André Vinícius Rocha Silva
AUTOMA¸CÃO DE UMA BANCADA PARA EMULA¸CÃO DE PARTIDA DE COMPRESSORES
Disserta¸cão submetida ao Programa de Pós-Gradua¸cão em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obten¸cão do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Rodolfo César Costa Flesch, Dr. Eng.
Florianópolis 2018
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Silva, André Vinícius Rocha
Automação de uma bancada para emulação de partida de compressores / André Vinícius Rocha Silva ; orientador, Rodolfo César Costa Flesch, 2018. 111 p.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018. Inclui referências.
1. Engenharia Mecânica. 2. Automação de ensaios. 3. Compressores de refrigeração. 4. Bancadas de ensaio. 5. Curva característica. I. Flesch, Rodolfo César Costa. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. III. Título.
André Vinícius Rocha Silva
AUTOMA¸CÃO DE UMA BANCADA PARA EMULA¸CÃO DE PARTIDA DE COMPRESSORES
Esta Disserta¸cão foi julgada adequada para a obten¸cão do Título de “Mestre em Engenharia Mecânica”, e aprovada em sua forma final pelo
Programa de Pós-Gradua¸cão em Engenharia Mecânica. Florianópolis, 07 de Dezembro de 2018.
Prof. Jonny Carlos da Silva, Dr. Eng. Coordenador do Curso
Universidade Federal de Santa Catarina Banca Examinadora:
Prof. Rodolfo César Costa Flesch, Dr. Eng. Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Marco Antônio Martins Cavaco, Ph. D. Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Hector Bessa Silveira, Ph.D. Universidade Federal de Santa Catarina
Dedico este trabalho a minha família, que me deu estrutura para chegar até aqui.
AGRADECIMENTOS
O meu primeiro agradecimento devo ao Professor Rodolfo, que me orientou durante todo o mestrado. Sempre muito solícito, dispo-nível e acessível. Se não fosse por sua orienta¸cão execepcional, talvez não tivesse nem come¸cado este projeto. Se todos tivessem um professor assim, talvez a pesquisa no Brasil estivesse um pouco mais avan¸cada.
Agrade¸co a toda a equipe LIAE, pela consultoria e apoio. Sempre tinha alguém para ajudar, não importando qual fosse a tarefa.
Agrade¸co à CAPES, à Universidade Federal de Santa Catarina e à Embraco por acreditarem na minha competência e investirem no meu trabalho.
Agrade¸co à Fernanda, por estar comigo nos pontos altos e baixos dessa trajetória. Sem ela não teria conseguido chegar ao final desse projeto. Junto, obviamente, ao Aladin e à Minerva Sofia que tantas vezes me fizeram companhia, sempre do meu lado.
Por último, e não menos importante, agrade¸co a minha família e amigos, que durante todo o projeto me deram o suporte necessário para enfrentar os momentos difíceis e a alegria necessária para comemorar as conquistas.
Tudo vale a pena se a alma não é pequena. (Fernando Pessoa, 1934)
RESUMO
Na indústria de compressores para sistemas de refrigera¸cão, diversos ensaios são realizados. Entre os ensaios está o de abaixamento de temperatura, do qual é possível ser obtida a curva característica da evolu¸cão das pressões do compressor quando empregado em um sis-tema de refrigera¸cão específico. Apesar de o maior interesse para dimen-sionamento do motor do compressor estar nos instantes iniciais desse ensaio, a prepara¸cão do ensaio pode demorar até 2 dias e o ensaio pre-cisa ser realizado em uma câmara climática específica. Como forma de acelerar esse processo, foi desenvolvida uma bancada manual que impõe condi¸cões no compressor em teste a fim de fazê-lo seguir uma determinada evolu¸cão das pressões. A emula¸cão de curvas característi-cas na bancada se mostrou promissora. A bancada manual, entretanto, não permite um ajuste fino dos seus parâmetros e necessita de um ope-rador treinado para realizar os ensaios. O procedimento para o ajuste dos atuadores por vezes é demorado e pode trazer riscos ao operador. O presente trabalho apresenta um estudo acerca da automa¸cão dessa bancada manual, bem como resultados experimentais obtidos com a bancada automática. Foram automatizadas uma válvula do tipo agulha e um sistema de posicionamento da haste de um cilindro com solu¸cões práticas e diretas. Obteve-se uma melhora nos resultados dos ensaios realizados e a bancada automatizada os realiza consecutivamente sem a necessidade de um operador, com um tempo de preparo 5 vezes menor. Como a bancada manual foi construída como um protótipo, de forma bastante simples, a resolu¸cão utilizada nos ensaios era extremamente baixa. Com a automatiza¸cão, a resolu¸cão passou de 180º para 0,18º na válvula e de 34 mm para 0,004 mm no posicionamento da haste do ci-lindro. Este trabalho também apresenta um método para a compara¸cão das curvas obtidas nas duas versões da bancada e um estudo sobre a aplicabilidade da bancada.
Palavras-chave: Automa¸cão de ensaios, Compressores de refrigera¸cão, Bancadas de ensaio, Curva característica, Aplica¸cão industrial.
ABSTRACT
Several types of tests are performed by manufacturers of compressors for refrigeration. Among all these tests there is one known as pull-down test from which it is possible to obtain the pressure curve from the start of the compressor on a specific refrigeration system. Although the most valuable portion for sizing the motor is located at the beginning of the test, the test setup may last for days and the test needs to be done inside a specialized climatic chamber. In order to speed up the process, a manual test rig to impose a given pressure curve to a compressor under test was developed. The manual test rig has shown positive results. This dissertation discusses a solution for the automation of this test rig and shows results of the experimental evaluation of the proposed solution, focusing on decreasing human interference on the results and improving the overall quality of the tests. We have automated a needle valve and a linear positioning system by using practical and straightforward solutions. We have achieved a significant improvement in the tests results. The time required for the test setup is 5 times smaller in the automated test rig and it does not need an operator for consecutive tests. The resolution used in the tests has dropped from 180º to 0.18º on the needle valve and from 34 mm to 0.004 mm on the linear positioning system. This improvement on the resolution is explained by the positioning method and the actuators limitations. A comparison method between both versions of the test rig and a study on feasibility of the test rig is also presented.
Keywords: Automation of tests, Refrigeration compressors, Test rigs, Pressure curve, Industrial application.
LISTA DE FIGURAS
1.1 Exemplo de curva característica emulada pela bancada
manual . . . 28
2.1 Ciclo de refrigera¸cão por compressão . . . 32
2.2 Ciclo de refrigera¸cão representado em um diagrama pressão-entalpia . . . 33
2.3 Compressor hermético alternativo . . . 34
2.4 Ciclo de compressão em um compressor hermético alter-nativo . . . 36
2.5 Esquema de uma câmara de ensaios . . . 37
2.6 Exemplo de uma curva característica retirado de um en-saio real de abaixamento de temperatura . . . 39
2.7 Curvas característica e de tombamento genéricas . . . . 41
2.8 Esquema utilizado para valida¸cão . . . 42
2.9 Plataforma HIL de baixo custo . . . 43
2.10 Esquema de controle de carga . . . 44
2.11 Esquema da bancada . . . 45
2.12 Esquema simplificado da bancada . . . 47
2.13 Esquema simplificado da bancada . . . 48
3.1 Esquema geral da bancada manual . . . 51
3.2 Válvula agulha . . . 52
3.3 Cilindro da bancada manual . . . 53
3.4 Bancada manual . . . 54
4.1 Projeto do batente do cilindro . . . 59
4.2 Modelo da guia linear . . . 60
4.3 Guia linear com batente . . . 61
4.4 Encaixe da haste do cilindro no batente . . . 61
4.5 Projeto da pe¸ca para a guia linear . . . 62
4.6 Estrutura do motor . . . 65
4.7 Posicionamento dos sensores de fim de curso . . . 67
4.8 Esquema de controle da guia linear . . . 68
4.9 Resultado obtido avan¸cando a mesa . . . 69
4.10 Resultado obtido recuando a mesa . . . 69
4.11 Resultado obtido levando a mesa aos extremos . . . 70
4.12 Solu¸cão para a movimenta¸cão da válvula . . . 72
4.13 Resultado obtido abrindo a válvula . . . 74
4.14 Resultado obtido fechando a válvula . . . 74
4.15 Resultado obtido variando a abertura da válvula . . . 75
4.17 Fluxograma de controle de posi¸cão . . . 79
4.18 Se¸cão da bancada e as variáveis relacionadas . . . 81
4.19 Duas inclina¸cões da curva . . . 84
4.20 Ensaios variando o volume do cilindro . . . 85
4.21 Ensaios variando a abertura da válvula . . . 86
5.1 Emula¸cão da Curva 1 . . . 92
5.2 Emula¸cão da Curva 2 . . . 93
5.3 Emula¸cão da Curva 3 . . . 94
5.4 Emula¸cão da Curva 4 . . . 96
LISTA DE TABELAS
2.1 Classifica¸cão dos sistemas . . . 38
4.1 Características da solu¸cão . . . 64
5.1 Rela¸cão das curvas copiadas . . . 91
5.2 Erro médio absoluto obtido com a Curva 1 . . . 92
5.3 Erro médio absoluto obtido com a Curva 3 . . . 95
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
(do inglês Institute of Electrical and Electronics En-gineers)
LABMETRO Laboratório de Metrologia e Automatiza¸cão LIAE Laboratório de Instrumenta¸cão e Automa¸cão de
Ensaios
SSI Interface Serial Síncrona (do inglês Synchronous Serial Interface)
LISTA DE SÍMBOLOS C Parâmetro de compara¸cão de curvas Cv Coeficiente de vazão
\.
mc Taxa de varia¸cão da massa no interior do cilindro
\.
me Vazão mássica vinda do compressor
\.
ms Vazão mássica através da válvula
n Número de pontos da curva emulada P Ponto da curva emulada
pc Pressão no interior do cilindro
Pcc Ponto da curva a ser copiada
pr Pressão no interior do reservatório
R Constante característica do gás
Tc Temperatura absoluta no interior do cilindro
Vc Volume do interior do cilindro
SUMÁRIO 1 Introdu¸cão 25 1.1 Objetivos . . . 28 1.1.1 Objetivo geral . . . 28 1.1.2 Objetivos específicos . . . 29 1.2 Estrutura do documento . . . 29 2 Revisão da literatura 31 2.1 Sistemas de refrigera¸cão . . . 31 2.2 Compressores alternativos herméticos . . . 34 2.3 Ensaios de abaixamento de temperatura . . . 36 2.4 Bancadas de ensaios de sistemas de refrigera¸cão . . . 42 2.4.1 Bancadas de emula¸cão . . . 42 2.4.2 LIAE . . . 48
3 Bancada manual 51
3.1 Estrutura da bancada . . . 51 3.2 Ensaios manuais . . . 54
4 Automa¸cão da bancada 57
4.1 Movimenta¸cão do cilindro . . . 57 4.1.1 Guia linear . . . 60 4.1.2 Motor . . . 63 4.1.3 Posicionamento . . . 64 4.1.4 Controle de posi¸cão . . . 66 4.1.5 Resultados experimentais do controle de posi¸cão 68 4.2 Movimenta¸cão da válvula . . . 71 4.2.1 Encoder absoluto . . . 72 4.2.2 Resultados experimentais do controle de
posi¸cão angular . . . 73 4.3 Software . . . 76 4.4 Métodos de ensaio . . . 80 4.4.1 Escolha dos parâmetros dos ensaios . . . 80 4.4.2 Método de compara¸cão entre curvas . . . 87
5 Resultados experimentais 89
5.1 Compressores utilizados . . . 89 5.2 Cópias das curvas . . . 90 5.2.1 Curva 1 . . . 91 5.2.2 Curva 2 . . . 92 5.2.3 Curva 3 . . . 94
5.2.4 Curva 4 . . . 96 5.3 Análise dos resultados . . . 98
6 Considera¸cões finais 101
6.1 Conclusões . . . 101 6.2 Sugestões para trabalhos futuros . . . 102
1 INTRODU¸CÃO
Sistemas de refrigera¸cão são amplamente utilizados para di-versas aplica¸cões, como armazenamento de alimentos, conforto tér-mico e garantia de condi¸cões de fabrica¸cão (GULLO et al., 2018; FI-LETI et al., 2007). Para que se tenha ideia da dimensão da aplica¸cão de refrigera¸cão, segundo dados da Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílio (IBGE, 2015), 97,8% dos domicílios brasileiros pos-suem ao menos um refrigerador. A maioria desses sistemas pospos-suem um ou mais compressores (MORAN; SHAPIRO, 2010).
Por conta da sua relevância, a indústria de compressores é extremamente competitiva, tanto em termos de custos quanto de exigência de qualidade. Como consequência, os fabricantes inves-tem recursos em pesquisa e desenvolvimento para desenvolver pro-dutos melhores, mais eficientes e mais econômicos. Para validar os avan¸cos tecnológicos e verificar a qualidade dos produtos, é neces-sário realizar ensaios que permitam avaliar diversas características dos compressores. As informa¸cões coletadas também auxiliam nas decisões dos fabricantes e fornecem dados para o desenvolvimento de novas pesquisas (ANTONELO et al., 2018). Dentre as diversas ca-racterísticas analisadas nos ensaios, existe a curva característica da evolu¸cão das pressões do fluido refrigerante na partida do sistema de refrigera¸cão. A partir dessa curva é possível encontrar o ponto mais crítico da solicita¸cão do compressor no sistema de refrigera¸cão, o que determina o torque máximo exigido do motor e, por con-sequência, a quantidade de espiras exigidas nos enrolamentos do estator. É importante poder caracterizar bem esse parâmetro para que o compressor atenda adequadamente as solicita¸cões mecâni-cas impostas a ele sem a necessidade de uma grande margem de seguran¸ca, que está diretamente relacionada ao aumento do nú-mero de espiras, que eleva o custo do motor. Essa curva é um atri-buto do par compressor-sistema de refrigera¸cão, ou seja, para cada combina¸cão de compressor com sistema de refrigera¸cão existe uma curva característica (THOMAZINI JR, 2015).
As curvas características normalmente são levantadas em en-saios de abaixamento de temperatura. Esses enen-saios são realizados nos sistemas de refrigera¸cão e têm o objetivo de reproduzir e ava-liar o comportamento do sistema de refrigera¸cão durante toda a fase de abaixamento da temperatura. Essa situa¸cão ocorre quando o sistema passa um longo período desligado: na primeira vez em que o produto é ligado na casa do consumidor, depois de uma falta de energia prolongada, ou após um procedimento de degelo
26 Capítulo 1. Introdu¸cão
nual. Durante o ensaio, é analisado o comportamento do sistema de refrigera¸cão como um todo, tipicamente contando com diversos pontos de medi¸cão de temperatura, medi¸cão das grandezas elétricas de alimenta¸cão do compressor e medi¸cão das pressões de suc¸cão e descarga do compressor (HERMES, 2006; DINIZ et al., 2018b).
Atualmente realizados nos próprios sistemas de refrigera¸cão, os ensaios de abaixamento de temperatura podem demorar mais de 24 horas, se considerados apenas os tempos necessários para a acomoda¸cão térmica da bancada e para o ensaio propriamente dito. Se considerados ainda os tempos necessários para a instrumenta¸cão do produto, calibra¸cão dos transdutores, fazer vácuo e substitui¸cão da carga de refrigerante, esse tempo praticamente triplica (HER-MES, 2006).
Apesar de nos ensaios de abaixamento de temperatura serem analisadas diversas características do sistema, para avaliar a capa-cidade do compressor de atender às exigências de pressão do sis-tema de refrigera¸cão é necessário somente observar a sua partida. Os instantes mais críticos de opera¸cão são os primeiros segundos da partida, pois nesses instantes a carga mecânica imposta no com-pressor é máxima (LINK; DESCHAMPS, 2011). Atualmente, para analisar a partida do compressor no sistema, é preciso realizar todo o procedimento necessário para um ensaio de abaixamento de tem-peratura. Além dos primeiros instantes da partida, são verificadas diversas outras características do sistema. Por isso, esses ensaios são realizados preferencialmente quando existe a necessidade de se verificar outras características além da partida (THOMAZINI JR, 2015). Dessa forma, fica inviável testar a adequa¸cão de diversos mo-delos de compressores em um mesmo sistema ou mesmo repetir os ensaios realizados.
O Laboratório de Instrumenta¸cão e Automa¸cão de Ensaios (LIAE) - setor do Laboratório de Metrologia e Automatiza¸cão
(LAB-METRO) do Departamento de Engenharia Mecânica da Universi-dade Federal de Santa Catarina (UFSC) - possui uma parceria com a empresa líder na fabrica¸cão de compressores herméticos de refrigera¸cão. O LIAE possui diversas linhas de pesquisa na área de ensaios de compressores e uma das demandas foi justa-mente viabilizar um ensaio de caracteriza¸cão de partida que pu-desse ser realizado de forma mais rápida e fácil, sem a necessidade de instrumenta¸cão de um sistema e o uso de uma câmara de en-saios. Nesse contexto, está sendo desenvolvida uma bancada, atu-almente manual, que permite emular a partida de um compressor em condi¸cões de ensaio próximas das reais, sem a necessidade de
27
realizar todos os procedimentos de um ensaio de eleva¸cão de par-tida. Assim, é possível analisar a adequa¸cão de compressores sem a necessidade de realizar um ensaio completo de abaixamento de temperatura. Com uma bancada de emula¸cão de partida, é possível, também, repetir os ensaios a fim de se obter uma melhor represen-tatividade estatística (THOMAZINI JR, 2015; SILVA et al., 2018).
A bancada é composta por cilindros de volume variável, que operam como os volumes, e válvulas proporcionais, que simulam as restri¸cões existentes nos sistemas de refrigera¸cão. O volume dos cilindros e as posi¸cões das válvulas são ajustados manualmente para cada sistema de refrigera¸cão a ser emulado a fim de se aproximar do comportamento de varia¸cão de pressão que seria observado durante a partida em um sistema real.
O desafio na hora de emular curvas características é encon-trar uma mesma configura¸cão da bancada que consiga emular a curva característica tanto na entrada (suc¸cão) quanto na saída (des-carga) do compressor simultaneamente. Dentre os diversos ensaios realizados, são escolhidas manualmente as condi¸cões que mais se aproximam da curva característica tanto para a descarga quanto para a suc¸cão. A Figura 1.1 apresenta um exemplo de partida emu-lada pela bancada manual. Nessa figura, observa-se a evolu¸cão tem-poral das pressões de suc¸cão e de descarga durante os dez primeiros segundos de opera¸cão do compressor. As curvas pontilhadas repre-sentam o comportamento observado no sistema real de refrigera¸cão quando ensaiado em câmara de ensaios e as curvas contínuas repre-sentam a evolu¸cão temporal das pressões quando o mesmo modelo de compressor empregado no sistema foi ensaiado na bancada ma-nual.
Como os parâmetros da bancada são ajustados manualmente, é difícil repetir as mesmas condi¸cões de ensaio posteriormente. O fato de a bancada ser manual inviabiliza, também, a possibilidade de realizar diversos ensaios consecutivos. Na bancada automatizada os parâmetros para diversos ensaios poderiam ser predefinidos e os ensaios seriam realizados um após o outro sem a necessidade de novos ajustes. A automa¸cão dos atuadores também traz uma melhora na resolu¸cão, o que aumenta o número de curvas possíveis e beneficia a cópia das curvas.
O ajuste das válvulas é feito através de uma mano-pla e as voltas são contadas pelo operador, que muitas vezes faz movimenta¸cões desnecessárias, aumentando o desgaste das veda¸cões. Para ajustar os cilindros é necessário movimentar o fluido da bancada, despressurizar o cilindro a ser posicionado, o que
de-28 Capítulo 1. Introdu¸cão
Pressão de descarga
Pressão de sucção
Figura 1.1: Exemplo de curva característica emulada pela bancada manual
manda alguns minutos. A movimenta¸cão do cilindro é feita na mai-oria das vezes de forma bastante abrupta, com impactos, e o opera-dor deve se atentar para evitar algum acidente.
Com a automa¸cão da bancada é possível definir algumas restri¸cões aos atuadores, reduzindo o desgaste e possíveis danos. Outro ganho com a automa¸cão é a seguran¸ca dos operadores, pois os cilindros se movimentam rapidamente e podem gerar algum aci-dente durante o manuseio. O fato de a bancada ser posicionada ma-nualmente também é uma fonte de erros, que poderia ser evitada. Portanto, para tornar a bancada adequada para uso na indústria é necessário automatizá-la.
1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo geral
O objetivo geral deste trabalho é avaliar experimentalmente estratégias para automa¸cão da varia¸cão do volume dos cilindros e da perda de carga das válvulas da bancada existente de emula¸cão de partida, de modo que o posicionamento dos atuadores do en-saio possa ser realizado com pouca ou nenhuma necessidade de interven¸cão humana.
1.2. Estrutura do documento 29
1.1.2 Objetivos específicos
Os objetivos específicos deste trabalho são:
• pesquisar a literatura existente sobre ensaios de abaixamento de temperatura;
• propor uma arquitetura para a bancada automática; • especificar transdutores e atuadores necessários; • definir estratégias de controle para os atuadores;
• avaliar experimentalmente as solu¸cões propostas para a linha de descarga;
• avaliar experimentalmente os limites da bancada. 1.2 ESTRUTURA DO DOCUMENTO
Esta disserta¸cão é composta por seis capítulos. Sua estrutura é descrita a seguir. No capítulo 2 é realizada uma breve revisão dos conceitos de sistemas de refrigera¸cão, compressores, ensaios de abaixamento de temperatura e bancadas de ensaio de sistemas de refrigera¸cão. O capítulo 3 relata a estrutura da bancada manual antes da automa¸cão, cujos métodos utilizados para sua realiza¸cão são apresentados no capítulo 4, junto com as estratégias utilizadas para realizar os ensaios. No capítulo 5 são apresentados os resul-tados obtidos com os ensaios. Por fim, o capítulo 6 apresenta as considera¸cões finais do trabalho, assim como sugestões para traba-lhos futuros.
2 REVISÃO DA LITERATURA
Na se¸cão 2.1 são abordados conceitos de sistemas de refrigera¸cão. Na Se¸cão 2.2 apresenta-se um estudo sobre compres-sores de refrigera¸cão. A Se¸cão 2.3 descreve um ensaio de abaixa-mento de temperatura. Por fim, a Se¸cão 2.4 apresenta um estudo sobre o estado da arte em bancadas para ensaios em sistemas de refrigera¸cão.
2.1 SISTEMAS DE REFRIGERA¸CÃO
O processo natural da transferência de calor ocorre de um ambiente mais quente para um mais frio. Sistemas de refrigera¸cão têm por objetivo realizar o processo inverso, ou seja, transferir calor de um ambiente mais frio para um mais quente. Para isso aconte-cer é necessário realizar trabalho sobre o sistema e o componente responsável por realizar esse trabalho, na maioria dos casos, é um compressor de refrigera¸cão. Em sua maioria, os compressores de refrigera¸cão empregam motores assíncronos monofásicos, alimenta-dos pela rede elétrica, para realizar esse trabalho (MILLER; MILLER, 2014; SONNTAG et al., 2003).
A Figura 2.1 apresenta um circuito de refrigera¸cão por com-pressão de vapor, o tipo mais empregado tanto em refrigera¸cão do-méstica quanto comercial. Esses sistemas são compostos por cinco elementos: o compressor, o condensador (trocador de calor a alta pressão), o dispositivo de expansão (tubo capilar ou válvula), o eva-porador (trocador de calor a baixa pressão) e a tubula¸cão. Além desses elementos, é necessário que circule pelo circuito um fluido refrigerante, responsável por transferir a energia térmica do ambi-ente de baixa temperatura para o de alta temperatura (MILLER; MILLER, 2014).
A compressão tem como base a mudan¸ca de fase de um fluido refrigerante, que será analisada tomando como base a figura 2.1. No ciclo de refrigera¸cão, primeiramente o fluido está a baixa pressão na entrada do compressor (4), que o comprime, elevando sua pressão e temperatura (1). Após a compressão, o fluido refrigerante passa por um trocador de calor, externo ao ambiente que se deseja refrigerar, atingindo o ponto (2). Como a temperatura do fluido na descarga do compressor é bastante alta, nessa etapa o fluido refrigerante re-jeita calor para o meio, baixando a sua temperatura e passando para o estado líquido subresfriado. No dispositivo de expansão ocorre uma brusca queda de pressão e parte do fluido refrigerante evapora,
32 Capítulo 2. Revisão da literatura
passando a um estado bifásico, de coexistência de líquido e vapor, indicado por (3). No evaporador, o fluido refrigerante absorve ca-lor do ambiente a ser refrigerado e passa para um estado de vapor a baixa pressão, como no início do ciclo, no ponto (4). Apesar de a explica¸cão do ciclo realizada neste parágrafo ter considerado o caminho percorrido por uma molécula do fluido refrigerante, vale ressaltar que o processo ocorre cíclica e continuamente, ou seja, en-quanto parte do fluido refrigerante está na expansão, outra parte está sendo comprimida (STOECKER; JABARDO, 2002).
Ambiente frio Ambiente quente 1 2 4 3 Alta pressão Baixa pressão Evaporador Condensador Dispositivo de expansão Compressor Tubulação
Figura 2.1: Ciclo de refrigera¸cão por compressão. Adaptado de STO-ECKER and JABARDO (2002)
O diagrama pressão-entalpia é o mais utilizado na apresenta¸cão das propriedades termodinâmicas dos fluidos refrige-rantes. Esse diagrama também explica o que ocorre durante um ciclo de compressão. As distintas fases do refrigerante no diagrama são caracterizadas por estados situados em regiões separadas pelas linhas de satura¸cão, como apresentado na figura 2.2 (STOECKER; JABARDO, 2002).
Na área à esquerda da linha de satura¸cão, o fluido refrige-rante encontra-se totalmente na fase líquida. Na área à direita, o fluido refrigerante encontra-se totalmente na fase vapor. A área que
2.1. Sistemas de refrigera¸cão 33
Figura 2.2: Ciclo de refrigera¸cão representado em um diagrama pressão-entalpia. Adaptado de Flesch (2008)
se encontra dentro das linhas de satura¸cão representa a mudan¸ca de fase do fluido refrigerante (¸CENGEL; BOLES, 2006).
Em analogia com o que foi feito na análise da Figura 2.1, a análise do diagrama pressão-entalpia será feita partindo da en-trada do compressor (4). No ponto (4) o fluido refrigerante está em baixa pressão e superaquecido e, após o trabalho do compres-sor de refrigera¸cão sobre o fluido refrigerante, chega ao ponto (1). Durante o processo de compressão, ocorre um aumento de pressão e de entalpia do fluido refrigerante. No ponto (1) o fluido refri-gerante encontra-se a alta pressão e superaquecido. Para chegar ao ponto (2), o fluido refrigerante tipicamente passa pelo condensador, onde o vapor cede calor para o ambiente, reduz a sua entalpia e a sua temperatura até que o estado esteja sobre a linha de satura¸cão. No ponto (2) o fluido refrigerante está na forma liquida e subfres-fiado. Após a saída do condensador (2), o fluido refrigerante passa pelo dispositivo de expansão. Durante a expansão, a entalpia do fluido refrigerante não é alterada. No ponto (3) o fluido está bi-fásico, vapor e líquido, e resfriado. A partir do ponto (3), o fluido
34 Capítulo 2. Revisão da literatura
passa pelo evaporador onde absorve calor do ambiente a ser refrige-rado. Durante esse processo, sua entalpia e temperatura aumentam. No ponto (4) o fluido está novamente em baixa temperatura e su-peraquecido (DOSSAT, 2004).
2.2 COMPRESSORES ALTERNATIVOS HERMÉTICOS
Entre os diversos tipos de compressores existentes, os mais utilizados em domicílios são os alternativos herméticos (STOEC-KER; JABARDO, 2002). A Figura 2.3 apresenta os principais com-ponentes de um compressor desse tipo.
Figura 2.3: Compressor hermético alternativo (HENKLEIN, 2006) Compressores alternativos possuem um sistema biela mani-vela que conecta o eixo do motor a um pistão, que se desloca den-tro do cilindro de compressão. A energia elétrica fornecida ao motor do compressor faz com que esse entre em funcionamento, gerando movimento circular sobre seu eixo. O movimento circular é transfor-mado, através do conjunto biela-manivela, em movimento retilínio do pistão no interior do cilindro (¸CENGEL; BOLES, 2006).
Dentro do cilindro existem duas válvulas que permitem a pas-sagem de fluido em apenas em uma dire¸cão: na válvula de suc¸cão só acontece a aspira¸cão de fluido para dentro do cilindro, enquanto na de descarga ocorre somente a saída. A válvula de suc¸cão permite a passagem de fluido para o interior do cilindro quando a pressão no seu interior se encontra menor do que a pressão externa, no in-terior da carca¸ca do compressor. A válvula de descarga permite a passagem de fluido do interior do cilindro para a descarga quando a pressão do mesmo for maior do que a da linha de descarga do circuito de refrigera¸cão (¸CENGEL; BOLES, 2006).
2.2. Compressores alternativos herméticos 35
Nos compressores herméticos, o kit mecânico (cilindro, pis-tão, biela e manivela, na Figura 2.3) e o motor (rotor, estator e eixo, na Figura 2.3) ficam dentro da carca¸ca, que é fechada através de solda. O acesso ao interior desse tipo de compressor é feito apenas através dos terminais elétricos do motor e das conexões de descarga, suc¸cão e processo (EMBRACO, 2002).
A conexão de descarga está ligada diretamente com a válvula de descarga do cilindro, sem abertura para a carca¸ca. A válvula de suc¸cão, por sua vez, é aberta para a carca¸ca do cilindro, por onde as conexões de suc¸cão e de processo têm liga¸cão. A conexão de processo, porém, encontra-se mais afastada da válvula de suc¸cão e geralmente é utilizada para a retirada ou aplica¸cão do fluido refri-gerante (EMBRACO, 2002).
Como não se tem acesso ao seu interior, a principal des-vantagem dos compressores herméticos é a dificuldade de sua manuten¸cão. Por outro lado, por eles serem vedados, encontram-se menos problemas relacionados ao vazamento de fluido refrigerante e sua contamina¸cão pelo ar e umidade ambientes (WELCH et al., 2008).
A figura 2.4 apresenta o interior do cilindro de compressão durante um ciclo de compressão. Na etapa A, o pistão se encontra em seu curso máximo. Nesse ponto, a quantidade de fluido dentro do cilindro é mínima. Com o retorno do pistão, come¸ca a expan-são do fluido refrigerante com ambas as válvulas fechadas, carac-terizada na imagem pela etapa B. Quando a pressão no interior do cilindro é menor que a pressão externa, a válvula de suc¸cão é aberta e come¸ca a vazão de fluido para dentro do cilindro, na figura repre-sentada pela etapa C. O fluido é aspirado, preenchendo a câmara até que o pistão chegue no seu curso mínimo. Ao avan¸car nova-mente, a pressão no cilindro aumenta e as válvulas se fecham. O pistão passa então a comprimir o fluido, etapa D. Quando a pres-são no interior do cilindro se torna maior do que a prespres-são de des-carga, a válvula de descarga se abre e ocorre a saída do fluido, etapa E, até que o pistão atinja o curso máximo, retornando à etapa A. Denomina-se volume morto o volume que não saiu da câmara ao final da etapa de descarga (WELCH et al., 2008).
As exigências mecânicas do motor elétrico do compressor de refrigera¸cão dependem, entre outros fatores, das condi¸cões de pres-são na suc¸cão e na descarga. Essas exigências variam durante a opera¸cão do compressor, sendo mais críticas nos instantes iniciais da partida. Quando as exigências mecânicas são muito elevadas, passando a condi¸cão máxima que o motor elétrico do compressor é
36 Capítulo 2. Revisão da literatura
Figura 2.4: Ciclo de compressão em um compressor hermético alter-nativo. Adaptado de U.S. DEPARTMENT OF ENERGY (1993)
capaz de suportar, o motor deixa de operar e ocorre o tombamento (FITZGERALD et al., 2003).
De uma forma geral, o tombamento é uma característica dos motores elétricos assíncronos, o principal tipo de motor utilizado em compressores de refrigera¸cão. É imprescindível sua análise para a especifica¸cão correta de um equipamento que se utiliza de motor elétrico, frente às solicita¸cões de sua aplica¸cão (TOLIYAT; KLIMAN, 2004).
2.3 ENSAIOS DE ABAIXAMENTO DE TEMPERATURA
Ensaios de abaixamento de temperatura são um tipo de en-saio entre os diversos existentes na indústria. O objetivo princi-pal desse ensaio é acompanhar a evolu¸cão temporal das tempe-raturas, pressões, corrente e potência alcan¸cadas pelo sistema de refrigera¸cão em condi¸cões padronizadas, desde a partida até a condi¸cão de regime permanente (ZIMMERMANN et al., 2002). Du-rante o ensaio, o sistema de refrigera¸cão passa inicialmente por uma prepara¸cão, durante a qual é instrumentado e colocado em uma câmara com temperatura controlada. Depois de atingida a acomoda¸cão térmica, o compressor é acionado até o sistema de refrigera¸cão passar a operar em o regime permanente.
O ensaio se inicia com a instrumenta¸cão do sistema de refrigera¸cão. São instalados transdutores necessários para acompa-nhar as grandezas analisadas no ensaio. É removido o termostato,
2.3. Ensaios de abaixamento de temperatura 37
pois o compressor fica em opera¸cão ininterrupta durante todo o en-saio. O protetor térmico é mantido, por motivos de seguran¸ca (NBR 15826, 2017).
Uma vez instrumentado, o sistema de refrigera¸cão é levado para a câmara onde o ensaio será realizado. A câmara de ensaios é capaz de operar com temperaturas entre ( - 10 e + 60) ºC e com umidades de (30 a 100)%. De acordo com a norma IEC 62552 (2015), a temperatura e a umidade podem variar em uma faixa de \pm 0,5 ºC e \pm 5%, com velocidades do ar não nulas, porém infe-riores a 0,25 m/s durante todo o ensaio. A Figura 2.5 apresenta o esquema de uma câmara de ensaios (ANDRADE, 2011).
Duto de insuflamento Isolamento Piso perfurado Duto de retorno Parede falsa Dampers de controle Evaporadores Resistência elétrica Ventilador Sistema de umidificação Região de testes
Figura 2.5: Esquema de uma câmara de ensaios (ANDRADE, 2011) A câmara de ensaio utilizada é composta por uma parede falsa, forro e pisos perfurados por onde deve ocorrer a circula¸cão uniforme e homogênea do ar. A temperatura do ar no interior da câmara é lida por termopares localizados no interior do forro falso. Além dos sistemas de resfriamento e circula¸cão de ar, o controle da temperatura requer um sistema de aquecimento constituído por resistências elétricas, enquanto a umidade é controlada por uma resistência elétrica submersa em água. A câmara possui controle de temperatura e umidade, o que permite ajustar os valores dessas grandezas para atender às necessidades de cada ensaio (IEC 62552, 2015; HERMES, 2006; PEREIRA, 2009).
Por norma, o sistema de refrigera¸cão é separado em classes, de acordo com o clima onde irá operar. Para cada uma dessas
clas-38 Capítulo 2. Revisão da literatura
ses existe um padrão da temperatura ambiente para a câmara de ensaio e da temperatura que deve ser atingida em um ensaio de abaixamento de temperatura. A Tabela 2.1 apresenta a classifica¸cão dos sistemas de refrigera¸cão de acordo com a região em que são utilizados (ISO 15502, 2005).
Tabela 2.1: Classifica¸cão dos sistemas
Classe Clima Média de temperatura durante o ano SN Temperado subártico 10 ºC a 32 ºC
N Temperado 16 ºC a 32 ºC
ST Subtropical 18 ºC a 38 ºC
T Tropical 18 ºC a 43 ºC
Para a acomoda¸cão térmica, o sistema de refrigera¸cão deve ser colocado na câmara com o compressor desligado por um período mínimo de 16 horas com as portas abertas, de modo que ocorra a equaliza¸cão da temperatura interna do gabinete com a temperatura da câmara de ensaio. Por norma, para operar em um clima tempe-rado (classe N), o ensaio come¸ca com uma temperatura ambiente de 32 ºC. Para um clima tropical (classe T), a temperatura ambiente é de 43 ºC (ISO 15502, 2005; NBR 15826, 2017)
Após a acomoda¸cão térmica, as portas são fechadas, o com-pressor é ligado e inicia-se o monitoramento das variáveis. O compressor permanece em funcionamento até que o sistema de refrigera¸cão entre em regime permanente, condi¸cão que ocorre quando as medi¸cões de temperatura não variam mais que 0,5 ºC em um período de 3 h. Normalmente, essa condi¸cão é alcan¸cada em 8 h, podendo se estender até 24 h (NBR 15826, 2017).
Os ensaios de abaixamento de temperatura, portanto, demo-ram mais de 24 horas se considerado apenas o tempo necessário para o assentamento térmico da bancada e para o ensaio propria-mente dito. Se for considerado também o tempo necessário para a instrumenta¸cão, ajuste dos transdutores, a carga do fluido refrige-rante esse tempo praticamente triplica (HERMES, 2006).
A partir das grandezas medidas, em um ensaio de abaixa-mento de temperatura se determina o tempo de abaixaabaixa-mento de temperatura, que é o período compreendido desde o início de opera¸cão do compressor até a obten¸cão da temperatura padrão, que varia de acordo com o clima em que o sistema de refrigera¸cão vai operar (ANDRADE, 2011). Para sistemas de refrigera¸cão classe N o interior do gabinete, a partir da temperatura ambiente, deve chegar
2.3. Ensaios de abaixamento de temperatura 39
até 5 ºC. Para sistemas de refrigera¸cão classe T, deve-se chegar até 7 ºC (NBR 15826, 2017).
Em alguns ensaios de abaixamento de temperatura também são medidas as pressões de suc¸cão e descarga do compressor. A par-tir dos valores de pressão obtidos é possível obter a curva carac-terística. Essa curva característica é tra¸cada através dos pares de pressões de suc¸cão e descarga. Uma forma comum de apresentar a curva característica é em um gráfico que relaciona as pressões de suc¸cão e de descarga, como apresentado na Figura 2.6.
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Pressão de sucção (bar) 2 4 6 8 10 12 14 Pr es sã o de des ca rg a (b ar ) 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Pressão de sucção (bar) 2 4 6 8 10 12 14 Pr es sã o de des ca rg a (b ar ) Pressão de equalização
Figura 2.6: Exemplo de uma curva característica retirado de um ensaio real de abaixamento de temperatura
A curva característica é, portanto, uma curva com a evolu¸cão das pressões de um determinado compressor em um determinado sistema de refrigera¸cão. Cada par compressor-sistema tem uma curva característica própria. Se for colocado um compressor dife-rente em um sistema de refrigera¸cão vai ser gerada uma curva carac-terística diferente. O mesmo acontece se mudar apenas o sistema de refrigera¸cão mantendo o mesmo compressor. A curva característica, obtida no ensaio de abaixamento de temperatura, é válida somente para a configura¸cão utilizada durante o ensaio. Ao variar o volume do sistema ou fluido refrigerante a curva característica também é alterada (COSTA, 2010).
ca-40 Capítulo 2. Revisão da literatura
racterística representa a solicita¸cão que é feita ao compressor, do momento da partida até a entrada em regime permanente. A curva característica também indica a pressão de equaliza¸cão do sistema, a partir de onde ele foi ligado, quando a pressão de descarga é igual à de suc¸cão (COSTA, 2010; THOMAZINI JR, 2013).
A fim de verificar quão próxima está a solicita¸cão do com-pressor com sua capacidade máxima é possível comparar a curva característica com a curva de tombamento do motor interno ao com-pressor. Para se obter uma curva de tombamento é necessário rea-lizar um ensaio de tombamento, um ensaio diferente do ensaio de abaixamento de temperatura. Durante um ensaio de tombamento o compressor em teste é colocado em diferentes pressões de suc¸cão e são avaliadas as condi¸cões máximas de carga nas quais o com-pressor em funcionamento é ainda capaz de manter sua opera¸cão. O compressor, portanto, não é capaz de operar acima da curva de tombamento (EMBRACO, 2003).
A Figura 2.7 apresenta uma curva característica, em verme-lho, comparada a uma curva de tombamento, em azul. A curva verde representa os pares de pressões de descarga e suc¸cão equali-zadas no sistema de refrigera¸cão desligado. A partir da compara¸cão das curvas, característica e de tombamento, pode-se analisar o quanto aquele determinado sistema de refrigera¸cão está exigindo da capacidade máxima do compressor. Se um compressor está su-perdimensionado, por exemplo, é possível economizar em alguns componentes na hora de sua fabrica¸cão, ou mesmo substituí-lo por um modelo menor. Se em algum momento a curva característica cruza a de tombamento, ou fica próxima demais, é necessário subs-tituir o compressor por um modelo maior (THOMAZINI JR, 2013). Mesmo se for feita a substitui¸cão do compressor, é interessante le-vantar uma nova curva característica para verificar se a escolha do compressor está adequada.
Os instantes de maior exigência do compressor são nos pri-meiros 2,5 segundos de opera¸cão. É nesse momento que a curva característica mais se aproxima da curva de tombamento. O fato de ser o momento de maior exigência do motor torna esse instante crí-tico na hora de projetar e fabricar compressores (THOMAZINI JR, 2013).
Como a curva de tombamento é apresentada em um gráfico pressão por pressão, quando se deseja comparar a curva caracte-rística com a de tombamento, normalmente se utiliza um gráfico pressão por pressão como na Figura 2.6. Uma vez que esse gráfico
2.3. Ensaios de abaixamento de temperatura 41
Figura 2.7: Curvas característica e de tombamento genéricas (THO-MAZINI JR, 2013)
não traz informa¸cões sobre o tempo, para analisar os instantes inici-ais da partida do compressor, utiliza-se um gráfico pressão ao longo do tempo, como apresentado na Figura 1.1.
A fim de facilitar o dimensionamento de compressores, a ban-cada utilizada neste trabalho emula somente a curva característica em um determinado compressor, não um ensaio de abaixamento de temperatura completo. A bancada emula somente os segundos iniciais de um ensaio que pode levar até 72 horas para ser realizado.
42 Capítulo 2. Revisão da literatura
2.4 BANCADAS DE ENSAIOS DE SISTEMAS DE REFRIGERA¸CÃO Na indústria de compressores para sistemas de refrigera¸cão são realizados diversos ensaios e existem diversas bancadas com diferentes aplica¸cões. Esta se¸cão apresenta uma visão geral de tra-balhos da literatura que descrevem e propõem bancadas emprega-das para ensaios de compressores ou para emular condi¸cões em um sistema de refrigera¸cão. A subse¸cão 2.4.1 apresenta algumas bancadas cujo foco é a emula¸cão de algum comportamento. Em 2.4.2 são apresentados alguns trabalhos realizados no Laboratório de Automa¸cão de Ensaios (LIAE).
2.4.1 Bancadas de emula¸cão
Em Chandan et al. (2010), foi proposto um controle ótimo utilizando um controlador liga e desliga com histerese para o trans-porte de cargas refrigeradas em caminhões com câmara fria. O ob-jetivo do trabalho foi aumentar a eficiência energética nesse tipo de transporte mantendo o ambiente refrigerado em uma temperatura segura para a conserva¸cão dos alimentos. Para validar experimen-talmente o controle proposto, foi desenvolvida uma bancada, utili-zada para simular o ambiente a ser refrigerado. A fim de replicar as condi¸cões de transporte, foi utilizada uma técnica de hardware-in-the-loop (HIL) própria para emula¸cão de cargas térmicas em siste-mas de refrigera¸cão (OTTEN et al., 2010). A Figura 2.8 apresenta o esquema utilizado. Algoritmo de controle Sistema de refrigeração Câmara Unidade de emulação
Referência
Hardware-in-the-loop
Sinal
emulado
Figura 2.8: Esquema utilizado para valida¸cão. Adaptado de Otten et al. (2010)
No esquema apresentado, a referência é passada para o algo-ritmo, que calcula o erro e envia o sinal de controle para o sistema de refrigera¸cão, atuando sobre o compressor. A câmara, que simula um caminhão, é refrigerada e as medi¸cões de pressão e
tempera-2.4. Bancadas de ensaios de sistemas de refrigera¸cão 43
tura são enviadas para a unidade de emula¸cão, que simula diferen-tes condi¸cões ambiendiferen-tes e atua como se fosse uma perturba¸cão ex-terna. A unidade de emula¸cão envia o sinal emulado para o sistema de refrigera¸cão e de volta para o algoritmo de controle.
Em Gambino et al. (2014), foi desenvolvida uma plataforma HIL de baixo custo para avaliar estratégias de controle, voltada para a refrigera¸cão industrial. O trabalho teve por objetivo reduzir os custos com eletrônica na fase de testes desse tipo de metodologia. A bancada montada para esse trabalho emula o comportamento de um sistema de refrigera¸cão. A arquitetura do sistema é composta por quatro elementos: (1) um processador de tempo real que em-barca um modelo detalhado do refrigerador; (2) uma interface de entrada e saída para a comunica¸cão entre o processador (modelo) e o controlador industrial; (3) o controlador industrial a ser testado; (4) um computador para apresentar e salvar os resultados do expe-rimento. Tanto para (1) quanto para (3) foram utilizados microcon-troladores de baixíssimo custo. A Figura 2.9 apresenta a bancada final concebida. Modelo do Refrigerador Interface Controlador Industrial Computador 1 2 3 4
Figura 2.9: Plataforma HIL de baixo custo. Adaptado de Gambino et al. (2014)
O processador (1) emula o funcionamento de um sistema de refrigera¸cão que recebe entradas de (3), que também envia esses sinais de entrada para (4). A partir das entradas, em (1) é calculado como a temperatura se comportaria e envia as informa¸cões para (3) e (4). A comunica¸cão entre (1) e (3) é feita através de (2).
Com o intuito de reduzir os custos com câmaras em ensaios, Koeln et al. (2012) propuseram um modelo para emula¸cão de uma carga em sistemas de refrigera¸cão com múltiplos evaporado-res. Para a valida¸cão dos modelos, foi desenvolvida uma bancada que permite a aplica¸cão de cargas térmicas independentes em cada um dos dois evaporadores existentes. Para esse trabalho a bancada
44 Capítulo 2. Revisão da literatura
foi montada para emular diferentes temperaturas ambientes em um sistema de refrigera¸cão. A Figura 2.10 apresenta o esquema do apa-rato utilizado. Evaporador Ar no evaporador Ar Ambiente Retorno Ar frio Motor CC Pinhão Cremalheira Encoder Retorno
Figura 2.10: Esquema de controle de carga. Adaptado de Koeln et al. (2012)
O sistema utilizado para variar a carga térmica consiste em al-terar a abertura de um retorno do ar frio, junto com o ar à tempera-tura ambiente, para o evaporador. No esquema é possível observar que para a movimenta¸cão do retorno utilizou-se um par pinhão-cremalheira. O movimento é feito por um motor de corrente contí-nua e a posi¸cão do sistema é medida a partir de um encoder óptico. Mais recentemente, foi desenvolvida uma bancada para ava-liar o funcionamento de um ar condicionado do tipo split tra-balhando em diferentes condi¸cões de ambiente (ELGENDY et al., 2018). Como nesse tipo de sistema de refrigera¸cão o condensador e o compressor ficam em um ambiente externo e o evaporador em um ambiente interno, para esse estudo foram construídas duas câ-maras independentes com ambiente controlado, com controle de umidade e temperatura independentes. Durante os experimentos foram impostas diversas condi¸cões ambientes, tanto no ambiente externo quanto interno, e foram avaliados diversos parâmetros do sistema por uma hora e meia. Na bancada foram utilizados resis-tores, válvulas, ventiladores e compressores auxiliares, a fim de se controlar as condi¸cões do ambiente.
Em Diniz et al. (2018a), foi desenvolvido um modelo ma-temático do comportamento do compressor em regime transitório operando em refrigeradores domésticos. A fim de validar esse mo-delo, foi utilizada uma bancada, desenvolvida anteriormente nos trabalhos de Gon¸calves et al. (2009) e Hermes et al. (2009). A ban-cada permite aplicar ao compressor condi¸cões semelhantes àquelas
2.4. Bancadas de ensaios de sistemas de refrigera¸cão 45
a que ele estaria submetido em um sistema de refrigera¸cão. Em Di-niz et al. (2018b), a mesma bancada foi utilizada em uma avalia¸cão de desempenho energético do compressor quando sujeito a um re-gime periódico de opera¸cão e os resultados foram comparados com os obtidos em ensaios convencionais de desempenho. Em todos os casos, os primeiros segundos de opera¸cão do compressor são des-cartados, visto que a bancada não é capaz de garantir a aplica¸cão das condi¸cões de pressão durante a partida do compressor e ins-tantes iniciais de seu funcionamento. A Figura 2.11 apresenta um esquema da bancada utilizada.
Figura 2.11: Esquema da bancada (BALVEDI et al., 2018) A fun¸cão da bancada é controlar a condi¸cão de opera¸cão do compressor e realizar a medi¸cão de parâmetros relevantes do teste. Os parâmetros são os especificados na norma ASHRAE 23 (2005): pressão de suc¸cão, pressão de descarga, temperatura de suc¸cão do compressor, temperatura do ambiente em que o compressor está operando, tensão de alimenta¸cão elétrica e movimenta¸cão de ar no interior do ambiente de teste. A bancada é formada apenas pelo compressor (C), transdutores de pressão (PT), potência (PM) e tem-peratura (TC), trocadores de calor (HX), medidor de vazão mássica (FM), resistências de aquecimento (EH) e válvulas de controle (CV). São utilizados motores de passo que controlam a abertura e o
fecha-46 Capítulo 2. Revisão da literatura
mento das válvulas. As válvulas são dispostas em um arranjo em pa-ralelo com duas válvulas de diferentes diâmetros de orifício, a fim de garantir um controle rápido e ao mesmo tempo preciso. Com rela¸cão ao controle, quando o erro relativo entre a pressão medida e a referência é grande, atua-se sobre a válvula com maior orifício uma vez que essa válvula apresentará uma resposta mais acentuada na varia¸cão da pressão. A válvula de menor orifício é utilizada para o ajuste fino tornando o controle preciso (BALVEDI, 2018).
Em Balvedi et al. (2018), a mesma bancada foi utilizada para uma aplica¸cão HIL. O objetivo do trabalho é facilitar a aná-lise dos efeitos que o controle liga e desliga, típico de sistemas de refrigera¸cão, tem sobre o compressor em teste, sem a necessi-dade de dispor de diferentes sistemas de refrigera¸cão. Como o com-pressor normalmente é projetado para trabalhar em regime perma-nente, em condi¸cões definidas por normas, é interessante ter uma avalia¸cão do desempenho do compressor em regime transitório, com medi¸cões de temperatura, potência, vazão mássica, pressão da descarga e da suc¸cão do compressor. Um modelo matemático do sis-tema de refrigera¸cão que se deseja emular determina as condi¸cões de opera¸cão, o momento da partida e do desligamento do com-pressor. Durante o ensaio é feito um processo iterativo: a bancada emula as condi¸cões obtidas a partir do modelo; são realizadas novas medi¸cões do compressor; e a partir das novas medi¸cões são calcula-das novas condi¸cões da bancada utilizando o modelo. Esse processo iterativo se repete até o fim do ensaio. Os resultados obtidos são comparados a um outro ensaio feito com o sistema de refrigera¸cão completo. Novamente, os primeiros segundos de opera¸cão são des-cartados.
Algumas pesquisas envolvem a área de inteligência artificial, como Antonelo et al. (2018), que utilizou redes neurais para uma detec¸cão mais rápida do regime permanente em ensaios de desem-penho de compressores. Para esse tipo de ensaio, é necessária uma bancada específica capaz de medir a capacidade de refrigera¸cão, ob-tida indiretamente através de outras medi¸cões, como vazão mássica, temperatura e pressão ISO 917 (1989). A bancada utilizada foi de-senvolvida anteriormente em Flesch and Normey-Rico (2010) e a Figura 2.12 apresenta um esquema simplificado da bancada utili-zada no desenvolvimento do trabalho.
A bancada se assemelha a um sistema de refrigera¸cão con-vencional, com evaporador, condensador, dispositivo de expansão (neste caso a válvula de controle da suc¸cão) e um compressor. Além do sistema de refrigera¸cão, existe um aquecedor para o evaporador,
2.4. Bancadas de ensaios de sistemas de refrigera¸cão 47 Evaporador Compressor Condensador Transdutor de vazão Medição de temperatura Medição de pressão Válvula de controle da descarga Válvula de controle da sucção A q u e ce d o r
Figura 2.12: Esquema simplificado da bancada. Adaptado de Coral et al. (2015)
uma válvula na descarga do compressor e um medidor de vazão mássica. Os pontos de medi¸cão de temperatura e pressão são uti-lizados para o cálculo de entalpia e são dispostos de acordo com a norma ISO 917 (1989). O fluido refrigerante ingressa e deixa o interior do evaporador com temperatura e pressão controladas (FLESCH, 2008).
Também utilizando redes neurais, em Pedersen et al. (2017) foram estudados métodos de controle em sistemas de refrigera¸cão utilizando um modelo baseado em redes neurais. Para validar o con-trole, foi utilizada uma bancada, apresentada na Figura 2.13. A ban-cada utilizada foi desenvolvida em Vinther (2013).
Nesta bancada, semelhante à anterior, tem-se o sistema de refrigera¸cão completo, com aquecimento no evaporador, neste caso com água quente. A quantidade de calor passada para o evaporador é controlada. As válvulas de expansão, na saída do condensador são intercambiáveis, podendo ser uma válvula termostática, uma válvula de expansão eletrônica ou uma válvula controlada por um motor de passo. A pressão do condensador é controlada por um ventilador. A pressão da suc¸cão é controlada a partir da frequência de opera¸cão do compressor. Os transdutores medem as pressões e temperaturas com uma frequência de 1 Hz (VINTHER, 2013).
48 Capítulo 2. Revisão da literatura Tanque Aquecedor Bomba Ventilador Compressor Condensador Evaporador
Figura 2.13: Esquema simplificado da bancada. Adaptado de Vinther (2013)
2.4.2 LIAE
No Laboratório de Instrumenta¸cão e Automa¸cão de Ensaios (LIAE) também foram desenvolvidas diversas bancadas para
análi-ses de compressores de sistemas de refrigera¸cão. Em algumas banca-das, após o seu desenvolvimento, é possível realizar diversos outros trabalhos e avan¸cos tecnológicos. Por exemplo, em Schmitz (2016) uma bancada automatizada foi desenvolvida para o controle de pressões em compressores. A partir dessa bancada, foi apresentado um método prático para sintonizar controladores preditivos em ban-cadas de compressores (DANGUI et al., 2018). A mesma bancada foi utilizada para valida¸cão de técnicas de controle não linear (SCHWE-DERSKY et al., 2018).
Para ensaios que levam o compressor a condi¸cões extremas, existe uma linha de pesquisa que teve início com Costa (2010), que realizou um trabalho sobre automa¸cão de ensaios de compressores operando em condi¸cões extremas que teve como resultado um pro-tótipo de bancada para ensaios de partida e tombamento. Com base nesse trabalho, em Schlickmann (2012) a bancada foi aprimorada (em termos de robustez, tempo de resposta e incerteza da medi¸cão). Por fim, em Thomazini Jr. (2013) foi aprimorada a automa¸cão da bancada e foram realizados diversos ensaios.
Existem outras linhas de pesquisa no laboratório que tam-bém resultaram no desenvolvimento de bancadas automáticas de ensaio. Por exemplo, para a análise de desempenho de compresso-res, foi construída uma bancada que foi alvo de diversos trabalhos
2.4. Bancadas de ensaios de sistemas de refrigera¸cão 49
(POLETTO, 2006; BARBOSA, 2006; SCUSSEL, 2006; PETROVCIC, 2007; FLESCH, 2012). Na área de inteligência artificial, outra li-nha de pesquisa presente no LIAE, também foram desenvolvidos di-versos trabalhos (NASCIMENTO, 2015; STEINBACH, 2008; CORAL, 2014). Em Cervelin (2013) foi concebida uma bancada automática para medi¸cão de perdas por atrito. Em Seibert (2014) foi desenvol-vida uma bancada para avalia¸cão de medidores de baixas vazões para o uso em ensaios de desempenho energético de compressores. Essas, entre outras, linhas pesquisas são diretamente ligadas à in-dústria de compressores de refrigera¸cão e tornam o LIAE referência no assunto.
Este documento apresenta mais um trabalho em que existe o uso de bancadas de ensaios de sistema de refrigera¸cão. Assim como os trabalhos apresentados na Se¸cão 2.4.1, a bancada emula condi¸cões em um sistema de refrigera¸cão real. Este trabalho tam-bém contribui para uma das linhas de pesquisa do LIAE.
3 BANCADA MANUAL
Este capítulo apresenta a bancada manual de emula¸cão de curvas de partida que foi objeto de automa¸cão neste trabalho. O capítulo inicia com um detalhamento da estrutura da bancada, se-guido do seu funcionamento e da descri¸cão do método de realiza¸cão dos ensaios.
3.1 ESTRUTURA DA BANCADA
A Figura 3.1 apresenta o esquema geral da bancada manual, composta por quatro elementos principais: transdutores de pressão; cilindros de volume variável; válvulas; e reservatórios. A esse con-junto é conectado o compressor que se deseja ensaiar, também re-presentado na Figura 3.1. Cilindro de sucção Cilindro de descarga Compressor P P PP V1 V2 V3 Reservatório de sucção Reservatório de descarga Eq2 Eq1
Figura 3.1: Esquema geral da bancada manual
Na bancada manual são utilizados dois transdutores de pres-são, um localizado na suc¸cão e outro na descarga do compressor. O transdutor de pressão utilizado na suc¸cão tem o intervalo de medi¸cão entre 0 bar e 10 bar, enquanto o utilizado na descarga tem um intervalo entre 0 bar e 25 bar.
A saída dos transdutores é feita em corrente, seguindo o pa-drão 4 mA a 20 mA. Os valores de pressão são adquiridos por uma placa de aquisi¸cão. Próximo à placa, a corrente é transformada em tensão, através de um resistor de precisão, e é adquirida de forma automática pela placa de aquisi¸cão em uma de suas entradas
52 Capítulo 3. Bancada manual
gicas. O modelo de placa de aquisi¸cão utilizado possui 16 entradas analógicas (8 em aquisi¸cão diferencial) com intervalo de medi¸cão de \pm 10 V, resolu¸cão de 12 bits e taxa de aquisi¸cão de até 200 kHz. A placa de aquisi¸cão também apresenta 32 portas de entrada/saída digitais e uma delas é utilizada para realizar o acionamento do com-pressor.
Para o acionamento do compressor, uma saída digital da placa aciona um relé de estado sólido. O relé, próprio para cor-rente alternada, suporta tensões de até 250 V e corcor-rentes até 25 A, especifica¸cão suficiente para o funcionamento do de todos os com-pressores de interesse para ensaio na bancada. No sistema de aci-onamento também existe um transformador que faz o isolamento entre a alimenta¸cão do compressor e a rede elétrica. O transforma-dor fornece dois níveis de tensão utilizados nos compressores de interesse, 110 V e 220 V, em corrente alternada. Quando recebe o sinal da placa de aquisi¸cão, o relé fecha o contato entre o compres-sor e o transformador isolador, alimentando o comprescompres-sor.
Na Figura 3.1, as válvulas V1, V2 e V3 são válvulas do tipo agulha, enquanto as válvulas Eq1 e Eq2 são do tipo esfera. As vál-vulas do tipo esfera são abertas entre os ensaios a fim de facilitar a equaliza¸cão das pressões na bancada. As válvulas do tipo agulha são utilizadas para impor restri¸cões ao fluido, simulando o tubo ca-pilar e as perdas de carga na tubula¸cão e trocadores de calor. A abertura das válvulas é alterada de acordo com a restri¸cão que se deseja emular. A Figura 3.2 apresenta uma válvula agulha utilizada na bancada manual.
Figura 3.2: Válvula agulha
Os cilindros simulam os volumes presentes no sistema de refrigera¸cão, como o evaporador e o condensador. Os cilindros
uti-3.1. Estrutura da bancada 53
lizados possuem volume variável que é limitado por um batente, apresentado na Figura 3.3, composto por uma barra metálica com um furo passante, por onde a haste do cilindro percorre. Perpendicu-larmente a esse furo existem diversos furos marcados e espa¸cados, onde é possível encaixar pinos que limitam o movimento da haste do cilindro. Seu volume é alterado de acordo com cada curva carac-terística que se deseja emular.
Pino Volume
variável
Direção de movimentação da haste
Engate rápido
Figura 3.3: Cilindro da bancada manual
Os cilindros e os batentes ficam fixos na bancada, somente as hastes dos cilindros podem se mover. Como durante todos os ensaios a pressão no interior do cilindro é maior que a atmosférica, um batente é suficiente para manter o volume constante durante todo o período.
Na bancada existem, também, dois reservatórios, responsá-veis por armazenar fluido refrigerante durante o ensaio, para rea-proveitamento desse fluido. Os reservatórios têm volumes bastante superiores aos dos cilindros, logo a pressão no interior dos reserva-tórios não varia de forma significativa durante o ensaio. A Figura 3.4 apresenta a bancada manual.
Alterando-se as configura¸cões das válvulas e cilindros, é pos-sível alterar os volumes e perdas de carga equivalentes em cada um dos ramos do circuito, o que tem influência direta sobre as condi¸cões de pressão de suc¸cão e descarga. Com isso, tipicamente é possível simular as condi¸cões presentes durante a partida de um refrigerador sem a necessidade de alterar as condi¸cões de volume e perda de carga durante a realiza¸cão do ensaio. Quanto menor a resolu¸cão utilizada, maior o número de configura¸cões das válvulas e cilindros e, consequentemente, maior o número de curvas que podem ser emuladas.
54 Capítulo 3. Bancada manual
Reservatórios
V3
Cilindro de
descarga
Cilindro de
sucção
V1
Batente
Compressor
Eq1
Transdutor
de pressão
Figura 3.4: Bancada manual
3.2 ENSAIOS MANUAIS
Para realizar os ensaios na bancada manual, ajustam-se os parâmetros selecionados, o compressor é acionado, os valores de pressão são adquiridos e armazenados e, passado o tempo do en-saio, o compressor é desligado.
Para cada ensaio, os parâmetros selecionados são a abertura das válvulas V1 e V3, e a posi¸cão das hastes dos cilindros, da des-carga e suc¸cão. A válvula V2 é utilizada nas trocas dos compressores, sendo fechada para preservar o fluido no interior da bancada. Como todos os parâmetros são ajustados manualmente, é necessário um operador. O tempo desse ajuste é em torno de 15 min para cada condi¸cão de ensaio, dependendo da experiência do operador.
Para o posicionamento das válvulas, são contados o número de voltas. O menor incremento utilizado no posicionamento da ban-cada manual é de metade de uma volta. Como o ajuste é feito manu-almente, por vezes não se sabe em que posi¸cão a válvula se
encon-3.2. Ensaios manuais 55
tra, quando isso ocorre é necessário fechá-la completamente para abri-la contando as voltas. O processo de fechar a válvula deve ser feito com bastante cuidado, uma vez que ela pode ser danificada caso alguma for¸ca seja feita da agulha contra o assento.
Para o ajuste do volume dos cilindros é necessário recolher a haste dos cilindros manualmente, pois, como o seu interior está pressurizado, a haste do cilindro exerce uma for¸ca contra o pino que impede a sua retirada. Para recolher a haste do cilindro é necessário aplicar uma pressão no engate rápido do cilindro que seja maior que a no seu interior. Isso faz com que a haste do cilindro recue e pare de exercer uma for¸ca contra o pino, possibilitando a sua retirada. Muitas vezes nesse processo é necessário ligar o compressor para movimentar o fluido, o que faz com que o procedimento demore ainda mais.
Uma vez retirado o pino, é possível reposicioná-lo no local desejado. É necessário, porém, retirar a pressão no engate rápido do cilindro para que a haste volte a exercer a for¸ca contra o pino. O posicionamento da haste fica limitado à posi¸cão dos furos feitos no batente, dividido em 15 pontos, distribuídos nos 480 mm do seu curso. Como o procedimento é feito manualmente, o operador deve estar atento ao avan¸co do cilindro, devido ao risco de acidentes.
Quando ajustados, os parâmetros são mantidos constantes durante todo o ensaio. Para realizar o ensaio, o programa utilizado na bancada manual é executado e a placa de aquisi¸cão passa a ad-quirir e armazenar os valores da pressão de suc¸cão e de descarga. O operador, então, liga e desliga o compressor via software. Os dados adquiridos são armazenados para uma análise posterior.
Uma vez realizado o ensaio, os resultados são analisados. Observa-se a diferen¸ca entre a curva obtida e a curva característica que se deseja copiar e, a partir do conhecimento que o operador possui da bancada, são definidos os parâmetros para o próximo en-saio. Durante os ensaios realizados, percebeu-se que as mudan¸cas dos parâmetros são feitas mais frequentemente na descarga que na suc¸cão.
A forma como são realizados os ensaios na bancada manual a torna pouco atraente para a indústria de compressores. A resolu¸cão utilizada no ajuste dos parâmetros diminui o número de curvas que a bancada é capaz de emular. A forma como são ajustados as válvu-las e os cilindros produz uma movimenta¸cão desnecessária, que au-menta a necessidade de manuten¸cão da bancada. Outro problema que a bancada apresenta é a falta de seguran¸ca do próprio operador,
56 Capítulo 3. Bancada manual
que pode vir a se lesionar durante o ajuste da haste dos cilindros. A automa¸cão da bancada deve trazer, portanto: melhora na resolu¸cão no posicionamento dos cilindros e das válvulas; menor tempo de ajuste da bancada; e maior independência do operador, reduzindo os riscos e erros envolvidos na a¸cão humana.
4 AUTOMA¸CÃO DA BANCADA
Neste capítulo é descrito o desenvolvimento do trabalho: a automa¸cão do cilindro e da válvula, o desenvolvimento do soft-ware e a defini¸cão do método utilizado para realizar os ensaios. A automa¸cão do cilindro e da válvula é essencial, pois alterar as posi¸cões dos cilindros e das válvulas faz com que a curva da evolu¸cão das pressões também seja alterada. O software desenvol-vido é responsável por controlar esse posicionamento e o fluxo dos ensaios.
Uma vez que o trabalho realizado é experimental e exige a aquisi¸cão e integra¸cão de diferentes componentes, existe uma neces-sidade de recursos financeiros, que são limitados. Como a solu¸cão para a movimenta¸cão da válvula V1 pode ser utilizada na válvula V3 e o posicionamento das hastes dos cilindros também são similares, optou-se por ser automatizado apenas um dos pares cilindro-válvula para validar o conceito de automa¸cão, que poderá ser replicado pos-teriormente.
Como as pressões na descarga são muito maiores que na suc¸cão, a for¸ca necessária para manter o posicionamento do cilin-dro na posi¸cão correta também é muito maior. Outro fator levado em considera¸cão é o fato de os parâmetros serem alterados mais vezes na descarga que na suc¸cão. Por isso, optou-se por realizar a automa¸cão dos componentes da descarga do compressor.
Uma vez validado o conceito de automa¸cão na descarga, o mesmo pode ser repetido para a automa¸cão da suc¸cão. Deve atentar-se, porém, a alguns detalhes no posicionamento do cilindro, expli-cados na se¸cão 4.1.
É interessante ressaltar que as pressões de suc¸cão e de des-carga são relacionadas, ou seja, a varia¸cão de uma afeta a outra. Isso faz com que, apesar de estar sendo automatizada apenas a des-carga, também seja obtida uma melhora nos resultados da suc¸cão.
4.1 MOVIMENTA¸CÃO DO CILINDRO
A fim de substituir o batente utilizado para bloquear a haste do cilindro da descarga, apresentado na Se¸cão 3.1, foi necessário projetar um sistema que fosse capaz de, além de bloquear o movi-mento do cilindro, posicioná-lo corretamente, sem a interferência de um operador.
Com o intuito de atender às necessidades do projeto, o ba-tente deve percorrer o curso total do cilindro, que é de 480 mm,
58 Capítulo 4. Automa¸cão da bancada
com um diâmetro interno de 18 mm. A for¸ca que o batente do cilin-dro deverá suportar é dada por:
F = \biggl( d 2 1000 \biggr) 2 \pi (p - patm) 105, (4.1) onde:
F : for¸ca exercida pelo cilindro, em N; d : diâmetro interno do cilindro, em mm; p : pressão no interior do cilindro, em bar; patm : pressão atmosférica, em bar.
O mecanismo montado deve suportar, sem ceder, o cilindro completamente pressurizado (16 bar). Uma vez que outro extremo do cilindro está sujeito à pressão atmosférica, a pressão diferencial que êmbolo recebe é de aproximadamente 15 bar. Em termos de for¸ca, isso equivale a 382 N sendo exercida pela haste do cilindro contra o batente. O sistema também deve conseguir empurrar a haste do cilindro com a pressão equalizada. Nos ensaios realizados na bancada manual, a maior pressão equalizada utilizada foi de 6,5 bar, equivalente a 140 N de for¸ca aplicada sobre ambos os lados do êmbolo do cilindro. O sistema de movimenta¸cão do cilindro não possui uma especifica¸cão de velocidade bem definida. Entretanto, é necessário atentar-se ao desgaste que as veda¸cões do sistema so-frem, principalmente quando submetidas a uma velocidade muito grande ou oscilam.
O posicionamento poderia utilizar um atuador linear, que pos-sui uma boa exatidão. Apesar de existirem modelos que atendam aos requisitos de tamanho de curso e for¸ca, os que atendem são financeiramente inviáveis (DRESIG; HOLZWEIßIG, 2010).
Uma op¸cão, encontrada em um dos trabalhos apresentados na Se¸cão 2.4, foi utilizar um sistema utilizando o par pinhão-cremalheira. É uma op¸cão bastante utilizada em diversos sistemas e a rela¸cão de for¸ca pode ser ajustada por meio da escolha das engre-nagens. A resolu¸cão atingida com essa solu¸cão geralmente é pior e exige um torque maior do motor que movimenta a engrenagem. Um dos problemas desse tipo de sistema, porém, são os custos envolvi-dos na manuten¸cão. Em ambientes industriais, esse tipo de solu¸cão também pode apresentar problemas com vibra¸cão e erro de posicio-namento (EHRMANN et al., 2016).
Uma solu¸cão financeiramente viável e que atende aos requi-sitos seria montar uma guia linear, que movimenta uma mesa com
