Figura 1.10 Principais locais de vazamento em um compressor de pistão rolante

1.4 E

A folga entre a superfície externa do pistão e a superfície interna do cilindro, que interliga as câmaras de sucção e descarga, é de particular importância para o bom desempenho do compressor de pistão rolante. A eficiência volumétrica do compressor é grandemente afetada

pelo vazamento de gás através dessa pequena folga, doravante chamada de folga radial. Estima- se que cerca de 30% das perdas internas totais de gás refrigerante são devidas a este vazamento, Krueger (1988). Portanto, um melhor entendimento de seu mecanismo torna-se importante no sentido de aumentar a eficiência do compressor.

Apesar de sua importância, poucos trabalhos tratam do problema do vazamento pela folga radial. A maioria dos autores modelam-no como um escoamento compressível de gás puro em regime permanente. Apenas Yanagisawa e Shimizu (1985) consideram o escoamento compressível de gás em regime transiente modelando, inclusive, o movimento do pistão rolante. Outros autores, contudo, consideram a existência de um filme de óleo ao longo da folga radial e modelam o vazamento como um escoamento incompressível de óleo puro. Estes autores calculam a quantidade de gás perdida durante o processo de compressão usando a diferença de concentração de gás no óleo entre as câmaras de compressão e sucção. Nenhum destes modelos leva em consideração a influência da velocidade tangencial do pistão rolante na modelagem do escoamento do óleo.

Leyderman e Lisle (1995) já introduzem uma evolução na modelagem do escoamento pela folga radial, assumindo o escoamento transiente de óleo com refrigerante dissolvido. Contudo, não consideram a influência deste refrigerante nas propriedades físicas da mistura. Os autores assumem, simplificadamente, a variação da pressão na câmara de compressão, o efeito da velocidade tangencial do pistão rolante, apesar de considerá-la constante, e a variação da folga radial em função do ajuste da bomba (pump setting). De acordo com a dimensão da folga, calculam a vazão de refrigerante considerando escoamento incompressível de óleo com refrigerante dissolvido ou escoamento compressível de gás refrigerante puro entre duas camadas de óleo aderidas em ambas as superfícies, do pistão e dó cilindro.

Entretanto, Costa et al. (1990), em seu experimento de visualização deste vazamento, além de observarem a existência de um filme de óleo preenchendo a folga radial, notam o surgimento de bolhas de gás a jusante da folga mínima, Ô. O gás refrigerante dissolvido no óleo é liberado da mistura, devido à queda brusca de pressão sofrida pelo fluido ao passar pela folga. Concluem, portanto, que um modelo de escoamento bifásico seria mais apropriado para calcular o vazamento. No entanto, em seu modelo, Costa et al. (1990) consideram apenas o escoamento incompressível de óleo puro sem a formação de bolhas.

Na literatura pesquisada, nenhum trabalho considera o vazamento pela folga radial como constituído do escoamento da mistura óleo-refrigerante em regime transiente, assumindo o efeito do gás dissolvido nas propriedades físicas da mistura e contendo as variações temporais de ambas, pressão de compressão e velocidade tangencial do pistão rolante. Além disso, nenhum

modelo leva em conta a formação de bolhas de gás ao longo do escoamento, como visualizado por Costa et al. (1990).

Neste contexto, este trabalho tem como principal objetivo analisar o escoamento estacionário e transiente de óleo e da mistura óleo-refrigerante através da folga radial de compressores rotativos do tipo pistão rolante. No caso do escoamento da mistura, tanto o escoamento monofásico como o bifásico são tratados. O refrigerante R22 é usado para este estudo, embora deva ser substituído, provavelmente, pelo refrigerante R407C.

1.5 E

O trabalho está estruturado em dez capítulos e quatro apêndices. No primeiro capítulo, como pôde ser visto, são apresentadas as características gerais dos compressores rotativos de pistão rolante com o objetivo de introduzir o leitor no assunto. Este mesmo capítulo expõe, ainda, o escopo do trabalho, onde o problema a ser atacado e a importância do estudo são colocados. O Capítulo 2 contém uma ampla revisão bibliográfica do tema principal, o vazamento de gás refrigerante pela folga radial, apresentando os principais modelos desenvolvidos por outros autores e ressaltando a necessidade de estudos mais aprofundados sobre o assunto. O processo de compressão do gás e a dinâmica do pistão rolante, etapas essenciais para a simulação do escoamento em regime transiente, são modelados no Capítulo 3. Do quarto ao nono capítulo são apresentados os modelos de escoamento desenvolvidos aqui, partindo-se do mais simples, o escoamento de óleo puro, passando pelo escoamento monofásico da mistura óleo-refrigerante, até atingir o modelo mais complexo, envolvendo o escoamento bifásico da mistura com a formação de espuma. O primeiro modelo desenvolvido, o escoamento de óleo puro em regime permanente, é apresentado no Capítulo 4, enquanto que o Capítulo 5 trata o mesmo tipo de escoamento em regime transiente. A partir deste capítulo inicia-se o estudo do escoamento da mistura. Inicialmente, no Capítulo 6, desenvolve-se um modelo para o escoamento monofásico, homogêneo e transiente da mistura. Uma evolução deste modelo, o escoamento monofásico, heterogêneo e transiente da mistura, é analisado no Capítulo 7. Dois capítulos são dedicados ao escoamento bifásico da mistura. O Capítulo 8 trata do escoamento bifásico, homogêneo e estacionário, enquanto o Capítulo 9 analisa o mesmo escoamento incluindo a formação de espuma. O Capítulo 10 finaliza o trabalho expondo as principais conclusões e apresentando sugestões para o desenvolvimento de futuros trabalhos. Os Apêndices A-D apresentam informações adicionais diretamente ligadas a alguns tópicos mostrados nos capítulos precedentes, com o objetivo de esclarecer melhor o leitor.

Va z a m e n t o

d e

r e fr ig e r a n te

p e la

fo lg a

r a d ia l

2.1 I

Os vazamentos de gás refrigerante da câmara de compressão para a de sucção através das várias folgas do compressor de pistão rolante são os principais responsáveis pela redução de sua eficiência volumétrica. Dentre eles, o vazamento pela folga radial constitui-se em um dos mais importantes para o bom desempenho deste tipo de compressor. Segundo Krueger (1988), 30% das perdas internas totais de gás refrigerante são devidos a este vazamento. Este capítulo tem como objetivo fundamental apresentar os principais trabalhos dedicados à modelagem do vazamento de gás refrigerante pela folga radial.

2.2 M

Pandeya e Soedel (1978) modelam o vazamento de gás através da folga radial como um escoamento compressível sem atrito em um bocal convergente-divergente, como o ilustrado na Figura 2.1. Os autores assumem comportamento de gás ideal para o refrigerante e escoamento crítico na secção transversal mínima do bocal (garganta), isto é, M =l. Além disso, desprezam o efeito de Couette devido à rotação do pistão, ou seja, assumem que o vazamento é devido apenas ao diferencial de pressão entre as câmaras de compressão e sucção.

Po T0

v0=o