Trabalho de Mestrado (Dissertação) Rodrigo A. Pizarro R .pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA

INFLUÊNCIA DO ÓLEO LUBRIFICANTE NA TRANSFERÊNCIA DE
CALOR EM UM COMPRESSOR HERMÉTICO ALTERNATIVO

Dissertação submetida à

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

para a obtenção do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

RODRIGO A. PIZARRO R.

Florianópolis, Dezembro de 2007

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA MECÂNICA

INFLUÊNCIA DO ÓLEO LUBRIFICANTE NA TRANSFERÊNCIA DE
CALOR EM UM COMPRESSOR HERMÉTICO ALTERNATIVO

RODRIGO A. PIZARRO R.

Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM ENGENHARIA
ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA
sendo aprovada em sua forma final.

_____________________________________________________
Prof. Jader Riso Barbosa Jr., Ph.D. – Orientador

_____________________________________________________
Prof. Alvaro Toubes Prata, Ph.D. – Orientador

_____________________________________________________
Prof. Fernando Cabral, Ph.D. – Coordenador do Curso

BANCA EXAMINADORA

____________________________________________________
Prof. Cláudio Melo, Ph.D. – Presidente

_____________________________________________________
Prof. César José Deschamps, Ph.D.

_____________________________________________________
Prof. António Fábio Carvalho da Silva, Dr. Eng.

"Os problemas significativos com os quais
nos deparamos não podem ser resolvidos no
mesmo nível de pensamento em que estávamos
quando eles foram criados."
Albert Einstein

Este trabalho é dedicado com todo meu
carinho aos meus pais, Adrián e Wandany.

Agradecimentos

A EMBRACO pelo financiamento deste trabalho e ao Engenheiro Fernando A. Ribas Jr. pelas
discussões e conhecimentos compartilhados ao longo deste trabalho;

Ao POLO – Laboratórios de Pesquisa em Refrigeração e Termofísica, pelos equipamentos e
instalações;

Aos professores Alvaro Toubes Prata e Jader Riso Barbosa Jr., pela orientação e dedicação,
sem as quais este trabalho não obteria êxito;

Aos membros da Banca Examinadora, Antônio Fábio Carvalho da Silva, César José
Deschamps e Cláudio Melo pela disposição em avaliar este trabalho;

Aos colegas do POLO, especialmente a Dalton Bertoldi, Juliano Wilson Fonseca Heidrich,
Thiago Voigdlener e João Ernesto Schreiner pela amizade, discussões e conhecimentos
compartilhados;

Ao corpo docente do Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica pelos
conhecimentos transmitidos e esforço continuado na busca do saber;

A todas as pessoas que estiveram comigo durante esta jornada, muito obrigado.

Sumário
Listas de Figuras

IX

Listas de Tabelas

XII

Lista de Símbolos

XV

Resumo

XXIV

Abstract

XXVI

Capítulo 1 - Introdução
1.1 Um pouco de historia

1
1

1.1.1 Evolução da refrigeração

1

1.1.2 Alguns dados atuais

2

1.2. Ciclo de Refrigeração por compressão mecânica

2

1.2.1 Principais componentes

3

1.2.2 Refrigerantes

3

1.2.3

Aspectos termodinâmicos do ciclo de refrigeração por compressão
mecânica

1.3 O Compressor

4
6

1.4 Considerações sobre as perdas

10

1.5 Objetivos

15

1.6 Escopo do Trabalho

16

Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica

17

2.1 Introdução

17

2.2 Transferência de Calor em Compressores Herméticos Alternativos

18

2.3 Aspectos mais Relevantes da Bibliografia

24

2.4 Síntese

26

vii

Sumário

Capítulo 3 - Experimentos

27

3.1 Introdução

27

3.2 Testes Experimentais

27

3.2.1 Bancada Experimental

28

3.2.2 Instrumentação do Compressor

29

3.2.3 Procedimento Experimental

33

3.2.4 Incerteza das Medições

34

3.3 Resultados Experimentais

34

3.3.1 Efeito da Variação da Temperatura na Carcaça do compressor

35

3.3.2 Efeito da Presença de Óleo na Carcaça do Compressor

40

3.3.3 Efeito do Resfriamento da Carcaça do Compressor

42

3.4 Síntese

Capítulo 4 – Modelo Térmico Simplificado

43

44

4.1 Introdução

44

4.2 Modelagem do Problema

45

4.2.1 Modelo Matemático

45

4.2.2 Coeficientes de Transferência de Calor

54

4.2.3 Metodologia de Solução

62

4.3 Validação do Modelo

68

4.3.1 Considerações Iniciais

68

4.3.2 Resultados

72

4.4 Síntese

Capítulo 5 – Modelo Térmico Global

75

77

5.1 Introdução

77

5.2 Modelagem do Problema

78

viii

Sumário

5.2.1 Apreciações Iniciais

78

5.2.2 Equações do Mecanismo (Volume da Câmara de Compressão)

79

5.2.3 Equações para a Termodinâmica do Gás na Câmara de Compressão

80

5.2.4 Equações para a Dinâmica das Válvulas

84

5.2.5 Equações para a Vazão Mássica

84

5.2.6 Balanços Térmicos no Compressor

86

5.2.7 Metodologia de Solução

98

5.3 Validação do Modelo

104

5.3.1 Considerações Iniciais

104

5.3.2 Resultados

105

5.4 Síntese

Capítulo 6 – Resultados e Discussões

107

108

6.1 Introdução

108

6.2 Análise Térmica no Compressor

109

6.2.1 Influência da Vazão de Óleo

109

6.2.2 Influência do Escoamento de Óleo sobre a Carcaça do Compressor

115

6.2.3 Influência do Resfriamento da Carcaça do Compressor

120

6.3 Conclusões

126

Capítulo 7 – Considerações Finais

129

Referências Bibliográficas

131

Lista de Figuras
1.1

Sistema de Refrigeração por absorção projetada por Ferdinand Carré.

2

1.2

Representação esquemática de um circuito de refrigeração por compressão
mecânica.

3

1.3

Diagrama p-h de um ciclo de refrigeração por compressão mecânica.

5

1.4

Componentes do Compressor Hermético Alternativo.

7

1.5

Sistema de alimentação de óleo do compressor (bomba-eixo). Foto: rotor,
bomba e eixo.

8

1.6

Ciclo de compressão de um compressor alternativo.

9

1.7

Ciclo de compressão real de um compressor alternativo.

10

1.8

Fluxo de potências e perdas no compressor – Ussyk,1984.

12

1.9

Distribuição de perdas de energia – Possamai et al. (2004).

13

3.1

Diagrama esquemático da bancada de testes de compressores.

29

3.2

Esquema do compressor com os pontos de medição de temperatura nos
componentes internos.

30

3.3

Instrumentação real nos componentes internos do compressor.

31

3.4

Esquema do compressor com os pontos de medição de temperatura na
carcaça.

32

3.5

Instrumentação real da carcaça do compressor.

33

3.6

Variação espacial da temperatura da carcaça do compressor na condição
-23,3°C/54,4°C, dados experimentais.

38

3.7

Variação espacial da temperatura da carcaça do compressor na condição
-10,0°C/70,0°C, dados experimentais.

39

4.1

Geometria simplificada do compressor.

46

4.2

Ilustração do caminho percorrido pelo óleo desde o cárter até o topo do
eixo. Figura obtida a partir de resultados de simulação computacional
(CFD) do bombeamento de óleo – Luckmann et al., 2005.

47