Volume I

Valdirson P. Mendes

2

2. COMPRESSORES

2.1 INTRODUO.

Neste captulo ser feita uma anlise individual do compressor. Esta anlise individual ser usada futuramente para verificar o equilbrio funcional entre os demais componentes. Cada componente de um sistema de compresso de vapor apresenta um comportamento caracterstico, sendo ao mesmo tempo, influenciado pelas condies impostas por outros componentes. O primeiro componente a ser analisado ser o compressor.

2.2 COMPRESSOR ALTERNATIVO.

O elemento fundamental na indstria de refrigerao o compressor alternativo fabricado com capacidade de refrigerao que varia desde uma frao at centenas de quilowatts. Acompanhando as tendncias apresentadas pelas mquinas rotativas, a rotao dos compressores alternativos tm aumentado durante os ltimos 20 anos, a rotao variou de 120 a 180 rpm nos primeiros compressores, at rotaes da ordem de 3.000 rpm nos compressores mais modernos.

Os compressores alternativos podem ser montados de trs formas distintas; abertos, hermticos e semihermticos.

Compressores alternativos abertos so aqueles em que o eixo de acionamento sai para fora da carcaa para se acoplar o motor de acionamento. Compressores alternativos hermticos so normalmente de pequena capacidade e tanto o motor de acionamento (eltrico) como o compressor so encerrados dentro de um nico invlucro. A grande vantagem da montagem hermtica que no h vazamento atravs da ponta de eixo, como pode ocorrer nos compressores abertos. Para compressores de potncia intermediria h os compressores semi-hermticos que tm uma carcaa nica mas apresentam o cabeote removvel permitindo a manuteno das vlvulas e dos mbolos do compressor.

2.3 EFICINCIA VOLUMTRICA.

A eficincia volumtrica um parmetro bsico na anlise do desempenho dos compressores alternativos. A eficincia volumtrica devida ao volume nocivo chamada eficincia volumtrica terica

3

representada pelo smbolo v. A eficincia volumtrica real aquela que associa todos os efeitos e representada pelo smbolo vr.

Na fig. 2.1 est representada um ciclo terico completo de compresso. Usando a fig. 2.1 podemos deduzir uma expresso para a eficincia volumtrica terica em funo das propriedades termodinmicas do refrigerante e das caractersticas construtivas do compressor.

Da definio de eficincia volumtrica temos:

Fig. 2.1 - Diagrama indicado terico de um ciclo completo de compresso-admisso.

V1 - V4 v = eq. 2.1 Vc

Manipulando a eq. 2.1 de acordo com a fig. 2.1 temos:

2 Pd

Pa 1

3

4

V0 Vc

V

4

V1 - V0 + V0 - V4 Vc V0 - V4 v = = + Vc Vc Vc ou, ainda

V0 V4 v = 1 - - 1 Vc V0

Para um processo de expanso isentrpico (terico) a razo V4/V0 va/vd, ento a eq. 2.1 fica:

V0 va v = 1 - - 1 eq. 2.2 Vc vd

ou ainda, considerando-se a expanso isentrpica, em que P4v4k = P0v0k temos:

onde V0 o volume nocivo, Vc o volume da cilindrada do compressor, Pd a presso absoluta de descarga, Pa a presso absoluta de admisso do compressor e k o expoente da politrpica. O deslocamento volumtrico Vd pode ser calculado considerando-se as caractersticas do compressor, ou seja:

.D2 Vd = . L . Z . i . N . 60 (m3/h) eq. 2.4 4

onde D o dimetro do cilindro, em metros, L o curso do mbolo, em metros, Z o nmero de cilindros do compressor, i indica simples (i = 1) ou duplo efeito (i = 2), N o nmero de rotaes do compressor, em rpm e 60 o fator de converso de rpm para rotaes por hora.

V0 v = 1 - (Pd/Pa)1/k - 1 eq. 2.3 Vc

5

A eficincia volumtrica real vr leva em considerao os efeitos de variao e temperatura do refrigerante ao entrar no cilindro t, a variao da presso que ocorre quando o refrigerante passa atravs da vlvula de admisso p e as fugas de refrigerante atravs das vlvulas de admisso e descarga do compressor f. Matematicamente a eficincia volumtrica real pode ser expressa pela seguinte equao:

vr = v . t . p . f eq. 2.5

onde os coeficientes tem valores entre;

0,90 t 0,95 0,93 p 0,97 0,95 f 0,98

Considerando estes valores para os coeficientes podemos escrever:

0,79v vr 0,90v

As fig. 2.2 e 2.3 mostram a eficincia volumtrica terica e real para compressores frigorficos que utilizam refrigerantes halogenados em funo da razo de compresso.

2.4 CAPACIDADE DO COMPRESSOR.

O compressor , por si s, no possui qualquer capacidade frigorfica, mas sim, uma capacidade de deslocar uma dada massa de refrigerante, que funo das dimenses do compressor e do refrigerante que trabalho em um dado ciclo. Este fluxo de massa deslocado pelo compressor em um sistema frigorfico ser convertido em potncia frigorfica pelo evaporador do sistema.

O fluxo real de massa que um dado compressor pode deslocar calculado pela seguinte equao:

G = Vd.vr/v1 (kg/h) eq. 2.6

onde Vd o volume deslocado pelo compressor, em m3/h, v1 o volume especfico do refrigerante entrada do compressor, em m3/kg e G a capacidade do compressor em kg/h.

6

Conhecendo-se o fluxo real de massa que o compressor pode deslocar, a potncia frigorfica facilmente determinada para uma dada condio de operao, ou seja:

Pf = G(h1-h4)(fg/h) eq. 2.7

Eficincia volumtrica

v

Fig. 2.2 - Eficincia volumtrica versos razo de compresso para compressores alternativos

(Carrier Air Campany, com refrigerantes hologenados). .

CURVA DE EFICINCIA VOLUMTRICATPICA PARA 3,3% DE VOLUME NOCIVO

E TEMPERATURA DE ASPIRAO DE 18,3C

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Pd / Pa

40

50

60

70

80

90

100

RAZO DE COMPRESSO

EFICINCIA VOLUMTRICADEVIDO AO ESPAO

NOCIVO

36,7C COND.

40,6C COND.

EFICINCIA VOLUMTRICAREAL

7

Normalmente os fabricantes de compressores frigorficos apresentam a potncia frigorfica na forma de tabelas ou grficos em funo de TC e de TE para uma dada temperatura de admisso. A fig. 2.4 um exemplo da apresentao da potncia frigorfica de um compressor.

2.5 EFICINCIA DE COMPRESSO.

A eficincia de compresso definida como sendo a razo entre a potncia terica necessria ao compressor, para realizar o processo 1 - 2 do refrigerante em um dada ciclo, e a potncia real consumida no eixo do compressor para realizar o ciclo real entre a mesma diferena de presso, matematicamente temos:

Pm = eq. 2.8 Peixo

Fig. 2.3 - Efeito da taxa de compresso na eficincia volumtrica de compressores alternativos (com refrigerantes halogenados).

(Principles of Refrigeration - Dossat).

40

50

60

70

80

100

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Pd / Pa

vr

EFICINCIA VOLUMTRICA REAL MDIA PARA COMPRESSORES ALTERNATIVOS OPERANDO COM

HALOGENADOS

8

Pf (kcal/h)

A eficincia de compresso varia para cada compressor. Para compressores alternativos abertos, a eficincia de compresso varia entre 65 a 70% dependendo do compressor. Assim, atravs da eq. 2.8 pode-se estimar a potncia que ser consumida por um dado ciclo. A fig. 2.5 representa a potncia de eixo para o compressor 4P indicado na fig. 2.4.

2.6 INFLUNCIA DA TEMPERATURA DE ADMISSO NA POTNCIA FIRGORFICA

A forma mais adequada para mostrar a influncia da Tad na Pf considerar um exemplo. Consideremos o compressor indicado no item 2.4, ou seja o compressor Coldex-Frigor 4P. Faremos uma anlise da capacidade, variando a Tad para um sistema que trabalha com Tc = 40C e TE = 0C. Esta anlise est mostrada nas fig(s). 2.6 e 2.7. do compressor.

MODELO 4P - COLDEX -FRIGOR R-22

Ta = 20C; 1605 rpm Vd = 52,16 m3/s

TC = 30C

TC = 45 C

TC = 50C

- 20 - 15 - 10 - 5 0 + 5 + 10 TE C

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

45.000

50.000

Fig. 2.4 - Potncia Frigorfica doCompressor Coldex-Frigor Aberto -Modelo 4 - Dados do Fabricante.

9

Peixo (KW)

R - 22

TC = 50C

TC = 40C

TC = 30C

-20 -15 -10 -5 0 +5 TE C

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Fig. 2.5 - Potncia de eixo mdia para compressor 4P com Ta = 20C e superaquecimento til de 10C

9

TC = 40C

10 15 20

t C

Pf (kcal/h)

P (kgf/cm2) R -22

158 159 160 h

TE = 0C

10 C

15 C20 C

0,048 m3/kg0,50 m3/kg

0,052 m3/kg

Fig. 2.6 - Influncia dosuperaquecimento na capacidade

Fig. 2.7 - Ciclo Frigorfico indicando diversossuperaquecimentos.

32.000

31.000

30.000

10

4. REFRIGERANTES

Refrigerantes primrios so aqueles usados em sistemas de compresso de vapor.

Refrigerantes secundrios so lquidos usados para transportar energia trmica a baixa temperatura de um local para outro, conhecidos como anticongelantes e salmouras.

Os sistemas de absoro utilizam duas substncias que formam a combinao de refrigerantes.

4.1 REFRIGERANTES PRIMRIOS

4.1.1 COMPOSTOS HIDROCARBONETOS HALOGENADOS.

Os hidrocarbonetos halogenados so compostos formados por hidrognio, carbono e um ou mais dos seguintes elementos da famlia qumica dos holognicos: cloro, fluor ou bromo. A nomenclatura composta, basicamente, por um nome (ou pela letra R) e um nmero. Segundo a norma internacional (ANSI/ASRAE 34-1989 Number Designation and Safety Classification or Refrigerantes), a numerao dos hidrocarbonetos halogenados segue as seguintes regras:

1 O primeiro algorismo representa o nmero de tomos de carbono (C) do composto, menos um. Assim os derivados de metano tero, como primeiro dgito, o zero, enquanto que os derivados de etano tero o nmero um.

2 O segundo algorismo representa o nmero de tomos de hidrognio (H) do composto, mais um, indicando a combustibilidade do refrigerante.

3 O terceiro algorismo representa o nmero de tomos de flor (F) do composto.

4 Nos casos onde o bromo est presente, no lugar de parte ou de todo o cloro, as mesmas regras so aplicadas. A exceo que a letra B, aps a designao do nmero de tomos de carbono, hidrognio e flor, indica a presena de bromo. O nmero de tomos de carbono, hidrognio e flor, indica a presena de bromo. O nmero imediatamente depois da letra B indica o nmero de tomos de bromo (Br) do composto.

11

O nmero de identificao do refrigerante deve ser precedido pela letra R ou utilizado em combinao com a palavra Refrigerante. O nmero de identificao pode tambm ser precedido pela marca registrada do fabricante ou nome comercial. Por exemplo: R 12, Refrigerante 12, Freon 12 (marca registrada da Dupont).

Usualmente o R 12 tambm chamado de CFC 12. Esta nomenclatura no est de acordo com a norma ANSI/ASHRAE 34 1989, mas tambm bastante utilizada. A nomenclatura CFC uma abreviao de CloroFlorCarbono principais elementos que compem estes fluidos refrigerantes. O principal objetivo da utilizao desta nomenclatura informar ao usurio destas substncias que elas destroem a camada de oznio. Portanto, devem ser manuseadas de modo a evitar ou minimizar desperdcios e/ou liberao para a atmosfera. A siglas CFC sempre esteve muito ligada destruio da camada de oznio.

HFC, HCFC E HC. HCFC a sigla do termo HidroCloroFlorCarbono, substncias menos agressivas do que CFCs em relao cada de oznio. No HCFC um tomo de cloro foi substitudo por um hidrognio, que inofensivo a camada de oznio. J o HFC a abreviao de HidroFlorCarbono, e HC e a abreviao de HidroCarbono, ambas substncias inofensivas camada de oznio, porque no tema cloro nas suas composies.

EXEMPLOS:

1) Refrigerante: R 12. Nomenclatura qumica: Diclorofuormetano.

Frmula qumica:

Cl

F C Cl

F a) N de tomos de C 1 = 1 1 = 0. b) N de tomos de H + 1 = 0 + 1 = 1. c) N de tomos de F = 2. d) No existe nenhum tomo de bromo no composto.

Logo, este composto denominado R 12.

12

2) Refrigerante: R 22. Nomenclatura qumica. Clorodifluormetano. Frmula qumica:

Cl

F C H

F

a) N de tomos de C 1= 1 1 = 0. b) N de tomos de H + 1 = 1 + 1 = 2. c) N de tomos de F = 2. No existe nenhum tomo de bromo no composto. Logo, este composto denominado R 22.

3) Refrigerante: R 13B1 Nomenclatura qumica: Bromotrifluormetano. Frmula qumica:

Br

F C F

F

a) N de tomos de C 1 = 1 1 = 0. b) N de tomos de H + 1 = 0 + 1 = 1. c) N de tomos de F = 3. d) Existe um tomo de bromo no composto. Logo, este composto denominado R 13B1.

13

Alguns refrigerantes.

Frmula ASHRAE Outra Denominao

CCl3F

CHClF2

CH2FCF3

CHCl2CF2

R 11

R 21

R 134a

R 123

CFC 11

HCFC 21

HFC 134a

HCFC 123

Triclorofluormetano

Dicloromonofluormetano

Tetrafluoretano

Diclorotrifuoretano

4.1.2 PORQUE OS CFCs SO PREJUDICIAIS A CAMADA DE OZNIO.

Entre 12 e 13 km de distncia do solo, na estratosfera, existe uma camada de oznio que nos protege dos raios ultravioleta do sol. Esse camada absorve parte da radiao ultravioleta, impedindo que ela chegue superfcie da Terra. Esses raios possuem grande quantidade de energia. Os CFCs no reagem e no so destrudos na troposfera (cama mais baixa da atmosfera). Assim, quando liberados prximo ao solo, os CFCs vo subindo lentamente da troposfera para as camadas mais distantes da atmosfera. Esta subida leva vrios anos.

Quando os CFCs chegam na estratrosfera so atingidos pelos raios ultravioleta dos sol, que provocam o rompimento de suas molculas, liberando tomos de cloro. Esses tomos de cloro atacam e destroem o oznio, reduzindo a camada de oznio.

Molcula de CFC

Os tomos de cloro formados na de dos CFCs pelos raios ultravioleta so muito ativos. Cada um deles capaz de destruir mais de 10 molculas de oznio. A reao de destruio ocorre me quatro etapas, a partir da chegada das molculas de CFC estratosfera. Na 1 etapa, a luz ultravioleta quebra a ligao de um tomo de cloro da molcula de CFC.

Molcula de CFC como cloro separando.

Em seguida, o tomo de cloro ataca a molcula de oznio (O3) e uma de monxido de cloro.

Rompimento da ligao e formao das novas molculas.

O monxido de cloro instvel, tem sua ligao quebrada e forma-se novamente cloro livre, que vai atacar e destruir outra molcula de oznio, repetindo-se o processo.

Cl O rompendo, formando-s

tomo de cloro

Molcula de oznio

Luz ultravioleta

Cloro livre

tomo oxignio livre0.000 14

e O2 e cloro composio livre, que volta a reagir.

Molcula de oxignio

15

Quando se destri parte da camada de oznio ela fica mais fina em alguns lugares. o camado buraco, por onde os raios ultravioleta do sol entram com pouca proteo e atingem a Terra. Os efeitos desses raios se do sobre todos os seres vivos e so principalmente:

Aumento dos casos de cancer de pele.

Danos ao sistema imunolgico.

Destruio ou danos aos organismos aquticos e plantaes.

4.2 COMPOSTOS INORGNICOS.

Muitos dos primeiros refrigerantes eram compostos inorgnicos e alguns mantiveram sua proeminncia at o presente

Alguns refrigerantes

Frmula ASHRAE Denominao

NH3

H2O

CO2

SO2

R 717

R 718

R 729

R 744

R 764

Amnia gua Ar

Dixido de carbono Dixido de enxofre

O primeiro dgito indica ser um composto inorgnico e os dois ltimos indicam o peso molecular.

4.3 HIDROCARBONETOS.

Muitos hidrocarbonetos so adequados como refrigerantes especialmente para operao em industrias de petrleo e petroqumicas.

16

Alguns Refrigerantes

Frmula ASHRAE Denominao CH4

C2H6

C3H8

R 50

R 170

R 290

Metano

Etano

Propano

Segue as mesmas regras dos hidrocarbonetos halogenados.

4.4 AZEOTROPOS.

Uma mistura azeotrpica de duas substncia aquela que no pode ser separada em seus componentes por destilao. Um azeotropo evapora e condensa como uma substncia simples com propriedades diferentes das de cada um se seus constituintes.

Alguns refrigerantes

R 502

R 503

48,8% de R 22 e 51,2% de R 115

40% de R 23 e 60% de R 13

4.5 COMPARAO ENTRE ALGUNS REFRIGERANTES.

A tabela abaixo foi obtida do problema 1 do captulo 2 da apostila de refrigerao volume II, baseada de um ciclo de compresso de vapor padro com uma temperatura de evaporao de 15C e uma temperatura de condensao de 30C.

17

R P2 / P1 qE G Vd td(C)

R-11 6,20 37,64 80,340 61,64 5,03 42,0

R-12 4,08 28,60 105,73 9,780 4,70 39,0

R-22 4,06 38,50 78,540 6,130 4,66 55,0

R-717 4,94 263,3 11,480 5,850 4,75 104,0

R-729 5,00 16,00 188,62 95,26 1,71 135,5

Do exerccio citado notamos que:

Tanto as presses como as temperaturas de descargas devem ser baixas o suficiente para permitir construes leves, tanto compressor como de vasos e tubos, facilitar a lubrificao e a vedao;

A presso baixa de refrigerantes como R 11 inferior a presso atmosfrica, tem a desvantagem de permitir a infiltrao de ar no sistema, principalmente nos casos que se utiliza compressores abertos.

Da tabela acima observamos que:

O R 22 apresenta menor relao de compresso, que desejvel para qualquer tipo de compressor;

O R 717 tem o efeito frigorfico maior que os demais, entretanto o seu trabalho de compresso tambm alto, de forma que o da mesma ordem de magnitude dos outros refrigerantes;

A capacidade do compressor e o volume deslocado influi na taxa de bombeamento e/ou no tipo de compressor. Os R 11 e R729 so menos densos o que requer maiores capacidades dos compressores. Os volumes deslocados elevados dos R 11 e R 729 indicam por que eles usam compressores centrfugos;

O R 11 apresenta maior coeficiente de efeito frigorfico, mas esta vantagem no o suficiente para permitir sua utilizao em qualquer sistema, exceto os que utilizam compressores centrfugos;

O R 717 considerado inflamvel em um mistura de 16 a 25% em volume como o ar, enquanto os demais so considerados no inflamveis;

18

O R 717 pertence ao grupo dos refrigerantes prejudiciais ou letais em concentraes de a 1% para exposies de h de durao;

O R 717 no miscvel com leo;

Certos metais podem ser atacados por refrigerantes; o R 717 reage com cobre, lato ou ligas de cobre na presena de gua. O ferro e ao so portanto usados em sistemas com R 717.

Os halocarbnicos podem reagir com zinco, mas no com cobre, alumnio, ferro ou ao. Na presena de uma pequena quantidade de gua, entretanto, os halocarbnicos atacam a borracha natural, portanto material sinttico deve ser usado como gaxetas e outros elementos de vedao;

O R 134a s opera com novos leos sintticos chamados PAG. (Polyalkylene Glycol).

4.5 REFRIGERANTES SECUNDRIOS

A gua poderia ser um refrigerante secundrio, mas as substncia que ns desejamos explorar so as salmouras e anticongelantes, que so solues com temperaturas de congelamento abaixo de 0C. Vrios dos anticongelantes mais largamente usados so solues de gua e etileno glicol, propileno glicol, ou cloreto de clcio.

Seja uma soluo de concentrao x (Fig. 5.1), menor do que a euttica xe. Em A totalmente lquida a soluo. Abaixando a temperatura A x constante, a soluo continua lquida e atinge B. Nesta temperatura, a gua comea a se separar na forma de gelo e o lquido restante tem sua concentrao aumentada. No ponto C haver uma mistura de gelo e de anticongelante lquido de concentrao C1.

Atingindo o ponto D, tem-se uma mistura de m1 partes de anticongelante euttico e m2 partes de gelo, ambos na temperatura euttica.

Continuando a retirar calor, toda a mistura se congela na temperatura euttica, obtendo-se uma mistura mecnica de gelo e sal slido.

19

Se a concentrao x inicial fosse maior do que xe, teramos inicialmente separao de sal.

Fig. 5.1

A

Blquido

C1

C C2

l1

l2

lquido gelo

D

m1

m2

xe

slido

E

lquido + sal

temperaturaeuttica

concentrao, % de soluto na mistura 100

ClFCClFClBr

ASHRAEMolcula de CFCFig. 5.1