Os compressores desempenham um papel crucial nos sistemas de refrigeração. Eles são responsáveis por atender à demanda de resfriamento em câmaras frigoríficas, processos industriais e equipamentos. Ter um bom conhecimento sobre o funcionamento dos compressores é essencial, especialmente porque, na maioria das instalações frigoríficas, esses são os equipamentos que consomem mais energia. Neste artigo, exploraremos os principais tipos de compressores e como as diferentes temperaturas de evaporação afetam o desempenho desses equipamentos.
Tipo de Compressores:
Os compressores podem ser classificados de acordo com a sua estrutura e o modo em que o fluido é comprimido no seu interior. O tipo de estrutura se refere ao modo em que o motor elétrico é acoplado ao compressor, podendo ser aberto, hermético ou semi-hermético. Já pelo lado do modo de compressão, os principais compressores utilizados na refrigeração industrial são os compressores alternativos (ou recíprocos) e os compressores de parafuso.
Compressores abertos: São acionados por um motor externo, que se conecta ao compressor através de um eixo que atravessa sua carcaça. Em instalações que utilizam amônia como fluido refrigerante, esse tipo de compressor é o único adequado. Também são empregados em instalações que fazem o uso de fluidos halogenados.
Compressores semi-herméticos: Tanto o compressor quanto o motor elétrico são alojados dentro de um invólucro. Esse tipo de compressor utiliza o vapor do refrigerante para resfriar o enrolamento do motor e operam com diversos fluidos. Seu nome se deve ao fato de poderem ser abertos para manutenção ou reparo.
Compressores herméticos: São aqueles que possuem o motor elétrico e o compressor integrados a uma mesma carcaça, que é soldada e vedada. Esse tipo de compressor não permite o acesso aos componentes internos, apenas às conexões de entrada e saída do fluido refrigerante e às conexões elétricas do motor.
Compressores alternativos ou recíprocos: Nesse tipo de compressor, o fluido refrigerante é admitido em um cilindro e comprimido por um pistão, que é acionado por um motor elétrico. Seu funcionamento pode ser ilustrado pela figura a seguir:
O movimento rotativo do motor faz com que o pistão se desloque até o ponto morto inferior (PMI), criando uma diferença de pressão entre as partes interna e externa do cilindro. Essa diferença de pressão faz com que a válvula de admissão se abra, permitindo a entrada de vapor refrigerante. Após a pressão se equalizar, a válvula de admissão é fechada pela ação de uma mola. Na próxima etapa, o pistão se desloca em direção ao ponto morto superior (PMS). Durante esse processo, a pressão no cilindro aumenta gradativamente, até que seja suficientemente alta para vencer a pressão da mola da válvula de descarga, permitindo que o fluido seja descarregado para o condensador.
Compressores parafusos: Na indústria, os compressores de parafuso duplo são os mais utilizados. Este tipo de equipamento conta com dois rotores helicoidais, um macho e outro fêmea, que se encaixam para formar uma câmara de compressão nos espaços vazios criados pelos lóbulos dos rotores. O gás é admitido pela parte superior do compressor, preenchendo os espaços vazios. Os rotores, acionados por um motor elétrico, giram em sentidos opostos, deslocando e comprimindo o gás à medida que o lóbulo do rotor macho se encaixa na reentrância do rotor fêmea. O gás comprimido é então descarregado pela parte inferior do equipamento.
Os compressores de parafuso se destacam por sua construção mais simples, com menos componentes e partes móveis, o que resulta em menor necessidade de manutenção e níveis de ruído reduzidos. Além disso, eles podem ser utilizados em aplicações de alta e baixa pressão.
Efeitos da temperatura de evaporação:
A temperatura de evaporação afeta diretamente o desempenho dos compressores. Neste tópico abordaremos a influência que ela exerce. Devemos nos lembrar que temperatura e pressão caminham juntas, portanto, quanto menor a temperatura, menor é a pressão exercida pelo fluido, e quanto maior a temperatura, maior é a pressão. A temperatura de evaporação afeta as seguintes variáveis: vazão de refrigerante, capacidade frigorífica e potência de compressão.
Vazão de refrigerante: Para facilitar a compreensão, vamos usar como exemplo um compressor alternativo de amônia e associaremos as temperaturas às pressões equivalentes. Ao observar a construção de um conjunto pistão-cilindro, notamos que existe um volume morto onde o pistão não atua. Esse volume morto é uma área dentro do cilindro que não é afetada pelo movimento do pistão. Isso influencia a eficiência do compressor, pois mesmo quando o pistão está em sua posição mais avançada, ainda há uma quantidade de gás que não é comprimida.
O rendimento volumétrico desse conjunto depende da expansão do gás que fica preso neste espaço, após a descarga. Conforme mencionado anteriormente, para que o fluido seja admitido no cilindro, é necessário que o pistão se desloque até um ponto em que a pressão no seu interior seja menor que a pressão de sucção (pressão de evaporação).
Numa hipótese em que a temperatura de evaporação e condensação fossem iguais, 35°C (13,5 bar), por exemplo, não ocorreria a expansão do gás no volume morto, pois qualquer deslocamento do pistão no sentido inferior permitiria a entrada de refrigerante no cilindro. Neste caso, o rendimento volumétrico seria de 100%, pois as pressões de aspiração e descarga são iguais. Ao passo em que a temperatura de evaporação é reduzida, é necessário que o pistão se desloque mais para que a pressão no volume morto se iguale à de sucção. Sendo assim, quanto menor a temperatura de evaporação, menor é o rendimento volumétrico e, consequentemente, menor a vazão mássica de refrigerante, podendo até assumir um valor nulo.
Já para os compressores parafuso, que possuem uma construção distinta, o rendimento volumétrico não influencia muito a vazão do refrigerante. Nesse tipo de compressor, o que afeta o seu desempenho é a densidade do vapor refrigerante na aspiração, que diminui junto com a temperatura de evaporação.
Capacidade de refrigeração: A capacidade de refrigeração de um compressor é determinada pelo produto da vazão mássica de refrigerante e o efeito de refrigeração (diferença de entalpia entre a saída e a entrada de refrigerante no evaporador). Para a amônia, o efeito de refrigeração varia pouco com a temperatura de evaporação, portanto a capacidade é afetada principalmente pela vazão mássica do refrigerante, que diminui à medida que a temperatura de evaporação é reduzida.
Potência de compressão: A potência de compressão é a quantidade de energia que um compressor deve fornecer ao fluido para que sua pressão seja elevada. Podemos encontrar a potência de compressão através do produto da vazão mássica de refrigerante pelo trabalho de compressão (diferença de entalpia entre a saída e a entrada de refrigerante no compressor), conforme mostrado na equação a seguir:
w = m (h2-h1)
Onde:
W = Potência de compressão [kW]
m = Vazão mássica [kg/s]
h1 = Entalpia do refrigerante na entrada do compressor [KJ/kg]
h2 = Entalpia do refrigerante na saída do compressor [KJ/kg]
Podemos deduzir então que, para temperaturas de evaporação baixas o trabalho de compressão é elevado e reduz à medida que a temperatura de evaporação se eleva, anulando-se quando se iguala à temperatura de condensação. Entretanto, a vazão de refrigerante também afeta a potência de compressão e, como vimos anteriormente, a densidade do vapor diminui junto com a temperatura de evaporação, fazendo com que a vazão mássica de refrigerante reduza à medida em que temperatura de evaporação diminui.
O gráfico a seguir mostra os efeitos da temperatura de evaporação sobre a potência de compressão e trabalho de compressão. Neste caso, para um compressor de amônia ideal, com taxa de deslocamento de 0,146 m³/s, espaço nocivo de 4,0% e temperatura de condensação de +35°C (13,50 bar).
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Referências:
- ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ASHRAE Handbook – Refrigeration 2018, Atlanta, 2018.
- STOECKER, W.F. Industrial Refrigeration Handbook. McGraw-Hill, 1998.
- STOECKER, W.F., JABARDO, J.M.S. Refrigeração Industrial. 2 ed., São Paulo, Blucher, 2002.
- https://pressurecompressores.com/blog/compressor-pistao-ou-parafuso-veja-qual-o-tipo-de-compressor-e-o-melhor-para-o-seu-trabalho/
- https://mayekawa.com.br/compressores-alternativos/
- https://mayekawa.com.br/compressores-parafuso/
Sobre o autor:
Engenheiro mecânico (CREA 2001408), formado pela Universidade da Região de Joinville – Univille. Há 9 anos trabalha no ramo de refrigeração industrial, tendo experiência em projetos e atualmente desempenhando a função de analista de negócios na Kalter Refrigeração Industrial.
