Refrigeracao e Ar CondicionadoCompressores
Filipe Fernandes de [email protected]
Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia
Universidade Federal de Juiz de Fora
Engenharia Mecanica
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Introducao
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Introducao
I O compressor e um dos principais componentes do sistema derefrigeracao, sua funcao e aumentar a pressao do fluido refrigerantee promover a circulacao desse fluido no sistema;
I Os principais tipos de compressores utilizados sao:I Alternativo;I Centrıfugo;I Parafusos;I Palhetas;I Scroll;
I A escolha do tipo de compressor mais adequado e devidoprincipalmente a
I Capacidade do sistema de refrigeracao requerido;I Temperatura de vaporizacao;I Fluido refrigerante adotado.
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Introducao
I Pode-se dividir os sistemas basicamente em,I Pequena capacidade - < 2,5 TR;I Media capacidade - entre 2,5 TR e 75 TR;I Grande capacidade - > 75 TR.
I TR e a tonelada de refrigeracao, que e definida como a energianecessaria para liquefazer aproximadamente uma tonelada de aguaem 24h;
I 1TR = 3, 53kW .
I Em muitos sistemas, o compressor e o condensador sao montadosde forma compacta, denominado unidade condensadora.
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Introducao
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Classificacao do Compressores
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Segundo o processo de compressao
I Compressores de deslocamento positivoI Aumenta a pressao do vapor de refrigerante pela reducao do volume
interno de uma camara de compressao;I Compressores alternativos, de parafuso, de palheta e scroll sao de
deslocamento positivo.
I Compressores de FluxoI Nesse tipo de compressor, o aumento de pressao se deve,
principalmente, a conversao de pressao dinamica em pressao estatica.
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Intervalos de Aplicacao
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Segundo o modo de construcaoI Hermetico
I Quanto o compressor e o motor de acionamento sao selados nointerior de uma carcaca;
I Opera predominantemente com refrigerantes halogenados;I O vapor de fluido refrigerante entra em contato com o enrolamento
do motor, resfriando-o;I Sao geralmente utilizados em refrigeradores domesticos e
condicionadores de ar com potencias da ordem de 30kW.I Semi-hermetico
I Sao semelhantes aos hermeticos, porem, permitem a remocao docabecote, tornando possıvel o acesso as valvulas e aos pistoes,facilitando os servicos de manutencao.
I AbertoI O eixo de acionamento do compressor atravessa a carcaca permitindo
o acionamento por um motor externo;I Esse tipo de compressor e adequado para operar com amonia,
podendo tambem utilizar refrigerantes halogenados.
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Compressores Alternativos
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IntroducaoI Os compressores alternativos sao os mais utilizados em sistemas de
refrigeracao, sao amplamente utilizados em sistemas de pequena emedia capacidade;
I Os compressores alternativos podem ser:I De simples ou duplo efeito;I De um ou mais cilindros;I Abertos, hermeticos ou semi-hermeticos;I Horizontais, verticais, em V, em W ou radiais.
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Ciclo Mecanico
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Ciclo Termodinamico
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Eficiencia Volumetrica
I Mede o nıvel de enchimento do cilindro;I Serao consideradas dois tipos de eficiencias volumetricas
I Eficiencia Volumetrica Efetiva;I Eficiencia Volumetrica de Espaco Morto.
I Volume de espaco morto e o volume residual mınimo;
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Eficiencia Volumetrica Efetiva
I Taxa de deslocamento e o volume total que o pistao desloca porunidade de tempo;
I A vazao de ar que entra no compressor e o volume aspirado pelocilindro, que compreende o deslocamento do pistao desde a aberturada valvula de admissao ate o volume maximo.
ηv ,ef =Vazao de ar que entra no compressor (m3/s)x100
Taxa de deslocamento do pistao (m3/s)
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Eficiencia Volumetrica de Espaco Morto
I Depende da expansao do gas retido no espaco morto;
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Eficiencia Volumetrica de Espaco Morto
I A eficiencia volumetrica de espaco morto e dada por:
ηv ,m =V3 − V1
V3 − Vmx100 = 100 − rm
(vaspvdes
− 1
)(1)
I rm e a fracao de volume morto e e dada por:
rm =Vm
V3 − Vmx100 (2)
I Considerando-se a expansao politropica, onde
Vasp
Vdes=
(pdp1
)1/n
(3)
I tem-se
ηv ,m = 100 − rm
[(pdp1
)1/n
− 1
](4)
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Eficiencia VolumetricaI Para um compressor ideal, ηv ,m depende apenas da temperatura de
evaporacao;I Para um processo de compressao ideal do R-22, rc = 4, 5%, 50 L/s
de taxa de deslocamento e TC = 35°C , tem-se:
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Vazao Massica
I A vazao em massa m e dada por:
m = Taxa de deslocamento xηv ,m
100vasp(5)
I A medida que a pressao de aspiracao diminui, o volume especıficodo gas que entra no compressor aumenta, diminuindo assim a vazaoe a eficiencia volumetrica.
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PotenciaI Para um compressor ideal, a potencia e dada por:
Wc = m∆h (6)
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Potencia
I Para baixas temperaturas de evaporacao, o trabalho de compressao(∆h) aumenta;
I para altas temperaturas de evaporacao, ∆h vai diminuindo ateatingir zero, no ponto em que a pressao de aspiracao e igual apressao de descarga;
I A curva de potencia apresenta valor nulo em dois pontos:I Ponto de vazao nula;I Ponto onde a temperatura de evaporacao e igual a de condensacao.
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Potencia
I A maioria dos sistemas de refrigeracao trabalham a esquerda dopico de potencia;
I Na partida, a temperaturas do evaporarador e alta, e a potenciapassa pelo pico;
I Muitas vezes, os motores sao superdimensionados para suportar essepico, o que nao e adequado em termos de uso eficiente de energia;
I O superdimensionamento pode ser evitado reduzindo-seartificialmente a pressao de evaporacao atraves de um dispositivo deestrangulamento.
I Durante a operacao normal, cargas termicas elevadas aumentam atemperatura de evaporacao e consequentemente a potencia docompressor, podendo sobrecarregar o motor.
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Capacidade de RefrigeracaoI A capacidade de refrigeracao e dada por:
Qo = m(h1 − h4) (7)
I A capacidade de refrigeracao aumenta com o aumento datemperatura de evaporacao.
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COPI O coeficiente de performance aumenta com o aumento da
temperatura de evaporacao;I A medida que a temperatura de evaporacao diminui, o volume
especıfico aumenta e a vazao em massa no compressor diminui,reduzindo a capacidade de refrigeracao e consequentemente o COP.
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Efeito da Temperatura de CondensacaoI Instalacoes frigorıficas normalmente rejeitam calor atraves do
condensador para a atmosfera, cujas condicoes variam ao longo doano;
I Para uma temperatura de evaporacao de −20°C , tem-se:
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Efeito da Temperatura de Condensacao
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Efeito da Temperatura de Condensacao
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Eficiencia Volumetrica EfetivaI A eficiencia efetiva, alem da expansao do gas residual do espaco
morto, engloba outros fatores tais como:I Perda de carga;I Fugas atraves das valvulas de admissao e descarga;I Fugas pelos aneis dos embolos;
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Eficiencia de Compressao
I Para compressores alternativos abertos essas eficiencias variam entre65% e 70%.
ηc =h2s − h1
h2 − h1(8)
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Temperatura de Descarga do Compressor
I Temperaturas de descarga do compressor excessivamente altaspodem deteriorar o oleo de lubrificacao, resultando em desgasteexcessivo e reducao da vida util das valvulas;
I De maneira geral quanto maior a razao de pressoes, maior atemperatura de descarga;
I O refrigerante tambem influencia a temperatura de descarga docompressor.
I A amonia apresenta altas temperaturas de descarga exigindocompressores com cabecotes refrigerados a agua.
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Temperatura de Descarga do Compressor
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Controle de Capacidade
I Os sistemas frigorıficos estao sujeitos a variacoes de carga termica;
I O aumento de carga termica sem uma resposta do compressor,pode provocar um aumento na temperatura de evaporacao ecomprometer a qualidade dos produtos armazenados;
I Por outro lado, o funcionamento contınuo do compressor para umacondicao de carga termica reduzida pode baixar demasiadamente atemperatura de evaporacao, o que pode ser indesejavel, porexemplo, na conservacao de alimentos frescos, cuja temperatura econtrolada;
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Controle de Capacidade
I Entre os varios metodos empregados no controle de capacidade docompressor estao:
I Atuacao no compressor, ligando-o ou desligando-o;I Estrangulamento do gas de aspiracao entre o evaporador e o
compressor atraves do uso de uma valvula reguladora de pressao desuccao;
I Desvio do gas na descarga do compressor para a linha de aspiracaoou para o evaporador;
I Funcionamento a vazio de um ou mais cilindros, atraves da aberturacontınua da valvula de descarga;
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Compressor Parafuso
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Introducao
I O compresor parafuso e uma maquina de deslocamento positivo.
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Introducao
I Vantagens em relacao aos alternativos:I Menor tamanho;I Numero inferior de partes moveis.
I Desvantagens em relacao aos alternativos:I Menor eficiencia em condicoes de carga parcial.
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Funcionamento
I O gas e comprimido pela rotacao de rotores acoplados a um motor,geralmente eletrico;
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Efeito da Temperatura de Condensacao e EvaporacaoI No caso do compressor parafuso o rendimento volumetrico nao
exerce um efeito tao significativo como nos compressoresalternativos, pois nao temos a expansao do gas residual no espacomorto;
I As tendencias sao as mesmas, mas com efeito reduzido. A potenciae mais afetada pela temperatura de condensacao do que pelatemperatura de evaporacao.
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Controle de CapacidadeI O controle de capacidade em compressores parafuso pode ser feito
atraves de valvulas corredicas localizadas na carcaca do compressor,que se movem na direcao axial provocando um retardamento doinıcio da compressao.
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Compressor de Palheta
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IntroducaoI Os compressores de palhetas podem ser classificados em dois tipos
basicos:I Compressor de palheta simples;I Compressor de multiplas palhetas.
I Apresentam menor vibracao durante seu funcionamento e destaforma sao mais utilizados em situacoes onde o baixo nıvel de ruıdo efundamental;
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Compressor de Palheta
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Compressor de Palheta
I Em compressores de palheta simples, a linha de centro do eixo deacionamento coincide com a do cilindro, porem, e excentrica emrelacao ao rotor, de maneira que, o rotor e o cilindro permanecemem contato a medida que gira;
I Uma palheta simples acionada por mola, divide as camaras deaspiracao e descarga.
I Nos compressores de multiplas palhetas, o rotor gira em torno doproprio eixo, que nao coincide com o eixo do cilindro;
I O rotor possui duas ou mais palhetas que permanecem em contatocom a superfıcie do cilindro pela acao da forca centrıfuga.
I Apresentam menor vibracao durante seu funcionamento e destaforma sao mais utilizados em situacoes onde o baixo nıvel de ruıdo efundamental.
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Compressores Centrıfugos
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Introducao
I Sao amplamente utilizados em sistemas de grande porte;
I O refrigerante entra pela abertura central do rotor e, devido a acaoda forca centrıfuga, ganha energia cinetica a medida que edeslocado para a periferia. Ao atingir as pas do difusor ou a voluta,parte de sua energia cinetica e transformada em pressao.
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Compressores Centrıfugos
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Compressores Centrıfugos
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Compressores Scroll
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IntroducaoI O princıpio de funcionamento do compressor Scroll e baseado num
movimento orbital;I Apresenta diversas vantagens como;
I Eficiencia de 5 a 10% maior que um compressor alternativo de igualcapacidade;
I Ausencia de valvulas;I Menor quantidade de partes moveis em relacao a um compressor
alternativo;I Operacao suave e silenciosa;I Baixa variacao de torque com consequente aumento da vida util e
reducao de vibracao;
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Exemplo
I Exemplo 1 - Dados de um catalogo de um compressor de 6cilındros, operando com R-22 a 29 rps, indicam uma capacidade derefrigeracao de 96, 4kW e potencia de 28, 9kW para umatemperatura de evaporacao de 5°C e uma temperatura decondensacao de 50°C . O desempenho e baseado em 3°C desub-resfriamento e 8°C de superaquecimento. O diametro docilındro e de 67mm e o percurso e 57mm. Determine,
1. Eficiencia volumetrica se a fracao de espaco nocivo e 4,8%;2. Eficiencia volumetrica efetiva;3. Eficiencia de compressao.
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