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1 Introdução

O objetivo do presente trabalho é apresentar um modelo de simulação para

um compressor hermético alternativo operando em regime transiente.

Compressores herméticos consistem de um conjunto motor-compressor

hermeticamente selado numa carcaça de aço soldada (Dossat, 1986). Os principais

componentes são o motor elétrico, as muflas de sucção e as de descarga para

reduzir o ruído, a linha de descarga, o compressor alternativo, formado pelas

câmaras de sucção e de descarga, o pistão, o cilindro e o eixo (Anelli, 1995). A

principal vantagem do compressor hermético sobre o compressor (aberto)

convencional é a possibilidade de se reduzir a fuga de gás. Alguns fatores

importantes que credenciam o compressor hermético incluem: a relativa facilidade

de fabricação, a disponibilidade, o baixo custo, a operação silenciosa e o baixo

consumo de energia (ASHRAE, 1994).

Figura 1: Representação esquemática do compressor hermético.

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Gás, à pressão de sucção, é admitido na carcaça do compressor. Parte é

recirculado no interior da própria carcaça, removendo o calor do motor elétrico,

antes de ser admitido na mufla de sucção. A fração do gás recirculante depende,

logicamente, da geometria e características de escoamento de cada modelo do

compressor. O gás entra através da mufla de sucção até a bomba onde ocorre o

processo de compressão propriamente dito. O gás, à alta pressão, deixa a carcaça

do compressor pelas muflas de descarga e pela linha de descarga (serpentina).

Durante a operação de partida (ou de parada), o compressor hermético e

todos os equipamentos que compõem o sistema de refrigeração, são influenciados

pelas condições externas. Conseqüentemente as operações destes equipamentos

não podem ser analisadas como se ocorressem em regime estacionário (Hafner &

Gaspersic, 1990). Assim, o comportamento dinâmico do compressor durante a

etapa de partida ou parada deve ser estudada cuidadosamente enquanto na fase do

projeto (Erol et al., 1996). O desenvolvimento de ferramentas matemáticas para

prever este comportamento dinâmico economiza tempo e reduz um número

desnecessário de protótipos assim como custos.

Existem diferentes modelos de simulação para compressores herméticos,

que podem ser classificados como:

a) modelos empíricos que resultam de testes experimentais em calorímetros.

Dados obtidos nos testes são correlacionados de maneira a se poder construir

curvas que predizem o comportamento do compressor em diferentes condições.

São modelos simples porém aproximados; precisam de muitos testes e

normalmente são os fabricantes que apresentam estes ábacos, já que se exige

normalização (ARI, 1999).

b) modelos termodinâmicos semi-empíricos que utilizam a técnica de

volumes de controle onde se aplica a primeira lei da termodinâmica, e alguns

parâmetros são desconhecidos: a geometria e os coeficientes de transferência de

calor. Estes são obtidos mediante avaliação de dados em ensaios em calorímetros.

Domanski & Didion (1993) desenvolveram este tipo de modelo para o

funcionamento do compressor em regime permanente, Todescat et al.(1992) o

utilizaram para o estudo do transiente na bomba.

c) modelos fluido-termodinâmicos utilizam também a técnica de volumes de

controle e aplicam a primeira lei da termodinâmica, acrescidos do estudo do

escoamento, considerando-o unidimensional. Nestes modelos é necessário

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conhecer a geometria do compressor (Escanes, et al., 1994 e outros artigos do

mesmo grupo de trabalho da Universidade Politécnica da Catalunya).

Observa-se a partir da literatura existente que no estudo do transiente de

funcionamento de compressores herméticos substancial avanço foi alcançado

desde o trabalho pioneiro de Dhar (1978) que considerava o volume de controle

abrangendo o compressor na sua totalidade. Todescat et al.(1992), Cavallini et al.

(1998), Escanes et al.(1994) adotaram vários volumes de controle. E Pérez-

Segarra et al. (2002) incluíram a queda de pressão no modelo.

Os coeficientes de transferência de calor eram calculados a partir de dados

experimentais nos modelos semi-empíricos (Domanski & Didion, 1983) ou

medidos experimentalmente (Meyer & Thompson, 1988a). Atualmente os dois

procedimentos são adotados.

Diversas tentativas de modelagem do compressor hermético em regime

transiente apareceram na literatura. Winandy (1999) e Oliveira et al. (2002), por

exemplo, estudaram o transiente térmico do compressor considerando todas as

superfícies como se fossem uma única parede fictícia que representava toda sua

capacitância térmica. Braum (1999) desenvolveu um modelo semelhante no qual

toda a capacitância térmica do compressor estava concentrada na carcaça.

O grupo de pesquisa da Universidade de Catalunya (Escanes et al., 1994;

Rigola et al., 2002) vem desenvolvendo modelos para transientes térmicos

discriminando diferentes volumes de controle cujos coeficientes de transferência

de calor são calculados por tentativa e erro para estudos parâmetros chave tais

como eficiência volumétrica, coeficiente de desempenho (COP), etc.

Outro aspecto que ainda não foi modelado, e que no momento da partida do

compressor pode resultar num problema grave, é o da formação de espuma. A

literatura especializada sobre o fenômeno de formação de espuma pela

desabsorsão de gás refrigerante do líquido lubrificante devido à queda abrupta de

pressão é relativamente escassa (Goswani et al. 1998) e modelos para simulá-la

ainda não foram desenvolvidos.

Uma área que tem sido estudada experimentalmente por Srikanth & Doyle

(1988) mas de difícil modelagem é o escoamento desde a entrada do compressor

hermético até a entrada da mufla de sucção. Este escoamento pode ser estudado

mediante modelos multidimensionais, como por exemplo, sugerem Chikurde et al.

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(2002) onde o escoamento de todo o compressor (inclusive na descarga) é levado

em conta e considerado como incompressível.

O presente trabalho visa contribuir para o desenvolvimento de modelos de

simulação de compressores herméticos, ampliando o conhecimento em áreas

específicas pouco exploradas, e apresentando um modelo próprio para

compressores herméticos alternativos operando em regime transiente.

Neste sentido, o capítulo 2, descreve a análise experimental do fenômeno de

formação de espuma por queda abrupta de pressão. Resultados experimentais

considerando a forma como a espuma é produzida dentro do compressor

hermético são apresentados. Diferentes concentrações iniciais de gás refrigerante

em óleo lubrificante e diferentes quedas de pressão resultando na formação de

espuma foram monitoradas. Um modelo adaptado da literatura (desabsorção de

CO2, Jeelani, et al. 1990) foi utilizado para correlacionar os dados

experimentalmente obtidos.

No capítulo 3 apresenta-se o estudo do escoamento do gás refrigerante

desde sua passagem pelo duto de admissão até a entrada na mufla de sucção do

compressor com a ajuda de um pacote computacional (FLUENT). Com esta

análise pretende-se determinar a razão de recirculação de gás no interior da

carcaça e estimar os coeficientes de transferência de calor que serão utilizados no

modelo de simulação.

No capítulo 4, um modelo de simulação para compressores herméticos

operando em regime transiente é apresentado. O modelo visa estudar o transiente

térmico do compressor e é aplicado a todas as suas paredes metálicas. Considera-

se que o regime cíclico de funcionamento da bomba já tenha se completado

quando então se inicia o transiente térmico dos componentes do compressor

(Braun, 1999). E que o escoamento do gás refrigerante acompanhe o regime de

funcionamento da bomba. Divide-se, então, o compressor em volumes de

controle que coincidem com sua geometria e aplica-se a primeira lei da

termodinâmica a cada um deles. O modelo permite prever o funcionamento do

compressor hermético desde a partida até atingir o regime permanente de

operação.

Finalmente, no capítulo 5, conclusões e comentários finais, bem como

sugestões para trabalhos futuros, são sucintamente expostos.