Autor

Moisés Alves Marcelino Neto


Orientador

Jader Riso Barbosa Jr.


Data de publicação

01/12/2011


Categoria

#Trabalhos premiados

Resumo

Em sistemas de refrigeração por compressão mecânica de vapores, o fluido de trabalho é na verdade uma mistura de refrigerante e óleo lubrificante, visto que uma fração deste último é bombeada pelo compressor, junto com o refrigerante, aos demais componentes do sistema (condensador, dispositivo de expansão e evaporador). As principais funções do óleo são a vedação, a redução do atrito e a prevenção de desgaste das partes sólidas deslizantes no interior do compressor. A solubilidade do fluido refrigerante no óleo deve ser garantida para assegurar o regresso da fração de óleo circulante ao compressor. Da mesma forma, no interior do compressor, uma elevada solubilidade contribui para a diminuição da pressão de equalização (a pressão do sistema ao final do ciclo de parada do compressor), o que reduz o torque de partida e a quantidade de cobre no motor elétrico. Embora o óleo seja essencial para garantir o bom desempenho e a confiabilidade do compressor, sua dissolução no refrigerante que circula pelos componentes diminui a pressão de vapor do fluido de trabalho, reduzindo assim o efeito refrigerante específico, a capacidade de refrigeração e o coeficiente de performance. Além disso, as propriedades termofísicas da mistura devem ser conhecidas com exatidão, visto que, por exemplo, devido à grande diferença entre as viscosidades do óleo puro e do refrigerante líquido puro, mesmo pequenas quantidades de refrigerante dissolvido no óleo podem alterar significativamente a viscosidade do óleo e reduzir a lubrificação dos mancais e da folga pistão-cilindro, o que aumenta as perdas mecânicas e diminui a confiabilidade do compressor. Sendo assim, um conhecimento detalhado acerca do equilíbrio de fases de misturas de refrigerante e óleo lubrificante e do efeito da solubilidade do óleo sobre as propriedades termodinâmicas e termofísicas é essencial para avaliar o efeito da fração de óleo em circulação sobre o desempenho do sistema. O objetivo desta tese é investigar por meios experimentais e teóricos a termodinâmica de misturas de óleo e refrigerante e a absorção de refrigerante em óleo lubrificante. As misturas estudadas envolvem fluidos refrigerantes de baixo impacto ambiental, como o isobutano (R-600a) e o dióxido de carbono (R-744). Modelos baseados em equações de estado cúbicas (Peng-Robinson, SRK) e na equação de estado PC-SAFT foram implementados e coeficientes de interação foram ajustados a partir de dados experimentais levantados em uma bancada experimental que permite a determinação simultânea da solubilidade, da densidade e da viscosidade de misturas de óleo e refrigerante. Os modelos termodinâmicos foram incorporados em métodos de cálculo de viscosidade de misturas baseados na Teoria de Eyring da energia de ativação do escoamento viscoso e na Teoria-f, os quais apresentaram boa concordância com os dados experimentais (Erros RMS da ordem de 1% para a mistura R-600a/LAB ISO 5 e de 3% para a mistura R-744/POE ISO 68). No tocante à previsão das propriedades termodinâmicas e do ciclo de refrigeração padrão, os modelos termodinâmicos baseados em equações de estado cúbicas foram usados em conjunto com a Teoria de Funções Residuais para se determinar a entalpia, a entropia e o volume específico de misturas de óleo e refrigerante. Um algoritmo foi desenvolvido para, em função da fração de óleo em circulação, das temperaturas dos ambientes, das condutâncias térmicas dos trocadores de calor e de características construtivas do compressor, calcular as pressões de condensação e de evaporação e os parâmetros de desempenho do sistema. Os resultados apontam que a presença de óleo lubrificante em circulação é sempre prejudicial ao desempenho do mesmo, com a redução do coeficiente de performance tornando-se mais acentuada à medida que a fração de ó em circulação aumenta. Visando ao estudo dos fenômenos que ocorrem no transiente de parada do compressor, um modelo foi desenvolvido para o cálculo da absorção de vapor de refrigerante por uma camada de óleo em um sistema fechado. O modelo é baseado na lei de Fick para a difusão de massa na camada de líquido e leva em consideração o desvio com relação ao comportamento de solução ideal, tanto para o cálculo da condição de contorno interfacial, quanto para a determinação das propriedades termofísicas. O modelo foi validado a partir de dados experimentais de pressão e temperatura do sistema para misturas envolvendo R-600a e R-744. Erros médios absolutos inferiores a 4% foram observados para ambas as misturas, em comparação com dados experimentais obtidos para a pressão.

Material para download

Acesso o material

Conheça o POSMEC

Saiba mais sobre um dos melhores programas de pós-graduação em engenharia mecânica do Brasil

Quero conhecer