume interno de uma câmara de compressão; Compressores alternativos, de parafuso, de palheta e scroll são de deslocamento positivo. Compressores de Fluxo Nesse tipo de compressor, o aumento de pressão se deve, principalmente, a conversão de pressão dinâmica em pressão estática. 5/43

8 Intervalos de Aplicação 6/43

9 Segundo o modo de construção Hermético Quanto o compressor e o motor de acionamento são selados no interior de uma carcaça; Opera predominantemente com refrigerantes halogenados; O vapor de fluido refrigerante entra em contato com o enrolamento do motor, resfriando-o; São geralmente utilizados em refrigeradores domésticos e condicionadores de ar com potências da ordem de 30kW. Semi-hermético São semelhantes aos herméticos, porém, permitem a remoção do cabeçote, tornando possível o acesso às válvulas e aos pistões, facilitando os serviços de manutenção. Aberto O eixo de acionamento do compressor atravessa a carcaça permitindo o acionamento por um motor externo; Esse tipo de compressor é adequado para operar com amônia, podendo também utilizar refrigerantes halogenados. 7/43

10 Compressores Alternativos 8/43

11 Introdução Os compressores alternativos são os mais utilizados em sistemas de refrigeração, são amplamente utilizados em sistemas de pequena e média capacidade; Os compressores alternativos podem ser: De simples ou duplo efeito; De um ou mais cilindros; Abertos, herméticos ou semi-herméticos; Horizontais, verticais, em V, em W ou radiais. 8/43

12 Ciclo Mecânico 9/43

13 Ciclo Termodinâmico 10/43

14 Eficiência Volumétrica Mede o nível de enchimento do cilindro; Serão consideradas dois tipos de eficiências volumétricas Eficiência Volumétrica Efetiva; Eficiência Volumétrica de Espaço Morto. Volume de espaço morto é o volume residual mínimo; 11/43

15 Eficiência Volumétrica Efetiva Taxa de deslocamento é o volume total que o pistão desloca por unidade de tempo; A vazão de ar que entra no compressor é o volume aspirado pelo cilindro, que compreende o deslocamento do pistão desde a abertura da válvula de admissão até o volume máximo. η v,ef = Vazão de ar que entra no compressor (m3 /s)x100 Taxa de deslocamento do pistão (m 3 /s) 12/43

16 Eficiência Volumétrica de Espaço Morto Depende da expansão do gás retido no espaço morto; 13/43

17 Eficiência Volumétrica de Espaço Morto A eficiência volumétrica de espaço morto é dada por: η v,m = V ( ) 3 V 1 vasp x100 = 100 r m 1 V 3 V m v des r m é a fração de volume morto e é dada por: (1) r m = Considerando-se a expansão politrópica, onde V m V 3 V m x100 (2) tem-se V asp V des = ( pd p 1 [( ) 1/n pd η v,m = 100 r m 1] p 1 ) 1/n (3) (4) 14/43

18 Eficiência Volumétrica Para um compressor ideal, η v,m depende apenas da temperatura de evaporação; Para um processo de compressão ideal do R-22, r c = 4, 5%, 50 L/s de taxa de deslocamento e T C = 35 C, tem-se: 15/43

19 Vazão Mássica A vazão em massa ṁ é dada por: η v,m ṁ = Taxa de deslocamento x (5) 100v asp À medida que a pressão de aspiração diminui, o volume específico do gás que entra no compressor aumenta, diminuindo assim a vazão e a eficiência volumétrica. 16/43

20 Potência Para um compressor ideal, a potência é dada por: Ẇ c = ṁ h (6) 17/43

21 Potência Para baixas temperaturas de evaporação, o trabalho de compressão ( h) aumenta; para altas temperaturas de evaporação, h vai diminuindo até atingir zero, no ponto em que a pressão de aspiração é igual à pressão de descarga; A curva de potência apresenta valor nulo em dois pontos: Ponto de vazão nula; Ponto onde a temperatura de evaporação é igual a de condensação. 18/43

22 Potência A maioria dos sistemas de refrigeração trabalham a esquerda do pico de potência; Na partida, a temperaturas do evaporarador é alta, e a potência passa pelo pico; Muitas vezes, os motores são superdimensionados para suportar esse pico, o que não é adequado em termos de uso eficiente de energia; O superdimensionamento pode ser evitado reduzindo-se artificialmente a pressão de evaporação através de um dispositivo de estrangulamento. Durante a operação normal, cargas térmicas elevadas aumentam a temperatura de evaporação e consequentemente a potência do compressor, podendo sobrecarregar o motor. 19/43

23 Capacidade de Refrigeração A capacidade de refrigeração é dada por: Q o = ṁ(h 1 h 4 ) (7) A capacidade de refrigeração aumenta com o aumento da temperatura de evaporação. 20/43

24 COP O coeficiente de performance aumenta com o aumento da temperatura de evaporação; À medida que a temperatura de evaporação diminui, o volume específico aumenta e a vazão em massa no compressor diminui, reduzindo a capacidade de refrigeração e consequentemente o COP. 21/43

25 Efeito da Temperatura de Condensação Instalações frigoríficas normalmente rejeitam calor através do condensador para a atmosfera, cujas condições variam ao longo do ano; Para uma temperatura de evaporação de 20 C, tem-se: 22/43

26 Efeito da Temperatura de Condensação 23/43

27 Efeito da Temperatura de Condensação 24/43

28 Eficiência Volumétrica Efetiva A eficiência efetiva, além da expansão do gás residual do espaço morto, engloba outros fatores tais como: Perda de carga; Fugas através das válvulas de admissão e descarga; Fugas pelos anéis dos êmbolos; 25/43

29 Eficiência de Compressão Para compressores alternativos abertos essas eficiências variam entre 65% e 70%. η c = h 2s h 1 h 2 h 1 (8) 26/43

30 Temperatura de Descarga do Compressor Temperaturas de descarga do compressor excessivamente altas podem deteriorar o óleo de lubrificação, resultando em desgaste excessivo e redução da vida útil das válvulas; De maneira geral quanto maior a razão de pressões, maior a temperatura de descarga; O refrigerante também influencia a temperatura de descarga do compressor. A amônia apresenta altas temperaturas de descarga exigindo compressores com cabeçotes refrigerados a água. 27/43

31 Temperatura de Descarga do Compressor 28/43

32 Controle de Capacidade Os sistemas frigoríficos estão sujeitos a variações de carga térmica; O aumento de carga térmica sem uma resposta do compressor, pode provocar um aumento na temperatura de evaporação e comprometer a qualidade dos produtos armazenados; Por outro lado, o funcionamento contínuo do compressor para uma condição de carga térmica reduzida pode baixar demasiadamente a temperatura de evaporação, o que pode ser indesejável, por exemplo, na conservação de alimentos frescos, cuja temperatura é controlada; 29/43

33 Controle de Capacidade Entre os vários métodos empregados no controle de capacidade do compressor estão: Atuação no compressor, ligando-o ou desligando-o; Estrangulamento do gás de aspiração entre o evaporador e o compressor através do uso de uma válvula reguladora de pressão de sucção; Desvio do gás na descarga do compressor para a linha de aspiração ou para o evaporador; Funcionamento a vazio de um ou mais cilindros, através da abertura contínua da válvula de descarga; 30/43

34 Compressor Parafuso 31/43

35 Introdução O compresor parafuso é uma máquina de deslocamento positivo. 31/43

36 Introdução Vantagens em relação aos alternativos: Menor tamanho; Número inferior de partes móveis. Desvantagens em relação aos alternativos: Menor eficiência em condições de carga parcial. 32/43

37 Funcionamento O gás é comprimido pela rotação de rotores acoplados a um motor, geralmente elétrico; 33/43

38 Efeito da Temperatura de Condensação e Evaporação No caso do compressor parafuso o rendimento volumétrico não exerce um efeito tão significativo como nos compressores alternativos, pois não temos a expansão do gás residual no espaço morto; As tendências são as mesmas, mas com efeito reduzido. A potência é mais afetada pela temperatura de condensação do que pela temperatura de evaporação. 34/43

39 Controle de Capacidade O controle de capacidade em compressores parafuso pode ser feito através de válvulas corrediças localizadas na carcaça do compressor, que se movem na direção axial provocando um retardamento do início da compressão. 35/43

40 Compressor de Palheta 36/43

41 Introdução Os compressores de palhetas podem ser classificados em dois tipos básicos: Compressor de palheta simples; Compressor de múltiplas palhetas. Apresentam menor vibração durante seu funcionamento e desta forma são mais utilizados em situações onde o baixo nível de ruído é fundamental; 36/43

42 Compressor de Palheta 37/43

43 Compressor de Palheta Em compressores de palheta simples, a linha de centro do eixo de acionamento coincide com a do cilindro, porém, é excêntrica em relação ao rotor, de maneira que, o rotor e o cilindro permanecem em contato à medida que gira; Uma palheta simples acionada por mola, divide as câmaras de aspiração e descarga. Nos compressores de multiplas palhetas, o rotor gira em torno do próprio eixo, que não coincide com o eixo do cilindro; O rotor possui duas ou mais palhetas que permanecem em contato com a superfície do cilindro pela ação da força centrífuga. Apresentam menor vibração durante seu funcionamento e desta forma são mais utilizados em situações onde o baixo nível de ruído é fundamental. 38/43

44 Compressores Centrífugos 39/43

45 Introdução São amplamente utilizados em sistemas de grande porte; O refrigerante entra pela abertura central do rotor e, devido à ação da força centrífuga, ganha energia cinética à medida que é deslocado para a periferia. Ao atingir as pás do difusor ou a voluta, parte de sua energia cinética é transformada em pressão. 39/43

46 Compressores Centrífugos 40/43

47 Compressores Centrífugos 41/43

48 Compressores Scroll 42/43

49 Introdução O princípio de funcionamento do compressor Scroll é baseado num movimento orbital; Apresenta diversas vantagens como; Eficiência de 5 a 10% maior que um compressor alternativo de igual capacidade; Ausência de válvulas; Menor quantidade de partes móveis em relação a um compressor alternativo; Operação suave e silenciosa; Baixa variação de torque com consequente aumento da vida útil e redução de vibração; 42/43

50 Exemplo Exemplo 1 - Dados de um catálogo de um compressor de 6 ciĺındros, operando com R-22 a 29 rps, indicam uma capacidade de refrigeração de 96, 4kW e potência de 28, 9kW para uma temperatura de evaporação de 5 C e uma temperatura de condensação de 50 C. O desempenho é baseado em 3 C de sub-resfriamento e 8 C de superaquecimento. O diâmetro do ciĺındro é de 67mm e o percurso é 57mm. Determine, 1. Eficiência volumétrica se a fração de espaço nocivo é 4,8%; 2. Eficiência volumétrica efetiva; 3. Eficiência de compressão. 43/43