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Curso de Refrigeração

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Compressores

O compressor atua como o coração do sistema de refrigeração, criando o fluxo do refrigerante ao longo dos componentes do sistema. No processo, recebe vapor refrigerante em baixas temperatura e pressão e eleva o vapor até uma pressão e temperatura maior.

Junto com o capilar (ou outro dispositivo de expansão), o resultado é que no evaporador a pressão e temperatura do refrigerante são reduzidas, permitindo assim que ele absorva calor. Já no condensador elas são aumentadas, permitindo que ele ceda calor para o meio ambiente.

Existem cinco tipos de compressores, cujos nomes vêm da ação de suas partes mecânicas:

O tipo de compressor utilizado em um sistema depende da capacidade e do seu uso. Os compressores alternativos e rotativos são mais comuns  em sistemas de até 30.000 BTUS.

A partir daí, começa a ser usado o scroll, comum em splits acima de 24.000 BTUS. Na Colortel vamos nos aprofundar nesses três compressores acima mas não deixando de falar um pouco sobre o parafuso e o centrífugo.

A tabela abaixo descreve as principais características de cada tipo de compressor:

Características
Faixa de tamanho
Menor (5 toneladas)
5 a 10 toneladas
Tonelagem fracional até150 TRs
100-750 TRS
Maiores (100a 10 000 + TRS.
Tipos
Vane deslizante e tipos êmbolo rotativo, só carcaça soldada
" compliant" e não-" compliant" , só carcaça soldada
herméticos abertos, semi-herméticos e herméticos de carcaça soldada
rotor rotativo, aberto e hermético
Simples e multi-estágios, aberto e hermético
Deslocamento
positivo
positivo
positivo
positivo
não positivo
Controle de capacidade típico
velocidade variável e liga-desliga
velocidade variável e liga-desliga
velocidade variável, liga-desliga, descarregadores de cilindro
velocidade variável e válvula deslizante de admissão
velocidade variável e vane guia de admissão
Válvulas de sucção?
NÃO
NÃO
SIM
NÃO
NÃO
Válvulas de descarga?
SIM
NÃO
SIM
NÃO
NÃO
Aplicação usual
refrigeradores e outras aplicações, condicionadores de ar de sala, e pequenos sistemas centrais
pequenos sistemas centrais para refrigeração, condicionamento de ar, e ciclo reverso
refrigeração e ar condicionado, ciclo reverso, e transportes
refrigeração, ar condicionado, e ciclo reverso
refrigeração, ar condicionado, e ciclo reverso

Independente do tipo e da aparência, que são as mais variadas possíveis, o papel é sempre o mesmo em qualquer equipamento de refrigeração: elevar temperatura e pressão do gás refrigerante.

O compressor é o único grande componente de um sistema de refrigeração que manifesta de imediato falhas. Os outros componentes podem começar a operar incorretamente ou até falhar mas, na maioria das vezes, o resultado do problema é visto primeiro no compressor.

A maioria dos problemas num sistema de refrigeração, quando deixados sem solução por um longo período de tempo, resultam na falha do compressor. Se o técnico pensar que a causa da falha está no próprio compressor, ele fará muitas trocas desnecessárias.

Compressor alternativo

Nesse tipo de compressor o movimento do pistão é sincronizado com o fechamento e abertura das válvulas de sucção e descarga. Quando a válvula de sucção fecha o pistão começa a comprimir o gás refrigerante até chegar a pressão aproximada de 263 PSIG onde ocorre a abertura da válvula de descarga.

Esse processo se repete aproximadamente 3.000 vezes por minuto já que esse é o RPM comum de um compressor alternativo usando R22.

Alguns compressores alternativos tem o motor e o compressor dentro da mesma carcaça e são chamados de herméticos. Outros, tem o motor independente do compressor e, neste caso, são chamados de abertos.

Uma coisa importante a frisar é que no caso dos abertos o motor pode ser elétrico ou por motor de explosão interna (gasolina, diesel). Esse último caso ocorre muito nos sistemas de refrigeração para transporte de cargas perecíveis por caminhão e contêiner.

Hermético

Semi-hermético ou aberto

Nos casos de acionamento externo, deve-se tomar cuidado para usar um motor que gire a mesma velocidade necessária ao funcionamento do compressor.

Pode-se também usar polias e correias para conseguir a velocidade correta - nesse caso deve-se respeitar rigorosamente a especificação do fabricante sobre risco de causar sérios danos ao compressor.

O esfriamento desse compressor é feito pelo que refrigerante que entra pela linha de sucção. O calor de sucção passa para o refrigerante e é dissipado no condensador junto com o que foi retirado do ambiente condicionado.

O óleo para lubrificação dos compressores herméticos fica no fundo da carcaça e sobe através de um canal dentro do eixo do conjunto e depois desce por gravidade, lubrificando as partes móveis.

Válvula (palheta)  de sucção

Válvula (palheta) de descarga

Mola de fixação na carcaça

Bobina elétrica e terminal de conexão aos bornes

Compressores rotativos

Nos compressores rotativos, os gases são comprimidos por elementos giratórios. Outras das particularidades destes tipos de compressores são por exemplo as menores perdas mecânicas por atrito, pois dispensam um maior número de peças móveis, a menor contaminação de ar com óleo lubrificante, a ausência de reações variáveis sobre as fundações que provocam vibrações, o fato de a compressão ser feita de um modo continuo e não intermitente, como sucede nos alternativos e a ausência de válvulas de admissão e de descarga que diminui as perdas melhorando o rendimento volumétrico.

Outro aspecto muito importante, para os diferentes tipos, prende-se com a economia de energia, com os rendimentos volumétrico, associados a fugas, e mecânico, associado a movimentos relativos entre as peças que constituem a máquina, e com a manutenção dos mesmos.

Compressor Sroll

Os compressores Scroll têm uma vantagem inerente de 5 a 10% de rendimento acima do rendimento dos compressores rotativos a pistão. Isto se manifesta por uma redução das fugas de gás e das perdas de fluxo, sendo que um compressor Scroll em geral quase não apresenta fuga de gás quando comparado com uma máquina rotativa.

Além disso, para um compressor rotativo estas folgas aumentarão com o tempo, a medida que seus componentes se desgastam. Os compressores Scroll mantém sua capacidade de vedação durante o funcionamento normal, já que as partes emparelhadas se desgastam juntas em seu encaixe, isto é, há o acoplamento entre elas com o uso. Para os Scroll de ar condicionado, as perdas de fluído também se reduzem.

Outro efeito da válvula de descarga é a diminuição da recompressão do gás, o que produz uma menor troca de calor entre o gás da descarga e da sucção, ajudando a criar uma curva plana da eficiência volumétrica.

Os compressores Scroll funcionam geralmente melhor em aplicações de refrigeração que alguns compressores semi-herméticos. Para algumas aplicações com baixas temperaturas de evaporação (-25C), é recomendado verificar a eficiência volumétrica e comparar a mesma com os compressores Semi-Herméticos da Copeland modelo Discus.

A injeção de vapor pode usar-se para melhorar o compressor Scroll e o rendimento do sistema, ao proporcionar ao líquido maior sub-resfriamento. Esta melhora pode igualar a elevada eficiência dos compressores semi-herméticos nas mesmas condições de operação.

A mais baixas temperatura de condensação, as vantagens inerentes das baixas fugas de gás e perdas de fluído permitem ao Scroll um desempenho melhor até do que um semi-hermético de alta eficiência.

Para as aplicações de ar condicionado, os compressores Scroll oferecem outras importantes vantagens, ao reduzir os níveis de ruído e vibração. Com a ausência das válvulas dinâmicas e com um processo de fluxo quase contínuo, há uma contribuição mínima das pulsações do gás ao ruído do compressor.

Nos compressores rotativos, grandes pulsações do gás ocorrem contra a carcaça, o qual proporciona ruído adicional. Nos compressores Scroll, a maior contribuição de ruídos é o contato mecânico entre os elementos. De uma maneira geral um compressor Scroll é em média cerca de 3 a 8 dBA mais silencioso do que um compressor semi-hermético do mesmo tamanho.

A vibração associada a um compressor Scroll é geralmente baixa. O processo do fluxo contínuo baixa significativamente a vibração de torção experimentada pelo compressor. Combinando esta vibração de baixa torção com o uso de contrapesos dinamicamente balanceados que compensam a rotação interna dos elementos, pode-se alcançar níveis de vibração estáveis de menos de 50 microns.

Considerações da aplicação

Tal como se estabeleceu previamente, os compressores Scroll são muito utilizados em ar condicionado e refrigeração. Embora não é a intenção deste documento considerar todas as possíveis aplicações, há certos pontos importantes a considerar quando se desenha um sistema.

Como proteção da temperatura, geralmente se recomenda usar um termostato na linha de descarga que pare o compressor antes que a temperatura de descarga ultrapasse certos limites. Alguns modelos de compressores trazem um dispositivo interno de controle de temperatura de descarga como padrão.

Os compressores Scroll são fabricados com proteção interna do motor ou com módulo de proteção de controle externo. Os módulos de controle externos normalmente atuam com base na variação da resistência de uma cadeia de termistores localizada no motor, a qual pode estar em série ou em paralelo.

Os compressores Scroll também podem ter aplicação em uma variedade de unidades de múltiplos compressores, como os tandem (2 compressores em paralelo) e os sistemas paralelos. Uma consideração importante quando se usa o Scroll nestes tipos de aplicações é o sistema de lubrificação.

Os desenhos típicos em tandem incluem tubos de equalização de óleo para manter os níveis do óleo apropriados. Para as aplicações dos sistemas paralelos, se usam geralmente dispositivos eletrônicos de controle do nível de óleo.

Em ambos os casos, certas considerações de desenho do sistema, como o tamanho do separador de óleo, recipientes de óleo, válvulas de corte do fluxo de óleo de retorno quando o compressor não está operando podem proporcionar proteção extra e vida adicional aos compressores instalados.

Uma consideração adicional no desenho de sistemas é o uso de filtros para eliminar impurezas e umidade que não deveriam, mas podem estar presentes e, assim, consequentemente, melhorar a vida dos compressores.

Futuro do scroll e dos refrigerantes alternativos

Baseando-se no êxito do compressor Scroll na última década, o futuro deste tipo de compressor em toda a sua faixa de capacidade é promissor. O rendimento do Scroll e seu baixo nível de ruído tem demonstrado que é superior a outras tecnologias em ar condicionado e, por apresentar melhoras de eficiência adicionais, também em refrigeração. O Scroll é comparável ou mesmo superior aos compressores semi-herméticos de alta eficiência.

Estes compressores oferecem várias opções na modulação da capacidade e em esquemas mais eficientes de injeção de vapor, que podem aumentar sua eficiência e do sistema. Isto é cada vez mais importante para cumprir com os requerimentos futuros de conservação de energia. Além disso, os compressores Scroll já estão preparados para o uso de novos refrigerantes, como o R-410A. Inclusive, foi verificado que alguns novos fluidos apresentam maior eficiência isoentrópica e são mais silenciosos. Estes compressores desenhados para os novos blends mostram ser tão confiáveis como os atuais compressores.

Compressor parafuso

Se cortassemos um compressor parafuso, veríamos dois rotores (´parafusos`). Um com uma rosca macho e outro com fêmea. É exatamente essa diferença que lhe permite comprimir o gás refrigerante enquanto as dos dois parafusos se tocam. Isso pode ser visto na ilustração da direita.

O motor do compressor aciona o rotor macho o qual, por sua vez, aciona o fêmea. Alguns compressores utilizam um sistema injetor de óleo para selar a folga entre as roscas e a parede do compressor.

Os eixos do motor  e de acionamento costumam operar na horizontal. Daí a forma característica, vista na imagem da esquerda.

Sua utilização é comercial e industrial. Em geral a capacidade varia entre 20 a 750 TRs.

Compressor centrífugo

Nos compressor centrífugo, o rotor ou propulsor gira em alta velocidade (3.000 a 20.000 RPM) dentro da carcaça. O refrigerante é alimentado dentro da carcaça, no centro do propulsor. O propulsor força o vapor contra a sua parte externa, através da força centrífuga, fazendo-o mover-se a alta velocidade. A seguir o gás, em alta velocidade, desacelera e expande. Esse é chamado um estágio de compressão.

O gás, com a pressão aumentada entra na sucção de um outro propulsor, passando por todo o processo novamente e saindo com maior pressão ainda. A cada vez que esse processo se repete chama-se de estágio de compressão.

Os modelos voltados para a refrigeração industrial podem chegar a contar com 4 estágios de compressão enquanto os voltados para uso comercial em geral contam com apenas um ou dois estágios.

Em geral os eixos de transmissão e do motor estão dispostos na horizontal dando a forma característica desses compressores, que pode ser vista na foto abaixo.

São compressores que operam com algum barulho devido a alta rotação.

São bastante comuns em equipamentos entre 100 a 10.000 TRs

Óleos de lubrificação

A função básica dos óleos lubrificantes em compressores é diminuir o atrito entre as partes móveis e as fixas, evitando o desgaste prematuro das peças e um aquecimento excessivo. A lubrificação permanecerá satisfatória por um longo período desde que a temperatura de operação, pressão e ausências de substâncias contaminantes esteja assegurada.

É importante lembrar que o óleo se mistura ao gás refrigerante, circulando pelos componentes do ciclo de refrigeração. Um bom projeto de aparelho deve permitir o retorno da mesma quantidade de óleo para o compressor da que está saindo. Essa característica é tão típica que uma forma comum de detectar onde está um vazamento no sistema é identificar onde existe óleo nele.

Os óleos lubrificantes para refrigeração tem características especiais, discutidas abaixo:

Nota: Estas características e outras (ponto de fluidez, resistência dielétrica, ponto de fulgor, ponto de combustão, cor, resistência à oxidação, separação de fase) podem ser checadas em testes específicos de laboratório.

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Fontes:
www.emersonflowcontrols.com.br
www.refrigeracao.net
http://pt.wikipedia.org/wiki/Compressor

 

Curso de Refrigeracao - Parte 7