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ALEXSANDRO DOS SANTOS SILVEIRA
DESENVOLVIMENTO DE UM CALORÍMETRO
AUTOMATIZADO PARA AVALIAÇÃO DE
MICROCOMPRESSORES
FLORIANÓPOLIS, 2012
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS FLORIANÓPOLIS
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA
MESTRADO PROFISSIONAL EM MECATRÔNICA
ALEXSANDRO DOS SANTOS SILVEIRA
DESENVOLVIMENTO DE UM CALORÍMETRO
AUTOMATIZADO PARA AVALIAÇÃO DE
MICROCOMPRESSORES
Dissertação submetida ao Instituto Federal
de Educação, Ciência e Tecnologia de
Santa Catarina como parte dos requisitos
de obtenção do titulo de Mestre em
Mecatrônica.
Orientadora:
Prof.ª Silvana Rosa Lisboa de Sá, M. Eng
Coorientador:
Prof. Joaquim Manoel Gonçalves, Dr.Eng.
FLORIANÓPOLIS, 2012
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor, através do
Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Silveira, Alexsandro dos Santos
Desenvolvimento de um calorímetro automatizado
para avaliação de microcompressores [dissertação]
/ Alexsandro dos Santos Silveira ; orientadora,
Silvana Rosa Lisboa de Sá ; co-orientador, Joaquim
Manoel Golçalves. – Florianópolis, SC, 2012.
143 p. ;
Dissertação (mestrado) – Instituto Federal de
Santa Catarina, Campus Florianópolis. Programa de
Mestrado Profissional em Mecatrônica.
Inclui referências
1. Mecatrônica. 2. Calorímetro. 3.
Microcompressor. 4. Automatização. I. Sá, Silvana
Rosa Lisboa de. II. Gonçalves, Joaquim Manoel.
III. Instituto Federal de Santa Catarina. Programa
de Mestrado Profissional em Mecatrônica. IV.
Título.
DESENVOLVIMENTO DE UM CALORÍMETRO
AUTOMATIZADO PARA AVALIAÇÃO DE
MICROCOMPRESSORES
ALEXSANDRO DOS SANTOS SILVEIRA
Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de
Mestre em Mecatrônica e aprovada em sua forma final pelo Programa
de Pós-Graduação em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.
Florianópolis, 27 de Abril de 2012.
_______________________________________
Prof.ª Silvana Rosa Lisboa de Sá, M. Eng.
Orientadora
_______________________________________
Prof. Raimundo Ricardo Matos da Cunha, Dr. Eng.
Coordenador do Curso
BANCA EXAMINADORA
_______________________________________
Prof.ª Silvana Rosa Lisboa de Sá, M. Eng.
Presidente
_______________________________________
Valdir Noll, Dr. Eng.
Membro interno
_______________________________________
Fernando Testoni Knabben, M. Eng.
Membro externo
Dedico esta dissertação aos meus pais, que
são minha base sólida que me mantém firme
para alcançar meus objetivos.
A minha namorada pela tolerância com que
encarou minhas ausências, pela dedicação e
espírito de sacrifícios concedidos durante
minha formação.
A minha irmã e a minha afilhada pelo
incentivo e confiança.
A memória de meus avós, que sempre me
apoiaram muito. Onde eles estiverem, tenho
certeza que estarão muito orgulhosos.
A memória de meu primo e irmão Fábio
Adílio Cardoso, que sempre torceu por mim.
AGRADECIMENTOS
A minha orientadora, professora Silvana Rosa Lisboa de Sá pela
ajuda durante o período das disciplinas de mestrado e principalmente
neste trabalho, por acreditar no meu potencial.
Ao meu coorientador, professor Doutor Joaquim Manoel
Gonçalves, por nossa amizade, pelo constante apoio e por estar sempre
presente em minhas conquistas profissionais.
Ao professor Ph.D Claudio Melo, pelo apoio e pela oportunidade
de realizar meu mestrado no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia
em Refrigeração e Ternofísica, localizado na UFSC.
Ao Doutor engenheiro da Embraco, Paulo Rogério Carrara
Couto, pelo constante apoio na construção do calorímetro e por nossa
amizade.
Aos acadêmicos Edilson Frutuoso Junior, Vinícius de Souza
Nunes e Paulo Christian Sedrez por prestarem esforços valiosos tanto na
parte experimental quanto na parte teórica deste trabalho, sempre
superando minhas expectativas.
Ao prefeito do Campus da Universidade Federal de Santa
Catarina, Lorivaldo Pierri, por me apoiar e acreditar no meu potencial.
Ao Nelson Vieira, colega de trabalho, pelo apoio profissional, por
segurar as pontas quando me ausentei para estudar e pela nossa amizade.
Aos pesquisadores do POLO, engenheiros Luís Antônio Torquato
Vieira e Gustavo Portella, pelo apoio nas atividades realizadas em
laboratório.
Ao Técnico Sênior Milton Seifert, pelas dicas: “Faça bem feito
ou não faça”; “O que não dá trabalho não tem valor” e o “simples é
complicado”.
Aos Tecnólogos Ricardo Campagnin e Jorge Lubas pelo apoio e
dedicação na área de eletroeletrônica e por nossa amizade.
Aos professores do núcleo de mestrado em Mecatrônica do
Instituto Federal de Santa Catarina, pelo apoio não só nas disciplinas,
que serviram como ferramentas no desenvolvimento do calorímetro para
microcompressores, como também nas dicas e ajuda fora da sala de
aula.
“Deus nos fez perfeitos e não escolhe os
capacitados, capacita os escolhidos. Fazer ou não fazer algo só depende de nossa vontade e
perseverança.”
(Albert Einstein)
RESUMO
Nesta dissertação de mestrado é apresentado o desenvolvimento
de uma proposta inovadora de calorímetro para compressores de
refrigeração. O calorímetro desenvolvido se caracteriza como um
produto mecatrônico e sendo assim, foi usada a metodologia de
desenvolvimento de produtos (PRODIP), soluções técnicas das áreas de
mecânica, eletroeletrônica e informática industrial. O projeto do
calorímetro foi desenvolvido até a fase preliminar com algumas
passagens na fase detalhada.
Tal desenvolvimento foi realizado para microcompressores, que
apresentavam um desafio extra devido a seu porte reduzido. A principal
inovação é o uso de um ciclo fechado sem desvio (by pass) de fluido
refrigerante e composto principalmente por duas válvulas uma na
descarga e outra na sucção do microcompressor, além de um pequeno
volume intermediário em série entre tais válvulas. Desenvolveu-se
também um túnel de vento capaz de controlar a velocidade do ar e a
temperatura em seu interior. Este sistema permite controlar de forma
ágil e simultânea as pressões impostas na sucção e descarga do
microcompressor em teste.
Para atingir este propósito uma estratégia de controle SISO
(Single Input Single Output) que atua sobre as válvulas de sucção e
descarga foi desenvolvida. O modelo dinâmico para o controle da
pressão foi obtido através de ensaios experimentais aplicando degrau de
entrada próximo às condições de operação, relacionando pressão de
operação com número de voltas da válvula, atuada por um motor de
passo em malha aberta. O método de (Hägglund, 1991), foi escolhido
como modelo diretor por apresentar a melhor resposta nas simulações
realizadas no MATLAB. O controlador foi projetado com base em
modelos matemáticos, sendo adotado um controle do tipo proporcional-
integral para as pressões de sucção e descarga. O calor entregue pelo
compressor ao fluido refrigerante e o controle de temperatura na sucção
são realizados na região de baixa pressão do ciclo, sem haver
condensação do fluido. Controles similares aos citados anteriormente
também foram desenvolvidos para as temperaturas de sucção e no
interior do túnel de vento. Essas variáveis representam as condições de
contorno na avaliação de desempenho do microcompressor.
Os resultados dos testes mostraram que o conjunto formado pelo
aparato experimental e os controles empregados garantiram grande
rapidez na obtenção e na manutenção da estabilidade dos parâmetros
operacionais do microcompressor. Desse modo, os testes podem ser
obtidos em menor tempo, com baixo custo e elevada qualidade, ou seja,
baixa incerteza de medição. Na avaliação do ciclo proposto os
resultados apresentados mostram que as condições de operação do
microcompressor ficaram inteiramente na região de vapor
superaquecido validando o circuito de refrigeração proposto. Observou-
se ainda que os dados extraídos experimentalmente apresentaram erro
máximo de 5 % quando comparados com os métodos analíticos
estudados para análise dos resultados.
Outras vantagens do aparato desenvolvido consistem no uso de
pequena carga de fluido refrigerante ecológico e a possibilidade de
impor e monitorar condições transientes, como as existentes em
situações reais de operação.
Palavras-chave: Calorímetro, microcompressor, controle de
processo, desenvolvimento de produtos, mecatrônica. .
ABSTRACT
The objective of this dissertation is to present the preliminary
development and testing of a state-of-the-art, PRODIP (Process
Integrated Product Development) calorimeter for refrigeration
microcompressors. The primary innovation of this calorimeter is the use
of a system with no refrigerant bypass (closed loop) composed of only
two valves, discharge and suction, which have small serial volume. This
is possible through the use of a novel wind tunnel within the device
which provides both internal air velocity and temperature control and
rapid response to the simultaneous pressures imposed on the valves. The
calorimeter uses a SISO (Single Input Single Output) control strategy
that regulates the valves pressures, the compressor suction temperature
and the temperature within the tunnel. To obtain a dynamic model for
the pressure controller, experimental data was collected through the use
of an open-loop stepper motor. The motor provided minor perturbations
in operating conditions and lead to a relationship between the operating
pressure and the valve position.
Through simulations in MATLAB, the Hägglund method (1991)
determined the best fit to the experimental results and was chosen for
the controller. The controller was projected with mathematical
developments that found the best configuration for a proportional-
integral (PI) controller. Both the heat dissipation delivered by the
compressor to the refrigerant and the suction temperature control were
performed in the low pressure region of the compression cycle to
prevent condensation of the fluid. The controls used for the suction and
wind tunnel temperatures were designed using the same approach.
These variables represent the boundary conditions on the performance
evaluation microcompressor.
The test results were obtained with reduced time, at low cost,
and with high accuracy. The results indicate that the experimental
apparatus and control system work together and deliver a fast and
accurate way to maintain the stability of a microcompressor’s operating
parameters. Upon evaluation, it is demonstrated that the
microcompressor tested never deviated from superheated vapor regime,
therefore validating the use of the proposed closed-loop circuit. In
addition, the experimentally collected data had no more than 5% error
when compared with analytical methods. From its ease of use and
validated design, the calorimeter presented can be an important asset for
the control and monitor of the complex transient conditions experienced
by microcompressors in the field. Also, its closed-loop construction
ensures that less refrigerant mass for operation.
Keywords: Calorimeter, microcompressor, single-input-single-
output control, stepper motor, micrometer valve, data acquisition
system.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Microcompressor .......................................................................... 29 Figura 3.1 – Diagrama P-h do ciclo quente....................................................... 37 Figura 3.2 – Planta do calorímetro .................................................................... 38 Figura 3.3 – Representação gráfica do modelo do processo de desenvolvimento
integrado de produtos – PRODIP. .................................................................... 39 Figura 3.4 – Esboço do protótipo do calorímetro ............................................. 40 Figura 3.5 – Microcompressor .......................................................................... 41 Figura 3.6 – Trocador de microcanal ................................................................ 42 Figura 3.7 – Módulo termoelétrico com efeito Peltier ...................................... 43 Figura 3.8 – Modelo gráfico do circuito eletrônico para os módulos
termoelétricos ................................................................................................... 44 Figura 3.9 – Placa eletrônica para módulos termoelétricos............................... 44 Figura 3.10 – Reservatório intermediário ......................................................... 45 Figura 3.11 – Tubulação de cobre utilizada ...................................................... 45 Figura 3.12 – Dispositivo de carga de fluido refrigerante ................................. 47 Figura 3.13 – Ventilador do túnel. .................................................................... 48 Figura 3.14 – Misturador de hélice livre. .......................................................... 49 Figura 3.15 – Válvula micrométrica tipo agulha .............................................. 50 Figura 3.16 – Válvula micrométrica tipo agulha modificada ............................ 51 Figura 3.17 – Modelo gráfico do driver do controle do motor de passo ........... 52 Figura 3.18 – Driver do controle do motor de passo ......................................... 53 Figura 3.19 – Válvula de serviço ...................................................................... 53 Figura 3.20 – Termofusível. ............................................................................. 54 Figura 3.21 – Resistor elétrico do túnel. ........................................................... 55 Figura 3.22 – Resistor elétrico siliconado. ........................................................ 55 Figura 3.23 – Relé de estado sólido. ................................................................. 56 Figura 3.24 – Termopar. ................................................................................... 58 Figura 3.25 – Transdutor de pressão. ................................................................ 59 Figura 3.26 – Medidor de vazão mássica. ......................................................... 60 Figura 3.27 – Conversor de tensão CC. ............................................................ 61 Figura 3.28 – Conversor de corrente CC. ......................................................... 61 Figura 3.29 – Sistema de aquisição de dados. ................................................... 63 Figura 3.30 – Programação em LabVIEW. ....................................................... 63 Figura 3.31 – Diagrama de blocos do sistema em malha aberta. ...................... 64 Figura 3.32 – Diagrama Voltas-Cv da válvula micrométrica. .......................... 65 Figura 3.33 – Representação gráfica do método de Sundaren/Krishnaswamy. 67 Figura 3.34 – Representação gráfica do método de Hägglund, adaptado de
Martins (2011). ................................................................................................. 67 Figura 3.35 – Representação gráfica do método de Smith, adaptado de Martins,
(2011). .............................................................................................................. 68 Figura 3.36 – Diagrama de blocos de uma estrutura PID. ................................ 70 Figura 3.37 – Bloco programador PID no software LabVIEW. ....................... 70
Figura 3.38 – Relação entre abertura da válvula com a pressão de sucção. ....... 71 Figura 3.39 – Diagrama de blocos em malha aberta para a pressão de sucção. . 72 Figura 3.40 – Resposta da simulação da pressão de sucção em malha aberta. .. 73 Figura 3.41 – Diagrama de blocos de um controlador PI em malha fechada para
a pressão de sucção. ........................................................................................... 73 Figura 3.42 – Resposta da simulação para a pressão de sucção em malha
fechada. ............................................................................................................. 74 Figura 3.43 – Diagrama de blocos de um controlador PI com os parâmetros
ajustados em malha fechada para a pressão de sucção. ..................................... 74 Figura 3.44 – Resposta da simulação para a pressão de sucção em malha
fechada com os parâmetros PI ajustados. .......................................................... 75 Figura 3.45 – Relação entre abertura da válvula com a pressão de descarga. .... 76 Figura 3.46 – Diagrama de blocos em malha aberta para a pressão de descarga.
........................................................................................................................... 77 Figura 3.47 – Resposta da simulação da pressão de descarga em malha aberta.77 Figura 3.48 – Diagrama de blocos de um controlador PI em malha fechada para
a pressão de descarga. ........................................................................................ 78 Figura 3.49 – Resposta da simulação para a pressão de descarga em malha
fechada. ............................................................................................................. 78 Figura 3.50 – Diagrama de blocos de um controlador PI com os parâmetros
ajustados em malha fechada para a pressão de descarga. .................................. 79 Figura 3.51 – Resposta da simulação para a pressão de descarga em malha
fechada com os parâmetros PI ajustados. .......................................................... 79 Figura 3.52 – Resposta da temperatura de sucção, em malha aberta, ao degrau
de entrada. ......................................................................................................... 81 Figura 3.53 – Representação gráfica do método do Root Locus para a
temperatura de sucção. ...................................................................................... 82 Figura 3.54 – Diagrama de blocos de um controlador PI em malha fechada para
a temperatura de sucção. .................................................................................... 82 Figura 3.55 – Resposta da simulação para a temperatura de sucção em malha
fechada com os parâmetros PI ajustados. .......................................................... 83 Figura 3.56 – Resposta da temperatura no túnel, em malha aberta, ao degrau de
entrada. .............................................................................................................. 84 Figura 3.57 – Representação gráfica do método do Root Locus para a
temperatura no túnel. ......................................................................................... 85 Figura 3.58 – Representação gráfica do método do Root Locus para a
temperatura no túnel. ......................................................................................... 85 Figura 3.59 – Resposta da simulação para a temperatura de sucção em malha
fechada com os parâmetros PI ajustados. .......................................................... 86 Figura 4.1 – Protótipo de Calorímetro para Microcompressores. ...................... 87 Figura 4.2 – Comportamento das temperaturas de linha durante um teste. ....... 90 Figura 4.3 – Comportamento da temperatura média no túnel durante um teste. 90 Figura 4.4 – Comportamento das pressões do sistema durante um teste. .......... 91 Figura 4.5 – Comportamento das temperaturas de condensação e evaporação um
teste.................................................................................................................... 91
Figura 4.6 – Comportamento da temperatura de sucção durante um teste. ....... 92 Figura 4.7 – Comportamento do perfil térmico do microcompressor durante um
teste. .................................................................................................................. 93 Figura 5.1 – Envelope de condições. .............................................................. 101 Figura 5.2 – Representação dos pontos de sucção e descarga no diagrama P-h.
........................................................................................................................ 102 Figura 5.3 – Comportamento da pressão de sucção controlada. ..................... 103 Figura 5.4 – Comportamento da pressão de descarga controlada. .................. 104 Figura 5.5 – Médias das temperaturas de sucção de vários ensaios em regime
permanente...................................................................................................... 105 Figura 5.6 – Médias das temperaturas no túnel de vários ensaios em regime
permanente...................................................................................................... 106 Figura 5.7 – Gráfico da Potênciamedida X Potênciapolinômio. ............................... 111 Figura 5.8 – Gráfico da Vazão mássicamedida X Vazão mássicapolinômio. ........... 112 Figura 5.9 – Gráfico da Correntemedida X Correntepolinômio. ............................... 112 Figura 5.10 – Gráfico da Capacidademedida X Capacidadepolinômio. .................... 113 Figura 5.11 – Polinômios de vazão mássica. .................................................. 114 Figura 5.12 – Polinômios de Potência. ........................................................... 115 Figura 5.13 – Eficiência volumétrica x Razão de compressão. ....................... 117 Figura 5.14 – Curvas de vazão mássica calculada pelo modelo de eficiência
volumétrica. .................................................................................................... 118 Figura 5.15 – Eficiência global x Razão de compressão. ................................ 120 Figura 5.16 – Curvas de potência calculada pelo modelo de eficiência global.
........................................................................................................................ 121 Figura 5.17 – Comparação das vazões pelo polinômio, pelo modelo e medida.
........................................................................................................................ 122 Figura 5.18 – Curvas de vazão mássica pelo modelo, pelo polinômio e medida.
........................................................................................................................ 122 Figura 5.19 – Comparação das potências pelo polinômio, pelo modelo e medida.
........................................................................................................................ 123 Figura 5.20 – Curvas de potência pelo modelo, pelo polinômio e medida
(Tcond=35°C). ................................................................................................ 123 Figura 5.21 – Curvas de potência pelo modelo, pelo polinômio e medida
(Tcond=45°C). ................................................................................................ 124 Figura 5.22 – Curvas de potência pelo modelo, pelo polinômio e medida
(Tcond=55°C). ................................................................................................ 124 Figura 5.23 – Curvas de potência pelo modelo, pelo polinômio e medida
(Tcond=65°C). ................................................................................................ 125 Figura 6.1 – Proposta de versão industrializada do calorímetro ..................... 132
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Especificações técnicas do motor de passo .................................. 51 Tabela 3.2 – Especificações dos termofusíveis (Catálogo DV Tecnologia) ..... 54 Tabela 3.3 – Especificações técnicas do relé de estado sólido .......................... 56 Tabela 3.4 – Tipos de Termopares e suas configurações .................................. 58 Tabela 3.5 – Faixa de trabalho e incerteza dos transdutores ............................. 59 Tabela 3.6 – Configuração do Sistema de Aquisição e Controle de dados. ...... 62 Tabela 3.7 – Ganhos estáticos e constantes de tempo calculados para pressão de
sucção. .............................................................................................................. 71 Tabela 3.8 – Valores médios de ganho estático e constante de tempo para
pressão de sucção. ............................................................................................. 72 Tabela 3.9 – Ganhos estáticos e constantes de tempo calculados para pressão de
descarga. ........................................................................................................... 76 Tabela 3.10 – Valores médios de ganho estático e constante de tempo para
pressão de descarga. .......................................................................................... 77 Tabela 3.11 – Ajuste de parâmetros .................................................................. 86 Tabela 3.12 – Ajuste de parâmetros .................................................................. 86 Tabela 4.1 – Exemplo de planilha resumo de um teste ..................................... 95 Tabela 4.2 – Incertezas de medição das incertezas independentes ................... 98 Tabela 4.3 – Incertezas de medição das entalpias. .......................................... 100 Tabela 4.4 – Incertezas expandidas das variáveis dependentes ...................... 100 Tabela 5.1 – Faixa de trabalho a serem apresentadas. .................................... 101 Tabela 5.2 – Coeficientes do polinômio de potência. ..................................... 107 Tabela 5.3 – Coeficientes do polinômio de vazão mássica. ............................ 108 Tabela 5.4 – Coeficientes do polinômio de capacidade. ................................. 108 Tabela 5.5 – Coeficientes do polinômio de corrente. ...................................... 108 Tabela 5.6 – Erros do polinômio de potência. ................................................ 109 Tabela 5.7 – Erros do polinômio de vazão mássica. ....................................... 110 Tabela 5.8 – Erros do polinômio de capacidade. ............................................ 110 Tabela 5.9 – Erros do polinômio de corrente. ................................................. 110 Tabela 5.10 – Coeficientes da equação modelo da Eficiência Volumétrica. .. 117 Tabela 5.11 – Coeficientes da equação modelo da Eficiência Global. ........... 121
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating and Air-
Conditioning Engineers
ISO – International Organization for Standardization
ANSI – American National Standards Institute
ABNT– Associação Brasileira de Normas Técnicas
PRODIP – Processo de Desenvolvimento Integrado de Produtos
NeDIP– Núcleo de Desenvolvimento Integrado de Produtos
MC – Microcompressor
V.F – Valor final de escala
LabVIEW – Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench
EES – Engineering Equation Solver
MATLAB – Matrix Laboratory
HFC – Hidrofluorcarbneto
CC – Corrente contínua
CA – Corrente alternada
Cv – Coeficiente de vazão
PID – Controlador proporcional integral derivativo
COP – Coeficiente de performance
LISTA DE SÍMBOLOS
Nomenclatura
pressão [bar]
temperatura [ºC]
velocidade [m/s]
potência [W]
capacidade de refrigeração
[W]
vazão mássica [kg/h]
coeficiente de perfomance
[W/W]
volume específico [m³/kg]
entalpia [kJ]
entalpia específica [kJ/kg]
vazão volumétrica [m³/s]
comprimento [m]
número de pistões [-]
número de rotações do eixo
[RPS]
massa [kg]
diâmetro [m]
número de rotações do eixo
[RPS]
erro relativo à incerteza [%]
ganho proporcional
ganho integral
ganho derivativo
ganho estático
incerteza expandida
incerteza combinada
eficiência [-]
Índice
descarga
sucção
compressor
parte de alta pressão do
sistema
parte de baixa pressão do
sistema
parte de pressão
intermediária do sistema
pistão
carga de fluido
refrigerante
volume
cilindro
global
evaporador
condensador
isoentrópico
modelo
Frequência do
microcompressor
fator de abrangência
atraso de transporte
constante de tempo
função de transferência
controlador de Root Locus
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................... 29
1.1 Contextualização ............................................................................. 29
1.2 Objetivos do trabalho ...................................................................... 31
1.3 Estrutura do trabalho ....................................................................... 32 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................... 33 3 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO ................................................ 37
3.1 Circuito de fluido refrigerante com reservatório intermediário ....... 37 3.1.1 Metodologia de desenvolvimento do produto ....................... 39 3.1.2 Microcompressor .................................................................. 41 3.1.3 Conjunto atuador na temperatura de sucção ......................... 41 3.1.4 Reservatório intermediário ................................................... 44 3.1.5 Tubulação ............................................................................. 45 3.1.6 Dispositivo de carga de fluido refrigerante ........................... 46 3.1.7 Ventilador do túnel ............................................................... 47 3.1.8 Misturador de hélice livre ..................................................... 48 3.1.9 Conjunto atuador nas pressões de operação .......................... 49 3.1.10 Válvulas de serviço ............................................................. 53 3.1.11 Termofusível ....................................................................... 53 3.1.12 Resistores elétricos ............................................................. 54 3.1.13 Relé de estado sólido .......................................................... 56 3.1.14 Dimensionamento e faixas de operação .............................. 57
3.2 Sistemas de medição ....................................................................... 57 3.2.1 Medição de temperatura ........................................................ 57 3.2.2 Medição de pressão ............................................................... 59 3.2.3 Medição de vazão mássica .................................................... 59 3.2.4 Medição de grandezas elétricas ............................................ 60 3.2.5 Aquisição de dados ............................................................... 61
3.3 Sistema de controle ......................................................................... 64 3.3.1 Controladores PID ................................................................ 69 3.3.2 Controle das pressões de sucção e descarga ......................... 70 3.3.3 Controle de temperatura de sucção ....................................... 79 3.3.4 Controle de temperatura ambiente do compressor ................ 83 3.3.5 Ajuste dos parâmetros de controle ........................................ 86
4 ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR ...................................... 87
4.1 Apresentação da parte física do calorímetro ................................... 87
4.2 Procedimento para execução de ensaios ......................................... 89
4.3 Processamento dos dados de um teste ............................................. 93
4.4 Incertezas de medição ..................................................................... 96 5 ANÁLISE DOS RESULTADOS .............................................. 101
5.1 Reprodução dos envelopes de condições ...................................... 101
5.2 Resultados de controle .................................................................. 103 5.2.1 Pressão de sucção ............................................................... 103 5.2.2 Pressão de descarga ............................................................ 104 5.2.3 Temperatura de sucção ....................................................... 105 5.2.4 Temperatura no túnel .......................................................... 105
5.3 Curvas de performance polinomiais .............................................. 106
5.4 Apresentação dos resultados por Modelos Ajustados ................... 115
5.5 Comparação das abordagens – Polinômios x Modelos ................. 122 6 CONCLUSÕES ......................................................................... 127
6.1 Sobre a metodologia de desenvolvimento de produto .................. 127 6.1.1 Sobre o ciclo proposto ........................................................ 128 6.1.2 Sobre o sistema de controle ................................................ 129 6.1.3 Sobre os métodos adotados para análise de resultados ....... 130
6.2 Recomendações para trabalhos futuros ......................................... 130 7 REFERÊNCIAS ........................................................................ 133 APÊNDICE A .................................................................................... 137 APÊNDICE B .................................................................................... 139 APÊNDICE C .................................................................................... 141 APÊNDICE D .................................................................................... 143 APÊNDICE E .................................................................................... 145
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
1 INTRODUÇÃO
Neste primeiro capítulo, o problema é contextualizado, os
objetivos foram descritos e a estrutura da dissertação foi delineada.
1.1 Contextualização
É notória, em diversos setores do mercado atual, a tendência em
se buscar a diminuição das dimensões dos produtos. Isso se dá por
motivos diversos, sendo um deles a busca por facilidade de manuseio de
certas manufaturas, desde sua produção até o usufruto do consumidor,
passando pela logística de transporte e estocagem, manutenção,
incineração ou descarte e se possível à reciclagem do todo ou parte do
produto, completando assim seu ciclo de vida. Os mercados de
telecomunicações e informática são ricos exemplos dessa intenção, visto
que os aparelhos celulares, palmtops e vários outros produtos têm-se
miniaturizado a cada geração de tecnologia.
Porém, essa miniaturização de produtos, principalmente no
mercado da eletrônica, traz consigo dois problemas bastante recorrentes:
a perda de eficiência energética dos aparelhos devido à menor escala de
seus componentes e a tendência de concentração da dissipação de calor
destes. É com essa realidade em mente que estudos em diversas áreas
estão sendo desenvolvidos para sanar tais dificuldades, sendo um dos
focos mais explorados a refrigeração em sistemas de escala reduzida.
Com o panorama discutido em voga, a Embraco, empresa líder
mundial em vendas de compressores de refrigeração doméstica, em
parceria com a Universidade Federal de Santa Catarina, vem
desenvolvendo e investindo, desde 2004, em um novo conceito de
produto: o microcompressor de refrigeração apresentado na figura, 1.1.
Figura 1.1 – Microcompressor
(Fonte: Embraco)
30 INTRODUÇÃO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Seu tamanho pode ser comparado ao de uma caneta, com uma
massa de apenas 200 gramas. O novo recurso tem como alvo sistemas
de refrigeração pequenos e portáteis, podendo ser utilizado em roupas,
como macacões de pilotos de corrida, uniformes militares. Outras
possíveis aplicações, como citado anteriormente, seriam na área de
resfriamento de componentes eletrônicos, e sistemas de computadores,
ou então na área médica, embutidos em câmaras de refrigeração para
transporte de órgãos.
Com o horizonte de um novo mercado em vista, surgiu a
necessidade de testar e caracterizar o microcompressor em diversas
condições de operação, como é feito com compressores convencionais.
Porém, por ser uma tecnologia emergente, não existia um calorímetro
específico para tal avaliação. Surgiu assim a motivação para a
construção de um protótipo de calorímetro para mapear o
comportamento dos microcompressores. Este deveria ser um protótipo
com soluções na área de mecatrônica e especializado para mensurar o
desempenho do microcompressor e com isso, oferecer dados essenciais
no desenvolvimento do projeto do mesmo. Compressores de
refrigeração, em geral, antes de serem entregues aos clientes, são
submetidos a testes de laboratório em calorímetros regidos por normas
regulamentadoras, a fim de levantar dados que caracterizam este
produto em termos de qualidade, capacidade de refrigeração, potência
consumida, coeficiente de performance (COP), em diversas condições
de testes.
Atualmente, uma empresa de grande porte desenvolvedora de
compressores, necessita de 20 calorímetros e uma equipe de
aproximadamente 25 funcionários, atuando direta e indiretamente, para
manter estável o processo de calorimetria de compressores. O custo de
implantação de um calorímetro novo gira em torno de 200 mil dólares,
podendo chegar a 500 mil para os mais sofisticados.
A importância dos calorímetros no cenário da indústria de
refrigeração se dá pelos seguintes razões:
i. Comparação entre amostras por razões comerciais;
ii. Desenvolvimento do projeto do compressor;
iii. Uso no projeto de sistemas de refrigeração;
iv. Uso em pesquisas tecnocientíficas de sistemas de
refrigeração;
INTRODUÇÃO 31
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
v. Controle do processo produtivo em fábricas de
compressores;
vi. Controle de qualidade na compra de compressores pela
indústria de sistemas de refrigeração.
Um problema recorrente encontrado na literatura sobre
calorímetros é o tempo de realização de ensaios devido inércia do
sistema (período de resposta transitória entre a mudança da condição de
operação) Joffily (2007). O que implica diretamente num atraso da
caracterização do produto que está sendo testado, e no atraso para a
divulgação dos dados obtidos em catálogos da empresa.
O calorímetro desenvolvido neste trabalho é específico para
microcompressores e possui uma arquitetura de ciclo de refrigeração
mais compacta, com menor inércia térmica, com capacidade de
refrigeração de 700 W. Além disso, a implementação do controle nas
válvulas fará de maneira mais rápida e precisa o controle sobre a
temperatura de evaporação e condensação do sistema, variáveis que
determinam as condições de cada ensaio.
Com isso, o operador terá um maior grau de liberdade para
realizar o processamentos de dados, de tal forma que o mesmo possa
estar realizando outras atividades enquanto acompanha os testes e
mudando sua condição remotamente, acelerando todo o processo de
divulgação dos resultados extraídos da pesquisa.
1.2 Objetivos do trabalho
O principal objetivo é desenvolver um calorímetro automatizado
para microcompressores de refrigeração que possibilite a realização de
testes de forma acelerada e em uma ampla gama de condições de
operação. Com esse objetivo, construiu-se um calorímetro com circuito
de refrigeração inovador sem desvio (by pass), com pequeno volume de
tubulação e pequena carga de fluido refrigerante. O mesmo opera na
região de vapor superaquecido, e conta ainda com uma seção de ensaio
em formato de túnel de vento. Tal seção permite variar a velocidade do
ar, mantendo a temperatura no interior do túnel constante e com baixa
estratificação, possibilitando o levantamento do perfil térmico do
microcompressor.
Visando automatizar o processo, a aplicação de um sistema de
supervisão e aquisição dados foi desenvolvido em LabVIEW. Para o
32 INTRODUÇÃO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
controle das condições de operação é necessário medir as pressões e
utilizar um atuador capaz de controlá-las. A operação do calorímetro
ganhará com isso, maior precisão, confiabilidade e independência do
sistema em relação ao operador.
A avaliação das demais variáveis, como a potência consumida e a
capacidade de refrigeração também é um dos focos da pesquisa, sendo o
mapeamento final dos dados de desempenho do compressor
apresentados através do ajuste de curvas polinomiais (ARI 540-2004).
Serão apresentados também os modelos de cálculo da vazão mássica e
da potência por meio da eficiência volumétrica e eficiência global. A
análise comparativa de resultados entre os métodos concluirá o
tratamento de dados e exame de testes desenvolvidos pelo calorímetro.
A expectativa é que esse calorímetro possa resolver os problemas
enfrentados pela empresa fabricante do microcompressor, tanto no
desenvolvimento do produto como na obtenção das informações de
catálogo.
1.3 Estrutura do trabalho
No capítulo 2, é apresentada a revisão bibliográfica acerca do
tema, com passagens e citações de trabalhos sobre calorímetros.
No capítulo 3, expõe-se o projeto do calorímetro para
microcompressores dividido em três grandes frentes: desenvolvimento
de produtos, termodinâmica e mecatrônica. Na área termodinâmica é
exposto o circuito de fluido refrigerante com reservatório intermediário
na região de vapor superaquecido. O enfoque na mecatrônica se dá,
principalmente, na área de controles das variáveis do sistema.
O capítulo 4 traz a descrição dos ensaios realizados no
calorímetro, tal como o funcionamento, a execução de um teste-
exemplo, o processamento dos dados e as incertezas de medição.
A análise dos resultados dos testes descritos no capítulo 4 é
relatada no capítulo 5. A validação dos modelos de controle é
apresentada, bem como os resultados dos polinômios e modelos
ajustados.
Por fim, no capítulo 6, as conclusões acerca de pontos chave do
trabalho são expostas, bem como as sugestões para trabalhos futuros.
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O desenvolvimento de sistemas de refrigeração compactos
apresenta desafios e inúmeras demandas tecnológicas com competência
em diversas áreas da engenharia. A investigação apresentada por
Possamai et al. (2008) concentra-se no desenvolvimento de um sistema
miniaturizado de refrigeração por compressão de vapor acoplado a um
laptop. Tal sistema funciona como estação de ancoragem para manter o
desempenho máximo do processador. O circuito desenvolvido é capaz
de fornecer 30 W de arrefecimento em uma temperatura de evaporação
de 10 °C e temperatura de condensação de 45 °C. Através de resultados
experimentais, os autores obtiveram valores de capacidade de
refrigeração da ordem de 34,6 W com um coeficiente de performance de
2,55 W/W. Os autores confirmam que quando o sistema opera
desencaixado, a frequência do processador varia entre 3,16 GHz, 2,66 e
2,33 GHz, enquanto que quando o sistema opera acoplado, uma variação
de frequência é apenas entre 3,16 GHz e 2,66 GHz com uma
percentagem do tempo em 3,16 GHz muito maior do que no sistema
desencaixado. Além disso, com o sistema de refrigeração encaixado os
autores conseguiram obter um abaixamento de temperatura de 10°C no
sistema avaliado.
Mongia et al. (2006), desenvolveu um sistema de refrigeração em
pequena escala para notebook composto por um microcompressor,
trocadores de calor de microcanais e um tubo capilar como dispositivo
de expansão. Os dados de teste mostraram bom desempenho tanto dos
componentes individualmente, quanto do sistema de forma geral, sendo
que foram obtidos valores de coeficiente de performance maiores que
2,25 W/W para condições que simulavam o ambiente do notebook.
Ainda na investigação de um sistema de refrigeração de pequena escala
para componentes eletrônicos, Trutassanawin (2006) utilizou um
compressor rotativo em sua análise. Foi observado que as perdas mais
significativas aconteceram no compressor, sendo sugerida então uma
pesquisa mais aprofundada neste componente. Sugestões a respeito da
necessidade de um dispositivo automático de expansão para um controle
preciso do processo de expansão são relatadas.
Joffily (2007) apresenta resultados sobre a caracterização de
compressores de refrigeração segundo um ciclo superaquecido,
baseando-se em publicações anteriores, como Dirlea et al. e (1996) e
Winandy et al. (2001). Estes citam como componentes do ciclo
superaquecido apenas quatro componentes: compressor, trocador de
34 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
calor a água, válvula de expansão e reservatório de fluido refrigerante.
Entre os resultados obtidos, o autor conclui que a bancada se mostrou
relativamente ágil durante o processo de estabilização do ciclo entre um
ponto de ensaio e outro. Parte disso deve-se a pequena quantidade de
fluido refrigerante no circuito da bancada de teste, ponto enfatizado
como benéfico para tal estudo. Por outro lado, foi ressalvada como fator
limitante a temperatura na sucção do compressor.
Como normas regulamentadoras referentes a limites de operação
e de incertezas de equipamentos foram utilizadas a ISO 917- (1989) e a
ANSI/ASHRAE 23- (2005). O objetivo da ASHRAE 23- (2005) é
fornecer métodos de ensaio para a avaliação de compressores com
deslocamento positivo e unidades condensadoras. Essa norma se aplica
a compressores e condensadores que: (a) não tenham injeção de líquido
e (b) são operados a temperaturas subcríticas de refrigerante (saturado).
Também se aplica aos métodos de ensaio para avaliação de
compressores de estágio único ou unidades condensadoras que: (a)
incorporem injeção de líquido controlada por um método de vazão
constante e (b) operados em temperaturas subcríticas do refrigerante. A
ISO 917 é aplicada apenas para compressores de estágio único de fluido
refrigerante com deslocamento positivo. Os métodos de teste
selecionados para determinar capacidade de refrigeração, potência,
eficiência isentrópica e a coeficiente de performance atendem as
especificações que estão descritas na norma. Esses métodos de teste
geram resultados com uma precisão suficiente para serem considerados
confiáveis se forem operados sob as condições básicas de teste em uma
instalação de refrigeração. No que tange ao processamento e
apresentação de dados foi utilizado como base a norma ARI 540-
(2004).
A pesquisa realizada por Martins (2011) relata a concepção de
uma bancada para geração de condições conhecidas e controladas de
vazão mássica de fluido de refrigeração e propõe um desenvolvimento
de um conceito de padrão de capacidade de refrigeração. O aparato
experimental desenvolvido para a validação do conceito foi baseado nas
bancadas de ensaios de compressores de refrigeração. Um dos focos
deste trabalho é a análise do sistema de controle de variáveis de
interesse como temperatura de sucção, pressões de sucção e descarga do
compressor e a vazão mássica. O autor mostrou-se satisfeito em relação
ao controle de temperatura de sucção e de pressões, mantendo essas
variáveis dentro das faixas de tolerância previstas por norma.
Santos e Santos (2006) segue a linha de pesquisa na
instrumentação e controle de uma bancada de testes de compressores na
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 35
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
fase de vapor superaquecido, visando essencialmente as variáveis de
pressões de sucção e descarga e temperaturas de sucção e descarga do
compressor. O projeto teve como foco o controle do dispositivo de
expansão da bancada. Como atuador na abertura e fechamento de
válvulas foi utilizado um motor de passo, tendo o controlador PID se
mostrado o mais eficiente por garantir a estabilidade das pressões. O
método de Ziegler-Nichols (Ogata, 2003) foi utilizado para ajustar os
parâmetros no controlador PID.
O desenvolvimento de uma base de dados foi apresentado por
Jähnig (1999). Nele são examinados dois modelos de avaliação e
apresentação de desempenho de compressores herméticos para
refrigeração doméstica. No primeiro, um estudo do procedimento
descrito na norma ARI 540 - (2004) para gerar mapas do compressor
por dados experimentais em forma de polinômios é discutido. Tais
mapas podem representar a vazão mássica, potência consumida pelo
compressor, capacidade de refrigeração e corrente. Apesar de simples, o
autor conclui que o modelo não é confiável para interpolações e
extrapolações. Para achar os 10 parâmetros do polinômio são
necessários pelo menos 10 medições da variável de interesse, sendo que
quanto mais medições são realizadas, mais confiável se torna o modelo.
O modelo semiempírico apresentado baseia-se num processo politrópico
de compressão e relaciona a vazão mássica e a potência consumida com
a eficiência volumétrica e a eficiência global, respectivamente. A
interpolação e extrapolação, para este caso, mostraram-se confiáveis na
faixa de 10ºC para mais ou para menos nas temperaturas de evaporação
e condensação, com erros relacionados de 5%. Para evitar a necessidade
de extrapolação o autor sugere a medição de quatro pontos
experimentais em condições bem diferentes entre elas. O intuito é
fornecer os 5 parâmetros sugeridos pelo modelo. Um quinto ponto pode
ser tirado numa temperatura de condensação e evaporação
intermediárias a fim de verificar o modelo.
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
3 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
Neste capítulo é descrito o aparato experimental utilizado no
presente trabalho, bem como a metodologia para desenvolvimento do
calorímetro e as simulações realizadas para obtenção dos parâmetros de
controle.
3.1 Circuito de fluido refrigerante com reservatório intermediário
Tendo os estudos prévios em mente, neste trabalho foi proposto
um calorímetro com base no conceito ciclo quente ilustrado na figura
3.1. Levando-se em consideração que se trata de um calorímetro para
microcompressores de refrigeração, o que implica diretamente em um
redimensionamento dos componentes utilizados neste ciclo.
Figura 3.1 – Diagrama P-h do ciclo quente.
Todos os componentes utilizados têm em seu interior apenas
fluido refrigerante na forma de vapor, pois não há mudança de fase no ciclo proposto.
Uma das principais vantagens de se trabalhar com
microcomponente é a não utilização de fluido secundário, como água, o
que implica na não utilização de trocadores de calor bi-tubulares e
bombas d’água na bancada, reduzindo consideravelmente o espaço
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 40010
-1
100
101
102
103
Entalpia específica [kJ/kg]
Press
ão
[b
ar]
60°C
32,2°C
0°C
0,2 0,4 0,6 0,8
14
3
2
Isoe
ntró
pica
Região de vapor
superaquecido
Região de líquido
comprimido
38 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
físico ocupado e o custo de manufatura.
Figura 3.2 – Planta do calorímetro
O funcionamento do calorímetro acontece da seguinte forma
mostrada pela figura 3.2: O microcompressor comprime o fluido
refrigerante até a pressão de alta (ou condensação, como também é
conhecida) (1-2), e em seguida passa por uma válvula agulha que tem a
função de fazer a pré-expansão (2-3), levando a pressão de alta para a
pressão intermediária. Após isso, o fluido entra em um reservatório
intermediário (3) para fazer o balanço de massa de fluido entre as linhas
de sucção e descarga do compressor. Essa etapa transforma o
reservatório em um coletor, amortecendo as variações de pressão nas
linhas de alta e baixa, além de garantir que haverá fluido refrigerante
suficiente no reservatório intermediário para atender à demanda imposta
pelas condições de operação.
Por fim, o fluido re-expande por outra válvula agulha (3-4), onde
sairá da pressão intermediária para pressão de baixa. Para fazer o
abaixamento de temperatura (4-1) foi utilizado um trocador de calor de
microcanais com módulos termoelétricos de efeito Peltier acoplados,
garantindo o controle da temperatura de sucção. Por fim, o fluido é
succionado pelo microcompressor, fechando o ciclo.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 39
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
3.1.1 Metodologia de desenvolvimento do produto
As etapas do projeto do calorímetro teve como modelo de
referência o PRODIP: Processo de Desenvolvimento Integrado de
Produtos, desenvolvido por Romano (2003), proposto com base em
pesquisas e experiências realizadas pelo NeDIP- Núcleo de
Desenvolvimento Integrado de Produtos da Universidade Federal de
Santa Catarina (UFSC). Nesta seção serão descritas todas as fases desse
desenvolvimento, bem como os detalhamentos do projeto.
De início, foi realizado o planejamento do projeto, o qual engloba
a descrição do problema a ser solucionado pelo produto, o escopo e o
cronograma geral do projeto. Vale a pena ser destacado nesta fase que o
escopo foi escolhido de maneira a não englobar a fase detalhada do
modelo PRODIP, tanto por se tratar de uma pesquisa de
desenvolvimento de produto quanto pela inviabilidade de tempo. Porém,
não deixaremos de citar passagens e propostas para tal fase. A figura 3.3
abaixo ilustra as fases de desenvolvimento do produto.
Figura 3.3 – Representação gráfica do modelo do processo de
desenvolvimento integrado de produtos – PRODIP.
Fonte: Romano (2003) apud Back, et al, (2008, pg. 70)
Seguindo-se a figura 3.3, entra-se na fase de projeto
informacional, que visa levantar dados e informações que implicam
direta e indiretamente nas especificações do produto. Com o foco no
potencial industrial do calorímetro foi feita uma pesquisa de mercado
40 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
em busca de concorrentes e de patentes. Os fatores que relacionam
clientes com o produto foram levantados, como requisitos, necessidades
e suas hierarquias. Com isso, a casa da qualidade1 foi desenvolvida
como maneira de se avaliar a relação cliente/produto. Destaque desta
fase vai para o levantamento de informações sobre leis e normas
técnicas que afetam o produto. Foram definidas as normas ASHRAE 23-
2005, ISO 917 e ARI 540 como influentes.
Na fase do projeto conceitual, a síntese funcional foi
desenvolvida em duas frentes: definindo-se a função global do
calorímetro e sua síntese funcional. Com base nas funções e subfunções
estipuladas ao produto, foi possível desenvolver a Matriz Morfológica
com o objetivo de ampliar a visão acerca das soluções para os possíveis
problemas que o projeto se propõe a resolver. Como resultado, foram
geradas e avaliadas entre si 3 concepções alternativas do produto. Feita
a escolha de uma concepção, suas características nas áreas mecânica,
mecatrônica e informática industrial vieram à análise culminando no
esboço do protótipo do produto, ilustrado pela figura 3.4. O projeto em
CAD encontra-se no apêndice E.
Figura 3.4 – Esboço do protótipo do calorímetro
1 Vide apêndice A.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 41
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Tendo como amparo as informações e conceitos levantados na
fase informacional e na fase conceitual, foram definidas as
especificações de projeto que permitiram a escolha de uma concepção
adequada. Nesta fase buscou-se dimensionar o produto, visando testes
de ergonomia, durabilidade, eficiência, entre outros. Além disso,
procurou-se integrar de forma harmônica a parte mecânica, mecatrônica
e de informática industrial no produto.
O projeto não visa o lançamento do produto no mercado e sim,
validar o conceito do calorímetro, algumas atividades do projeto
detalhado foram realizadas no projeto preliminar, como a construção de
um protótipo do aparato experimental. A documentação, como as
especificações técnicas e listagem dos componentes, foram geradas
nesse momento. Todas essas avaliações, juntamente com as fases
anteriores, culminaram na concepção final da bancada.
3.1.2 Microcompressor
É do tipo linear, não necessita de óleo no seu interior (o que
permite a sua instalação em qualquer posição) e sua alimentação
nominal é de 24 VDC (com adaptações para 12 VDC), com frequência
de oscilação da ordem de 335 Hz. O protótipo do microcompressor é
mostrado na figura 3.5 acoplado à seção de ensaio.
Figura 3.5 – Microcompressor
3.1.3 Conjunto atuador na temperatura de sucção
Para realizar o abaixamento na temperatura do fluido refrigerante
na sucção do microcompressor foram levantadas algumas concepções
alternativas na fase conceitual. O trocador de calor selecionado para ser
utilizado no circuito de refrigeração do calorímetro é do tipo microcanal.
Esses trocadores têm alta eficiência sem grandes perdas na capacidade
42 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
de refrigeração e ainda permitem uma redução significativa na carga de
fluido refrigerante por possuírem volume reduzido. A utilização desse
tipo de trocador com módulos termoelétricos de efeito Peltier acoplados
fez com que não houvesse a necessidade de utilizar outros tipos de
atuadores térmicos, tais como resistores de aquecimento ou até mesmo
circuladores térmicos, o que implicou diretamente na não utilização de
fluido secundário, e numa redução no custo de manufatura. A figura 3.6
apresenta o modelo do trocador microcanal utilizado.
Figura 3.6 – Trocador de microcanal
No ciclo de refrigeração proposto, após a expansão completa do
fluido até a pressão inicial, é necessário resfriá-lo. Para tal, foi instalado
um trocador de microcanal logo após a segunda válvula de expansão.
De acordo com a norma ISO 917, a temperatura de sucção deve
ser mantida em 32,2°C ± 3°C. Para tanto, módulos termoelétricos foram
acoplados ao trocador. Estes módulos são capazes de resfriar uma
extremidade e aquecer a outra, podendo assim controlar a temperatura
desejada.
Então, o trocador realiza duas tarefas simultaneamente: resfriar o
fluido, levando-o à condição inicial e manter a temperatura de sucção
em 32ºC.
Os módulos termoelétricos são dispostos como um sanduíche de
placas cerâmicas recheado com pequenos cubos de telureto de bismuto
(Bi2Te3). Sua operação é baseada no efeito Peltier, descoberto em 1834, segundo o qual uma diferença de temperatura se estabelece na interface
de dois condutores distintos quando estes são sujeitos a passagem de
uma corrente elétrica. Essas pastilhas termoelétricas são utilizadas em
aplicações de pequeno porte como chips microprocessadores e
refrigeradores portáteis. Atualmente, as capacidades de refrigeração
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 43
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
estão limitadas a valores da ordem de 250 W por módulo. Como o
calorímetro foi projetada para baixa capacidade, no máximo 700 W,
foram utilizados quatro módulos termoelétricos acoplados a coolers de
placa mãe de computador, dispostos sobre o trocador de calor de
microcanais. Entre as vantagens desse conjunto modular destacam-se a
ausência de ruído ou vibração, tamanho reduzido, alta durabilidade,
precisão e, principalmente, o fato da não utilização de fluido secundário
no circuito de refrigeração. A figura 3.7 apresenta a montagem de tais
componentes.
Figura 3.7 – Módulo termoelétrico com efeito Peltier
Surgiu então a necessidade de projetar uma placa eletrônica para
fazer o acionamento automático dos módulos termoelétricos. Como a
ideia era ora resfriar um lado da superfície do módulo termoelétrico, ora
aquecê-la, percebeu-se que para isso acontecer era preciso inverter a
polaridade dos fios. Uma maneira de realizar isso é utilizar circuitos
eletrônicos do tipo ponte H. Este circuito tem, entre outras funções, a
finalidade de inverter o sentido da corrente elétrica no motor.
Sendo assim, optou-se por uma solução simples: fazer uma placa
com um circuito ponte H com relés, em que o circuito de comando é
isolado do circuito de potência, evitando danos à placa de saída do
sistema de aquisição e controle.
A figura 3.8 representa a modelagem no software Proteus ISIS do
circuito eletrônico. A figura 3.9 mostra a placa eletrônica
confeccionada. Essa tarefa foi realizada na fase preliminar do projeto.
44 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.8 – Modelo gráfico do circuito eletrônico para os módulos
termoelétricos
Figura 3.9 – Placa eletrônica para módulos termoelétricos
3.1.4 Reservatório intermediário
Com a motivação de alcançar uma ampla faixa de condições de
operação do compressor sem a necessidade de mudança da quantidade
de carga de fluido refrigerante na bancada, foi implementado o
reservatório intermediário, que também pode ser tratado como buffer.
Este tem como função mediar o balanço de massa entre a linha de
descarga e a linha de sucção. Outra melhoria que o reservatório
intermediário trouxe à operação do calorímetro foi a maior estabilidade
nas pressões das linhas de alta e baixa, tornando a mudança de condição
mais rápida e precisa. A pressão no interior do reservatório não é
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 45
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
controlada, variando conforme a evolução do teste e não tendo muita
relevância no resultado final. É importante ressaltar que o volume
intermediário tem que ser maior ou igual ao restante dos volumes do
circuito de refrigeração, para que sempre se tenha fluido refrigerante em
seu interior, garantido o funcionamento do microcompressor em
diferentes condições de operação com apenas uma determinação de
carga. Para o circuito de refrigeração do calorímetro o volume
intermediário calculado, na fase de analise da parte mecânica da
concepção selecionada, foi de 2 litros. A figura 3.10 mostra o
reservatório intermediário utilizado.
Figura 3.10 – Reservatório intermediário
3.1.5 Tubulação
A tubulação é o meio de interligação entre os componentes do
circuito de refrigeração segundo Martins (2011). É necessário fazer um
correto dimensionamento das tubulações para que não haja problemas
como perda de carga e excesso de volume, comprometendo o
funcionamento do sistema. Nesse trabalho utilizou-se o software EES
para os cálculos dos volumes de tubulação necessários. Tais volumes
foram divididos da seguinte forma: volume de baixa, volume
intermediário e volume de alta. A figura 3.11 ilustra a tubulação de
cobre.
Figura 3.11 – Tubulação de cobre utilizada
46 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
3.1.6 Dispositivo de carga de fluido refrigerante
O fluido refrigerante é introduzido no circuito de refrigeração
através da tubulação da válvula de serviço no lado de baixa pressão do
sistema. A massa de fluido refrigerante é determinada utilizando uma
balança eletrônica com faixa de medição de 0 a 5 kg e incremento
digital de 0,01g. A incerteza de medição para esse processo foi de ±0,1 g
com repetibilidade de ± 0,4g.
O primeiro passo é medir a massa do cilindro em vácuo e “tarar”
a balança. Após isso, é inserido o fluido refrigerante no cilindro e
novamente mede-se a carga do cilindro carregado. O próximo passo é
conectar o dispositivo mostrado na figura 3.12 na válvula de serviço do
circuito de refrigeração. Com a válvula de liberação de carga fechada,
abre-se a válvula de serviço e inicia-se a desidratação do circuito. Assim
que o nível de vácuo desejado é atingido, a carga do cilindro é liberada
para o sistema. Para finalizar, o cilindro novamente é colocado na
balança para medir quanto de resíduo ficou no cilindro e assim
determinar a carga final exata do sistema. É importante ressaltar que
entre o dispositivo de carga e a bancada foram utilizados filtros tanto
para o procedimento de vácuo quanto para o procedimento de carga de
fluido refrigerante, evitando assim a contaminação da tubulação com
possível retorno de óleo da bomba de vácuo. O microcompressor foi
ensaiado utilizando os fluidos HFC-134a e HC 600a, sendo que para o
HC 600a era utilizada em média uma carga de 18g já para HFC-134a
utilizava-se em torno de 65g. A figura 3.12 mostra em detalhes o
dispositivo de carga de fluido refrigerante.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 47
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.12 – Dispositivo de carga de fluido refrigerante
Fonte: Gonçalves (2004)
3.1.7 Ventilador do túnel
Um dos requisitos levantado na fase informacional é a
necessidade de controlar a velocidade do ar de 0 a 3 m/s sobre o
microcompressor. Para isso, foi adquirido um ventilador do fabricante
EBM, modelo R3G – 250 – AD62 – 30. A escolha por esse modelo foi
devido à presença de módulo de controle com entrada de 0 a 10 VDC /
PWM integrado ao ventilador de fábrica e porque sua vazão volumétrica
máxima pode chegar a 1580 m³/h, faixa de trabalho interessante à atual
aplicação. Para realizar sua fixação no túnel de vento do calorímetro foi
necessário projetar e construir um dispositivo de nylon que facilitasse o
assentamento do cone de entrada, conforme ilustrado na figura 3.13.
48 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.13 – Ventilador do túnel.
3.1.8 Misturador de hélice livre
Neste trabalho surgiram diversas concepções de misturadores
durante os brainstormings executados na fase conceitual, pois no
interior do túnel de vento a temperatura apresentava uma estratificação
de aproximadamente ± 10 ºC. Essa temperatura foi medida com dez
termopares do tipo T, sendo 5 antes do microcompressor e 5 depois.
Após algumas tentativas, a uniformidade nas temperaturas ainda não era
satisfatória. Então teve-se a idéia de construir-se um misturador com
hélices umas contra as outras, a fim de intensificar a troca de calor. O
aparato foi batizado de misturador de hélice livre. Com tal misturador,
saiu-se de uma estratificação de temperatura de 10 ºC para uma
estratificação menor que 1 ºC no interior do túnel.
O misturador é composto por quatro módulos individualmente
montáveis. As hélices de nylon são do fabricante Elgin e a ligação entre
essas e o eixo de latão é feita através de rolamentos. Após a saída do
misturador tem-se ainda um dispositivo com um feltro, que foi adaptado
com o intento de uniformizar o escoamento de ar, em termos de
velocidade e temperatura, antes de passar pelo microcompressor. A
figura 3.14 ilustra o misturador de hélice livre.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 49
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.14 – Misturador de hélice livre.
3.1.9 Conjunto atuador nas pressões de operação
A válvula selecionada como determinante de pressões nas linhas
do circuito de refrigeração, após as avaliações da concepção na fase
conceitual, foi a de tipo agulha. Contra outros tipos de válvulas
levantados, a escolhida mostra melhor resolução e exatidão no decorrer
do escoamento através dela. Isso se dá devido ao estreito orifício de
passagem e baixo coeficiente de vazão que esse tipo apresenta. No
mercado, existem válvulas comerciais já motorizadas. Algumas com
motor de passo e outras com motor de CC e encoder acoplado, tais
como controlador de posicionamento angular programável (EPOS e
HANBAY) apresentados por Martins (2011). Também foram levantadas
no meio comercial algumas válvulas solenóide com aberturas
proporcionais, como a da fabricante (FESTO). No entanto, neste
trabalho optou-se por adaptar um motor de passo na válvula agulha, de
forma a realizar o controle da pressão, uma vez que o nosso objetivo é
validar o conceito.
A válvula micrométrica utilizada é do fabricante HOKE, série
1300, com abertura de 18 voltas e orifício de passagem de 0,047
polegadas e seu coeficiente de vazão vai de 0 a 0, 024. A figura 3.15
ilustra a válvula escolhida.
50 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.15 – Válvula micrométrica tipo agulha
Após a escolha da válvula, o próximo passo foi determinar o
motor de passo adequado para fazer o controle. O motor de passo
escolhido foi do fabricante (Akiyama) modelo AK39H / 12 – 1,8. Para
acoplar o motor de passo a válvula micrométrica foi preciso projetar um
acoplamento de alumínio batizado de eixo tipo fenda. Para garantir o
alinhamento na abertura e fechamento da válvula fez-se uma base de
nylon onde a estrutura foi fixada. A figura 3.16 mostra detalhes da
montagem. A tabela 3.1 lista algumas especificações técnicas do motor
de passo.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 51
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.16 – Válvula micrométrica tipo agulha modificada
Tabela 3.1 – Especificações técnicas do motor de passo
ITEM ESPECIFICAÇÃO
Ângulo do passo 1,8º
Nº de passos 200
Enrolamento Espiras bifilares
Temperatura máxima de operação 80 ºC
Temperatura ambiente -10 ºC a 50 ºC
Resistência de isolação 100 Ω / DC500 V
Rigidez dielétrica AC 500 V / 1 min
Classe de isolação B
Folga radial (máx) 0,03 mm / Max – Carga = 400 g
Folga axial (máx) 0,03 mm / Max – Carga = 500 g
Detent torque 0,06 gf.cm
Inércia de rotor 48,0 g.cm²
Quantidade de fios 6
Após a escolha do motor de passo foram levantadas opções de
placas eletrônicas para acionamento do mesmo. É muito comum
encontrar placas eletrônicas comerciais para acionamento de motor de
52 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
passo, algumas já fornecidas pelo próprio fabricante do motor de passo.
O driver STR-8, por exemplo, serve para o controle de motor de passo
bipolar com ajuste para uma ampla faixa de modelos de motores de
passo, através de sinais de pulso e direção com alimentação de 24 a 80
Vdc. Esta série tem um avançado desempenho de resolução e controle
de corrente com anti-ressonância. Já o driver AKDMP5 – 1,7 A, do
fabricante de motor de passo (Akiyama), é usado para acionar motores
de passo bifásicos híbridos e apresenta bom desempenho.
Apesar de termos considerado a ampla variedade de placas
eletrônicas para controle de motor de passo expostas no mercado, optou-
se por montar uma placa com circuitos integrados já consolidados no
campo da eletrônica, como CI L297 e L298. O CI L297 é um
controlador do fabricante ST Microelectronics apropriado para motor de
passo de imã permanente, relutância variável bipolar de duas fases ou
unipolar de quatro fases. Além disso, trabalha com módulos de
acionamento em meio passo e passo pleno e é apropriado para operar
em conjunto com o driver L298. A figura 3.17 representa a modelagem
no software Proteus ARES da placa eletrônica. A figura 3.18 mostra a
montagem da placa eletrônica para motor de passo, adaptada para a
necessidade do calorímetro.
Figura 3.17 – Modelo gráfico do driver do controle do motor de passo
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 53
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.18 – Driver do controle do motor de passo
O esquema de ligação desenvolvido no software de simulação
Proteus ISIS se encontra no APÊNDICE C.
3.1.10 Válvulas de serviço
A válvula de diafragma selecionada na avaliação da concepção,
foi utilizada como válvula de serviço no lado de alta e baixa pressão do
circuito de refrigeração. Sua função é liberar ou interromper a passagem
de fluido refrigerante no processo de carga, bem como no processo de
pressurização e evacuação do mesmo. Essa válvula é de movimento
linear e suas características são basicamente estrangulamento e rápida
abertura devido à grande área de fechamento até o assento. A figura
3.19 ilustra a válvula de serviço utilizada.
Figura 3.19 – Válvula de serviço
3.1.11 Termofusível
Pensando na segurança do calorímetro contra possíveis
incêndios, foram utilizadas proteções redundantes de maneira a evitar
54 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
qualquer tipo de ocorrência neste sentido. Além das proteções dos
controladores digitais, foram colocados termofusíveis em série com os
resistores elétricos utilizados na linha descarga, intermediária e no túnel.
Tomou-se o cuidado de posicionar os termofusíveis em contato direto
com a superfície de maior temperatura. A tabela 3.2 traz as
especificações desses elementos de segurança:
Tabela 3.2 – Especificações dos termofusíveis (Catálogo DV
Tecnologia)
Modelo Temperatura
nominal [ºC]
Temperatura
de fusão [ºC]
Corrente
[A] Tensão [V]
R1 102 98 ± 2 15 250
R2 115 111 ± 2 15 250
R7 150 145 ± 2 15 250
Figura 3.20 – Termofusível.
(Fonte: DV Tecnologia)
3.1.12 Resistores elétricos
Para atender os requisitos de norma e de projeto da empresa
parceira, utilizou-se um resistor elétrico tubular circular da fabricante
Ibrel. A definição foi feita com base nos princípios de soluções
levantadas na fase conceitual. As temperaturas do ar pretendidas no
interior do túnel de vento são de: 32 ºC / 50 ºC / 60ºC.
O resistor tem como características duas voltas internas com
terminal parafuso de 40 mm e é alimentada por uma tensão de 220 V,
atingindo uma potência máxima de 3000 W. A figura 3.21 ilustra sua
forma geométrica.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 55
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.21 – Resistor elétrico do túnel.
(Fonte: Ibrel)
Antes do acionamento do microcompressor no calorímetro, é
realizado um processo de aquecimento em alguns pontos do circuito de
refrigeração, de maneira a garantir que o fluido refrigerante esteja no
estado de vapor superaquecido. Para isso, utilizaram-se resistores
elétricos que consiste em um filamento metálico envolvido por silicone
e alimentados com tensão de 220 V, com potência 25 W/ m. Os pontos a
serem aquecidos no circuito de refrigeração são o reservatório
intermediário (por concentrar maior volume de fluido refrigerante em
seu interior) e a linha de descarga. No total, foram utilizados 2 m do
resistor. Ainda, tomou-se o cuidado de isolar a superfície do reservatório
intermediário, bem como a tubulação da linha descarga, com fita de
tecido de vidro da fabricante 3M. Esta é constituída por um dorso de
tecido de fibra de vidro com adesivo de borracha termoendurecedora,
resistindo a uma temperatura máxima de 130 ºC, evitando danos
elétricos em caso de rompimento do resistor elétrico siliconado. A figura
3.22 ilustra resistor elétrico.
Figura 3.22 – Resistor elétrico siliconado.
56 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
3.1.13 Relé de estado sólido
Esse tipo de relé de estado sólido é monofásico AFC 01 e é
utilizado em controle de ângulo de fase. Seu acionamento é através de
sinal de 4-20 mA, e foi utilizado no calorímetro para fazer o
chaveamento da tensão de alimentação em CA dos resistores elétricos,
recebendo o sinal de controle direto de um controlador. Nesse projeto,
ele foi acionado tanto por um controlador da Eurotherm como pela placa
de saída National via LabView. A figura 3.23 ilustra o relé de estado
sólido utilizado.
Figura 3.23 – Relé de estado sólido.
A tabela 3.3, apresenta algumas especificações técnicas do relé
de estado solido selecionado.
Tabela 3.3 – Especificações técnicas do relé de estado sólido
Grandeza Valor
Isolação (entrada/saída) 1000 Vrms
Isolação de tensão (entrada/saída) 1500 Vac
Sinal de controle 4 a 20 mA (6 Vcc mínimo)
Tensão 110 a 480 Vac
Corrente 40 A
Frequência 50 / 60 Hz
Temperatura de operação 70 ºC
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 57
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
3.1.14 Dimensionamento e faixas de operação
Na parte mecânica foi estudada a melhor arquitetura de circuito
de refrigeração para o calorímetro com base em trabalhos prévios
citados no capítulo 2, e nos métodos descritos nos item 3.1.1.
Por meio de simulação no software EES, foram levados em
consideração os volumes de tubulações dois possíveis ciclos a serem
utilizados, tendo em vista as limitações impostas pelos testes que o
projeto está proposto a abranger.
O propósito de se fazer essa análise digital é encontrar o ponto
ótimo para o volume da bancada, visto que, se este for muito grande, a
inércia térmica do sistema é elevada, gerando um atrasado para a
obtenção dos resultados esperados. Por outro lado, se o volume total for
pequeno demais, não serão alcançadas todas as condições de teste.
Além disso, a simulação através do software economiza material
de trabalho, visto que não é necessária a montagem de nenhum aparato,
evitando erros desnecessários.
3.2 Sistemas de medição
3.2.1 Medição de temperatura
O termopar se mostrou um interessante sensor para este projeto
por ser robusto, ter um baixo custo e operar em uma grande faixa de
temperaturas, critérios adotados para avaliação da concepção. São
classificados em diversos tipos, de acordo com o material de que são
feitos. A tabela 3.4 mostra alguns tipos e suas respectivas faixas de
trabalho e incertezas de medição.
58 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Tabela 3.4 – Tipos de Termopares e suas configurações
Tipo
Faixa de
temperatura
[°C]
Incerteza de
medição
permitida
Metais
utilizados
J 0 a 277 ± 2,20 °C Ferro-
constantan 277 a 760 ± 0,75 %
K 0 a 277 ± 2,20 °C
NiCr-Ni 277 a 1260 ± 0,75 %
T
-101 a -59 ± 2,00 °C Cobre-
constantan -59 a 93 ± 0,80 °C
93 a 371 ± 0,75 %
E 0 a 316 ± 1,70 °C NiCr-
constantan 316 a 971 ± 0,50 %
B 871 a 1705 ± 0,50 % Pt-PtRh 10 %
Pt-PtRh 13 %
PtRh 30 %
PtRh 6 % S e R
0 a 538 ± 1,40 °C
538 a 1492 ± 0,75 %
Feito este levantamento de dados, foi escolhido o termopar de
tipo T como o mais viável para aplicação em questão. Devido à faixa de
trabalho, que atende muito bem aos requisitos de teste e é estreita o
suficiente para gerar uma incerteza de medição que está dentro da norma
regente.
Os termopares do tipo T foram conectados diretamente ao canal
do sistema de aquisição com cabos de compensação do tipo T e com
bitola 24 AWG. A compensação é feito por canal do sistema de
aquisição com termistor de precisão (±0,01) e empregado pelo software
de aquisição de dados como junta de referência eletrônica na conversão
do sinal de tensão do termopar em temperatura. Foram medidas 3 tipos
de temperaturas: de superfície, do ar e do fluido refrigerante. A figura
3.24 mostra um dos tipos de termopar utilizado.
Figura 3.24 – Termopar.
(Fonte: Gonçalves, 2004)
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 59
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
3.2.2 Medição de pressão
Os transdutores de pressão escolhidos foram do tipo Strain Gauge
de pressão absoluta com fundo de escala 10 e 20 bar. O fabricante
escolhido foi Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM) e seu modelo é P3
MB. A tensão elétrica de alimentação do circuito strain-gauge desses
transdutores foi fornecida por uma fonte de corrente contínua de 10 V
com alta estabilidade (±0,01%). Os transdutores foram calibrados na
sala de calibração do laboratório POLO, utilizando-se uma máquina de
peso morto. A alta linearidade do sinal e a grandeza medida
possibilitaram a utilização de curvas de calibração de primeira ordem,
com coeficientes de correlação superiores a 0,99. A tabela 3.5 mostra as
respectivas incertezas de medição.
Tabela 3.5 – Faixa de trabalho e incerteza dos transdutores
Transdutor de
pressão
Faixa de
trabalho
[bar]
Incerteza de
medição [bar]
Transdutor 1 0 a 10 ± 0,008
Transdutor 2 0 a 10 ± 0,008
Transdutor 3 0 a 20 ± 0,016
A figura 3.25 mostra o modelo de transdutor de pressão utilizado.
Figura 3.25 – Transdutor de pressão.
(Fonte: Gonçalves, 2004)
3.2.3 Medição de vazão mássica
A vazão mássica de fluido refrigerante foi medida por um
transdutor de vazão mássica do tipo Coriolis, fabricado pela Danfoss,
modelo MASS2100, por ser a concepção que melhor se adequou. A
figura 3.26 ilustra o medidor de vazão mássica utilizado.
60 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.26 – Medidor de vazão mássica.
(Fonte: Gonçalves, 2004)
A unidade conversora, modelo MASS3000, foi regulada para
uma faixa de vazão de 0 a 10 kg/h.
Utilizou-se uma curva de calibração de primeiro grau com
coeficiente de correlação superior a 0,99 e com uma incerteza de
medição de ±1 % do valor lido.
A metodologia de medição segue a norma ISO 917 (1989). O
método D2, descrito na norma, foi o escolhido como o diretor. Nele,
determina-se que a medida da vazão mássica deve ser feito com o fluido
no estágio de vapor na linha de descarga. Algumas modificações
necessárias devido às características específicas do calorímetro foram
realizadas, como a ausência do separador de óleo na linha de descarga,
visto que o microcompressor opera sem este lubrificante.
3.2.4 Medição de grandezas elétricas
Um dos diferenciais deste calorímetro, comparado com um
calorímetro de compressor convencional, está na alimentação em CC
com tensão 12 V e 24 V (dependendo da amostra de microcompressor a
ser ensaiado). Para mensurar essa tensão, adotou-se na fase de avaliação
da concepção um conversor CC-CC do fabricante Yokogawa, modelo
2281A-013/VNL/AE, ilustrado na figura 3.27. A entrada de tensão é de
0 a 30Vcc nos bornes (-1) e (+3) e saída de 0 a 5 Vcc nos bornes (-15) e
(+16), tendo uma resistência mínima de 10 kΩ e uma precisão de ± 0,25
% (V.F.). Já sua alimentação é em 220 Vac nos bornes (9) e (11), com freqüência de 60Hz e isolação 2 kVca / 1 min.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 61
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.27 – Conversor de tensão CC.
O conversor de CC-CC, ilustrado na figura 3.28, foi utilizado
para mensurar a corrente elétrica do microcompressor e também é do
fabricante Yokogawa, modelo 2381A. A entrada é de 0 a 3 Acc e saída
de 0 a 5 Vcc, com resistência de entrada de 16mΩ. A precisão desse
equipamento é de ± 0,25 % e sua alimentação é 220 Vac com freqüência
de 60 Hz.
Figura 3.28 – Conversor de corrente CC.
3.2.5 Aquisição de dados
O sistema de aquisição e controle de dados selecionado para o
calorímetro é composto por um chassi SCXI do fabricante National
Instruments, com 12 módulos configuráveis. O SCXI é uma plataforma
de chaveamento e condicionamento de sinais de alto desempenho, para
62 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
medições e sistemas de automação. Sua interface com o sistema
supervisório é feita através de entrada USB. Utilizou-se para adquirir
sinais de sensores de temperatura tipo T com compensação eletrônica
por canal, receber sinais de tensão dos transdutores de pressão, gerar
sinais de tensão para os relés de estado sólido, comutação por relé e
gerar sinais digitais para as placas eletrônicas. Na presente aplicação, os
módulos do chassi foram utilizados da seguinte forma: 1 módulo de
aquisição de dados e controlador, 5 módulos com 40 canais para leitura
de temperaturas, 2 módulos acoplados com 32 canais cada para entrada
de tensão, 2 módulos acoplados com 16 canais com saídas relé, 2
módulos acoplados com 8 canais para entrada de frequência, 2 módulos
com 6 canais cada para saída de tensão e ,finalmente, 2 módulos com 32
canais para saída digital. A tabela 3.6 lista, em detalhes, os supracitados
componentes:
Tabela 3.6 – Configuração do Sistema de Aquisição e Controle de
dados.
Número do
componente Função Descrição
776571-01
Chassi
SCXI-1001 12-Slot Chassis, U.S. 120 VAC
776576-60 SCXI-1360 Front Filler Panel
776576-61 SCXI-1361 Rear Filler Panel
776572-1600 Controlador NI SCXI-1600, USB Data Acquisition and
Control Module
776572-12 Temperatura
input SCXI-1112 8 ch Thermocouple Input Module
776572-02 Tensão
input
SCXI-1102 32 ch Thermocouple Amplifier
777687-03 SCXI-1303 32 ch Isothermal Terminal Block
776572-60
Relé
SCXI-1160 16-Channel SPDT Relay Module
777687-24 SCXI-1324 High-Voltage Screw Terminal
Block
776572-26 Frequência
input
SCXI-1126 8 ch Isolated Frequency Input
Module
777687-20 SCXI-1320 Temperature Sensor Terminal
Block, Cast
776572-24 Tensão
output
SCXI-1124 6 ch Isolated DAC Module
777687-25 SCXI-1325 Screw Terminal Block, Cast
776572-63
Digital output
SCXI-1163 32-Channel Optically Isolated
Digital Output Module
777687-26 SCXI-1326 High-Voltage Screw Terminal
Block, Cast
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 63
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
A figura 3.29 ilustra o sistema de aquisição de dados utilizado
no calorímetro.
Figura 3.29 – Sistema de aquisição de dados.
A programação do sistema supervisório e do controle do sistema
foi implementada integralmente no software da National Instruments
LabVIEW. Selecionado na fase de avaliação da concepção por ter entre
outras vantagens, uma linguagem de programação mais intuitiva. A
parte de controles foi amplamente destrinchada, visto que, por se tratar
de um trabalho com foco em mecatrônica, ela agregou muito na
aplicação de modelos teóricos na prática. A figura 3.30 ilustra o painel
de programação no LabVIEW.
Figura 3.30 – Programação em LabVIEW.
64 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
3.3 Sistema de controle
Para aplicar qualquer técnica de controle é necessário conhecer a
dinâmica do processo a ser controlado. A dinâmica de um processo pode
ser identificada através da análise da resposta do sistema a um sinal de
entrada, como ilustra a figura 3.31.
Figura 3.31 – Diagrama de blocos do sistema em malha aberta.
Os sinais de entrada utilizados são geralmente do tipo: impulso,
degrau, senoidal ou rampa. Para identificação das características
essenciais do processo sob avaliação é possível utilizar uma entrada em
degrau. O chaveamento abrupto através de um acréscimo ou decréscimo
na magnitude do degrau pode ser estabelecido pela variação da tensão
ou corrente, no caso de controle de temperaturas, ou pela abertura ou
fechamento de uma válvula, no caso de controles de pressão. A equação
3.1 representa a função degrau no domínio do tempo.
( )u t Kd
para 0t
( ) 0u t para 0t (3.1)
A equação 3.2 representa a função degrau no domínio da
frequência.
1( )u s
s
(3.2)
As válvulas que determinam as pressões do circuito de
refrigeração do calorímetro serão o principal foco do estudo no interesse
em mapear o controle das condições de teste. Para tal análise, o diagrama Voltas-Cv da válvula micrométrica do Catálogo Hoke, 2011
presente na figura 3.32, foi consultado.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 65
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.32 – Diagrama Voltas-Cv da válvula micrométrica.
(Fonte: Catálogo Hoke, 2011).
Visualmente, é possível perceber a tendência linear entre voltas
da válvula e seu coeficiente de vazão. Com base neste fator, será
aplicada inicialmente a modelagem de processos de primeira ordem que
por definição, é representada por uma equação diferencial de 1° ordem,
representada pela seguinte função de transferência.
(1 )(1 )
( )
1 1
Tk
as b k Ts kTG s
cs d s s
(3.3)
Assim é possível relacionar os parâmetros k, t e com as
características da resposta ao degrau do sistema. Para o caso de sistemas
estáveis, o valor de k fornece a relação estática entrada-saída (ganho
estático) para uma entrada que tende a uma constante.
y yf i
k
u uf i
(3.4)
Onde ui - valor inicial da função tipo degrau;
66 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
uf - valor final da função de entrada do tipo degrau;
yi – valor inicial da resposta ao degrau;
yf – valor final da resposta ao degrau.
O modelo paramétrico da dinâmica de um determinado processo,
muito utilizado na indústria, pode ser caracterizado pela seguinte função
de transferência no domínio do tempo de primeira ordem:
( - )
( ) (1- )
t
G t k e
(3.5)
A equação 3.6 representa a função de transferência no domínio da
frequência.
( )1
k sG s e
s
(3.6)
Onde ( )G t - resposta do sistema à entrada do tipo degrau em
função do tempo;
( )G s - resposta do sistema à entrada do tipo degrau em função da
frequência;
- constante de tempo;
t - tempo;
s - variável complexa;
k - ganho estático;
- atraso de transporte.
Para encontrar a modelagem de sistemas, em malha aberta
existem alguns métodos que se baseiam na resposta do processo ao
degrau para determinação desses parâmetros, Coelho (2004).
Os parâmetros que determinam essa configuração são: ganho
estático, k , constante de tempo, e atraso do transporte, . Para
determinar a função de transferência do sistema foram abordados o
método de Sundaresan e Krishnaswamy (1977), o método Hägglund
(1991), e o método de Smith (1985).
O método de Sundaresan e Krishnaswamy é representado pela
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 67
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
figura 3.33, onde os tempo t1 é obtido a 35,3% do sinal de saída e o
tempo t2 a 85,3% do sinal de saída.
Figura 3.33 – Representação gráfica do método de
Sundaren/Krishnaswamy.
Os parâmetros representados no gráfico podem ser determinados
com base nas equações (3.7), (3.8),(3.9).
y yy ifk
u u uif
0, 67( )2 1
t t
1,3 0, 291 2t t
Para o método de Hägglund é traçada uma linha sobre o sinal de
saída, onde o tempo t2 é obtido a 63,2% de acordo com a representação
gráfica ilustrada na figura 3.34.
Figura 3.34 – Representação gráfica do método de Hägglund, adaptado
de Martins (2011).
(3.7)
(3.8)
(3.9)
68 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Os parâmetros representados no gráfico podem ser determinados
com base na equação 3.10.
y yy ifk
u u uif
O método de Smith é representado pela figura 3.35, onde o tempo
t1 é obtido a 28,3% do sinal de saída, e o tempo t2 a 63,2% do sinal de
saída.
Figura 3.35 – Representação gráfica do método de Smith, adaptado de
Martins, (2011).
y yy ifk
u u uif
1,5( )2 1
t t
2t
Com base nos equacionamentos apresentados e na modelagem
que será feita com auxilio do software MATLAB, foi possível avaliar
independentemente qual modelo representara melhor a resposta
dinâmica do sistema para as variáveis de processos (pressão de sucção e
descarga) que determinam a condição de operação do microcompressor,
e também de outras variáveis de interesse, tais como, temperatura de
sucção e temperatura no túnel, essas determinam a condição de contorno
para a realização do ensaio.
(3.11)
(3.12)
(3.13)
(3.10)
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 69
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Com concretização dessa análise, será possível conhecer a
função de transferência em malha aberta do sistema, para essas
variáveis.
Quando a variável de controle se tratar da temperatura, o sinal de
realimentação será adquirido através de sensores de temperatura
posicionados em locais de interesse. Como atuadores no controle dessas
temperaturas utilizam-se resistores elétricos e módulos termoelétricos de
efeito Peltier. As únicas temperaturas que não serão controladas desta
maneira, e sim de forma indireta, são as temperaturas de condensação e
evaporação do microcompressor. E estas temperaturas são função da
pressão de descarga e sucção, respectivamente, de acordo com a curva
de saturação do fluido refrigerante. Como atuador no controle de tais
pressões, tem-se as válvulas micrométricas no lado de alta e baixa
pressão do sistema.
Após a escolha do modelo aproximado de primeira ordem,
foram calculados os parâmetros para o controlador. Caso os parâmetros
calculados não apresentem uma boa resposta ao degrau unitário, serão
aplicados alguns métodos de sintonia de parâmetros propostos pela
literatura. Os clássicos e mais utilizados são proposto por Ziegler e
Nichols, Hrones e Reswick, Cohen e Coon e por Chien. Caso a resposta
do modelo aproximado de primeira ordem escolhido apresentar algum
atraso, será aplicada também uma estrutura de controlador do tipo
preditor de Smith.
3.3.1 Controladores PID
Controladores PID’s são amplamente utilizados na indústria para
controle de processos. Há no mercado diversos produtos disponíveis de
acordo com aplicação, esses podem ser dos tipos analógicos ou digitais
e com suas estruturas em paralelo, série ou série - paralelo.
Apesar da grande variedade de PID’s encontrados, os mesmos
possuem características comuns como entrada e saídas para o sistema a
ser controlado, escolha de setpoint, ajuste dos parâmetros P, I, D e
outras configurações. A figura 3.36 ilustra o diagrama em blocos desse
tipo de controlador.
70 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.36 – Diagrama de blocos de uma estrutura PID.
Neste trabalho será utilizado o controlador PID industrial do
fabricante Eurotherm e também via software. A figura 3.37 detalha a
lógica de controle utilizando-se o bloco PID digital na programação do
software LabVIEW.
Figura 3.37 – Bloco programador PID no software LabVIEW.
3.3.2 Controle das pressões de sucção e descarga
Para identificação da função de transferência para o controle da
pressão de sucção, foram realizados ensaios em malha aberta
relacionando o número de voltas da válvula agulha com diferentes
patamares de pressão próximos as condições de operações que se deseja
mapear. A variável de processo foi medida com o transdutor de pressão
mostrado na figura 3.25 e a válvula agulha foi manipulada por um motor
de passo operando em passo pleno com 200 passos por volta e em uma
freqüência de aproximadamente 200 Hz. A figura 3.38 mostra a relação
da pressão de sucção com o número de voltas da válvula.
Referência Erro I
P
D
t
i deK0
)(
dt
tdeKd
)(
)(teK p
Processo Saída+
-
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 71
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.38 – Relação entre abertura da válvula com a pressão de
sucção.
Com base no gráfico da figura 3.38, foi utilizado o software
MATLAB para aplicar os métodos apresentados na figuras 3.33, 3.34 e
3.35. Como a variável de processo não apresentou atraso, o método de
Hägglund foi escolhido como modelo diretor para apresentação do
ganho estático e da constante de tempo para cada degrau próximo a
condição de operação. Após o calculo individual dos ganhos estáticos e
das constantes de tempo apresentados na tabela 3.7, foi realizado o
somatório dos mesmos para obtenção de um ganho estático médio e de
uma constante de tempo média.
Tabela 3.7 – Ganhos estáticos e constantes de tempo calculados para
pressão de sucção.
Degraus p
[bar]
v
[voltas] suckp
[bar/voltas]
[s]
1 1 6 0,16 30
2 1 3 0,33 20 3 0,8 1,5 0,53 13
4 0,8 2 0,40 16
5 0,6 2 0,30 20
6 0,47 3,5 0,13 20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40 50 60 70
Ab
ertu
ra d
a vál
vula
de
sucç
ão[v
olt
as]
Pre
ssão
de
sucç
ão [
bar
]
Tempo [min]
72 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
deg
kpsuckpmn
raus
(3.14)
Tabela 3.8 – Valores médios de ganho estático e constante de tempo
para pressão de sucção.
medkp [bar/voltas] med [s]
0,31 19,83
A partir da definição do ganho estático e da constante de tempo
foi possível identificar a função de transferência para o modelo de
primeira ordem representado pela equação 3.15:
)1()(
sm
mkpsG
(3.15)
Com a definição da função de transferência, foi realizada uma
simulação do modelo com auxílio da ferramenta Simulink da plataforma
MATLAB, representado na figura 3.39.
Figura 3.39 – Diagrama de blocos em malha aberta para a pressão de
sucção.
A figura 3.40 apresenta graficamente a resposta da simulação
detalhando os valores obtidos para constante de tempo e o tempo de
acomodação para pressão de sucção.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 73
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.40 – Resposta da simulação da pressão de sucção em malha
aberta.
Com a resposta da simulação em malha aberta, foram calculados
os parâmetros para o compensador PID, com base na equação 3.16.
( ) ( )
( ) 1 ( )
y s G s
r s G s
Foram calculados compensadores do tipo P, PD, PI e PID.
Entretanto, serão apresentadas apenas as configurações que
apresentaram a melhor resposta na simulação. A figura 3.41 apresenta o
diagrama de blocos do controlador PI. Como a dinâmica do processo
não apresentou atraso justifica-se a não utilização da estrutura preditor
de Smith.
Figura 3.41 – Diagrama de blocos de um controlador PI em malha
fechada para a pressão de sucção.
0 20 40 60 80 100 1200
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
Tempo [S]
Pre
ssão
[b
ar]
Constante de tempo: 19s
Tempo de acomodação: 95s
(3.16)
74 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Já a figura 3.42 apresenta o comportamento da resposta do
controlador PI com os ganhos ki e kp calculados. Como pode ser
observada no gráfico, a resposta com os ganhos calculados apresentaram
sobressinal de 20%, e tempo de acomodação de 78 segundos.
Figura 3.42 – Resposta da simulação para a pressão de sucção em malha
fechada.
Para tentar obter uma resposta melhor ao degrau unitário, foram
ajustados os parâmetros calculados na aplicação pratica. A figura 3.43
mostra a modificação no valor do ganho proporcional e no tempo
integrativo.
Figura 3.43 – Diagrama de blocos de um controlador PI com os
parâmetros ajustados em malha fechada para a pressão de sucção.
Com a modificação no valor do ganho proporcional e no tempo
integrativo, pode ser observado na figura 3.44, um melhor tempo de
acomodação que era de 78 segundos e passou a ser de 23 segundos e
também não apresentou sobressinal.
0 20 40 60 80 100 1200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Tempo [S]
Pre
ssão [
bar]
Pressão de Sucção
Referência
Sobressinal: 20%
Tempo de acomodação: 78s
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 75
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.44 – Resposta da simulação para a pressão de sucção em malha
fechada com os parâmetros PI ajustados.
Para identificação da função de transferência para o controle da
pressão de descarga, foram realizados os mesmos ensaios em malha
aberta utilizados para pressão de sucção, relacionando o número de
voltas da válvula agulha com diferentes patamares de pressão próximos
as condições de operações que se deseja mapear. A variável de processo
também foi medida com um transdutor de pressão e a válvula agulha
também foi manipulada por um motor de passo operando em passo
pleno com 200 passos por volta e em uma frequência de
aproximadamente 200 Hz. A figura 3.45 mostra a relação de pressão da
descarga com o número de voltas da válvula.
0 20 40 60 80 100 1200
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Tempo[s]
Pre
ssão
[bar]
Pressão de Sucção
Referência
Tempo de acomodação: 23s
76 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.45 – Relação entre abertura da válvula com a pressão de
descarga.
Com base no gráfico da figura 3.45, foi utilizado o software
MATLAB para aplicar os métodos apresentados na figuras 3.33, 3.34 e
3.35. Como a variável de processo também não apresentou atraso, o
método de Hägglund foi escolhido como modelo diretor para
apresentação do ganho estático e da constante de tempo para cada
degrau próximo a condição de operação. Após o cálculo individual dos
ganhos estáticos e das constantes de tempo apresentados na tabela 3.9,
foi realizado o somatório dos mesmos para obtenção de um ganho
estático médio e de uma constante de tempo média.
Tabela 3.9 – Ganhos estáticos e constantes de tempo calculados para
pressão de descarga.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 30 60 90 120 150 180
Ab
ertu
ra d
a vál
vula
de
des
carg
a [v
olt
as]
Pre
ssão
de
des
carg
a [b
ar]
Tempo [min]
Degraus p
[bar]
v
[voltas] desckp
[bar/voltas]
[s]
1 0,80 2 -0,40 36
2 1,65 5 -0,33 73
3 1,46 3 -0,48 68
4 3,58 2 -1,79 82
5 2,80 2 -1,40 70
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 77
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Tabela 3.10 – Valores médios de ganho estático e constante de tempo
para pressão de descarga.
medkp
[bar/voltas]
med
[s]
-0,88 65,80
A partir da definição do ganho estático e da constante de tempo
foi possível identificar a função de transferência para o modelo de
primeira ordem escolhido pela equação 3.15 utilizada anteriormente
para determinação da função de transferência da pressão de sucção.
A figura 3.46 representa o sistema em blocos com auxílio da
ferramenta Simulink da plataforma MATLAB:
Figura 3.46 – Diagrama de blocos em malha aberta para a pressão de
descarga.
Depois de efetuada a simulação é possível analisar graficamente
na figura 3.47, o comportamento da pressão de descarga em malha
aberta.
Figura 3.47 – Resposta da simulação da pressão de descarga em malha
aberta.
0 100 200 300 400 500 600-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
Tempo[S]
Pre
ssão
[bar]
Constante de tempo: 55s
Tempo de acomodação:275s
78 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Os cálculos e os arranjos de compensadores P, PD, PI e PID
foram feitas de maneira análoga aos cálculos da pressão de sucção
descrita anteriormente. Após a determinação dos ganhos ki e kp é
fechado à malha de controle. A figura 3.48 mostra os valores dos
ganhos obtidodos.
Figura 3.48 – Diagrama de blocos de um controlador PI em malha
fechada para a pressão de descarga.
A figura 3.49 ilustra a resposta ao degrau obtida em simulação
com os ganhos calculados.
Figura 3.49 – Resposta da simulação para a pressão de descarga em
malha fechada.
Assim como aconteceu na simulação da resposta da pressão de
sucção, também foi preciso alterar o valor do ganho proporcional e do
0 100 200 300 400 500 6000
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
Tempo [S]
Pre
ssão [
bar]
Pressão de Descarga
Referência
Sobressinal: 66,8%
Tempo de acomodação: 200s
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 79
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
tempo integral. A figura 3.50 apresenta a configuração dos parâmetros
para o controlador PI.
Figura 3.50 – Diagrama de blocos de um controlador PI com os
parâmetros ajustados em malha fechada para a pressão de descarga.
Com base na figura 3.51 observa-se que o tempo de acomodação
que era de 200 segundos diminuiu para 3 segundos e a resposta ao
degrau não apresentou sobressinal.
Figura 3.51 – Resposta da simulação para a pressão de descarga em
malha fechada com os parâmetros PI ajustados.
3.3.3 Controle de temperatura de sucção
Para identificação da função de transferência para o controle da
temperatura de sucção, foi realizado um ensaio em malha aberta,
0 100 200 300 400 500 6000
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Tempo [S]
Pre
ssão [
bar]
Pressão de Descarga
Referência
Tempo de acomodação: 3s
80 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
utilizando como sensor de temperatura um termopar do tipo T, para
mensurar a temperatura a 100 mm do passador de sucção conforme
recomendação da norma. Como atuadores foram utilizados quatro
módulos termoelétricos de efeito Peltier, com potência equivalente a 60
W por módulo e com tensão de alimentação de 12 V, distribuídos sobre
um trocador de calor de microcanal. Para chavear o sinal de tensão no
módulo foi utilizada uma placa eletrônica ponte H, para possibilitar a
inversão de polaridade do sinal de tensão aplicado nos módulos
termoelétricos. Com isso, é possível utilizar os módulos para aquecer se
a temperatura de processo estiver abaixo da referência ou refrigerar se a
temperatura de processo estiver acima da temperatura de referência.
O ensaio teve início com a temperatura ambiente em um patamar
de aproximadamente 24°C que representa a temperatura ambiente da
sala, e a placa eletrônica ponte H com chaveamento em 0 % ou 0 V.
Após foi alcançado um valor de temperatura próximo a 32°C que
representa a região de operação. Para isso, o ciclo de funcionamento dos
módulos foi mantido em 50% ou 6 V sem variação durante um período
de aproximadamente 6264 segundos (~1h e 40min). A variação (Δy) da
temperatura ao primeiro degrau de entrada foi de aproximadamente 5
°C. A partir desse período é aplicado um segundo degrau positivo (Δu)
de 15 % ou 6,9 V no ciclo de funcionamento dos módulos
termoelétricos no sentido de aquecer a temperatura na sucção do
microcompresor, e mantido por um tempo de aproximadamente 5714
segundos (~1h e 50min). A variação (Δy) da temperatura ao segundo
degrau de entrada foi de aproximadamente 2 °C. Após esse tempo é
aplicado o terceiro degrau (Δu) de -75 % ou - 6,9 V, agora no sentido de
refrigerar a temperatura na sucção do microcompressor. A variação (Δy)
da temperatura ao terceiro degrau de entrada foi de aproximadamente 7
°C. Como a variável de processo responde juntamente ao o degrau
aplicado, a constante de tempo (τ) foi obtida a 63,2 % do valor inicial
(yi), para cada degrau aplicado, correspondendo a uma constante de
tempo média de 536 segundos (~9 min). Através da equação 3.10, foi
obtido o ganho estático (K) para cada degrau, chegando num valor de
1,28 °C/V. A figura 3.52 demonstra a realização do ensaio em malha
aberta para temperatura de sucção.
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 81
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.52 – Resposta da temperatura de sucção, em malha aberta, ao
degrau de entrada.
A partir da definição do ganho estático e da constante de tempo
foi possível identificar a função de transferência utilizando a equação
3.15, para o modelo de primeira ordem escolhido:
1, 28( )
536 1G s
s
O método lugar das raízes (Evans, 1948) foi utilizado para
calcular os parâmetros de controle para temperatura na sucção do
microcompressor. Para isso foi utilizado o software Matlab. A figura
3.53 mostra graficamente os valores dos pólos, ganhos e sobressinal
obtidos com a ferramenta Root locus.
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 3000 6000 9000 12000 15000
Cic
lo d
e fu
nci
onam
ento
do m
ódulo
ter
moel
étri
co [
%]
Tem
per
atura
de
sucç
ão [
°C]
Tempo [s]
63,2%
63,2%
63,2%
82 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.53 – Representação gráfica do método do Root Locus para a
temperatura de sucção.
Com base, na figura 3.53, é possível obter um controlador PI
através da equação 3.17.
0, 014( ) 7C s
s
Figura 3.54 – Diagrama de blocos de um controlador PI em malha
fechada para a temperatura de sucção.
(3.17)
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 83
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.55 – Resposta da simulação para a temperatura de sucção em
malha fechada com os parâmetros PI ajustados.
3.3.4 Controle de temperatura ambiente do compressor
Para identificação da função de transferência para o controle da
temperatura no interior do túnel, foi realizado um ensaio em malha
aberta, utilizando dez termopares do tipo T, para mensurar a média das
temperaturas no interior do túnel. Como atuador foi utilizado um resistor
elétrico com potência de 3000 W, e para chavear o sinal de tensão no
resistor foi utilizado um relé de estado solido.
O ensaio teve início com a temperatura ambiente em um patamar
de aproximadamente 21°C que representa a temperatura ambiente da
sala, e o ciclo de funcionamento do resistor em 0 % ou 0 V. Após foi
alcançado um valor de temperatura próximo a 32°C que representa a
região de operação. Para isso, o ciclo de funcionamento do resistor foi
mantido em 25% ou 55 V sem variação durante um período de
aproximadamente 4142 segundos (~1h e 9min). A partir desse período é
aplicado um degrau positivo (Δu) de 15 % ou 63,3 V no ciclo de
funcionamento do resistor da temperatura no interior do túnel e mantido
até o término do ensaio. A variação (Δy) da temperatura ao degrau de entrada foi de
aproximadamente 13,5 °C. Como a variável de processo responde
juntamente ao o degrau aplicado, a constante de tempo (τ) foi obtida a
63,2 % do inicial (yi), correspondendo a 315 segundos (~5min). Através
da equação 3.10, foi obtido o ganho estático (K) no valor de 0,89 °C/V.
0 100 200 300 400 500 6000
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Tempo [S]
Tem
pera
tura
[°C
]
Temperatura de Sucção
Referência
Tempo de acomodação: 250s
84 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
A figura 3.56 demonstra a realização do ensaio em malha aberta da
temperatura no interior do túnel.
Figura 3.56 – Resposta da temperatura no túnel, em malha aberta, ao
degrau de entrada.
A partir da definição do ganho estático e da constante de tempo
foi possível identificar a função de transferência através da equação 3.17
para o modelo de primeira ordem escolhido:
0,88( )
315 1G s
s
O método lugar das raízes também foi utilizado para calcular os
parâmetros de controle para temperatura no interior do túnel, visto que
este método apresentou uma boa resposta para temperatura de sucção.
Para isso foi utilizado novamente o software Matlab. A figura 3.57
mostra graficamente os valores dos pólos, ganhos e sobressinal obtidos
com a ferramenta Root locus.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 3000 6000 9000
Cic
lo d
e fu
nci
onam
ento
do
res
isto
r
da
tem
per
atura
no
túnel
[%
]
Tem
per
atura
no
Túnel
[°C
]
Tempo [s]
63,2%
(3.17)
DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO 85
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.57 – Representação gráfica do método do Root Locus para a
temperatura no túnel.
Com base na figura 3.58 é possível obter um controlador PI
representado pela equação 3.18.
0, 015( ) 5C s
s
Figura 3.58 – Representação gráfica do método do Root Locus para a
temperatura no túnel.
O resultado advindo da simulação para resposta ao degrau
unitário é apresentado na figura 3.59:
(3.18)
86 DESCRIÇÃO DO CALORÍMETRO
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 3.59 – Resposta da simulação para a temperatura de sucção em
malha fechada com os parâmetros PI ajustados.
3.3.5 Ajuste dos parâmetros de controle
Após realizar cálculos e simulações para conseguir um melhor
ajuste de parâmetros para variáveis que devem ser controladas no
calorímetro. As tabelas 3.11 e 3.12 apresentam os parâmetros que serão
utilizados e mantidos sem alteração nos controladores PID, durante a
realização dos ensaios.
Tabela 3.11 – Ajuste de parâmetros
Tabela 3.12 – Ajuste de parâmetros
No capítulo 5 item 5.2, será apresentado os principais resultados
de controle, utilizando os parâmetros supracitados nas tabelas 3.11,
3.12.
0 100 200 300 400 500 6000
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Tempo [S]
Tem
pera
tura
[°C
]
Temperatura do Túnel
Referência
Tempo de acomodação: 387s
Variável controlada
[bar]
Ganho
proporcional
Ganho
integral
Ganho
derivativo
Pressão sucção [bar] 14 0,71 -
Pressão descarga [bar] -125 -1,90 -
Variável controlada
[°C]
Ganho
proporcional
Ganho
integral
Ganho
derivativo
Temperatura de sucção 7 0,014 - Temperatura no túnel 5 0,015 -
Temperatura desc 8 0,900 0,1 Temperatura int 5 0,800 0,2
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
4 ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR
Neste capítulo é apresentado em linha geral o calorímetro, bem
como a forma de executar um ensaio e detalhamentos sobre o
processamento de um teste.
4.1 Apresentação da parte física do calorímetro
O calorímetro foi construído com uma estrutura com perfil em
alumínio e revestida com madeira (MDF) e dividido em quatro
compartimentos, sendo que o primeiro compartimento (olhando de
baixo para cima na figura 4.1) funciona alguns equipamentos de
medição elétrica, tais como, (conversor de potência e corrente).
Seguindo a mesma lógica, o segundo compartimento comporta o
sistema de aquisição de dados e o computador e ainda um suporte
articulado para o monitor e uma gaveta com corrediça telescopia para o
teclado, visando obter uma melhor característica ergonômica.
Figura 4.1 – Protótipo de Calorímetro para Microcompressores.
No terceiro compartimento é disposto todo o circuito de
refrigeração. Já no quarto compartimento tem-se a seção de teste do
88 ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
calorímetro que é composta por um túnel de vento, dividido em dois
módulos, sendo que o primeiro compartimento foi construído com tubo
de PVC de 360 mm diâmetro e 400mm de comprimento. Dentro desse
compartimento funciona um ventilador com velocidade controlada e
uma resistor elétrico para aquecer o ar que é insuflado pelo ventilador. O
segundo módulo foi construído de acrílico com diâmetro de 290 mm e
1000 mm de comprimento. Dentro deste, funciona um misturador de
hélice livre que tem a função de misturar o ar no interior do túnel
diminuindo a estratificação de temperatura. Logo a frente do misturador
tem um dispositivo com um filtro para uniformizar o ar antes de passar
envolta do microcompressor, que por sua vez, é fixado sobre um
dispositivo de nylon dentro do túnel. Os módulos são sustentados sobre
dois dispositivos de madeira que permitem que os mesmos sejam
retirados caso seja necessário facilmente e independentemente, para uma
possível manutenção, por exemplo. Para finalizar foi projetado e
montado um quadro elétrico que é responsável pelo acionamento dos
equipamentos elétricos e eletrônicos do calorímetro, este foi fixado na
lateral da estrutura de alumínio.
A potência fornecida para o funcionamento do microcompressor
é calculada pela equação 4.1 mostrada abaixo. Os valores de tensão (U)
e corrente (i) advém dos conversores de tensão e corrente,
respectivamente.
POT Ui (4.1)
Onde POT – potência fornecida ao microcompressor [W];
U – tensão [V];
i – Corrente [A].
A capacidade de refrigeração é calculada em condições
hipotéticas de entrada e saída do evaporador, visto que não há mudança
de fase do fluido refrigerante no ciclo proposto. A vazão mássica é
obtida pelo medidor de vazão Coriolis. A entalpia específica na entrada
do evaporador hipotético é considerada no ponto de líquido subresfriado
com pressão igual a pressão de condensação (Pcond) – que é a pressão de descarga do compressor – sobre a linha isotérmica de 32°C (no presente
texto, nomearemos h4). Já a entalpia específica na saída do evaporador
hipotético é considerada no ponto de vapor superaquecido com pressão
igual a pressão de evaporação (Pevap) – que é a pressão de sucção do
ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR 89
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
compressor – também sobre a linha isotérmica de 32°C. A equação 4.2
traz a relação supracitada.
( )@32 ; @32 ;
Q m h he VAP LÍQC P C Pevap cond
(4.2)
Onde Qe - capacidade de refrigeração [W];
m - vazão mássica [kg/s];
@32 ;hVAP C Pevap
- entalpia específica de vapor superaquecido
[kJ/kg];
@32 ;h
LÍQ C Pcond- entalpia específica de líquido subresfriado
[kJ/kg].
A relação entre a capacidade de refrigeração e a potência
consumida pelo compressor denomina-se coeficiente de performance
(COP). A equação 4.3 demonstra tal relação.
QeCOPPOT
(4.3)
Onde COP – coeficiente de performance [W/W].
4.2 Procedimento para execução de ensaios
Para execução de um ensaio no calorímetro, o primeiro passo é
aquecer o circuito de refrigeração para garantir que no interior da
tubulação haja apenas fluido refrigerante na fase de vapor
superaquecido. Para isso, são ligados dois resistores elétricos em pontos
estratégicos do circuito de refrigeração. Tais pontos foram denominados
de “linha de descarga” e “linha intermediária”. Os pontos foram
escolhidos por terem maior volume e conseqüentemente maior
concentração de fluido refrigerante. As temperaturas foram controladas
num valor próximo a 70°C com controladores do tipo PID. A figura 4.2
ilustra o comportamento da temperatura da linha de descarga e linha
intermediária, representadas pelas linhas vermelha e amarela
90 ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
respectivamente, durante a realização de um ensaio.
Figura 4.2 – Comportamento das temperaturas de linha durante um
teste.
Juntamente com o aquecimento do circuito de refrigeração é feito
o aquecimento do ambiente a ser ensaiado o microcompressor. Esse
aquecimento é obtido através de um resistor elétrico detalhado na figura
3.21. A temperatura é mensurada a partir da média de dez termopares do
tipo “T” distribuídos no interior do túnel de vento. A temperatura é
controlada a 32°C dentro da faixa de tolerância estabelecida por norma,
de ± 3°C. Seu controle é feito através de um controlador do tipo PID. A
figura 4.3 ilustra o comportamento da temperatura no túnel durante o
ensaio.
Figura 4.3 – Comportamento da temperatura média no túnel durante um
teste.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Tem
per
atura
s [°
C]
Tempo [min]
20
23
26
29
32
35
38
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Tem
per
atura
no
Túnel
[°C
]
Tempo [min]
Regime permanente
de 1h
Regime
permanente
de 1h
ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR 91
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
O próximo passo é aguardar as pressões de operação do circuito
de refrigeração se estabilizarem em um novo patamar. Na seqüência o
microcompressor é acionado na condição de operação. A figura 4.4
ilustra o comportamento das pressões de operação durante a realização
do ensaio.
Figura 4.4 – Comportamento das pressões do sistema durante um teste.
A figura 4.5 mostra a condição de operação convertida em
temperaturas de condensação e evaporação, linhas vermelha e azul
respectivamente apresentadas no gráfico.
Figura 4.5 – Comportamento das temperaturas de condensação e
evaporação um teste.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Pre
ssão
[b
ar]
Tempo [min]
Pressão de descarga Pressão de sucção
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Tem
per
atura
[°C
]
Tempo [min]
Regime
permanente
de 1h
92 ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Com a condição de operação determinada é preciso garantir que a
temperatura de sucção esteja a 32°C, entre os valores de oscilação
estabelecidos por norma. A temperatura de sucção também é controlada
com controlador do tipo PID. A figura 4.6 ilustra o comportamento da
temperatura de sucção do microcompressor durante o período do ensaio.
Percebe-se que durante um tempo superior à 1 hora a temperatura de
sucção não ultrapassou o valor de 32 ± 3 °C estabelecidos por norma.
Figura 4.6 – Comportamento da temperatura de sucção durante um teste.
Para validação do ensaio o último passo é avaliar o
comportamento das temperaturas no interior do microcompressor, por
serem as variáveis que levam mais tempo para estabilizar. A primeira
fase ilustrada na figura 4.7 mostra o período em que as temperaturas no
interior do microcompressor estão submetidas à temperatura ambiente
em torno de 22°C. A segunda fase caracteriza o aquecimento da bancada
levando as temperaturas para um novo patamar, agora próximo de 32°C.
A terceira fase apresenta o momento em que o microcompressor é
acionado e a quarta e última fase apresenta o período de uma hora em
que as variáveis se mantiveram dentro dos valores de oscilação
permitidos por norma, caracterizando o período de obtenção dos valores
em regime permanente.
20
23
26
29
32
35
38
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Tem
per
atura
de
sucç
ão [
°C]
Tempo [min]
Regime
permanente
de 1h
Acionamento do
microcompressor
ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR 93
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 4.7 – Comportamento do perfil térmico do microcompressor
durante um teste.
Nessa seção foram detalhados os cuidados tomados durante o
ensaio com as variáveis de operação e as de contorno. Já na seção 4.3
será detalhado o tratamento de dados de todas variáveis mensuradas no
ensaio.
4.3 Processamento dos dados de um teste
Durante a realização dos testes todas as variáveis medidas são
gravadas numa planilha. Feito isso, o processamento de dados é dividido
em duas partes: a análise do testes gerais com a temperatura de
condensação fixa e as temperaturas de evaporação varridas e, em
seguida, a análise de cada ponto com regime permanente estabilizado. O
processamento dos testes gerais é feito com o intuito de visualizar de
uma maneira mais global todas as condições impostas ao
microcompressor. Em formas de gráficos, as variáveis são rapidamente
conferidas com a finalidade de checar a normalidade do teste em termos
de ruído de sinal, anomalias grosseiras no comportamento do microcompressor ou qualquer outro motivo que pudesse botar o teste em
risco.
Posteriormente, são definidos os períodos estabilizados para cada
condição de operação que, por sua vez, são transportados a uma nova
20
30
40
50
60
70
80
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Tem
per
atura
s d
o c
om
pre
sso
r [°
C]
Tempo [min]
1° fase 4° fase 3° fase 2° fase
94 ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
planilha onde será gerado o resumo final da condição. No cabeçalho do
resumo são inseridos dados gerais como número do teste, data, o
arquivo onde a planilha primitiva encontra-se e o nome do operador do
teste. Na sequência, são inseridas a temperatura de condensação e
temperatura de evaporação que caracterizam a condição de teste, assim
como o fluido refrigerante utilizado e o tempo de teste em regime
permanente. A tabela de dados conta com duas colunas contendo todas
as variáveis medidas e suas respectivas unidades. As médias no período
de teste são apresentadas numa terceira coluna. Dados referentes à
metrologia do processo tais como desvio padrão, inclinação ou
tendência e a diferença máxima, estão presentes nas últimas três colunas
e serão mais aprofundadas na seção 4.4.
A tabela 4.1 exemplifica a planilha de uma das condições de
teste.
ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR 95
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Tabela 4.1 – Exemplo de planilha resumo de um teste Ensaio 6
Data: 25/11/2011 Início: 13:13:54
Arquivo: 20111123001 Duração: 01:00:00
Operador: Vinícius Nunes Taxa de amostragem: 1/s
Microcompressor: Embraco – Modelo MC-50
Fluido: R134a
Temperatura de sucção (nominal): 32 ºC
Temperatura de condensação (nominal): 35 ºC
Temperatura de evaporação (nominal): -5 ºC
Unidade Média DPs INC/DP DIF/DP
Temperatura de condensação ºC 34,93 0,1028 0,54 6,8571
Temperatura de saturação intermediária ºC 2,03 0,1023 -3,14 4,0974
Temperatura de evaporação ºC -5,16 0,0403 0,21 7,8719
Pressão de descarga bar 8,86 0,0226 1,20 6,4051
Pressão intermediária bar 3,17 0,0105 -3,14 4,0020
Pressão de sucção bar 2,42 0,0037 0,21 7,8424
Vazão mássica kg/h 1,79 0,0071 -0,61 6,6412
Potência W 47,71 0,5561 -2,70 5,4885
Capacidade W 91,33 0,3591 -0,61 6,5695
COP W/W 1,91 0,0219 2,52 5,9853
Temperatura de linha de descarga ºC 69,99 0,1082 -0,11 6,7100
Temperatura de linha intermediária ºC 71,76 0,0747 -1,76 6,0668
Tensão V 24,06 0,25 1,15 6,5655
Corrente A 1,93 0,01 -0,35 14,3102
Temperatura do compressor 1 ºC 63,48 0,2012 -3,32 3,7428
Temperatura do compressor 2 ºC 70,85 0,1290 -2,98 5,3893
Temperatura do compressor 3 ºC 53,41 0,1780 -0,46 5,1783
Temperatura do compressor 4 ºC 57,21 0,1342 -3,18 4,8355
Temperatura do compressor 5 ºC 57,20 0,1395 -3,17 4,9043
Temperatura do compressor 6 ºC 57,62 0,1481 -3,17 4,5793
Temperatura do compressor 7 ºC 25,73 0,2613 3,29 3,9950
Temperatura do compressor 8 ºC 65,15 0,2126 -3,31 3,9368
Temperatura do compressor 9 ºC 64,98 0,2271 -3,31 3,8963
Temperatura do compressor 10 ºC 61,60 0,1653 -3,18 4,5126
Temperatura do compressor 11 ºC 62,27 0,1716 -3,28 4,1427
Temperatura do compressor 12 ºC 58,37 0,0951 -2,89 4,6890
Temperatura do túnel 1 ºC 31,11 0,1089 -0,59 6,6665
Temperatura do túnel 2 ºC 32,13 0,0742 -0,66 8,2214
Temperatura do túnel 3 ºC 33,47 0,0697 -0,69 7,6492
Temperatura do túnel 4 ºC 31,94 0,1108 -0,57 6,0657
Temperatura do túnel 5 ºC 32,24 0,0670 -0,74 7,1690
Temperatura do túnel 6 ºC 31,55 0,0982 -0,24 6,9147
Temperatura do túnel 7 ºC 32,57 0,0791 -0,40 8,7605
Temperatura do túnel 8 ºC 33,23 0,0798 -0,36 9,3444
Temperatura do túnel 9 ºC 31,02 0,1064 -0,41 6,5403
Temperatura do túnel 10 ºC 32,27 0,0888 -0,54 8,3376
96 ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
4.4 Incertezas de medição
O desenvolvimento da análise da qualidade da medição foi feito
com base no Guia para expressão de incerteza de medição INMETRO
(1998). Foram consideradas dois tipos de incerteza neste exame, as
incerteza inerentes ao sistema de medição (umed) e as incertezas
relacionadas a repetição de medição (urep). Elas se relacionam de acordo
com a expressão da incerteza combinada:
2 2 2( )u Y u u uC i med rep
(4.4)
Onde ( )u YC é a incerteza padrão combinada da variável Y e ui é a
parcela de incerteza padrão.
A incerteza padrão expandida é calculada a partir da equação 4.5,
levando em conta a incerteza padrão gerada multiplicada pelo fator de
abrangência (k) proveniente da distribuição Gaussiana. No presente
trabalho optou-se por um valor de k igual a 2, o que representa um nível
de confiança de 95,45%. Justifica-se a não utilização do t de Student na
análise pelo fato de o número de amostras serem maiores que 100, caso
em que a análise de Student pode ser considerada pela distribuição
normal.
( ) . ( )U Y k u YC
(4.5)
Onde ( )U Y é a incerteza expandida e k é o fator de abrangência.
A parcela de incerteza referente à repetibilidade foi calculada
através do desvio padrão experimental das médias de 150 medições
estabelecidas em condições de regime permanente para as variáveis de
interesse neste estudo. Tal relação segue a equação 4.6:
1 2( ),
11( )
nx xi k i
knu xi
n
(4.6)
ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR 97
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Onde ( )u xi - Incerteza padrão relativa à repetibilidade;
n - Número de medições;
,xi k - Valor instantâneo da variável;
ix - Média aritmética das n medições.
A parcela de incerteza associada ao sistema de medição foi
abordada considerando-se a precisão fornecida pelos fabricantes dos
aparelhos de medição como sendo a incerteza expandida do
instrumento. Geralmente tais dados são estimados pela porcentagem de
fundo de escala. Entretanto, como queremos apenas a incerteza padrão
referente a esse instrumento, faz-se a operação inversa da incerteza
expandida (equação 4.5). Ao invés do fator de abrangência k
relacionado com a confiança percentual, pode-se inserir o t-Student se
assim for desejado.
( )a
u xik
(4.7)
Onde a é a incerteza do instrumento de medição.
Todavia, se não há informações suficientes a respeito dos dados
que se deseja tratar, e sabe-se apenas que a medição (xi) está num
intervalo de ± a, utiliza-se o fator k= 3 . Isso garante (nível de
confiança de 100%) que todas as medições estão dentro do valor
estimado. Aplicando-se essa consideração equação 4.7, obtemos:
( )
3
au xi
(4.8)
No presente trabalho, a utilização de curva de ajuste ou curvas de
calibração por redução por mínimos quadrados partindo-se de valores conhecidos mensurados (Vpadrão) e do sinal (faixa de tensão ou corrente)
fornecido pelo instrumento de medição é difundida. É necessário então
avaliar as incertezas geradas dos valores calculados (Vcalculado) a partir
desta curva. A relação que devemos nos ater é a seguinte:
98 ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
2( )
( )
(1 )
V Vpadrão calculadou xi
N GP
(4.9)
Onde: Vpadrão - Valor padrão conhecido do mensurando;
Vcalculado - Valor calculado a partir da curva de ajuste;
N - Número de pontos considerados no ajuste da curva;
GP - Grau do polinômio da curva.
A tabela 4.2 trazem os valores das incertezas das variáveis
independentes do processo:
Tabela 4.2 – Incertezas de medição das incertezas independentes
Variável Unidade
Incerteza
combinada
[uc]
Incerteza
expandida [U] (k=2; P=95,45%)
Temperatura °C ± 0,3 ± 0,6
Pressão de sucção (10 bar) bar ± 0,01 ± 0,03
Pressão intermediária (10 bar) bar ± 0,01 ± 0,03
Pressão de descarga (20 bar) bar ± 0,02 ± 0,05
Vazão mássica kg/h ± 6,00E-3 ± 0,01
Tensão V ± 0,08 ± 0,2
Corrente A ± 0,01 ± 0,02
As incertezas referentes às demais variáveis calculadas - e não
diretamente medidas - foram obtidas através da lei de propagação das
incertezas de medição. Essa lei pondera, através coeficientes de
sensibilidade Cm, as incertezas embutidas nas parcelas de cada variável
que se relacionam com a grandeza em foco.
Dessa forma, temos:
2
2( ) ( )
1
n Yu Y u xc c i
ì xi
(4.10)
Três grandezas foram consideradas nesse tipo de análise:
Capacidade de refrigeração, Potência e COP. Como referência, adotou-
ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR 99
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
se os dados de apenas um teste como base de exame. As relações que
serão utilizadas para a aplicação da equação 4.10 são as equações 4.1,
4.2 e 4.3 contidas da seção 4.1.
Sabe-se que a entalpia é obtida em função do fluido refrigerante,
da temperatura e da pressão subscritas, porém não há nenhuma fórmula
que relacione explicitamente essas variáveis. Tal fato obrigou-nos a
encarar a obtenção da incerteza das entalpias de forma diferente das
demais variáveis. Tendo em mãos uma entalpia de referência (h0) e as
incertezas combinadas da temperatura (u(T)) e da pressão (u(P)),
desenvolve-se:
( , )0h f T P
Obteve-se numericamente a variação da entalpia fixando-se a
pressão e variando-se a temperatura na faixa de mais e menos sua
respectiva incerteza. Desta maneira:
( ( ), )h f T u T PT
( ( ), )h f T u T PT
De maneira análoga, tomou-se a pressão como variante e a
temperatura fixa:
( , ( ))h f T P u PP
( , ( ))h f T P u PP
Em seguida, as incertezas combinadas referentes a cada variável
(temperatura e pressão) foram calculadas considerando-se que são faixas
em torno do valor de referência. Por isso explica-se a presença dos
módulos na equação que segue:
| | | |0 0( )
2
h h h hP Pu hc P
100 ENSAIO DE UM MICROCOMPRESSOR
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
| | | |0 0( )
2
h h h hT Tu hc T
Então, finalmente, é calculada a incerteza combinada da entalpia
associada às incertezas de pressão e temperatura representada pela
equação 4.11:
2 2( ) [ ( ) ] [ ( ) ]u h u h u hc c T c P
Deste ponto obtivemos todos os parâmetros para se calcular as
incertezas combinadas e expandidas das grandezas calculadas visadas
no presente trabalho. Duas condições foram escolhidas como referência,
uma representando a entrada no compressor ou a saída do evaporador
hipotético (índice 1) e outra representando a entrada do evaporador
hipotético (índice 4). Os valores calculados estão na tabela 4.3 abaixo a
título de ilustração.
Tabela 4.3 – Incertezas de medição das entalpias.
Variável Unidade
Valor
calculado
[ref.]
Incerteza
Combinada
[uc]
Incerteza
Expandida
[U] (k=2; P=95,45%)
h1 kJ/kg 278,87 ± 1,55E-4 ± 3,11E-4
h4 kJ/kg 96,46 ± 8,64E-4 ± 17,29E-4
Tabela 4.4 – Incertezas expandidas das variáveis dependentes
Variável Unidade
Incerteza
Combinada
[uc]
Incerteza
expandida
[U] (k=2;
P=95,45%)
Capacidade de refrigeração W ± 0,3 ± 0,61
Potência W ± 0,26 ± 0,52 COP W/W ± 0,01 ± 0,02
Os resultados de incertezas de medição obtidos foram
considerados satisfatórios para análise experimental.
(4.11)
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
5 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Neste capítulo são apresentados os resultados do exercício de
validação do ciclo proposto, bem como os resultados para validação do
sistema de controle. E por fim é feita uma comparação entre os dados
experimentais, e os obtidos por meios de modelos analíticos.
5.1 Reprodução dos envelopes de condições
O presente trabalho seguiu um envelope de condições de testes
para temperatura de condensação e evaporação determinado pela
empresa parceira fabricante do microcompressor. Aliado a isso,
recomendações de procedimento de teste da norma ARI 540-(2004)
serão seguidas.
O envelope de condições é representado graficamente pela
figura 5.1:
Figura 5.1 – Envelope de condições.
Como a aplicação do microcompressor visa, a priori, a
refrigeração, foi adotada a apresentação dos resultados ARI 540-(2004) para ar condicionado. As faixas de trabalho a serem expostas são:
Tabela 5.1 – Faixa de trabalho a serem apresentadas.
Temperatura de condensação 27°C a 60 °C
Temperatura de evaporação -23 °C a 13 °C
30
35
40
45
50
55
60
65
70
-20 -10 0 10 20
Tem
per
atura
de
Conden
saçã
o
[°C
]
Temperatura de Evaporação [°C]
102 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
As temperaturas de condensação e evaporação, segundo a
norma, podem ter um incremento de 5,6 °C e 3°C, respectivamente.
Foram realizados 112 ensaios totalizando 352 horas de
funcionamento do calorímetro. Os ensaios foram divididos em quatro
etapas de 28 ensaios, onde a única variável a ser modificada foi a
ventilação. Na primeira etapa o valor de ventilação sobre o
microcompressor foi fixo em 0,2 m/s, nas etapas subseqüentes os
valores foram alterados para 1 m/s, 2 m/s e 3 m/s. Para verificar que o
circuito de refrigeração estava realmente na região de vapor
superaquecido foi inserido no diagrama pressão versus entalpia
específica as temperaturas de condensação e evaporação que delimitam
a condição de operação do microcompressor e a temperatura de sucção
que compõem uma das condições de contorno do circuito de
refrigeração. Essas variáveis foram obtidas de 28 ensaios com
ventilação sobre o microcompressor em torno de 3 m/s. A figura 5.2
mostra a distribuição dos pontos 1 na sucção sobre a linha isotérmica na
referência de 32°C. Já no ponto 2 é apresentado a distribuição das
temperaturas de condensação para cada ensaio.
Figura 5.2 – Representação dos pontos de sucção e descarga no
diagrama P-h.
0 50 100 150 200 250 300 35010
-1
100
101
102
103
Entalpia específica [kJ/kg]
Press
ão
[b
ar]
32°C
0,8
Tcond = 35°C
Tcond = 55°C
Tcond = 45°C
Tcond = 65°C
1
2
Entalpia específica [kJ/kg]
Pre
ssão
[b
ar]
ANÁLISE DOS RESULTADOS 103
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
5.2 Resultados de controle
5.2.1 Pressão de sucção
O resultado do ensaio de controle da pressão de sucção pode ser
observado em detalhes na figura 5.3. O ensaio foi realizado de maneira
que a variável controlada acompanhasse a referência indicada no
controlador a cada mudança de patamar. Foram escolhidos valores
próximos a condição de operação, e cada ensaio teve duração de
aproximadamente 10 minutos.
Figura 5.3 – Comportamento da pressão de sucção controlada.
Analisando a figura 5.3, percebe-se que a variável controlada
leva menos de 1 minuto para acomodação, não apresenta sobressinal e
seu tempo de subida é da ordem de 20 segundos. Detalhes do controle
da temperatura de evaporação encontram-se no APÊNDICE B.
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
0 5 10 15 20 25
Pre
ssão
de
sucç
ão [
bar
]
Tempo [min]
Referência
Pressão de sucção
104 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
5.2.2 Pressão de descarga
Para a pressão de descarga também foram realizados ensaios
para analisar o comportamento desta em relação à referência. São
apresentadas a seguir dez mudanças de patamares dentro das condições
de operação, para avaliar o tempo de acomodação, tempo de subida e a
ausência de sobressinal da variável controlada. A figura 5.4 mostra em
detalhes o comportamento da pressão de descarga controlada.
Figura 5.4 – Comportamento da pressão de descarga controlada.
Analisando o gráfico da figura 5.4, percebe-se que a variável
controlada leva menos de 1 minuto para acomodação, não apresenta
sobressinal e seu tempo de subida é da ordem de 25 segundos. Detalhes
do controle da temperatura de condensação, bem como sua estabilidade
encontram-se no APÊNDICE B.
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
Pre
ssão
de
des
carg
a [b
ar]
Tempo [min]
Pressão de descarga
Referência
ANÁLISE DOS RESULTADOS 105
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
5.2.3 Temperatura de sucção
Os resultados de ensaio de controle de temperatura de sucção são
apresentados na figura 5.5, onde cada ponto no gráfico representa o
valor médio da variável e sua incerteza. Foram realizadas, durante o
regime permanente de controle, 3600 medições com taxa de aquisição
de 1 segundo. Apesar do valor da variável controlada ficar dentro dos
limites de operação, o valor médio não correspondeu exatamente ao
valor de referência do controlador na maioria dos ensaios.
Figura 5.5 – Médias das temperaturas de sucção de vários ensaios em
regime permanente.
Como já citado na seção 4.2 a figura 4.6 mostra em detalhes o
comportamento típico do controle da temperatura de sucção do início do
ensaio até a permanência em regime permanente.
5.2.4 Temperatura no túnel
Os resultados de ensaio de controle de temperatura no interior do túnel são apresentados pela figura 5.5, onde cada ponto no gráfico
representa o valor médio da variável e sua incerteza. Foram realizadas,
durante o regime permanente do controle, 3600 medições com taxa de
aquisição de 1 segundo. Apesar do valor da variável controlada ficar
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
0 5 10 15 20 25 30
Tem
per
atura
de
sucç
ão [
°C]
Ensaios
Limite superior
Limite inferior
106 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
dentro dos limites de operação, o valor médio não correspondeu
exatamente o valor de referência do controlador na maioria dos ensaios.
Figura 5.6 – Médias das temperaturas no túnel de vários ensaios em
regime permanente.
A figura 4.3 da seção 4.2, mostra em detalhes o comportamento
típico do controle da temperatura média no interior do túnel do início do
ensaio até a estabilização em regime permanente. É possível observar
também a ausência de sobressinal dessa variável. Detalhes do controle
da temperatura no interior do túnel em outros patamares encontra-se no
APÊNDICE B. também é apresentado no APÊNDICE B à rápida
resposta de mudança de operação das variáveis de saída e sua
estabilidade.
5.3 Curvas de performance polinomiais
Dados de desempenho do compressor foram reportados segundo
o método previsto da norma ARI 540-(2004). Para tanto, o método dos mínimos quadrados foi utilizado para encontrar os coeficientes dos
polinômios ajustados com os dados de desempenho do compressor,
representado pela equação 5.1.
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
0 10 20 30
Tem
per
atura
no T
únel
[°C
]
Ensaios
Limite superior
Limite inferior
ANÁLISE DOS RESULTADOS 107
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
As equações são da forma:
2 2 3
1 2 3 4 5 6 7
2 2 3
8 9 10
. . . . . . .
. . . . .
evap cond evap evap cond cond evap
cond evap evap cond cond
X C C T C T C T C T T C T C T
C T T C T T C T
(5.1)
Onde X pode representar qualquer uma das seguintes variáveis:
Potência [W]
Vazão mássica [kg/h]
Capacidade [W/W]
Corrente [A]
Tevap - Temperatura de evaporação [°C]
Tcond - Temperatura de condensação [°C]
C1 a C10 - Coeficientes da equação
Com base numa série de valores obtidos através de testes e
utilizando o software Engineering Equation Solver (EES), foram
determinados os 10 coeficientes da equação 1 para as seguintes
grandezas de desempenho do compressor:
Tabela 5.2 – Coeficientes do polinômio de potência.
X Potência
C1 -60,210
C2 2,156
C3 6,014
C4 -0,04016
C5 -0,1084
C6 -0,09603824
C7 -0,00002169
C8 0,001673
C9 0,002075
C10 0,0004478
108 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Tabela 5.3 – Coeficientes do polinômio de vazão mássica.
X Vazão mássica
C1 5,691
C2 0,3577
C3 -0,1532
C4 0,001204
C5 -0,009874
C6 0,002684
C7 -0,000002639
C8 0,0001451
C9 0,0001104
C10 0,00002265
Tabela 5.4 – Coeficientes do polinômio de capacidade.
X Capacidade
C1 217,6
C2 17,75
C3 -7,709
C4 0,002475
C5 -0,4903
C6 0,1349
C7 0,002475
C8 0,007083
C9 0,00551
C10 -0,00114
Tabela 5.5 – Coeficientes do polinômio de corrente.
X Corrente
C1 0,5474
C2 0,09078
C3 0,2562
C4 -0,001748
C5 -0,004577
C6 -0,000001262
C7 -7,574E-4
C8 0,000073290812
C9 0,00008733
C10 0,00001968
ANÁLISE DOS RESULTADOS 109
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Com os polinômios em mãos, foram analisados os erros que
estes tinham em relação aos valores medidos no ensaio. O erro foi
determinado da seguinte maneira:
( ).100medido calculado
medido
X XX
X
(5.2)
Onde X - Erro em %
medidoX - Valor medido para a variável X
calculadoX - Valor calculado pelo polinômio para a
variável X.
Segundo a norma ARI 540-(2004) os valores calculados pelo
polinômio de terceira ordem com 10 coeficientes para uma dada
variável X não devem diferir em ±1% dos valores nominais do
compressor cedidos pelo fabricante. Utilizaremos como valores
nominais, e como base de comparação, os dados retirados dos testes
realizados com um modelo MC - 50 do microcompressor. Em caso do
erro ultrapassar a faixa de ±1% em alguma das condições testadas, este
ponto deve ser indicado.
Aplicando a equação 5.2, chegamos aos seguintes erros para
cada temperatura de condensação e evaporação especificadas:
Tabela 5.6 – Erros do polinômio de potência.
X Potência
Tcond
Tevap 35 45 55 65
-15 0,79 -2,43 - -
-10 0,12 1,17 0,29 -
-5 0,64 0,15 1,46 -
0 0,39 -2,70 2,80 0,82
5 0,12 -1,15 0,84 1,57
10 0,68 0,86 2,53 1,81
15 0,79 2,12 2,02 0,05
110 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Tabela 5.7 – Erros do polinômio de vazão mássica.
X Vazão Mássica
Tcond
Tevap 35 45 55 65
-15 1,21 5,15 - -
-10 0,30 2,95 4,63 -
-5 1,50 2,31 0,40 -
0 0,77 1,71 4,00 1,26
5 0,42 1,57 1,37 2,48
10 0,61 0,17 1,90 0,94
15 0,13 0,80 1,10 0,28
Tabela 5.8 – Erros do polinômio de capacidade.
X Capacidade
Tcond
Tevap 35 45 55 65
-15 1,21 5,15 - -
-10 0,30 2,95 4,63 -
-5 1,5 2,31 0,40 -
0 0,76 1,71 4,00 1,26
5 0,42 1,57 1,37 2,48
10 0,61 0,17 1,90 0,94
15 0,13 0,80 1,10 0,28
Tabela 5.9 – Erros do polinômio de corrente.
X Corrente
Tcond
Tevap 35 45 55 65
-15 0,87 2,27 - -
-10 0,12 0,92 0,13 -
-5 0,82 0,21 1,51 -
0 0,37 2,52 2,81 0,87
5 0,27 1,02 0,94 1,46
10 0,62 0,64 2,80 1,74
15 0,73 2,08 1,87 0,06
ANÁLISE DOS RESULTADOS 111
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Nota-se que metade dos valores de erros dos polinômios
excederam 1%. Reconhecidos os pontos em que ocorreram tais erros,
seria necessário alertar no possível relatório do compressor em teste. Em
caráter de pesquisa e desenvolvimento do produto não é preciso levar
tão a risca este conselho da ARI 540-(2004).
Como método de análise gráfica dos resultados medidos e
calculados, as variáveis de interesse foram plotadas umas contra as
outras. Uma linha ideal, representada pela cor vermelha, foi utilizada
como referência de comparação. Bandas de 5% para mais e 5% para
menos do valor de referência estão representadas por linhas pontilhadas.
Figura 5.7 – Gráfico da Potênciamedida X Potênciapolinômio.
20 30 40 50 60 70 80 90 10020
30
40
50
60
70
80
90
100
Potência medida [W]
Potê
ncia
poli
nôm
io [
W]
+ 5%
- 5%
112 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 5.8 – Gráfico da Vazão mássicamedida X Vazão mássicapolinômio.
Figura 5.9 – Gráfico da Correntemedida X Correntepolinômio.
0 1 2 3 4 5 6 7 80
1
2
3
4
5
6
7
8
Vazão medida [kg/h]
Vazão p
oli
nôm
io [
kg/h
]
+ 5%
- 5%
1 1,5 2 2,5 3 3,5 41
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Corrente medida [A]
Corren
te p
oli
nôm
io [
A]
+ 5%
- 5%
ANÁLISE DOS RESULTADOS 113
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 5.10 – Gráfico da Capacidademedida X Capacidadepolinômio.
Feita essa análise inicial dos polinômios adquiridos, podemos
observá-los de uma forma mais global de agora em diante. As variáveis
de vazão mássica e potência, por serem de extrema importância na
análise do desempenho do compressor, serão investigadas mais a fundo.
O gráfico abaixo traz os polinômios correspondentes à vazão mássica
em diferentes condições de operação. A fim de uma melhor visualização
das curvas, a temperatura de condensação foi fixada em 4 patamares
sugeridos pelo envelope de condições (35°C, 45°C, 55°C e 65°C). Em
cada um dos patamares a temperatura de evaporação foi varrida de -
30°C a +30°C, formando assim as quatro curvas. Os pontos pretos
vazados são as medições com as temperaturas de condensação nos
patamares supracitados e com as temperaturas de evaporação como
médias do teste naquela condição.
Os segmentos das curvas que estão fora da faixa de temperatura
de evaporação atendida pelo envelope de condições foram extrapolados.
A recomendação da ARI 540-(2004) quanto aos dados de um teste a serem apresentados segue a faixa citada na tabela 5.1, mas como o
calorímetro atingiu valores além desta faixa, optou-se por mostrar esses
valores e adotar os limites de extrapolação nesses pontos.
0 50 100 150 200 250 300 3500
50
100
150
200
250
300
350
Capacidade medida [W]
Cap
acid
ad
e p
oli
nôm
io [
W]
+ 5%
- 5%
114 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 5.11 – Polinômios de vazão mássica.
Observou-se um comportamento mais fiel do polinômio em
condições de evaporação mediana, entre -5°C a 10°C. Quando a
temperatura de evaporação é imposta próxima dos limites de
extrapolação esse comportamento não é seguido, principalmente no
limite inferior.
Análise similar foi desenvolvida com os polinômios gerados da
variável de potência. Comportamentos semelhantes foram reconhecidos
quanto aos pontos medidos próximos aos limites de extrapolação. A
credibilidade na área de extrapolação superior dos polinômios pode ficar
um pouco comprometida visto que há uma tendência à proximidade do
ponto crítico da função.
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 400
1
2
3
4
5
6
7
8
Temperatura de Evaporação [°C]
Va
zã
op
oli
nô
mio
[k
g/h
]
Extrapolação
Tcond=35ºC
Tcond=45ºC
Tcond=55ºC
Tcond=65ºC
Extrapolação
ANÁLISE DOS RESULTADOS 115
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 5.12 – Polinômios de Potência.
5.4 Apresentação dos resultados por Modelos Ajustados
Método da Eficiência Volumétrica
A eficiência volumétrica é definida, segunda a norma ASHRAE
23-(2005) como a razão do fluxo volumétrico real e do fluxo
volumétrico ideal (i.e., o fluxo volumétrico que corresponderia ao
deslocamento geométrico do compressor). Pode-se expressar a
eficiência volumétrica em termos da vazão mássica e do deslocamento
do pistão, como mostra a relação abaixo:
.
.
sucção
V
m
V FREQ
(5.3)
Onde V - Eficiência volumétrica
m - Vazão mássica
suc - Volume específico do refrigerante na sucção
V - Volume de deslocamento
FREQ - Frequência de trabalho do microcompressor
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Temperatura Evaporação [°C]
Po
tên
cia
po
lin
ôm
io [
W]
Tcond=35ºC
Tcond=45ºC
Tcond=55ºC
Tcond=65ºC
ExtrapolaçãoExtrapolação
116 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
A presença da frequência do microcompressor na equação 5.3
justifica-se por ele ser linear, e não faria sentido falarmos em rotação do
aparato.
O propósito de apresentar o conceito de eficiência volumétrica
neste trabalho é, com ele, calcular a vazão mássica de maneira indireta.
Uma revisão feita por Jähnig (1999) demonstra o desenvolvimento de
um modelo semi-empírico que inclui um expoente politrópico que varia
com a razão de compressão. A relação encontrada é da forma:
1
1 .n
desc sucV
suc b
pC C
p
(5.4)
Onde C - Constante decorrente da geometria do compressor;
descp - Pressão de descarga [bar];
sucp - Pressão de sucção [bar];
n - Expoente politrópico;
b - Volume específico do refrigerante depois da entrada
no cilindro (vapor re-expandido no volume morto
superior misturado com refrigerante de entrada)
[m³/kg].
A fim de simplificar a análise, optou-se por abordar a equação
5.4 seguindo algumas considerações. Idealizando o processo, adotou-se
que a o volume específico da sucção νsuc e o volume específico de
entrada νb são iguais. Foi adotado o valor 1 para o expoente politrópico
n. Finalmente, escolheu-se por uma regressão linear dos valores da
eficiência volumétrica ηv em função da razão de compressão (pdesc/psuc)
da forma:
descV
suc
pa b
p
(5.5)
Onde os coeficientes a e b englobam não só as características
geométricas, mas também qualquer outro fator que esteja influenciando
a eficiência volumétrica.
ANÁLISE DOS RESULTADOS 117
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Foram utilizados os valores medidos de vazão mássica m , em
diferentes condições de operação, como variável de entrada na equação
5.3. O volume específico do fluido refrigerante na sucção νsuc em cada
condição também foi considerado. O volume V foi obtido considerando
a câmara de compressão um cilindro perfeito de diâmetro 10 mm e de
curso 3,4 mm. A frequência de trabalho foi fixada em 335 Hz. Como
resultado, obteve-se a eficiência volumétrica correspondente a cada
condição estipulada.
Figura 5.13 – Eficiência volumétrica x Razão de compressão.
Então, a eficiência volumétrica correspondente a cada razão de
compressão foi estipulada. Com uma regressão linear para uma equação
do 1º grau no modelo da equação 5.4, os coeficientes a e b foram
determinados. Para o pacote de condições testado para este trabalho,
obtivemos:
Tabela 5.10 – Coeficientes da equação modelo da Eficiência
Volumétrica.
a 1,05
b 0,1295
Introduzindo os coeficientes da tabela 5.10 na equação 5.5 e esta
na equação 5.3, obtemos uma expressão que prevê a vazão mássica em
1 2 3 4 5 6 7 80,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Pdesc/Psuc
V
118 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
função da razão de compressão imposta em cada condição. Além de ser
possível interpolar quaisquer valores de pressão de descarga e de
sucção, se necessário.
. .1,05 0,1295 desc
MOD
sucção suc
pV FREQm
p
(5.6)
Onde MODm é a vazão mássica teórica prevista pelo modelo da
eficiência volumétrica.
Aplicando-se às faixas de condições de temperatura de
condensação e temperatura de evaporação consideradas no envelope de
condições obtemos as curvas representadas da figura 5.14. Na equação
5.5, as entradas de pressão de descarga pdesc e pressão de sucção psuc são
feitas de acordo com a temperatura de saturação da descarga
(equivalente à temperatura de condensação) e com a temperatura de
saturação da sucção (equivalente à temperatura de evaporação),
respectivamente. O volume específico foi estipulado para o fluido
R134a a pressão de sucção correspondente à condição de teste e com a
temperatura de sucção Tsuc a 32ºC, seguindo a recomendação da norma
regulamentadora.
Figura 5.14 – Curvas de vazão mássica calculada pelo modelo de
eficiência volumétrica.
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-4
-2
0
2
4
6
8
Temperatura de Evaporação [°C]
Tcond=35°C
Tcond=45°C
Tcond=55°C
Tcond=65°C
mm
od
elo
[k
g/h
]
ANÁLISE DOS RESULTADOS 119
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Método da Eficiência Global
A análise do comportamento da potência foi efetuada com o
auxílio do método da eficiência global. A equação 5.7 relacionada as
grandezas de interesse para esta análise:
(5.7)
Onde: POT – Potência consumida pelo compressor [W];
2,sh – Entalpia na descarga num processo isentrópico
[kJ/kg];
1h – Entalpia na sucção [kJ/kg];
g – Rendimento global [W/W].
Como variáveis de entrada na equação 5.7 foram utilizados
valores de vazão mássica determinados pelo modelo de eficiência
volumétrica MODm e de potência POT em várias condições de
operação. As entalpias foram calculadas com referência nas condições
de teste e propriedades do fluido R134a utilizado nesse experimento.
Com isso, um mapeamento da eficiência global g em função da razão
de compressão foi obtido.
2, 1.( )s
g
m h hPOT
120 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 5.15 – Eficiência global x Razão de compressão.
A justificativa para se escolher a razão de compressão como
variável independente neste tipo de análise se dá, pois essa razão
expressa muito bem a condição de evaporação e condensação de
operação do microcompressor.
A exemplo da análise de vazão mássica através do modelo de
eficiência volumétrica, lança-se mão de uma regressão linear a partir da
figura 5.15. Nota-se que o comportamento dos dados pode ser
aproximado por uma curva do 2º grau. A expressão que relaciona a
eficiência global g em função da razão de compressão pdesc/psuc dá-se
da seguinte forma:
2
desc descg
suc suc
p pc d e
p p
(5.8)
Onde c, d e e são os coeficientes que serão determinados a partir
da regressão linear. São eles:
1 2 3 4 5 6 7 80,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Pdesc/Psuc
g
ANÁLISE DOS RESULTADOS 121
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Tabela 5.11 – Coeficientes da equação modelo da Eficiência Global.
c 0,3184
d 0,04853
e 0,009658
Introduzindo os coeficiente da tabela 5.11 na equação 5.8 e esta
na equação 5.6, obtemos a expressão da potência calculada pelo modelo
de eficiência global em função da razão de compressão pdesc/psuc, da
vazão mássica m e da diferença de entalpia num processo de
compressão isentrópica de psuc até pdesc. A expressão resultante é:
2
009658,004853,03184,0
suc
desc
suc
descg
p
p
p
p
(5.8)
Onde MODPOT é a potência prevista pelo modelo de eficiência
global do compressor.
Figura 5.16 – Curvas de potência calculada pelo modelo de eficiência
global.
As comparações das abordagens realizadas serão apresentadas
graficamente para melhor visualização e entendimento.
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
20
40
60
80
100
120
Po
tên
cia
mo
delo
Temperatura de evaporação [°C]
Tcond=35°C
Tcond=45°C
Tcond=55°C
Tcond=65°C
Extrapolação
122 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
5.5 Comparação das abordagens – Polinômios x Modelos
Figura 5.17 – Comparação das vazões pelo polinômio, pelo modelo e
medida.
Figura 5.18 – Curvas de vazão mássica pelo modelo, pelo polinômio e
medida.
0 1 2 3 4 5 6 7 80
1
2
3
4
5
6
7
8
mmedida [kg/h]
mp
oli
nô
mio
;m
mo
del
o [
kg
/h] +5%
-5%
Polinômios
Modelo
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20-4
-2
0
2
4
6
8
Temperatura de Evaporação [°C]
mp
oli
nô
mio
;
Polinômio
Modelo
Medido
Tcond=35°C
Tcond=45°C
Tcond=55°C
Tcond=65°C
mm
od
elo;m
med
ido [
kg
/h]
ANÁLISE DOS RESULTADOS 123
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 5.19 – Comparação das potências pelo polinômio, pelo modelo e
medida.
Figura 5.20 – Curvas de potência pelo modelo, pelo polinômio e medida
(Tcond=35°C).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Potênciamedida [W]
Po
tên
cia
poli
nôm
io, P
otê
nci
am
od
elo
[W
]+5%
-5%
Modelo
Polinômio
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
10
20
30
40
50
60
70
80
Temperaturaevaporação [°C]
Po
tên
cia
poli
nôm
io;
Po
tên
cia
mod
elo;P
otê
ncia
med
ida[W
]
Polinômio
Modelo
Medido
124 ANÁLISE DOS RESULTADOS
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 5.21 – Curvas de potência pelo modelo, pelo polinômio e medida
(Tcond=45°C).
Figura 5.22 – Curvas de potência pelo modelo, pelo polinômio e medida
(Tcond=55°C).
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperaturaevaporação [°C]
Po
tên
cia
poli
nô
mio
; P
otê
ncia
mo
del
o;P
otê
ncia
med
ida[W
]
Polinômio
Modelo
Medido
-10 -5 0 5 10 15 200
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Temperaturaevaporação [°C]
Po
tên
cia
poli
nô
mio
; P
otê
ncia
mo
del
o;P
otê
ncia
med
ida[W
]
Polinômio
Modelo
Medido
ANÁLISE DOS RESULTADOS 125
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 5.23 – Curvas de potência pelo modelo, pelo polinômio e medida
(Tcond=65°C).
O capítulo 5, finaliza a parte de resultados, com base nos pontos
fornecidos pelo calorímetro. No capítulo 6, será descritas as conclusões
da pesquisa, bem como recomendações para trabalhos futuros.
-5 0 5 10 15 200
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Temperaturaevaporação [°C]
Po
tên
cia
poli
nôm
io;
Po
tên
cia
mod
elo;P
otê
ncia
med
ida[W
]Polinômio
Modelo
Medido
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
6 CONCLUSÕES
Pode-se dizer que todos os objetivos almejados foram alcançados,
uma vez que se validou um protótipo de um produto mecatrônica
denominada de calorímetro para microcompressores de refrigeração.
Toda a informação descrita neste documento será utilizada como
subsídio para construção da versão industrializada de um calorímetro
para microcompressor de refrigeração, a ser utilizado pela empresa
fabricante do microcompressor, que atualmente utiliza o protótipo
desenvolvido para obter dados que ajudam no aprimoramento do
microcompressor.
6.1 Sobre a metodologia de desenvolvimento de produto
A utilização da metodologia de desenvolvimento de produto foi
de fundamental importância para alcançar esse objetivo, propiciando
diversas soluções e concepções que culminaram na construção do
calorímetro. Todo o trabalho realizado utilizando a metodologia de
desenvolvimento do produto acabou gerando um relatório a parte,
devido às inúmeras informações geradas, sendo apresentadas na
dissertação apenas as informações classificadas para utilização no
projeto.
Na fase de planejamento de projeto, o cronograma estabelecido
foi cumprido com êxito, bem como a definição do escopo proposto, que
delimitou a dimensão do trabalho. Na fase de projeto informacional, foi
possível verificar através de pesquisas em bancos de artigos e bancos de
patentes que não há um calorímetro específico para microcompressor de
refrigeração, sendo este trabalho pioneiro para essa aplicação.
Entretanto, foram aproveitadas muitas informações de
calorímetros para compressores de refrigeração, principalmente da linha
doméstica, apresentadas na literatura. Ainda na fase informacional foi
possível identificar os clientes e suas reais necessidades, de maneira a
deliberar os principais requisitos de projeto. Na fase conceitual, a
concepção adotada se adequou a todos os requisitos, tanto para área
mecânica, eletroeletrônica e informática industrial. Analisadas todas as
variáveis envolvidas, buscou-se as soluções mais viáveis economicamente, levando em consideração o custo-benefício. O fato de
ter feito ainda nesta fase simulações do funcionamento do ciclo de
refrigeração com auxilio do software EES, possibilitou dimensionar
componentes tais como: trocador de calor, válvulas agulhas e a própria
128 CONCLUSÕES
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
tubulação, permitindo ajustes na configuração do circuito de
refrigeração antes de realmente construí-lo, evitando um possível
retrabalho. Essa estratégia pode ser lembrada positivamente também
para área de eletroeletrônica com a realização de simulações previas
com o auxílio do software PROTEUS ISIS, e na área de informática
industrial com a implementação do software LabVIEW, que demonstrou
ser uma excelente escolha para aquisição de dados e controle das
variáveis de interesse.
No projeto preliminar, o fator positivo foram as realizações dos
desenhos com auxílio do software Solidworks, que permitiu fazer
alterações antes da construção do protótipo.
6.1.1 Sobre o ciclo proposto
Foi proposta nesta dissertação uma metodologia de ciclo de
refrigeração que funciona inteiramente na região de vapor
superaquecido. Ensaios experimentais foram realizados com o objetivo
de confirmar o funcionamento do ciclo dentro desta região. Verificou-se
que, em ensaios típicos de mudança de condição de operação que os
valores correspondentes a temperatura de condensação que corresponde
ao ponto 2 do ciclo, mantiveram-se na região de vapor superaquecido,
garantindo a ausência de mudança de fase do fluido refrigerante. Além
disso, os resultados experimentais mostraram que foi possível governar
a temperatura de sucção do microcompressor sobre a linha isotérmica de
32,2°C correspondendo ao ponto 1 do ciclo proposto, ilustrado pela
figura 5.2.
Os resultados confirmam também, que essa configuração de ciclo
fechado, quando opera com o microcompressor seguido por duas
válvulas uma na descarga e outra na sucção, além de um pequeno
volume em serie entre tais válvulas, trouxe resultados bastante
satisfatórios na agilidade e estabilidade do controle das condições de
operação, e utiliza uma pequena massa de fluido refrigerante,
permitindo que o calorímetro funcione numa ampla gama de condição
de operação, com apenas uma determinação de carga.
Por fim, observou-se que com a configuração adotada os ensaios
podem ser realizados num tempo inferior à 1 hora, as temperatura de
evaporação e condensação levam em média 1 minuto e 20 segundos
para se estabilizar em um novo patamar de operação. Já as temperaturas
do corpo do microcompressor, levam em média 30 minutos para sua
estabilização.
CONCLUSÕES 129
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
6.1.2 Sobre o sistema de controle
O controle das pressões utilizando válvula agulha com motor de
passo acoplado proporcionou uma excelente resposta no controle das
pressões de operação do circuito de refrigeração, com rápido tempo de
subida e acomodação para a maioria dos ensaios. Apresentou
sobressinal menor que 10% na partida do microcompressor e durante as
mudanças de operação não houve sobressinal, o que garantiu rapidez na
estabilização de outras variáveis. Além disso, o controle das pressões
automáticas manteve o valor da pressão em regime permanente durante
um tempo superior a 1hora, algo que era difícil de fazer manualmente,
pois a pressão no final do ensaio manual sempre tendia a sair um pouco
do valor de referência, estabilizando em outro patamar de pressão. O
motor de passo escolhido não apresentou problemas quanto a torque,
pois a manopla fixada à haste da válvula agulha escolhida não exigia
muito torque para girar. Entretanto, tem que ser ressaltado o cuidado no
alinhamento entre acoplamentos e base de fixação da válvula, caso esse
cuidado não for tomado pode haver travamento no motor de passo
comprometendo o controle e a integridade do próprio motor. O
controlador da pressão foi desenvolvido com base nos controladores
clássicos aplicados em sistemas lineares e monovariáveis, com uma
entrada e uma saída SISO (Single Input Single Output), considerando
um sistema isolado. Apesar de cogitar a possibilidade de um controlador
multivariável essa possibilidade foi descartada, pois o controlador PI
calculado foi eficiente tanto no controle da pressão de sucção como na
pressão de descarga. Para finalizar o fato do funcionamento do controle
das pressões, liberou o operador de uma função enfadonha,
possibilitando ao mesmo atuar em outras funções adiantando os
processamentos de dados e divulgação dos resultados.
O controle de temperatura na sucção do microcompressor,
utilizando como atuadores os módulos termoelétricos demonstrou
versatilidade, principalmente por poder atuar no sentido de aquecer ou
refrigerar o fluido refrigerante, automaticamente. O controlador manteve
o sistema operando adequadamente durante todos os ensaios em regime
permanente, por um tempo superior à 1 hora, dentro dos limites de
variação ±3°C estabelecido por norma.
130 CONCLUSÕES
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
6.1.3 Sobre os métodos adotados para análise de resultados
Dos métodos estudados para análise de resultados, o de
polinômios mostrou-se ágil por necessitar de apenas 5 pontos em
diferentes condições para mapear de maneira convincente um
compressor. Notou-se, porém, a inviabilidade tanto para extrapolações
acima de 10°C, quanto para interpolações muito distantes dos pontos de
teste. Erros de mais de 1% entre valores reais e valores pelo polinômio -
considerados inaceitáveis- foram bastante frequentes nas análises. Por se
tratar de uma ferramenta puramente matemática, a falta de
maleabilidade física do método vem a tona, não sendo possível uma
simulação confiável aplicando variações em valores de variáveis físicas.
Porém, em se tratando de economia de material que retrate fielmente as
características de compressor, o método dos polinômios se sai muito
bem, visto que com apenas um polinômio podemos representar toda
uma faixa de operação para uma determinada variável de interesse.
Os modelos de cálculo da vazão mássica pela eficiência
volumétrica e cálculo da potência pela eficiência global se mostraram
mais sujeitos a análises com manipulação nas variáveis físicas, sendo
então mais aconselháveis num projeto de desenvolvimento e
dimensionamento de compressores – como o presente trabalho.
Extrapolações em relação a dados de testes não se mostraram
aconselháveis. Credita-se isso a inconsciência do modelo quando se
trabalha numa faixa de razão de compressão fora do alcance do
compressor em estudo.
6.2 Recomendações para trabalhos futuros
Os bons resultados desse trabalho indicam que a arquitetura de
ciclo de refrigeração escolhida, bem como os dispositivos de controle,
apresenta uma aplicabilidade dessa metodologia em calorímetros
convencionais para compressores de refrigeração de pequeno porte,
principalmente da linha doméstica. Sendo assim, sugere-se o
desenvolvimento de um calorímetro para estes tipos de compressores de
refrigeração, que tem como grande diferencial em relação ao para
microcompressores, a presença de óleo em seu interior. A instalação de
um separador de óleo adaptado com um béquer graduado em sua parte
inferior, na descarga do compressor, permitiria a investigação online do
comportamento do óleo no circuito de refrigeração. Além disso, a
configuração de ciclo de refrigeração adotada permitiria caracterizar
CONCLUSÕES 131
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
compressores com baixas capacidades, o que vem sendo um problema
enfrentado atualmente nas grandes empresas fabricantes de
compressores para refrigeração.
Outros estudos que podem ser realizados utilizando-se da
metodologia do calorímetro, porém para análise dos outros componentes
de um ciclo de refrigeração. Neste trabalho, o foco da bancada era a
análise única e exclusiva do microcompressor. Porém, nada impede que
outras bancadas sejam montadas visando o estudo de trocadores de calor
e novos dispositivos de expansão para aplicação em sistemas que
utilizarão microcompressores. Sendo assim, a recomendação é o
desenvolvimento de réplicas do calorímetro para o estudo da utilização
de microtrocadores de calor, capilares fixos e válvulas com abertura
proporcional em microsistemas.
Neste trabalho investiu-se numa configuração de túnel de vento
que não permitia o aproveitamento do ar quente que passa em seu
interior, ou seja, o ar que passa pelo túnel é liberado diretamente ao
ambiente da sala, que fica numa temperatura de aproximadamente 20°C.
Com a experiência adquirida no decorrer dos ensaios, percebeu-se que a
parcela do consumo de energia gasta pelo resistor elétrico, poderia ser
evitada. Portanto, sugere-se já para versão que será industrializada,
ilustrada na Figura 6.1, um túnel de vento com circuito fechado que
permita a recirculação do ar que passa por ele. Com isso, aproveita-se o
ar quente na saída do túnel, e faz-se com que ele retorne para entrada do
ventilador, sem trocar calor com ambiente da sala. Essa modificação
trará como benefício para o calorímetro um menor consumo de energia.
132 CONCLUSÕES
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Figura 6.1 – Proposta de versão industrializada do calorímetro
Outro ponto levantado no item 4.4 deste trabalho, que trata das
análises de incertezas de medição, é a importância de mensurar as
variáveis com instrumentos que ofereçam baixas incertezas de medição.
Ainda na parte de medição, fica a sugestão de utilizar-se um
conversor de potência ao invés de usar um de tensão e outro de corrente.
Essa modificação tornará a medição de potência mais confiável.
Para os métodos estudados para análises dos resultados,
recomenda-se aplicar os modelos para outras variáveis de interesse,
como a temperatura de descarga e outras variáveis não menos
importantes, que no presente trabalho não foram exploradas.
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
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CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
APÊNDICE B
Estabilidade das temperaturas de operação do calorímetro.
Comparação do controle da temperatura de evaporação obtido
automaticamente com o alcançado manualmente:
Tem
pera
tura
[°C
]
Tempo [hh:mm:ss]
Tem
pera
tura
de e
vap
ora
ção
[°C
]
140 APÊNDICE B
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
Estabilidade das temperaturas no interior do túnel:
Variáveis de saída:
Tem
pera
tura
média
no
tú
nel
[°C
]
Tempo[hh:mm:ss]
Potê
ncia
[W
]; T
em
pera
tura
[°C
]
Tempo [hh:mm:ss]
Vazão
máss
ica [k
g/h
]
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
APÊNDICE C
Esquema genérico de ligação da placa eletrônica do motor de passo.
CALORÍMETRO PARA MICROCOMPRESSORES
APÊNDICE D
A função global é concebida estabelecendo-se os problemas
essenciais para o produto. Essa função deve expressar os
relacionamentos entre as grandezas de entrada e saída do sistema
técnico independentes de soluções preconcebidas.