Bancada de testes de ciclo quente

Ensaios experimentais em compressores são realizados com diferentes propósitos, desde testes para análise de eficiência e averiguação do nível de ruído até análise específica de um componente isolado do compressor. Para a realização de alguns desses ensaios, faz-se necessário conectar o compressor a uma bancada experimental com a finalidade de submetê-lo a condições de operação desejadas. A definição de uma condição de operação consiste na fixação de alguns parâmetros de teste como a rotação do compressor, as temperaturas de evaporação e condensação (conseqüentemente as pressões de evaporação e condensação, ou de sucção e descarga), a temperatura de sucção do compressor e a temperatura do ambiente em que o compressor operará. Assim, para que o ensaio experimental seja bem sucedido, é preciso garantir o controle sobre os parâmetros citados acima, ou seja, sobre as condições de operação3.

A bancada experimental utilizada para a execução dos testes é denominada de bancada de ciclo quente, e pode ser observada na Figura 4.1. Este nome provém do fato de não haver mudança de fase do fluido refrigerante que escoa dentro do sistema da bancada, permanecendo somente na fase de vapor superaquecido. Tal peculiaridade é

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No presente trabalho, o compressor é testado em três condições de operação distintas, caracterizadas por diferentes valores de temperaturas de evaporação e de condensação.

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perfeitamente aceitável, uma vez que o objeto da análise é o compressor, o qual opera somente com fluido refrigerante na fase de vapor superaquecido, mesmo quando inserido em um ciclo de refrigeração. De fato, a condição de vapor superaquecido deve ser garantida, pois a presença de líquido dentro da câmara de compressão poderia trazer danos irreparáveis ao compressor, principalmente do ponto de vista de válvulas, em decorrência do chamado “golpe de líquido”.

(a) (b)

Figura 4.1 – Bancada experimental utilizada no presente trabalho. (a) Vista frontal, (b) Vista traseira.

Assim sendo, no que diz respeito aos componentes do ciclo de refrigeração, a bancada de ciclo quente é composta por apenas dois deles, o compressor e o dispositivo de expansão. A Figura 4.2 mostra um diagrama esquemático para pressão versus entalpia específica (p-h), comparando um ciclo de refrigeração com o ciclo quente.

O circuito 1-3-4-6-1 caracteriza um ciclo de refrigeração convencional, com as regiões de evaporação e condensação bem definidas, enquanto que o circuito 2-3-4-5-2 ilustra o ciclo quente, situado em sua totalidade na região de vapor superaquecido. A linha formada pela união dos pontos 5-6-1-2 faz parte somente do ciclo de refrigeração, a linha 5-2, somente do ciclo quente, enquanto que a linha 2-3-4-5 é comum aos dois ciclos. Ao contemplar a figura, nota-se que o processo de compressão, esboçado pela linha de 3- 4, é comum aos dois ciclos, demonstrando, do ponto de vista termodinâmico, a viabilidade do uso da bancada de ciclo quente para testes de compressores.

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Figura 4.2 – Diagrama p - h esquemático mostrando o ciclo de refrigeração convencional e o ciclo quente.

O ciclo quente observado na Figura 4.2 mostra, além da compressão definida pelo processo 3-4, uma região de resfriamento à alta pressão (processo 4-5) seguida de uma única expansão (processo 5-2). O ciclo se fecha com aquecimento à baixa pressão (processo 2-3), voltando ao ponto de sucção do compressor.

Ao contrário do que ocorre no ciclo quente comentado acima, a bancada experimental utilizada no presente trabalho opera com dois dispositivos de expansão, caracterizando o ciclo com três níveis de pressão: pressões de sucção e descarga (padrões), e uma pressão intermediária. A bancada foi assim construída, pois a presença de duas válvulas de expansão permite um melhor controle sobre as pressões de sucção e descarga do sistema. O ajuste de pressões no ciclo com apenas uma válvula de expansão é um processo extremamente sensível, uma vez que a interferência da pressão de sucção na pressão de descarga, e vice-versa, se dá de forma direta. A linha da descarga é separada da linha de sucção apenas pelo compressor e por um dispositivo de expansão. Ao adicionar um dispositivo de expansão ao sistema, as linhas de sucção e descarga estarão separadas pelo compressor e por duas válvulas de expansão, e entre as duas válvulas, haverá uma linha de pressão intermediária, operando como um “pulmão” do ciclo quente. O conceito “pulmão” surgiu, pois esta linha atua como um reservatório de gás e, durante o ajuste das duas válvulas, o mesmo não permite que as pressões de sucção e descarga afetem uma à outra tão intensamente, como ocorreria caso houvesse somente uma válvula. O controle das pressões de sucção e descarga se torna menos sensível, o que

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proporciona maior facilidade para atingir a condição de operação desejada. A Figura 4.3 mostra um diagrama esquemático pressão versus entalpia específica (p-h), comparando o ciclo quente convencional com o ciclo quente composto por três níveis de pressão.

Figura 4.3 – Diagrama p - h esquemático mostrando o ciclo quente convencional e o ciclo quente composto por três níveis de pressão.

O circuito 1-2-3-5-1 representa o ciclo quente convencional, enquanto que a seqüência 1-2-3-4-5’-6-1 caracteriza o ciclo quente com duas expansões.

Além do compressor e dos dispositivos de expansão, a bancada experimental necessita de outros equipamentos. Em linhas gerais, tais equipamentos têm a função de realizar a leitura e o controle de parâmetros de interesse durante um teste. As medições realizadas pela bancada compreendem, além das medidas de pressão, medidas de temperatura, fluxo de massa e consumo energético do compressor.

A Figura 4.4 apresenta um esquema do circuito térmico da bancada de ciclo quente utilizada neste trabalho. Uma legenda foi preparada para auxiliar na identificação dos elementos do circuito térmico, sendo dividida em três categorias: componentes, instrumentos de medição e instrumentos de controle.

1. Componentes:

• C – Compressor;

• VES – Válvula de Expansão da Sucção;

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75 • VED – Válvula de Expansão da Descarga;

• BP VED – By-Pass na Válvula de Expansão da Descarga;

• TC – Trocador de Calor Contra-Corrente (água como fluido de trabalho);

• VS1, VS2 e VS3 – Válvulas de Serviço. 2. Instrumentos de medição:

• TPS – Transmissor de Pressão da Sucção; • TPD – Transmissor de Pressão da Descarga; • MFM – Medidor de Fluxo de Massa;

• PT100S – Termoresistência4 da Sucção; • PT100D – Termoresistência da Descarga; • PT100MFM – Termoresistência no MFM. 3. Instrumentos de controle:

• CONPS – Controlador PID5 da Pressão de Sucção; • CONPD – Controlador PID da Pressão de Descarga; • CONTS – Controlador PID da Temperatura na Sucção; • CONTD – Controlador PID da Temperatura na Descarga; • CONTMFM – Controlador PID da Temperatura no MFM; • TES – Traceamento Elétrico6 na Sucção;

• TED – Traceamento Elétrico na Descarga; • TEMFM – Traceamento Elétrico no MFM.

4 _{Sensores de temperatura que têm seu princípio de operação baseado na variação da sua resistência ôhmica.} 5 _{PID (Proporcional Integral Derivativo) consiste em uma técnica muito utilizada em controle de processos}

industriais. O controlador PID busca aproximar um valor medido, denominado variável de processo, do valor desejado, ou set-point, através do cálculo e conseqüente envio de um sinal de correção para o equipamento que atua diretamente no parâmetro a ser controlado (por exemplo: servomotor, resistor elétrico), ajustando adequadamente o processo.

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Figura 4.4 – Esquema do circuito térmico da bancada de ciclo quente.

A trajetória do fluido refrigerante dentro da bancada de ciclo quente é a seguinte: vapor superaquecido é succionado pelo compressor (C). Após a compressão, este segue à alta pressão em direção à válvula de expansão da descarga (VED), onde passa por sua primeira expansão, atingindo a chamada pressão intermediária. Nesta linha, a vazão do escoamento é medida através do medidor de fluxo de massa (MFM). Na seqüência, o escoamento sofre uma segunda expansão, ao passar pela válvula de expansão da sucção (VES). Agora, à baixa pressão, o vapor segue em direção ao compressor, onde é succionado novamente, completando o ciclo.

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