Componentes e características operacionais

O aparato experimental é essencialmente um sistema de refrigeração com 600W de capacidade de refrigeração na condição HBP (High Back

Pressure) que pode ser facilmente rearranjado para contemplar diferentes

configurações de ciclo. Um esquema da bancada é mostrado na Figura 3.1, onde podem ser visualizados os subsistemas responsáveis pelos processos de expansão, compressão, carga de refrigerante e taxa de transferência de calor além de identificar a posição dos sensores de temperatura, pressão e vazão.

No Apêndice C são listados a especificação e o fabricante dos componentes utilizados no aparato experimental.

A bancada experimental (Figura 3.2) está dividida em duas partes: (i) na parte superior encontram-se os diferentes circuitos, com os respectivos trocadores de calor, válvulas, vasos de pressão, etc (Figura 3.3); (ii) na parte inferior encontram-se os equipamentos que estabelecem as condições de operação, como bombas, banhos termostáticos, separadores de óleo e estação de carga de refrigerante (Figura 3.4).

Figura 3.2 – Bancada de testes

Figura 3.3 – Área superior da bancada

A bancada utiliza um compressor de CO2 (Embraco EK6210CD 220V/60Hz) com deslocamento volumétrico de 1,75cm3 _{e 3600 rpm (Figura} 3.5). Por recomendação do fabricante, este compressor é arrefecido por um fluxo de ar fornecido por um ventilador axial (Figura 3.5). Na descarga do compressor existem 3 separadores de óleo, montados em série, para evitar a circulação de óleo no circuito (Figura 3.6). O óleo lubrificante retorna ao compressor em intervalos de 40min, sob ação de uma válvula solenoide. Um visor instalado no cárter do compressor permite o monitoramento visual do nível de óleo.

Figura 3.5 – Compressor Figura 3.6 – Separadores de óleo O evaporador (Figura 3.7) e o gas cooler (Figura 3.8) são trocadores de calor do tipo tubo-em-tubo montados em contracorrente, com fluxo interno de CO2 e externo de fluido secundário. Os trocadores foram confeccionados com tubos de cobre de 6,35mm de diâmetro para o tubo interno e 19,05mm para o externo. Ambos possuem 3m de comprimento e são isolados termicamente do meio ambiente.

Figura 3.7 – Evaporador (em primeiro

Os tubos e conexões usados no circuito de refrigeração são de aço inox com 6,35mm de diâmetro e 1mm de espessura.

Dois circuitos secundários, um frio e outro quente, são usados para controlar a transferência de calor no evaporador e no gas cooler, respectivamente. As temperaturas dos fluidos secundários são controladas por banhos termostáticos, um frio para o evaporador (Figura 3.9) e outro quente para o gas cooler (Figura 3.10). Como fluido secundário, utiliza-se uma solução de água + etileno-glicol no evaporador e água no gas cooler.

Duas bombas de palhetas (Figura 3.11) controlam as vazões de fluido secundário enviadas aos trocador de calor (Figura 3.12).

Figura 3.9 – Banho termostático frio Figura 3.10 – Banho termostático quente

Figura 3.11 – Estação de bombeamento

de fluido secundário Figura 3.12 – Distribuição de fluido secundário: azul/evaporador e vermelho/gas cooler

A Figura 3.13 mostra o trocador de calor interno (iHX) utilizado em alguns testes. Consiste num trocador de calor do tipo microcanal, de alumínio e em fluxo contracorrente.

Figura 3.13 – Trocador de calor interno

Os ensaios experimentais foram realizados com dois tipos de dispositivo de expansão: o tubo capilar (TC) e o tubo capilar montado em série com uma válvula micrométrica (Figura 3.14). Através da combinação capilar + válvula pode-se variar a restrição do dispositivo de expansão e assim emular diferentes geometrias de tubo capilar ou mesmo a lógica de operação de válvulas termostática, pressostática e de controle da pressão de descarga.

Figura 3.14 – Dispositivo de expansão

Entre a válvula e o capilar existe uma câmara intermediária que tem a função de acumular o fluido pré-expandido pela válvula micrométrica e alimentar o tubo capilar. Deve possuir um comprimento reduzido e estar

montada num ângulo de aproximadamente 45° em relação a horizontal para evitar variações bruscas no grau de restrição ao escoamento. Tais variações são causadas pela presença de bolhas de vapor na entrada do tubo capilar. O tubo capilar acoplado à saída da câmara intermediária tem a função de otimizar a operação do conjunto válvula micrométrica + capilar já que a válvula micrométrica aplicada sozinha também impõem instabilidades na operação do sistema.

A bancada também possui um sistema para controle da massa de refrigerante contida no circuito (Figura 3.15). Tal sistema é composto por um reservatório montado sobre uma balança de precisão. Um conjunto de válvulas interliga o reservatório ao circuito principal, permitindo a adição ou a remoção de fluido (Figura 3.16). A válvula micrométrica permite o ajuste do fluxo de refrigerante saindo ou entrando do reservatório. Já as válvulas de controle permite interligar a estação de carga à sucção do compressor – para a adição de fluido no sistema – ou à descarga do compressor – para a extração de carga.

Figura 3.15 – Estação de carga de

refrigerante Figura 3.16 – Manifold de ajuste de carga Um sistema National Instruments SCXI com software LabVIEW® _é utilizado no monitoramento do funcionamento da bancada e na aquisição de dados; no controle da vazão dos fluidos secundários, do retorno de óleo e das válvulas solenoides; na detecção de condições críticas de pressão e temperatura a fim de atuar de forma a contornar situações operacionais de risco.

A instalação e integração dos diversos componentes seguiu rigorosamente as recomendações dos fabricantes para evitar interferências e falhas de comunicação. Deve-se destacar o cuidado com a interligação do conjunto sistema de aquisição/inversores de frequência/motores, enorme

fonte de interferência, e do imprescindível – mas na maioria de vazes relegado – aterramento dos sensores.