Um dos objetivos dos pesquisadores da área de refrigeração é a busca por sistemas com eficiência mais elevada. Apesar de todo desenvolvimento nas últimas décadas, a eficiência energética de refrigeradores domésticos, por exemplo, ainda não supera 20%. Se levado em conta que cerca de 1/3 do consumo da energia elétrica residencial brasileira deve-se à refrigeração, o que equivale a 11% de toda energia elétrica consumida no país (ELETROBRÁS, 2004), fica evidente o impacto do aumento do desempenho dos sistemas de refrigeração sobre a demanda energética no Brasil.
A melhora dos sistemas de refrigeração e condicionamento de ar pode ser também colocada no contexto da preservação do meio ambiente. Em tempos em que o aquecimento global é o foco de muitas discussões por parte de especialistas e autoridades de todo mundo, a busca por máquinas que emitam menos gás carbônico na atmosfera, direta ou indiretamente, torna-se essencial. Se considerado que a matriz energética de diversos países do mundo provém da queima de combustíveis fósseis, percebe-se a relação entre o desenvolvimento dos compressores e o meio ambiente.
A melhoria da eficiência energética é uma das linhas básicas de pesquisa tecnológica na área de refrigeração e condicionamento de ar, sendo estimulada tanto pelo governo, através de critérios de classificação de produtos, quanto pelo consumidor final, cada vez
mais consciente do impacto ambiental e econômico em relação ao desperdício de energia. O consumo de matéria prima, especialmente aço e cobre no caso de compressores, é outro fator importante, tanto do ponto de vista ambiental quanto econômico. As razões acima explicam a busca constante por parte das empresas do setor por produtos mais eficientes e compactos. Além disso, outros fatores como o controle do nível de ruído e a confiabilidade são preocupações constantes no projeto de compressores.
Os constantes avanços tecnológicos por vezes levam certos dispositivos ao seu extremo, e acabam exigindo uma mudança de rumo no desenvolvimento dos sistemas associados aos mesmos. Os compressores alternativos, que dominam as aplicações de refrigeração doméstica, são um exemplo da afirmação anterior. Ao longo das últimas três décadas, a eficiência de tais máquinas praticamente dobrou, mas, apesar disto, é ainda em torno da metade da eficiência de uma máquina ideal. Limitações tecnológicas e de custo impedem que o compressor alcance eficiências significativamente maiores, o que motiva a procura por outras opções que estejam livres de algumas dessas limitações. Para tal, mecanismos de compressão outrora específicos ou predominantes em uma determinada aplicação vêm sendo estudados e desenvolvidos a fim de estender sua faixa de capacidade ou condição de operação. Além disto, frequências de operação mais elevadas do que os tradicionais 50 ou 60 Hz têm sido vistas como uma das alternativas para a redução do tamanho dos compressores e, consequentemente, redução de custo em relação à matéria prima. Neste contexto, em virtude de algumas características a serem apresentadas posteriormente, o compressor scroll apresenta-se como uma opção promissora na busca por compressores mais eficientes, silenciosos, confiáveis e compactos.
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1.2 A refrigeração
A refrigeração pode ser entendida como a arte ou a ciência de resfriar corpos ou fluidos a temperaturas inferiores àquelas de um determinado ambiente ou local de operação. Seja para conservação de alimentos, climatização de ambientes, ou resfriamento de componentes eletrônicos, a refrigeração desempenha um papel imprescindível na sociedade moderna.
Existem diferentes tecnologias de refrigeração, porém as mais empregadas utilizam o princípio da compressão de vapor, na qual o efeito de refrigeração é produzido pela retirada de calor do ambiente através da evaporação de um líquido à relativa baixa temperatura e pressão. A partir deste princípio, Perkins propôs o primeiro equipamento de refrigeração em 1834, operando de maneira cíclica, como ilustrado na Fig. 1.1.
Figura 1.1 - Componentes básicos de um sistema de refrigeração. No dispositivo proposto por Perkins um fluido volátil (fluido refrigerante), à relativa baixa pressão e temperatura, ao evaporar retira calor de uma substância que se deseja resfriar (água, ar) por meio de um trocador de calor, dito evaporador. O
Evaporador Condensador Compressor We Dispositivo de Expansão Qe Qc 3 2 1 4
fluido refrigerante é succionado pelo compressor e tem sua pressão aumentada até ser descarregado em outro trocador de calor, dito condensador, onde rejeita calor para o ambiente e condensa. Ao passar por uma restrição, denominado dispositivo de expansão, o fluido refrigerante tem sua pressão reduzida e em seguida retorna ao evaporador, fechando o ciclo de refrigeração. A eficiência do sistema depende do desempenho de cada um dos seus componentes: evaporador, condensador, dispositivo de expansão e compressor.
Em um ciclo de refrigeração por compressão de vapor, o compressor é responsável pelo fornecimento da vazão mássica e pelo aumento de pressão do fluido refrigerante, sendo assim considerado como o coração do sistema. Os compressores podem ser classificados de acordo com o mecanismo de operação em duas classes: compressores roto-dinâmicos e compressores de deslocamento positivo, sendo os últimos os mais difundidos.
Os compressores roto-dinâmicos caracterizam-se por aumentar a energia cinética e a pressão do fluido refrigerante através do movimento rotativo de um rotor provido de diversas pás. O fluido, após passar pelo rotor, escoa através de um difusor no qual uma parcela da energia cinética é convertida em pressão. Isto pode ser feito através de um escoamento axial ou radial. Em refrigeração, a grande maioria dos compressores roto-dinâmicos utiliza escoamento radial e são conhecidos como compressores centrífugos.
Nos compressores de deslocamento positivo, a compressão do vapor é efetuada mecanicamente por uma câmara de compressão. Um volume de vapor é introduzido nessa câmara, enclausurado e, pela redução do volume da câmara, é então comprimido. Durante o processo de compressão, a pressão do refrigerante aumenta até atingir o valor requerido e em seguida é liberado para a linha de descarga.
Os principais tipos de compressores de deslocamento positivo, de acordo com o mecanismo de compressão, são os compressores alternativos e os compressores rotativos (pistão
Capítulo 1: Introdução 39 39 rolante, palhetas deslizantes, parafuso, etc.). O compressor scroll,
por sua vez, não se encaixa perfeitamente em nenhuma das categorias acima. Na verdade, alguns autores os referenciam como compressores orbitais ou de espiras.
As aplicações dos compressores são normalmente divididas em três grupos, como listado na Tab. 1.1, de acordo com a temperatura de evaporação requerida no sistema de refrigeração. É importante ressaltar que esta é uma classificação subjetiva, havendo na verdade sobreposições nas faixas de temperatura de evaporação. Diferentes compressores dominam diferentes áreas de acordo com a aplicação e a capacidade de refrigeração. Os compressores alternativos, por exemplo, predominam em aplicações LBP até capacidades em torno de 300 W. Os compressores de pistão rolante são muito difundidos em aplicações residenciais de condicionamento de ar até capacidades de refrigeração em torno de 7000 W. Já os compressores scroll são comuns em aplicações que demandam capacidade mais elevada.
Tabela 1.1: Classificação dos compressores quanto à sua aplicação. Classificação Temperatura
de Evaporação
Exemplo de Aplicação LBP (Low Back Pressure) -35ºC a -10ºC RefrigeradoresFreezers e MBP (Medium Back Pressure) -10ºC a -5ºC Balcões comerciais
e Bebedouros HBP (High Back Pressure) -5ºC a +15ºC
Desumidificadores, Refresqueiras e Bebedouros O compressor scroll possui alta eficiência volumétrica, podendo ser assim compacto, e permite também uma compressão gradual, importante em rotações mais elevadas. Estas características têm atraído a atenção do setor de refrigeração e, como consequência, uma série de estudos e desenvolvimentos têm sido realizados ao longo dos últimos anos.