Desenvolvimento e validação experimental de um padrão de intercomparação para verificação de bancadas de ensaio de eficiência energética de compressores de refrigeração na indústria

Texto

(1)Filipe Schmitz. DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM PADRÃO DE INTERCOMPARAÇÃO PARA VERIFICAÇÃO DE BANCADAS DE ENSAIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE COMPRESSORES DE REFRIGERAÇÃO NA INDÚSTRIA. Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Orientador: Prof. Rodolfo César Costa Flesch, Dr. Eng.. Florianópolis 2014.

(2) Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC. Schmitz, Filipe Desenvolvimento e validação experimental de um padrão de intercomparação para verificação de bancadas de ensaio de eficiência energética de compressores de refrigeração na indústria / Filipe Schmitz ; orientador, Rodolfo César Costa Flesch - Florianópolis, SC, 2014. 137 p. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Inclui referências 1. Engenharia Mecânica. 2. Engenharia Mecânica. 3. Metrologia e Instrumentação. 4. Refrigeração. I. Flesch, Rodolfo César Costa. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. III. Título..

(3) Filipe Schmitz. DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM PADRÃO DE INTERCOMPARAÇÃO PARA VERIFICAÇÃO DE BANCADAS DE ENSAIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE COMPRESSORES DE REFRIGERAÇÃO NA INDÚSTRIA. Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de “Mestre em Engenharia Mecânica” e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica Florianópolis, 18 de dezembro de 2014. ________________________ Prof. Armando Albertazzi de Gonçalves Jr., Dr. Eng. Coordenador do Curso Banca Examinadora:. ________________________ Prof. Rodolfo César Costa Flesch, Dr. Eng. (Presidente) Orientador. ________________________ Prof. Marco Antônio Martins Cavaco, Ph. D. (UFSC). ________________________ Cesar Alberto Penz, Dr. Eng. (UFSC). ________________________ Diogo Lôndero da Silva, Dr. Eng..

(4)

(5) AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer as seguintes pessoas e instituições: à minha noiva Franciele e aos meus pais, Olegario e Marili, pelo suporte nos momentos difíceis;  ao Prof. Rodolfo César Costa Flesch pela orientação e pelo suporte na execução deste trabalho;  à Embraco pela oportunidade de desenvolver esse trabalho;  a equipe de trabalho na Embraco que suportou a execução desta atividade, Diogo, Eduardo, Lucas, João Paulo, Miguel, Yure e todos os demais integrantes do laboratório;  ao Prof. Carlos Alberto Flesch pela confiança em meu trabalho ao longo de minha carreira acadêmica;  a todos os integrantes do LIAE pelo conhecimento e aprendizado compartilhado. .

(6)

(7) RESUMO A eficiência energética de compressores de refrigeração é uma das variáveis mais importantes medidas durante as fases de desenvolvimento de novos produtos e de acompanhamento da qualidade dos compressores produzidos. Essa medição é realizada segundo requisitos de normas internacionais e a análise baseia-se em duas variáveis: capacidade de refrigeração e consumo de energia elétrica. Os ensaios para determinar essas grandezas são realizados em bancadas que custam centenas de milhares de reais e que apresentam grande ocupação na indústria. De modo a garantir a confiabilidade das medições, são necessários padrões metrológicos para verificação de todas as grandezas medidas durante o ensaio. Para consumo de energia há disponíveis no mercado inúmeros padrões e equipamentos para esse propósito. Entretanto, não há um padrão para capacidade de refrigeração que permita criar rastreabilidade no processo de medição. A melhor solução encontrada até o momento na indústria é utilizar um compressor como referência para análise comparativa entre os painéis. Na literatura foi encontrada uma proposta alternativa, porém não completamente adequada para aplicação no cenário industrial. O objetivo do trabalho é desenvolver, com base na solução anterior e na apresentada na literatura, e aplicar na indústria um novo método de intercomparação de capacidade de refrigeração e das demais grandezas medidas durante o ensaio que mais influenciam no resultado de capacidade de refrigeração. Esse novo sistema busca eliminar importantes limitações do método tradicional, como perda da referência com a quebra do compressor padrão e alteração do valor medido com o desgaste do compressor padrão. Além disso, visa contornar algumas dificuldades da proposta da literatura, como dificuldade de integração com uma grande gama de bancadas de ensaio com diferentes topologias. Ao longo do trabalho são mostrados resultados experimentais da nova proposta aplicada na indústria que ilustram os ganhos obtidos com o novo método. Palavras-chave: compressor, avaliação de eficiência capacidade de refrigeração, padrão de intercomparação.. energética,.

(8)

(9) ABSTRACT Energy efficiency ratio (EER) of refrigeration compressors is one of the most important variables measured in the development phase of new products and also in the production phase, in order to guarantee the quality. EER calculation, performed according to ISO917, is done by the measurement of cooling capacity and electrical power consumption. In order to assure metrological reliability, all the measuring devices used for EER calculation must be calibrated against standards. For power consumption there are several standards available on the market, but there is not a standard for cooling capacity in order to guarantee the measurement process traceability. The best practice to minimize the inexistence of a standard is to use a reference compressor to compare the measurements between different test rigs. A proposal to an intercomparison method can be found in the literature, but it is not completely suitable for industrial application. This study aims to develop, based on the current solution and the solution proposed in the literature, and apply in industry a novel method for cooling capacity intercomparison between test rigs, with evaluation of cooling capacity and other variables measured during the test that impact on cooling capacity measurement. The new standard eliminates issues from the traditional method, as lose of reference due to damage of the compressor or measurement results variation due to wear of mechanical components of the compressor. Additionally, the new proposal eliminates the difficult to apply the standard on test rigs with different topologies. Experimental results from the proposed standard applied to industrial test rigs are presented and they prove the benefits of the new method. Keywords: compressor, intercomparison standard.. energy. efficiency,. cooling. capacity,.

(10)

(11) LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - COMPARAÇÃO ENTRE EFICIÊNCIA DE CARNOT E DE COMPRESSORES EM 1980 E 2002, ALÉM DAS PERDAS NO COMPRESSOR. ......................................................................................... 26 FIGURA 2 - CIRCUITO DE REFRIGERAÇÃO. ...................................... 32 FIGURA 3 - DIAGRAMA P-H. ................................................................. 33 FIGURA 4 - BANCADA GENÉRICA PARA ENSAIO DE COMPRESSORES. .................................................................................... 36 FIGURA 5 - VISTA EM CORTE DE UM CALORÍMETRO TIPO FLUIDO SECUNDÁRIO. .......................................................................... 38 FIGURA 6 - ESQUEMÁTICO MÉTODO DE CALORÍMETRO COM FLUIDO SECUNDÁRIO. .......................................................................... 38 FIGURA 7 - DIAGRAMA DO CIRCUITO DO MÉTODO F. .................. 41 FIGURA 8 - INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DE SUCÇÃO E DESCARGA NA CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO. ............................................. 44 FIGURA 9 - INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE SUCÇÃO NA CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO. .................................................... 45 FIGURA 10 - CORRELAÇÃO ENTRE TEMPERATURA DE CARCAÇA COM CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO. .......................................... 46 FIGURA 11 - ESQUEMÁTICO SIMPLIFICADO DA BANCADA DE VALIDAÇÃO DO PADRÃO DE CAPACIDADE. ................................... 51 FIGURA 12 - CONTROLE DA VAZÃO MÁSSICA COM A VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA ROTACIONAL DO COMPRESSOR........................ 53 FIGURA 13 - FLUXOGRAMA DO ENSAIO DE AVALIAÇÃO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA COM O COMPRESSOR PADRÃO. ......... 55 FIGURA 14 - RESULTADO DE VAZÃO MÁSSICA PARA VALIDAÇÃO DO CONCEITO DE PADRÃO DE CAPACIDADE. ....... 56 FIGURA 15 - INCERTEZA DE MEDIÇÃO DE MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA DISPONÍVEIS NO MERCADO PARA MEDIÇÃO DE GÁS. ..................................................................................................... 61 FIGURA 16 - DIFERENÇA ENTRE AS MEDIÇÕES DE VAZÃO MÁSSICA COM A INCERTEZA DE MEDIÇÃO PARA 2,5 KG/H........ 61.

(12) FIGURA 17 - CALIBRAÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA A 1,5 KG/H. ...... 63 FIGURA 18 - MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICA EXCITADO DE (20 A 2000) HZ. ................................................................................................... 63 FIGURA 19 - MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICA EXCITADO DE (40 A 120) HZ. ..................................................................................................... 64 FIGURA 20 - VARIAÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA DEVIDO AO USO DE FONTE DE ALIMENTAÇÃO CHAVEADA. .................................... 65 FIGURA 21 - EFEITO DA VARIAÇÃO TÉRMICA DO MEDIDOR NO VALOR DE VAZÃO MÁSSICA. ............................................................. 65 FIGURA 22 - COMPARAÇÃO DO EFEITO DA PRESSÃO NA MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA EM MEDIDORES DE 1990 E DE 1996. ........................................................................................................... 66 FIGURA 23 - RESPOSTA DA VAZÃO MÁSSICA A UM DEGRAU NA FREQUÊNCIA ROTACIONAL. ............................................................... 68 FIGURA 24 - RESPOSTA DA PRESSÃO DE SUCÇÃO COM A VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA ROTACIONAL. .................................. 68 FIGURA 25 - RESPOSTA DA PRESSÃO DE SUCÇÃO COM A VARIAÇÃO DA POSIÇÃO DA VÁLVULA DE SUCÇÃO. ................... 69 FIGURA 26 - RESPOSTA DA VAZÃO MÁSSICA COM A VARIAÇÃO DA POSIÇÃO DA VÁLVULA DE SUCÇÃO. ......................................... 69 FIGURA 27 - VARIAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA COM A VARIAÇÃO DA TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO DURANTE UM ENSAIO DE AVALIAÇÃO DE EFICIÊNCIA. ........................................ 71 FIGURA 28 - COMPRESSOR COM OS ENGATES SOLDADOS DIRETAMENTE AOS TUBOS PASSADORES. ..................................... 73 FIGURA 29 - VERIFICAÇÃO DA MASSA DO COMPRESSOR ANTES DO TESTE. ................................................................................................ 73 FIGURA 30 - INCERTEZA DE MEDIÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA CMFS010. .................................................................................................. 79 FIGURA 31 - INCERTEZA DE MEDIÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA CONSIDERANDO O EFEITO DA DERIVA TÉRMICA. ....................... 81 FIGURA 32 - COMPARAÇÃO ENTRE INCERTEZA DE MEDIÇÃO COM E SEM DERIVA TÉRMICA EM VAZÃO SUPERIOR A 1 KG/H.81.

(13) FIGURA 33 - MEDIÇÃO DE TEMPERATURA DE SUCÇÃO DO COMPRESSOR. ......................................................................................... 82 FIGURA 34 - CONFIGURAÇÃO PARA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA MEDINDO A TENSÃO NO TERMOPAR. ................ 83 FIGURA 35 - CORRELAÇÃO ENTRE TEMPERATURA E TENSÃO DADO O COEFICIENTE DE SENSIBILIDADE. .................................... 85 FIGURA 36 - CORRELAÇÃO ENTRE TENSÃO CALCULADA E TEMPERATURA. ...................................................................................... 87 FIGURA 37 - TRANSDUTOR DE TEMPERATURA DA CARCAÇA INSTALADO AO COMPRESSOR............................................................ 88 FIGURA 38 - ESTUFA PARA CALIBRAÇÃO DE TEMPERATURA DE SUCÇÃO. ................................................................................................... 90 FIGURA 39 - COMPRESSOR E TRANSDUTOR PADRÃO POSICIONADOS DENTRO DA ESTUFA. .............................................. 91 FIGURA 40 - CALIBRAÇÃO DE TEMPERATURA DE SUCÇÃO. ...... 92 FIGURA 41 - ESQUEMA DA BANCADA DE CALIBRAÇÃO DE MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA. .................................................... 95 FIGURA 42 - DIFERENÇA DE MASSA ENTRE MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICA E DA BALANÇA. ................................................................... 97 FIGURA 43 - CALIBRAÇÃO COM TAMPA SOBRE O RECIPIENTE DE ÁGUA................................................................................................... 99 FIGURA 44 - COMPARAÇÃO DA CALIBRAÇÃO COM E SEM O USO DA TAMPA SOBRE O RECIPIENTE DE ÁGUA.................................... 99 FIGURA 45 - DIFERENÇA ENTRE BALANÇA E MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICA CORRIGINDO ERRO DE ZERO........................... 100 FIGURA 46 - COMPARAÇÃO DA MEDIÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA COM E SEM FILTRO NA FREQUÊNCIA DE 4,5 HZ. ......................... 104 FIGURA 47 - COMPARAÇÃO DA MEDIÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA COM E SEM FILTRO NA FREQUÊNCIA DE 0,1 HZ .......................... 105 FIGURA 48 - COMPARAÇÃO DO VALOR DE ZERO DO MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICA COM O USO DE FONTE LINEAR OU FONTE CHAVEADA. ........................................................................................... 106.

(14) FIGURA 49 - ESQUEMÁTICO DA BANCADA PARA CALIBRAÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA COM DOIS MEDIDORES INSTALADOS. .... 107 FIGURA 50 - DIFERENÇA ENTRE MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA DO P02, PADRÃO DE CAPACIDADE E REFERÊNCIA (BALANÇA). ........................................................................................... 108 FIGURA 51 - DIFERENÇA ENTRE MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA DO P02, PADRÃO DE CAPACIDADE E REFERÊNCIA (BALANÇA) APÓS O ZERAMENTO. ................................................... 111 FIGURA 52 - ANÁLISE DA MEDIÇÃO DE ZERO DOS MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA NA TEMPERATURA DE OPERAÇÃO. ........ 112 FIGURA 53 - ANÁLISE DA MEDIÇÃO DE ZERO DOS MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA NA TEMPERATURA AMBIENTE................. 113 FIGURA 54 - ANÁLISE DA MEDIÇÃO DE ZERO DOS MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA NA TEMPERATURA DE OPERAÇÃO E DEPOIS RESFRIADO PARA TEMPERATURA AMBIENTE.............. 114 FIGURA 55 - ANÁLISE DA VIBRAÇÃO NO MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICA. ............................................................................................... 115 FIGURA 56 - MEDIÇÃO DE TEMPERATURA DE SUCÇÃO EM ENSAIO DO PADRÃO DE CAPACIDADE. ......................................... 117 FIGURA 57 - MEDIÇÃO DE TEMPERATURA DE CARCAÇA DURANTE UM ENSAIO DO PADRÃO DE CAPACIDADE. .............. 119 FIGURA 58 - MEDIÇÃO DE PRESSÃO DE SUCÇÃO DURANTE UM ENSAIO DO PADRÃO DE CAPACIDADE. ......................................... 120 FIGURA 59 - MEDIÇÃO DE PRESSÃO DE DESCARGA EM ENSAIO DO PADRÃO DE CAPACIDADE. ......................................................... 122 FIGURA 60 - DIFERENÇA ENTRE OS MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA DOS PAINÉIS E PADRÃO DE CAPACIDADE. ................ 123 FIGURA 61 - MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA DURANTE UM ENSAIO DO PADRÃO DE CAPACIDADE. ......................................... 124.

(15) LISTA DE TABELAS TABELA 1 - INCERTEZA DE MEDIÇÃO PARA PRESSÃO DE SUCÇÃO E DESCARGA. ......................................................................... 78 TABELA 2 - CORRELAÇÃO ENTRE TEMPERATURA E TENSÃO GERADA PELO TERMOPAR. ................................................................. 85 TABELA 3 - INCERTEZA DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA A 40 ºC. .................................................................................................................... 87 TABELA 4 - INCERTEZA DE MEDIÇÃO DO PADRÃO DE TEMPERATURA. ...................................................................................... 90 TABELA 5 - VALORES DA CALIBRAÇÃO DO TRANSDUTOR DA TEMPERATURA DE SUCÇÃO................................................................ 91 TABELA 6 - INCERTEZA DE MEDIÇÃO PARA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA. ...................................................................................... 93 TABELA 7 - TEMPERATURA DE SUCÇÃO COM O USO DO FATOR DE CORREÇÃO. ....................................................................................... 93 TABELA 8 - VALORES DA CALIBRAÇÃO DO TRANSDUTOR DA TEMPERATURA DE CARCAÇA. ........................................................... 94 TABELA 9 - EVAPORAÇÃO DA ÁGUA NO RECIPIENTE PARA CALIBRAÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA................................................... 98 TABELA 10 - DADOS DE CALIBRAÇÃO DO TRANSMISSOR DE 20 BAR. ......................................................................................................... 101 TABELA 11 - CONDIÇÃO DE TESTE PARA BANCADA DE PADRÃO DE CAPACIDADE PARA FLUIDO REFRIGERANTE R134A. ........... 102 TABELA 12 - COMPARAÇÃO DO ZERO DO MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICA UTILIZANDO FONTE LINEAR OU FONTE CHAVEADA PARA ALIMENTAÇÃO DO MESMO. .................................................. 106 TABELA 13 - DADOS MÉDIOS DA CALIBRAÇÃO DOS MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA DO PADRÃO DE CAPACIDADE E DO P02. 108 TABELA 14 - MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA PARA AVALIAR ERRO DE ZERO DOS MEDIDORES. .................................................... 109.

(16) TABELA 15 - MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA PARA AVALIAR ERRO DE ZERO DOS MEDIDORES DEPOIS DO PROCESSO DE ZERAMENTO.......................................................................................... 110 TABELA 16 - DADOS MÉDIOS DA CALIBRAÇÃO DOS MEDIDORES DE VAZÃO MÁSSICA DO PADRÃO DE CAPACIDADE E DO P02 DEPOIS DO ZERAMENTO. ................................................................... 110 TABELA 17 - MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA PARA AVALIAR ERRO DE ZERO DOS MEDIDORES..................................................... 111 TABELA 18 - COMPARAÇÃO DA TEMPERATURA DE SUCÇÃO DO COMPRESSOR MEDIDO PELO PAINEL DE DESEMPENHO E PELO PADRÃO DE CAPACIDADE. ................................................................ 116 TABELA 19 - COMPARAÇÃO DA TEMPERATURA DE CARCAÇA DO COMPRESSOR MEDIDO PELO PAINEL DE DESEMPENHO E PELO PADRÃO DE CAPACIDADE. ..................................................... 118 TABELA 20 - COMPARAÇÃO DA PRESSÃO DE SUCÇÃO MEDIDA PELO PAINEL DE DESEMPENHO E PELO PADRÃO DE CAPACIDADE. ....................................................................................... 120 TABELA 21 - COMPARAÇÃO DA PRESSÃO DE DESCARGA MEDIDA PELO PAINEL DE DESEMPENHO E PELO PADRÃO DE CAPACIDADE. ....................................................................................... 121 TABELA 22 - COMPARAÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA MEDIDA PELO PAINEL DE DESEMPENHO E PELO PADRÃO DE CAPACIDADE. 122 TABELA 23 - COMPARAÇÃO DA VAZÃO MÁSSICA MEDIDA PELO PADRÃO DE CAPACIDADE ENTRE OS PAINÉIS AVALIADOS. ... 125 TABELA 24 - ANÁLISE QUALITATIVA DA COMPARAÇÃO DAS MEDIÇÕES DAS VARIÁVEIS ENTRE OS PAINÉIS E O PADRÃO DE CAPACIDADE. ....................................................................................... 125 TABELA 25 - COMPARATIVO DAS MEDIÇÕES DA TEMPERATURA DE SUCÇÃO ENTRE PAINÉIS E O SETPOINT EM RELAÇÃO AO PADRÃO DE CAPACIDADE. ................................................................ 126 TABELA 26 - COMPARATIVO DAS MEDIÇÕES DA TEMPERATURA DE CARCAÇA ENTRE PAINÉIS E A MÉDIA DO PADRÃO EM RELAÇÃO AO PADRÃO DE CAPACIDADE. ..................................... 126.

(17) TABELA 27 - COMPARATIVO DAS MEDIÇÕES DA PRESSÃO DE DESCARGA ENTRE PAINÉIS E SETPOINT EM RELAÇÃO AO PADRÃO DE CAPACIDADE. ................................................................ 127 TABELA 28 - COMPARATIVO DAS MEDIÇÕES DA PRESSÃO DE SUCÇÃO ENTRE PAINÉIS E SETPOINT EM RELAÇÃO AO PADRÃO DE CAPACIDADE. ................................................................................. 127 TABELA 29 - COMPARATIVO DA CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO ENTRE PAINÉIS ...................................................... 128.

(18)

(19) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT ASHRAE CEN CNS COP ISO LBP VCC. Associação Brasileira de Normas Técnicas American Society of Heating, Refrigerating and AirConditioning Engineers European Comittee for Standardization Chinese National Standard Coeficiente de desempenho energético International Organization for Standardization Baixa pressão de retorno Compressor com capacidade de refrigeração variável.

(20)

(21) LISTA DE SÍMBOLOS F f1 f2 g1 g2 hg1 hf1. Pe q Qa qmf Qr qν Ta tf tg Ts Vga Vgl. ØO ρ μ. fator de perda do calorímetro fluido refrigerante na fase líquida próximo ao compressor fluido refrigerante na fase líquida próximo ao calorímetro fluido refrigerante na fase gasosa próximo ao compressor fluido refrigerante na fase gasosa próximo ao calorímetro entalpia específica do vapor de refrigerante entrando no compressor nas condições estabelecidas para o ensaio entalpia específica do refrigerante no estado líquido saturado referente à pressão de descarga do compressor nas condições estabelecidas para o ensaio vazão mássica potência elétrica calor entregue ao calorímetro calor absorvido vazão mássica de fluido refrigerante calor rejeitado vazão volumétrica da mistura de refrigerante líquido e óleo temperatura do ambiente no qual o calorímetro está posicionado temperatura de saturação correspondente à pressão de descarga do compressor temperatura de sucção do compressor temperatura interna ao calorímetro volume específico do vapor de refrigerante entrando no compressor, durante o ensaio volume específico do vapor de refrigerante entrando no compressor nas condições estabelecidas para o ensaio vazão volumétrica calor específico do óleo capacidade de refrigeração do compressor em teste massa específica do refrigerante correspondente à pressão e temperatura na qual a vazão é medida volume específico do óleo título, em massa, de óleo contido na mistura refrigerante-óleo.

(22)

(23) SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................. 25 1.1 OBJETIVOS ............................................................................... 28 1.1.1 Objetivo Geral ..................................................................... 28 1.1.2 Objetivos Específicos .......................................................... 28 1.2. 2. ESTRUTURA DO TRABALHO ................................................ 29. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ....................................................... 31 2.1. CIRCUITO DE REFRIGERAÇÃO ............................................ 31. 2.2 AVALIAÇÃO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE COMPRESSORES DE REFRIGERAÇÃO ............................................ 32 2.2.1 Método do calorímetro com fluido secundário ................... 36 2.2.2 Medição de vazão de refrigerante líquido ........................... 39 2.2.3 Método de medição de vazão de refrigerante na fase vapor 41 2.2.4 Limites das variáveis ........................................................... 42 2.3 INFLUÊNCIA DAS VARIÁVEIS DE PROCESSO NA MEDIÇÃO DE CAPACIDADE ............................................................. 42 2.3.1 Pressão de sucção e descarga .............................................. 43 2.3.2 Temperatura de sucção........................................................ 44 2.3.3 Temperatura da carcaça do compressor .............................. 45 2.4 PADRÃO DE CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO ............. 46 2.4.1 Método atual ....................................................................... 47 2.4.2 Concepção inicial ................................................................ 48 2.4.3 Concepção para uso na indústria ......................................... 52 2.5 3. PADRÃO DE INTERCOMPARAÇÃO ..................................... 56. PROPOSTA DE PADRÃO DE CAPACIDADE ............................ 59 3.1 DIFICULDADES........................................................................ 59 3.1.1 Incerteza de medição ........................................................... 59 3.1.2 Controle das variáveis ......................................................... 67 3.1 ARQUITETURA ........................................................................ 70 3.1.1 Compressor ......................................................................... 70 3.1.2 Circuito mecânico ............................................................... 74.

(24) 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.1.7 4. Separador de óleo ............................................................... 75 Medição das pressões de sucção e descarga ....................... 76 Medidor de vazão mássica .................................................. 78 Medição de temperatura de sucção ..................................... 81 Medição da temperatura da carcaça do compressor............ 87. RESULTADOS ................................................................................. 89 4.1 CALIBRAÇÃO .......................................................................... 89 4.1.1 Transdutor de temperatura de sucção ................................. 89 4.1.2 Transdutor de temperatura da carcaça do compressor ........ 93 4.1.3 Calibração do medidor de vazão mássica ........................... 94 4.1.4 Calibração dos transmissores de pressão .......................... 100 4.2 PROCEDIMENTO DE TESTE ................................................ 101 4.2.1 Frequência de aquisição .................................................... 101 4.2.2 Condição de teste .............................................................. 102 4.2.3 Procedimento de testes...................................................... 102 4.3 INVESTIGAÇÃO DA MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA .. 103 4.3.1 Comportamento dinâmico................................................. 103 4.3.2 Fonte de alimentação do medidor de vazão mássica ........ 105 4.3.3 Comparação entre medidores de vazão mássica ............... 106 4.3.4 Verificação de zero e zeramento dos medidores de vazão mássica 109 4.3.5 Verificação do efeito da temperatura no zeramento ......... 110 4.3.6 Medição de vibração ......................................................... 114 4.4 RESULTADOS DE VALIDAÇÃO DO PADRÃO ................. 115 4.4.1 Temperatura de sucção ..................................................... 116 4.4.2 Temperatura de carcaça do compressor ............................ 117 4.4.3 Pressão de sucção ............................................................. 119 4.4.4 Pressão de descarga .......................................................... 120 4.4.5 Vazão mássica .................................................................. 121 4.4.6 Capacidade de refrigeração ............................................... 124. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................... 129 5.1. CONCLUSÕES ........................................................................ 129. 5.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .................... 131.

(25) 25. 1. INTRODUÇÃO. A refrigeração vem sendo utilizada pelo homem desde 2000 a.C.. Porém, somente a partir de 1800 d.C. iniciou-se o uso da refrigeração artificial (BRILEY, 2004). Com essa invenção o homem melhorou a qualidade de vida, utilizando-a para conforto térmico e, principalmente, para o armazenamento de alimentos. Depois de muitas evoluções, a partir de 1920 o refrigerador começou a ser um item indispensável nas cozinhas americanas. Já nos anos 50, o refrigerador estava presente em mais de 90% das residências dos Estados Unidos da América (KRASNER-KHAIT, 2000). Apesar do aumento do conforto e higiene devido ao melhor armazenamento dos alimentos, a grande quantidade de refrigeradores passou a representar um consumo significativo de energia elétrica. De acordo com a associação de fabricantes de aplicações domésticas, o consumo médio de um refrigerador vendido em 1980 era de 1278 kWh/ano (MCNARY; BERRY, 2012). Depois de anos de pesquisa e desenvolvimento, em 2007 o consumo médio de um refrigerador diminui para 498 kWh/ano, o que representa uma redução de mais de 60% em relação ao valor médio de 1980. Adicionalmente à redução significativa do consumo de energia, o volume médio dos refrigeradores aumentou de 0,55 m³ para 0,62 m³, o que representa um aumento de mais de 10% do volume (MCNARY; BERRY, 2012). Mesmo com a diminuição do consumo dos refrigeradores, no Brasil eles ainda são responsáveis por de mais de 25% da energia elétrica consumida em uma residência (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2007). Para a refrigeração são utilizados diferentes métodos, tais como: ciclo de compressão de vapor, ciclo de absorção de vapor, termoelétrico (ÇENGEL; BOLES, 2006), refrigeração magnética (GÓMEZ et al., 2012). Dentre as opções, o ciclo de compressão de vapor é o mais utilizado na prática (STOECKER; JONES, 1985). Nesse método, são utilizados quatro componentes principais: compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador. Para este trabalho, o foco é a avaliação de eficiência energética do compressor. Esse que é o responsável por realizar trabalho sobre o fluido refrigerante, fazendo com que o mesmo circule ao longo do circuito de refrigeração. É essa circulação que permite a troca de calor da zona de baixa para a de alta temperatura. Ao avaliar as perdas no compressor, figura.

(26) 26. 1, há várias fontes que resultam na diferença entre a eficiência energética do compressor atual com a eficiência máxima teórica, que é representada pela eficiência de Carnot. Figura 1 - Comparação entre eficiência de Carnot e de compressores em 1980 e 2002, além das perdas no compressor.. Fonte: adaptado de Todescat e Possamai (2004).. Com o desenvolvimento tecnológico, o aumento do coeficiente de desempenho energético (COP) entre as novas gerações de compressores é cada vez menor, dessa forma, em novos projetos é necessário medir ganhos de COP muitas vezes inferiores a 1%. Para avaliar a eficiência energética do compressor são utilizados painéis de ensaio que medem a vazão mássica gerada pelo compressor, permitindo assim o cálculo da capacidade de refrigeração além de medirem a energia despendida para a realização de tal tarefa (ASHRAE, 2005). A eficiência energética de um compressor é avaliada através de seu COP, que é determinado com emprego da equação (1). (1) Um painel de ensaio para avaliar a eficiência energética de um compressor consiste em uma série de equipamentos que reproduzem condições de funcionamento de um sistema de refrigeração, fazendo o uso de controladores e atuadores para que o ensaio se torne reprodutível e seja.

(27) 27. executado de acordo com as normas regulamentadoras (ISO, 1989). As normas definem o procedimento de ensaio, as condições de acomodação das variáveis e a quantidade de medições necessárias para que o ensaio possa ser considerado válido. As duas principais normas são:  ASHRAE 23-2005 – Methods of Testing for Rating Positive Displacement Refrigerant Compressors and Condensing Units (ASHRAE, 2005);  ISO 917 – Testing of Refrigerant Compressors (ISO, 1989) Entretanto, outras normas também tratam do assunto. Mais informações podem ser encontradas em CEN (2006), ABNT (2010), CNS (2004) e ARI (2004). As normas apresentadas acima definem a incerteza máxima permitida para os transdutores e a variação máxima admissível durante o ensaio para as variáveis medidas. Porém, isso não garante que a medição de COP será realizada corretamente. Como mostrado na equação (1), a eficiência energética é dependente da capacidade de refrigeração e da potência elétrica consumida. Para medição da potência elétrica há disponíveis no mercado equipamentos padrões com diferentes níveis de incerteza de medição, assegurando a correta medição dessa variável (BARBOSA, 2006). Porém, não existe um padrão de capacidade de refrigeração para avaliar os painéis de avaliação de eficiência dos compressores, ou simplesmente comparar de forma confiável os resultados obtidos por diferentes painéis. Dessa forma, um mesmo painel de ensaio, com os mesmos transdutores, pode medir diferentes valores de capacidade de refrigeração para um mesmo compressor em diferentes instantes de tempo. Isso ocorre devido a desvios de medição de transdutores, ou mesmo falhas elétricas ou mecânicas no painel de ensaio. Adicionalmente, segundo a norma ISO 917 (ISO, 1989) devem-se utilizar dois sistemas de medição independente para capacidade de refrigeração em um mesmo painel. Porém, é aceitável uma diferença de até 4% em capacidade de refrigeração entre os dois métodos de medição ao medir simultaneamente um compressor. Dado que os ganhos de eficiência energética no desenvolvimento de novos compressores são inferiores à diferença aceitável pela norma, é inviável o uso desse parâmetro para avaliação dos sistemas de medição na indústria, em especial em empresas que são ou buscam ser referência de inovação tecnológica em compressores de refrigeração. Atualmente, para aumentar a confiabilidade dos resultados, a.

(28) 28. garantia do processo de medição na indústria de compressores é realizada utilizando um compressor como padrão de intercomparação, porém com o tempo ocorre o desgaste do mesmo, acarretando alterações nos resultados de capacidade de refrigeração e de desempenho. Além disso, o compressor tomado como padrão está sujeito a danos permanentes, fazendo com que se perca o padrão estabelecido até o momento em caso de falha (MARTINS, 2009). Para solucionar tais dificuldades, foi desenvolvido um arranjo instrumental que pode atuar como padrão de capacidade de refrigeração, no qual há um compressor de referência juntamente com medições adicionais de variáveis que influenciam na capacidade de refrigeração, como vazão mássica, pressão e temperatura de sucção, além da pressão de descarga (MARTINS et al., 2011). Para validação desse arranjo instrumental, Martins (2011) desenvolveu um painel de ensaios especificamente para esse trabalho, no qual validou o conceito de medir e controlar a vazão mássica com a utilização de um compressor com capacidade de refrigeração variável. Após essa validação do conceito do controle da vazão mássica em painel específico, Corrêa (2013) realizou o controle da vazão mássica em um painel de ensaio de compressores similar ao utilizado na indústria. Adicionalmente, foram realizadas comparações entre as medições de vazão mássica do painel em análise e do padrão de capacidade. Com as validações realizadas por Martins (2011) e Corrêa (2013), mostrou-se que é possível desenvolver um novo conceito de padrão de capacidade. Entretanto, essa validação foi realizada em um único painel de ensaio de compressores. Para aplicar esse conceito na indústria, onde há maior quantidade de painéis com diferentes arquiteturas de controle e aquisição, são necessários mais análises e desenvolvimentos. 1.1. OBJETIVOS. 1.1.1 Objetivo Geral A dissertação tem como objetivo geral propor melhorias para aplicar o conceito do padrão de capacidade de refrigeração na indústria. 1.1.2 Objetivos Específicos Para a execução do objetivo geral, além da análise teórica, será necessária uma atividade experimental bastante intensa. Para que a análise de viabilidade seja completa, pretende-se implantar o conceito de padrão de capacidade na rotina de um laboratório de avaliação de compressores na indústria e avaliar seu comportamento no cenário real. Dessa forma, para.

(29) 29. alcançar o objetivo geral, será necessário atender aos seguintes objetivos específicos:  conectar mecanicamente o padrão nos painéis de avaliação de eficiência com o mínimo de alterações necessárias;  realizar testes para validação do padrão de capacidade, de modo a avaliar o comportamento frente a diversas anomalias possíveis durante um ensaio;  garantir robustez da solução adotada, que deve trabalhar em diferentes painéis com diferentes operadores. 1.2. ESTRUTURA DO TRABALHO. O capítulo 2 descreve o ciclo de refrigeração e o ensaio de desempenho de compressores, mostrando os métodos de medição e as particularidades das normas a serem seguidas. São também apresentadas as influências das variáveis de controle na medição de capacidade de refrigeração. É apresentada ainda uma revisão dos trabalhos produzidos até o momento sobre o conceito de padrão de capacidade. No capítulo 3 é descrito o conceito do padrão de capacidade a ser utilizado no trabalho. Uma breve descrição sobre todos os componentes utilizados e a incerteza de medição das grandezas medidas é apresentada. Ao decorrer do capítulo 4 são apresentados os resultados do trabalho. Inicialmente é descrito o processo de calibração empregado. Depois de definido o processo de calibração, são apresentados os resultados do padrão de capacidade conectado aos painéis de avaliação de eficiência energética de modo a validar a aplicação do mesmo. O capítulo 5 descreve as conclusões do trabalho e sugestões para trabalhos futuros..

(30) 30.

(31) 31. 2 2.1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS CIRCUITO DE REFRIGERAÇÃO. Naturalmente, há o fluxo de calor da região de maior para a de menor temperatura. Entretanto, quando o oposto é desejado, torna-se necessária a utilização de um sistema de refrigeração e consumo de energia (ÇENGEL, 2007). Como sistema de refrigeração pode ser adotado diferentes conceitos, tais como: ciclo de compressão de vapor, ciclo de absorção de vapor, termoelétrico, refrigeração magnética, entre outros. Neste trabalho, será estudado o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, que é composto basicamente por quatro dispositivos: compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador, conforme mostrado na figura 2. O fluido de trabalho que circula ao longo do circuito é chamado de fluido refrigerante. Seguindo o circuito de refrigeração a partir do ponto indicado como 1 na figura 2, o fluido entra no compressor como vapor superaquecido a baixa pressão. A temperatura do fluido deve estar acima da temperatura de saturação para garantir que não entrará líquido na câmara de compressão, o que pode levar a falha do compressor. Durante a compressão é realizado trabalho sobre o fluido, fazendo com que na saída do compressor o fluido refrigerante se encontre como vapor superaquecido, a alta pressão e alta temperatura (ponto 2). Após sair do compressor, o fluido entra no condensador, onde ocorre a troca de calor com o ambiente quente. Ao sair do trocador de calor (ponto 3), se encontra como líquido a alta pressão e com temperatura igual ou acima da temperatura ambiente. Depois de trocar calor com o ambiente quente, o fluido passa por um dispositivo de expansão, no qual haverá queda de pressão e temperatura, de forma que coexistirá líquido e vapor (ponto 4). Tipicamente são utilizados válvulas ou tubos capilares como dispositivos de expansão. Após a expansão, o fluido entra no evaporador a baixa pressão e temperatura, de maneira que, sob essas condições, é retirado calor do ambiente que se deseja refrigerar. Durante esse processo ocorre a mudança da fase líquida para a fase vapor. O fluido sai no estado de vapor saturado ou superaquecido. Até a entrada do compressor continua ocorrendo queda de pressão e aumento da temperatura do fluido, de modo que ele retorne ao ponto 1 como vapor superaquecido (DOSSAT, 1980)..

(32) 32. Figura 2 - Circuito de refrigeração.. Fonte: Adaptado de Scussel (2006).. 2.2. AVALIAÇÃO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DE COMPRESSORES DE REFRIGERAÇÃO. O compressor, um dos componentes do circuito de refrigeração, passa por uma extensiva bateria de testes durante sua fase de desenvolvimento e, depois de lançados ao mercado, os lotes produzidos passam pelo controle de qualidade. Dentre os testes realizados está a avaliação da eficiência energética. O teste para avaliação da eficiência energética é regido por normas que definem os métodos de ensaios que podem ser utilizados para determinar a capacidade de refrigeração, a potência elétrica consumida pelo compressor, a eficiência isentrópica e a eficiência energética (ISO, 1989). A capacidade de refrigeração, uma das variáveis medidas no teste, é calculada de acordo com a equação (2)..

(33) 33. (2) Sendo: ØO = capacidade de refrigeração do compressor em teste [W]; qmf = vazão mássica de fluido refrigerante [kg/s]; Vga = volume específico do vapor de refrigerante entrando no compressor durante o ensaio [m³/kg]; Vgl = volume específico do vapor de refrigerante entrando no compressor nas condições estabelecidas para o ensaio [m³/kg]; hg1 = entalpia específica do vapor de refrigerante entrando no compressor nas condições estabelecidas para o ensaio, conforme mostrado na figura 3 [J/kg]; hf1 = entalpia específica do refrigerante no estado líquido saturado referente à pressão de descarga do compressor nas condições estabelecidas para o ensaio, conforme mostrado na figura 3 [J/kg]. Para facilitar o entendimento do circuito de refrigeração e do diagrama P-h, além dos pontos de entalpia, na figura 3 são mostrados os pontos 1, 2, 3 e 4 apresentados na figura 2, correlacionando o sistema real com o diagrama. Figura 3 - Diagrama P-h.. Fonte: Adaptado de ISO (1989).. Uma ressalva deve ser feita para que não haja confusão entre a.

(34) 34. capacidade de refrigeração de um sistema de refrigeração e de um compressor. O compressor por si só não possui capacidade de refrigeração, visto que ele apenas bombeia o fluido refrigerante no circuito de refrigeração. A capacidade de refrigeração de um sistema é o produto da vazão mássica pela diferença entre a entalpia específica do fluido na saída do evaporador e a entalpia na entrada do evaporador, pontos que são representados como hf2 e hg2, respectivamente, na figura 3. Esse produto representa a quantidade de calor retirada no evaporador de um sistema de refrigeração. Já a capacidade de refrigeração do compressor é o produto da vazão mássica pela diferença entre a entalpia específica do vapor de refrigerante entrando no compressor e entalpia específica do refrigerante no estado líquido saturado referente à pressão de descarga do compressor, respectivamente, hg1 e hf2, mostradas na figura 3, ambas nas condições estabelecidas para o ensaio. Dessa forma, a capacidade de refrigeração de um compressor, como definida em norma, representa a capacidade de refrigeração de um sistema ideal, ou seja, sem perdas. Essa é uma forma de avaliar a eficiência energética apenas do compressor, eliminando as influências do sistema no qual ele está inserido, e de permitir a comparação entre diferentes modelos de compressores produzidos ou desenvolvidos. Por outro lado, a capacidade de refrigeração tipicamente representa o comportamento do que ocorre em um sistema de refrigeração, como um refrigerador, por exemplo. Para medir a capacidade de refrigeração, nas condições estabelecidas para o ensaio, as bancadas são instrumentadas com alguns dispositivos para controle e medição das grandezas de interesse (ISO, 1989). Um esquema da bancada é mostrado na figura 4. Abaixo são apresentadas informações detalhadas sobre os itens representados na figura 4. 1. Compressor em teste. 2. Ambiente para o compressor com temperatura controlada e ventilação que também pode variar de acordo com a condição de teste. 3. Transmissor de pressão da linha de descarga, que define a condição de alta pressão sob a qual o compressor opera. A pressão de descarga é definida através do valor de temperatura de saturação do fluido refrigerante de acordo com a temperatura de condensação com o auxílio de uma.

(35) 35. tabela termodinâmica. 4. Atuador para controlar a pressão de descarga, que pode ser uma válvula ou condensador. O controle dessa variável é fundamental para garantir que a condição de ensaio seja reproduzida. Para um mesmo compressor, diferentes valores de pressão de descarga irão resultar em diferentes resultados de capacidade de refrigeração, visto que essa variação altera a condição de trabalho do compressor. 5. Medidor de vazão mássica, que pode estar instalado na linha de sucção, intermediária (entre a linha de descarga e sucção) ou descarga. Além disso, a medição pode ser feita de modo direto ou indireto, dependendo do método escolhido. 6. Atuador para controlar a pressão de sucção. Assim como ocorre com a pressão de descarga, a pressão de sucção é definida através da saturação para a temperatura de evaporação da condição do ensaio. O controle pode ser realizado por uma válvula ou tubo capilar. Apesar de haver compensação da diferença de volume específico para o fluido que retorna ao compressor, é fundamental que o compressor trabalhe na condição de carga mais próxima possível da condição ideal de trabalho. 7. Transmissores para medição da temperatura e pressão da linha de sucção. É necessário conhecer as duas grandezas para a linha de sucção, visto que a temperatura e a pressão irão definir a massa específica do fluido aspirado pelo compressor e diferentes valores dessas variáveis irão resultar em diferentes valores de capacidade de refrigeração. Com a bancada descrita acima é possível estabelecer as condições de ensaio para atender a equação (2). Falta apenas definir o método para medição da vazão mássica. Essa variável pode ser determinada através de nove métodos diferentes, direta ou indiretamente. Esses nove métodos definidos pela ISO 917 (ISO, 1989) são listados abaixo:  método A – método de calorímetro com fluido secundário;  método B – método de calorímetro inundado;  método C – método de calorímetro a seco;  método D1 – método de medição de vazão de refrigerante na linha de sucção, na fase vapor;.

(36) 36     . método D2 – método de medição de vazão de refrigerante na linha de descarga, na fase vapor; método F – medição da vazão de refrigerante no estado líquido; método G – método do condensador com circulação de água gelada; método J – método da condensação parcial de fluido refrigerante; método K – método do calorímetro na linha de descarga.. Figura 4 - Bancada genérica para ensaio de compressores.. Fonte: Autor.. Dentre os nove métodos, serão detalhados os quatro métodos utilizados para medição na empresa na qual o equipamento será implantado. 2.2.1 Método do calorímetro com fluido secundário A medição de vazão mássica através do calorímetro com fluido secundário, classificado como método A na ISO (1989), é realizado através de balanço de energia utilizando um calorímetro. O calorímetro consiste em um tanque isolado termicamente dentro.

(37) 37. do qual ocorre a troca de calor entre o fluido refrigerante do circuito, que deve ser evaporado, e o fluido secundário, que serve como agente de troca térmica (ISO, 1989). O fluido refrigerante do circuito entra no calorímetro e inicialmente passa pela válvula de expansão. É fundamental que ela seja posicionada dentro do calorímetro para garantir que não ocorra absorção de calor do ambiente logo após o processo de expansão, pois nesse caso o calor não seria contabilizado na medição, levando a uma medição diferente do real. Depois de expandido, o fluido deve ser evaporado. Para que ocorra a evaporação, deve ocorrer a troca térmica entre a serpentina e o fluido secundário. Para tal, há um resistor inserido dentro do calorímetro que recebe potência de uma fonte externa controlável, como pode ser visto na figura 5. Portanto, o fluido secundário recebe o calor do resistor e o fluido do painel de avaliação de eficiência (fluido refrigerante), que circula dentro da serpentina, recebe calor do fluido secundário. O controle da potência entregue ao resistor faz com que o fluido do circuito saia do calorímetro com a mesma temperatura que entrou, porém, na fase vapor superaquecido. Para o cálculo da vazão mássica, mostrado na equação (3), devemse medir as temperaturas e pressões de entrada e saída do calorímetro, de modo a calcular os valores de hg2 e hf2 mostrados na figura 3. As outras variáveis que devem ser medidas, a fim de realizar o balanço energético no interior do calorímetro, são: a potência entregue ao resistor inserido dentro do trocador de calor e as temperaturas, interna e externa, do trocador de calor. Um esquemático de um painel de avaliação de eficiência utilizando o método descrito pode ser visto na figura 6. (3) Sendo: qmf = vazão mássica de fluido refrigerante [kg/s]; Øi = potência entregue ao resistor dentro do calorímetro [W]; F = fator de perda do calorímetro [W/K]; Ta = temperatura do ambiente no qual o calorímetro está posicionado [K]; Ts = temperatura interna ao calorímetro [K]; hg2 = entalpia específica do fluido refrigerante no estado de vapor saturado na saída do calorímetro [J/kg]; hf2 = entalpia específica do fluido refrigerante no estado líquido na entrada do calorímetro [J/kg]..

(38) 38. Figura 5 - Vista em corte de um calorímetro tipo fluido secundário.. Fonte: adaptado de Rossetto (2014). Figura 6 - Esquemático método de calorímetro com fluido secundário.. Fonte: adaptado de ISO (1989).. Apesar de o calorímetro ser um trocador de calor idealmente adiabático, a isolação térmica não é perfeita, podendo ocorrer troca de calor entre o calorímetro e o ambiente no qual o mesmo está instalado. Essa perda é compensada na equação (3) através do fator de perda, que é determinado experimentalmente com auxílio da equação (4)..

(39) 39. (4) Sendo: F = fator de perda do calorímetro [W/K]; q = calor entregue ao calorímetro [W]; Ta = temperatura do ambiente no qual o calorímetro está posicionado [K]; Ts = temperatura interna ao calorímetro [K]; A determinação do fator de perda é realizada criando-se um gradiente de temperatura de ao menos 15 K entre o calorímetro e o ambiente no qual ele está inserido (a temperatura do ambiente deve ser inferior à do calorímetro). Para manter o gradiente de temperatura, deve ser entregue uma determinada potência ao trocador de calor, que dependerá de sua dimensão e qualidade do isolamento térmico. Com o valor da potência entregue ao trocador de calor e das temperaturas, do ambiente e do calorímetro, é possível calcular o fator de perda. 2.2.2 Medição de vazão de refrigerante líquido A medição de vazão apresentada na seção 2.2.1 é realizada de forma indireta. A seção atual mostrará o método de medição classificado como F na norma ISO 917, no qual é realizada a medição de vazão de forma direta (ISO, 1989). Para medir a vazão mássica de forma direta podem ser utilizados diferentes tipos de medidores de vazão, tais como Coriolis, eletromagnético e térmico (BAKER, 2003),(UPP; LANASA, 2014). No método F, o medidor de vazão deve ser instalado entre o condensador e a válvula de expansão, para que seja realizada a medição na fase líquida, conforme mostrado na figura 7. Entretanto, alguns cuidados devem ser tomados para que a medição seja realizada de forma correta (ISO, 1989), tais como:  sub-resfriamento de ao menos 10 ºC do fluido na entrada do medidor para evitar vaporização ao longo do medidor (BOENG, 2012);  visor de líquido deve ser instalado logo após o transmissor de vazão para garantir que não há bolhas de vapor misturadas com o refrigerante líquido (por inspeção visual);  medição de pressão na saída e temperatura na entrada do.

(40) 40.  . medidor para conferir se o fluido está sub-resfriado; garantir que a quantidade de óleo misturada ao fluido ao passar pelo medidor de vazão seja pequena, de modo que a massa do óleo não afete o valor medido; caso seja possível garantir que o fluido está isento de óleo, pode-se utilizar a equação (2) para determinar a capacidade de refrigeração, com qmf sendo diretamente a vazão mássica medida. Caso contrário, deve-se utilizar a equação (5). (5). Sendo: Øo = capacidade de refrigeração do compressor em teste [W]; qν = vazão volumétrica da mistura de refrigerante líquido e óleo [m³/s];. Vga = volume específico do vapor de refrigerante entrando no compressor, durante o ensaio [m³/kg]; Vgl = volume específico do vapor de refrigerante entrando no compressor nas condições estabelecidas para o ensaio [m³/kg]; ρ = massa específica do refrigerante correspondente à pressão e temperatura na qual a vazão é medida [kg/m³]; = título, em massa, de óleo contido na mistura refrigerante-óleo [adimensional]; hg1 = entalpia específica do vapor de refrigerante entrando no compressor nas condições estabelecidas para o ensaio [J/kg]; hf1 = entalpia específica do refrigerante no estado líquido saturado referente à pressão de descarga do compressor nas condições estabelecidas para o ensaio [J/kg]; μ = volume específico do óleo [m³/kg]; = calor específico do óleo [J/kg K]; tf = temperatura de saturação correspondente à pressão de descarga do compressor [ºC]; tg = temperatura de sucção do compressor [ºC]..

(41) 41. Figura 7 - Diagrama do circuito do método F.. Fonte: adaptado de ISO (1989).. 2.2.3. Método de medição de vazão de refrigerante na fase vapor Esse método é muito similar ao método apresentado na seção 2.2.2. Entretanto, a diferença é que a medição de vazão ocorre na fase vapor e não na fase líquida. Conforme a ISO 917, a medição pode ser realizada na linha de descarga, classificada como método D1, ou na linha de sucção, classificada como método D2 (ISO, 1989). Assim como ocorre no método F, é necessário ter alguns cuidados para garantir que a medição seja realizada de forma correta (POLETTO, 2006):  garantir que a quantidade de óleo contido no fluido refrigerante seja pequena quando comparada à quantidade de fluido, de modo a não influenciar o resultado de medição;  garantir que não haja condensação de parte do fluido ao passar através do medidor de vazão, visto que os medidores de vazão não são preparados para medição bifásica. Portanto, deve-se garantir o superaquecimento do fluido antes de entrar no medidor..

(42) 42. O circuito mecânico para esse método de medição pode possuir condensador e evaporador, assim como ocorre no circuito utilizado no método A. Ou, alternativamente, é possível fazer com que não ocorra a troca de fase, fazendo com o que fluido refrigerante permaneça no estado de vapor superaquecido ao longo de todo o circuito. Apesar da possibilidade de duas configurações diferentes de circuito, em ambos os casos continuam existindo os elementos para controle de pressão e temperatura para garantir que a condição de trabalho do compressor seja mantida de acordo com a condição de teste. 2.2.4 Limites das variáveis Definido os métodos para medição de capacidade de refrigeração, nessa seção serão mostradas as variáveis medidas e controladas no teste de avaliação de eficiência e os limites de variação aceitáveis para cada uma delas. Os limites variam de acordo com a grandeza, conforme listado abaixo:  pressões de sucção e descarga: ± 1% em relação ao valor de referência (setpoint);  temperaturas: ± 1ºC em relação ao setpoint;  tensão de alimentação do compressor: ± 3% em relação ao setpoint;  capacidade de refrigeração: ± 1% de amplitude ao longo da medição;  potência elétrica do compressor: ± 1% de amplitude ao longo da medição. No processo de medição de capacidade de refrigeração as variáveis listadas anteriormente devem permanecer dentro dos limites apresentados, por um período mínimo de uma hora (ISO, 1989), no qual devem ser realizadas, ao menos, quatro leituras com defasagem máxima de 15 minutos entre elas. Após quatro leituras consecutivas, dentro do período de uma hora e atendendo os limites especificados, o teste pode ser considerado válido. 2.3. INFLUÊNCIA DAS VARIÁVEIS DE PROCESSO NA MEDIÇÃO DE CAPACIDADE. Apesar de haver limites para definir a variação máxima aceitável para cada uma das variáveis, apresentados na seção 2.2.4, mesmo dentro.

(43) 43. desses limites, o resultado da medição pode sofrer variações significativas. Conforme comentado na seção 2.2, caso a condição de teste, na qual o compressor está operando, seja diferente da condição especificada para o teste, o resultado da medição será afetado. Dessa forma, alterar alguma das três variáveis controladas que estão diretamente relacionadas às condições do fluido no entorno do compressor (pressão de sucção ou descarga e temperatura de sucção) influenciará o resultado da medição, por mais que essa alteração se encontre dentro da faixa de variação permitida por norma. Para a avaliação da influência das variáveis na medição de capacidade de refrigeração, Rossetto (2011) e Tereza (2014) realizaram alguns estudos alterando os valores de setpoint das variáveis de interesse para identificar o impacto das mesmas na capacidade de refrigeração. 2.3.1 Pressão de sucção e descarga Conforme descrito na seção 2.2.4 o limite de variação aceitável para as pressões de sucção e descarga é de ± 1% em relação ao valor de setpoint. Para quantificar o impacto da variação dessas grandezas no resultado de capacidade de refrigeração e consumo, Rossetto (2011) realizou um estudo experimental com o fluido refrigerante R134a e um modelo específico de compressor. Para tal análise, foram executados ensaios com a pressão de sucção em + 0,5% e outros ensaios em - 0,5% em relação ao setpoint. Dessa forma, foi ocasionada uma amplitude de 1% em relação à máxima e mínima condição de assentamento da pressão. A mesma análise foi realizada com a pressão de descarga. As demais variáveis, tais como, temperatura de sucção e tensão de alimentação, foram mantidas constantes para não influenciarem na análise. No total, foram realizados 8 testes para quantificar o impacto das pressões na capacidade de refrigeração. Os resultados do experimento são mostrados na figura 8. Para a pressão de sucção, ao comparar a capacidade de refrigeração com a amplitude de 1% na pressão, há um acréscimo na capacidade de refrigeração na ordem de 1,5%. Ao realizar o mesmo aumento percentual para a pressão de descarga, a capacidade de refrigeração reduziu na ordem de 0,5 %. Dessa forma, é possível demonstrar o impacto dessas duas variáveis na capacidade de refrigeração e a importância do controle e medição das mesmas para que seja reduzida a incerteza de medição da capacidade de refrigeração. Especial atenção deve ser dada à pressão de sucção, uma vez que em termos percentuais a influência de sua variação é o triplo da influência da variação da pressão de descarga..

(44) 44. Adicionalmente, como existe uma relação de mais de dez vezes entre a magnitude da pressão de sucção e de descarga em ensaios de desempenho, em termos absolutos, a variação na pressão de sucção é extremamente crítica: 12 mbar (1200 Pa) de variação no valor da pressão levaram a uma variação de mais de 2,5 W (1,5%) na capacidade de refrigeração. Para diferentes modelos de compressores e diferentes fluidos refrigerantes, o impacto das variáveis analisadas na capacidade de refrigeração pode ser alterado, dadas as propriedades termodinâmicas do fluido e as características mecânicas do compressor. Figura 8 - Influência da pressão de sucção e descarga na capacidade de refrigeração.. Fonte: Rossetto (2011).. 2.3.2 Temperatura de sucção Em análise similar à realizada com as pressões de sucção e descarga, Tereza (2014) avaliou experimentalmente o impacto na capacidade de refrigeração de desvios da temperatura de sucção em relação à condição especificada para o teste. Diferentemente da análise anterior, nessa foi utilizado um compressor com o fluido refrigerante R600a. Para esse estudo, a única variável alterada foi a temperatura de sucção, com todas as demais mantidas constantes. Apesar de o desvio máximo aceitável de temperatura em relação ao setpoint pela ISO 917 (ISO, 1989) ser de ± 1 ºC, nos resultados apresentados na figura 9 a variação imposta foi de ± 1,5 ºC. Essa diferença, superior ao aceitável pela norma, foi empregada para permitir melhor caracterização do impacto ocasionado.

(45) 45. pela temperatura de sucção. A temperatura foi medida com o uso de um termopar tipo T soldado dentro do passador de sucção. Dessa forma é reduzida a influência da temperatura ambiente sobre a medição da temperatura de sucção. Para a execução do ensaio foi utilizado sempre o mesmo sistema de aquisição e transdutor de temperatura. Dessa forma, a variável sistemática é eliminada, dado que o objetivo do teste é comparativo e caso exista um desvio, ele será o mesmo para todas as medições. Com o estudo pode-se perceber que ao aumentar a temperatura de sucção em 3 ºC ocorre uma redução da capacidade de refrigeração na ordem de 0,7 %. Essa variação é válida para um modelo de compressor em uma determinada condição de ensaio. A alteração de algum parâmetro, seja compressor ou condição, poderá alterar o impacto da variação da temperatura na capacidade de refrigeração. É importante salientar que o setpoint do teste é de 32ºC. Entretanto, como a medição é realizada dentro do passador do compressor, a medição é afetada pela alta temperatura da carcaça do compressor, fazendo com que a temperatura medida seja na ordem de 10 ºC acima do setpoint. Figura 9 - Influência da temperatura de sucção na capacidade de refrigeração.. Fonte: Tereza (2014).. 2.3.3 Temperatura da carcaça do compressor As variáveis apresentadas nas seções 2.3.1 e 2.3.2 são controladas durante o teste para garantir que o valor real seja o mais próximo possível.

(46) 46. do valor desejado. Apesar de não ser controlada, a temperatura da carcaça é outra variável monitorada nos ensaios de avaliação de eficiência, visto que influencia na capacidade de refrigeração. Através da análise dessa variável é possível identificar alguns tipos de desvios na temperatura do ambiente do compressor e na ventilação incidente ao compressor, que pode ser afetada pela posição do compressor no ambiente de ensaio ou mesmo por falha do ventilador. O monitoramento dessa temperatura é importante para avaliar se o compressor está operando sob a mesma condição de temperatura em todos os painéis e se há influência da temperatura do corpo do compressor no resultado de capacidade de refrigeração. O impacto da variação da temperatura de carcaça do compressor na capacidade de refrigeração pode ser visto na figura 10. O aumento de temperatura ocasiona a queda da eficiência do motor além do aumento das perdas termodinâmicas do compressor. Assim como ocorre com as demais variáveis, a variação da capacidade de refrigeração pode ser diferente para outros modelos de compressor e outras condições de ensaio. As perdas mencionadas podem ser traduzidas pela redução de 0,7% da capacidade de refrigeração com o aumento de 7 ºC da temperatura da carcaça do compressor. Figura 10 - Correlação entre temperatura de carcaça com capacidade de refrigeração.. Fonte: Tereza (2014). 2.4. PADRÃO DE CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO. Até o momento foi explicado sobre o funcionamento de um painel.