BRPI0904162A2 - sistema de resfriamento para compressores alternativos e compressor alternativo - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE RESFRIAMENTO PARA COMPRESSORES ALTERNATIVOS E COMPRESSOR ALTERNATIVO. A presente invenção refere-se a um sistema de resfriamento para compressores alternativos e, mais especificamente, a um sistema de resfriamento que compreende um bico atomizador (1) que fornece um fluido lubrificante atomizado no interior do cilindro (2) do compressor (10), um trocador de calor (6) destinado a arrefecer o fluido lubrificante que será atomizado no bico (1), um separador de fluido (5) para separar uma mistura de fluido refrigerante e fluido lubrificante e encarniinhar o fluido lubrificante de volta do sistema , e um elemento de bloqueio (7) disposto entre o bico atomizador (1) e o trocador de calor (6) para impedir o acúmulo de fluido lubrificante no cilindro. A presente invenção também contempla um compressor alternativo possuindo o sistema de resfriamento descrito.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE RESFRIAMENTOPARA COMPRESSORES ALTERNATIVOS E COMPRESSOR ALTERNATIVO".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um sistema de resfriamento para compressores e,mais especificamente, a um sistema de resfriamento para compressores alternativos. Apresente invenção também se refere a um compressor alternativo possuindo um sistema deresfriamento.
Fundamentos da Invenção
Um compressor tem como função elevar a pressão de determinado volume defluido a uma pressão necessária à realização de um determinado trabalho. Para a indústriade refrigeração, os compressores mais utilizados são os compressores do tipo alternativo.Esses compressores têm a função de succionar um fluido refrigerante a baixa pressão ecomprimi-lo em direção ao condensador a alta pressão e alta temperatura.
Compressores alternativos são aqueles em que um determinado mecanismo deacionamento fornece um movimento allternado para um pistão no interior de um cilindro (talmecanismo pode compreender, por exemplo, um sistema biela-manivela). Assim, o pistãomove-se alternadamente no interior de um cilindro, e válvulas de sucção e descarga sãodispostas para permitir a sucção e a compressão do fluido refrigerante.
O resfriamento do compressor tem impacto significativo no desempenhotermodinâmico do mesmo. Uma grande parcela da ineficiência de um compressor estáassociada ao superaquecimento do fluido refrigerante que ocorre ao longo do caminho desucção (compreendido entre o passador de sucção e o cilindro de compressão). Outraparcela, não menos importante, da ineficiência do compressor está associada aoaquecimento do fluido refrigerante duranile sua compressão.
O aquecimento do refrigerante no caminho de sucção é ocasionado devido àstrocas de calor com os componentes do compressor que estão a temperaturas maiselevadas do que o fluido refrigerante. Já o aquecimento do fluido refrigerante no processode compressão ocorre principalmente devido à realização de trabalho pelo pistão e,também, pela transferência de calor através das paredes do cilindro e do pistão nosinstantes iniciais de compressão.
O superaquecimento no caminho de sucção reduz a eficiência volumétrica docompressor, uma vez que aumenta o volume específico do fluido refrigerante admitido nacâmara de compressão. Além disto, a temperatura maior no início do processo decompressão implica também em um trabalho específico de compressão maior, reduzindo aeficiência energética do compressor.
Além das ineficiências causadas pelo aquecimento do refrigerante durante acompressão, o refrigerante aquecido durante sua compressão é a uma grande fonte decalor do compressor, sendo o principal responsável pelo aquecimento dos demaiscomponentes do compressor, os quais irão, por conseqüência, aquecer o refrigerante aolongo do caminho de sucção.
Face ao exposto, fica claro que o resfriamento do refrigerante durante o seuprocesso de compressão teria um impacto positivo sobre a eficiência de compressão e, porconseqüência, permitiria a diminuição das perdas devido ao superaquecimento dorefrigerante durante a sucção.
Objetivos da Invenção
Em vista do acima exposto, é uim dos objetivos da presente invenção proporcionarum sistema de resfriamento para compressores alternativos, que seja capaz de retirar calordo fluido refrigerante do compressor ao longo do processo de compressão, diminuindo asua temperatura e o seu volume específico.
É outro objetivo da presente invenção proporcionar um sistema de resfriamentopara compressores alternativos, que permite uma diminuição dos níveis de temperatura docompressor durante a sua operação.
É ainda outro objetivo da presente invenção proporcionar um sistema deresfriamento para compressores que melhore a eficiência volumétrica e a eficiênciaenergética do compressor.
Sumário da Invenção
A presente invenção atinge esses e outros objetivos através de um sistema deresfriamento para um compressor do tipo alternativo que compreende uma carcaça e umacâmara de compressão no interior da carcaça, o sistema compreendendo:
um bico atomizador que fornece um fluido lubrificante atomizado no interior docilindro do compressor;
um trocador de calor destinado a arrefecer o fluido lubrificante que será atomizadono bico,
um separador de fluido para separar uma mistura de fluido refrigerante e fluidolubrificante e encaminhar o fluido lubrificante de volta do sistema, e
um elemento de bloqueio para impedir o acúmulo de fluido lubrificante no cilindro.
O elemento de bloqueio pode estar disposto, por exemplo, entre o bico atomizadore o trocador de calor, ou mesmo integrado ao bico atomizador.
Na concretização preferencial da presente invenção, o elemento de bloqueio é umaválvula de bloqueio que permanece aberta durante o funcionamento do compressor e éfechada após o desligamento do mesmo. Entretanto, o elemento de bloqueio podecompreender outros tipos de dispositivos, como, por exemplo um elemento de bloqueioelétrico ou um elemento de bloqueio eletrônico.
Além disso, o elemento de bloqueio pode ser disposto no interior da carcaça docompressor, bem próximo ao cilindro do compressor.
Na concretização preferencial da presente invenção, o separador de fluido recebe amistura de fluido refrigerante e fluido lubrificante descarregada da câmara de compressão edireciona o fluido lubrificante de volta para o trocador de calor.
No entanto, em uma concretização da presente invenção, o separador de fluidolubrificante e o trocador de calor podem estar em posição invertida, onde o separador defluido recebe a mistura de fluido refrigerante e fluido lubrificante a partir do trocador de calor.
Além disso, em ainda outra concretização da presente invenção, o separador defluido lubrificante e o trocador de calor podem compreender um componente único, sendoque tal componente pode ser disposto mo interior ou exterior da carcaça do compressor.
Em uma concretização da presente invenção, o separador de fluido lubrificante e otrocador de calor são dispostos no exterior da carcaça.
Já em outras concretizações, o separador de fluido lubrificante e o trocador decalor podem ser dispostos no interior da carcaça, tornando o conjunto mais compacto.
O bico injetor pode ser disposto de modo que sua extremidade de dispensatangencie a parede lateral do bloco do cilindro do compressor, ou de modo que aextremidade de dispensa do bico injetor seja disposta na placa de válvulas do compressor.
Descrição Resumida dos Desenhos
As figuras mostram:
Figura 1 - A figura 1 ilustra uma primeira concretização do sistema de refrigeraçãoda presente invenção;
Figura 2 - A figura 2 ilustra uma segunda concretização do sistema de refrigeraçãoda presente invenção;
Figura 3 - A figura 3 ilustra uma terceira concretização do sistema de refrigeraçãoda presente invenção;
Figura 4 - A figura 4 ilustra urna quarta concretização do sistema de refrigeraçãoda presente invenção;
Figura 5 - A figura 5 ilustra uma quinta concretização do sistema de refrigeração dapresente invenção; e
Figura 6 - A figura 6 ilustra uma sexta concretização do sistema de refrigeração dapresente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção
A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base nosexemplos de execução representados nos desenhos. As figuras mostram seisconcretizações alternativas do sistema de refrigeração da presente invenção.
Nas concretizações ilustradas ruas figuras, o sistema de refrigeração é aplicado aum compressor alternativo 10 do tipo que compreende uma carcaça 11 e uma câmara decompressão 2 disposta no interior da carcaça. Os componentes principais do compressor 10são aqueles de um compressor alternativo convencional conhecido pelos versados natécnica, pelo que o funcionamento e construção específica desses componentes serãodescritos apenas na medida em que I a descrição é necessária para a compreensão dosistema de resfriamento da presente invenção. Embora os desenhos mostrem umcompressor em que o mecanismo de acionamento do pistão é do tipo biela-manivela,qualquer pessoa versada da técnica entenderá que outro dispositivo que forneça omovimento alternado do pistão pode também sem empregado dentro do conceito inventivoda presente invenção.
O sistema de resfriamento da presente invenção prevê a atomização de fluidolubrificante no interior do cilindro, sendo que esse fluido deve ser atomizado na menortemperatura possível.
Assim, o sistema da presente invenção compreende basicamente um bicoatomizador 1 que fornece um fluido lubrificante atomizado no interior do cilindro docompressor, um trocador de calor 6 destinado a arrefecer o fluido lubrificante que seráatomizado no bico 1, um separador de fluido lubrificante 5 que recebe a mistura do fluidorefrigerante e do fluido de lubrificação descarregada do compressor e direciona o fluidolubrificante separado de volta para o trocador de calor, e um elemento de bloqueio 7 quetem a função de impedir o acúmulo de fluido lubrificante no cilindro quando o compressorestiver desligado.
Na concretização preferencial da presente invenção, o elemento de bloqueio 7 éuma válvula de bloqueio, entretanto, qualquer outro tipo de elemento de bloqueio adequadopoderia ser igualmente utilizado como, por exemplo, um elemento de bloqueio deacionamento mecânico ou eletromecânico, um sistema de bloqueio de acionamento elétrico,um sistema de bloqueio de acionamento eletrônico ou um elemento de bloqueio deacionamento magnético.
Nesse sentido, um elemento de bloqueio com acionamento elétrico ou eletrônicopode ser projetado de modo a utilizar as informações provenientes do motor elétrico docompressor, como, por exemplo, a corrente de acionamento. De modo similar, emcompressores que aplicam eletrônica embarcada - como no caso de compressores develocidade variável -, a eletrônica necessária para controlar o elemento de bloqueio podeser integrada com a eletrônica do compressor.
O elemento de bloqueio do sistema da presente invenção pode ser disposto, porexemplo, entre o bico atomizador 1 e o trocador de calor 6, ou pode ser integrado ao bicoinjetor 1. Nesse último caso, o próprio bico atomizador, com um elemento de bloqueiointegrado, poderia bloquear o fluxo quando necessário.
Além disso, embora nas figuras 1 a 6, o elemento de bloqueio seja ilustrado comouma peça externa à carcaça 11 do compressor, tal elemento poderia estar no interior dessacarcaça. Essa possibilidade particularmente vantajosa ao permitir que o elemento debloqueio seja disposto bem próximo ao cilindro do compressor, reduzindo o volume de óleoentre o cilindro e o elemento de bloqueio. Como, ao desligar o compressor, o óleo contidonesse volume acaba indo ao cilindro, essa redução de volume tem um impacto bastantepositivo.
O sistema da presente invenção permite uma diminuição do aquecimento global docompressor e o alcance de uma diminuição de temperatura do refrigerante durante todo ociclo de compressão.
Assim, na primeira concretização da presente invenção, o bico atomizador 1,conectado a uma linha de alimentação de fluido lubrificante 8, é posicionado no interior dacarcaça 11, com seu orifício (ou sua extremidade de dispensa) tangenciando a paredeinterna lateral do cilindro, de modo que o fluido lubrificante seja atomizado no interior docilindro no período do ciclo de compressão em que o pistão não esteja encobrindo o orifício.
Como o conjunto de gotículas de fluido lubrificante atomizado apresenta umagrande área superficial, o potencial de troca de calor com o fluido refrigerante durante acompressão é significativo, reduzindo o aumento da temperatura do vapor de refrigerantedurante sua compressão.
Para garantir que o fluido !lubrificante seja atomizado na menor temperaturapossível, o bico atomizador 1 é conectado ao trocador de calor 6 que, na concretizaçãoilustrada na figura 1, é disposto externamente à carcaça 11.
Entre o bico atomizador 1 e o trocador de calor 6 é disposto um elemento debloqueio 7, por exemplo, uma válvula de bloqueio 7, que permanece aberta durante ofuncionamento do compressor e é fechada após o desligamento do mesmo.
Após atingir a pressão de descarga, o fluido lubrificante juntamente com o fluidorefrigerante é descarregado da câmara de compressão através de uma válvula de descarga3 e segue por uma linha de descarga 4.
O separador de fluido lubrificante 5 é conectado à linha de descarga 4 e aotrocador de calor 6, de modo que o fluiido lubrificante proveniente da linha de descarga sejaseparado do fluido refrigerante e direcionado ao trocador de calor, reiniciando o ciclo.
A figura 2 apresenta uma concretização similar àquela da figura 1, sendo que oseparador de fluido lubrificante 5 é disposto no interior da carcaça 11 do compressor 10.
Assim, nessa concretização, o fluido refrigerante juntamente com o fluido lubrificante édescarregado da câmara de compressão através da válvula de descarga 3, seguindo pelalinha de descarga 4, sendo que o separador de fluido lubrificante 5 é posicionado na linhade descarga interna do compressor 10. Essa concretização, além de apresentar umaestrutura mais compacta do que aquela ilustrada na figura 1, faz com que o separador 5atue como um atenuador de pressão, filtrando as pulsações de pressão geradas durante adescarga de refrigerante. Além disso, como o trocador de calor 6 permanece externo aocompressor, a eficiência da troca de calor é preservada.
A figura 3 apresenta uma terceira concretização alternativa da presente invenção,onde tanto o separador de óleo lubrificante 5 quanto o trocador de calor 6 são posicionadosno interior da carcaça 11 do compressor 10.
Nessa concretização, a linha de alimentação de fluido lubrificante 8 e o elementode bloqueio 7 também permanecem internos ao compressor 10, estando dispostos nointerior da carcaça 11. Deve ser notado que essa concretização possibilita uma construçãode compressor extremamente compacta.
Nessa concretização ilustrada na figura 3, o trocador de calor 6 está posicionadosubmerso no óleo do cárter do compressor. Essa configuração aumenta a temperatura doóleo no cárter, o que pode ter efeito adicional para aumento da eficiência do compressor. Omotivo para tal é que com a injeção de gotículas de óleo frio no cilindro e o subseqüenteresfriamento do gás comprimido, o resultado esperado é uma redução global dos níveis detemperatura do compressor. Esta redução de temperaturas impactará em um aumento daviscosidade do óleo, aumentando as perdas mecânicas. Ao se colocar o trocador de calorno óleo, permite-se compensar parte deste problema, entregando parte do calor removidodiretamente do gás de compressão paira o óleo no cárter, podendo recuperar assim partedas perdas adicionadas pelo aumento da viscosidade.
A figura 4 ilustra uma quarta concretização da presente invenção, onde o bicoinjetor 1 é posicionado na placa de válvulas do compressor 10. Essa construção permiteque a atomização de óleo seja realizada em qualquer momento do ciclo de operação docompressor, e não apenas durante umi período do ciclo de compressão, como previsto nasconcretizações das figuras 1 a 3. Essa concretização é particularmente conveniente quandohá uma baixa solubilidade do fluido refrigerante no fluido lubrificante, ou quando é utilizadoum separador dè alta eficiência para separar o fluido lubrificante do fluido refrigerante.
Deve ser entendido que embora a figura 4 ilustre uma concretização onde oseparador 5 e o trocador de calor 6 são externos à carcaça 11, a disposição de bico injetorprevista nessa concretização poderia ser utilizada com essas peças internas ao compressor,como nas concretizações ilustradas nas figuras 2 e 3.
A figura 5 ilustra uma quinta concretização da presente invenção, onde o separador5 e o trocador de calor 6 compreendem um componente único que integra a função deseparador e trocador de calor.
Assim, conforme ilustrado nessa figura, esse componente único pode compreenderum separador de calor com um elemento dissipador de calor (por exemplo, aletas), queremove do óleo o calor adquirido no processo de compressão. Naturalmente, outrasconstruções poderiam ser igualmente utilizadas, como, por exemplo, um trocador de calorem forma de serpentina disposto ao redor do separador.
Além disso, embora o componente único esteja ilustrado na parte externa dacarcaça 11 do compressor, tal peça poderia estar alojada no interior da carcaça 11, domesmo modo previsto nas concretizações das figuras 3 e 4.
A figura 6 ilustra ainda outra concretização da presente invenção, onde o trocadorde calor 6 e o separador 5 estão dispostos, considerando o circuito formado, de modoinverso ao ilustrado nas concretizações anteriores, sendo que essa disposição invertidapermite a remoção de calor antes da separação.
Naturalmente, a disposição invertida mostrada na figura 6 pode ser combinada comas variações descritas nas concretizações anteriores, seja com relação à posição do bicoatomizador, ou com a possibilidade de dispor as peças componentes no interior da carcaça 11.
Através do sistema descrito, a presente invenção permite o alcance de melhoriasno tocante à confiabilidade e ao desempenho do compressor.
Em relação à confiabilidade, o abaixamento do perfil térmico do compressorocasionado pela atomização de fluido lubrificante na câmara de compressão evitatemperaturas críticas em pontos do compressor nas quais o óleo pode sofrer degradação emudanças irreversíveis nas propriedades termofísicas. Com o abaixamento do perfil térmicodo compressor também é possível relaxar a severidade dos testes de aprovação, dedesgaste e de robustez do produto.
Já com relação ao desempenho, as vantagens proporcionadas pela presenteinvenção estão associadas ao aumento da eficiência volumétrica e da eficiência energéticado compressor.
Com o abaixamento dos níveis de temperatura do compressor, há uma diminuiçãodo superaquecimento do gás no caminho de sucção, resultando em uma densidade maiordo refrigerante no início do processo de compressão e assim no aumento da quantidade demassa comprimida e bombeada pelo compressor. Desta forma, o compressor tem a suaeficiência volumétrica aumentada e, paira uma mesma capacidade de bombeamento, podeser construído em dimensões menores.
Além dos efeitos sobre o superaquecimento ao longo do caminho de sucção, o óleoatomizado no interior da câmara de compressão retira calor do fluido refrigerante ao longodo processo de compressão, diminuindo a sua temperatura e o seu volume específico. Comisso, o trabalho de compressão diminui e a eficiência do compressor aumenta.
Conseqüentemente, em função do aumento da massa bombeada e da diminuiçãodo trabalho específico, há um acréscimo na eficiência energética do compressor,usualmente CARACTERIZADA pelo Coeficiente de Desempenho (COP) do compressor.Outro benefício da redução do aquecimento durante o processo de compressão é adiminuição da velocidade do escoamento do fluido nas válvulas do compressor, reduzindoas perdas de energia devido ao atrito viscoso e, assim, contribuindo também para oaumento do COP.
aplicação em refrigeração a presença de óleo dentro do cilindro no final do processo decompressão traz um benefício extra porque reduz a quantidade de refrigerante no volumemorto, aumentando a eficiência volumétrica.
Outro benefício complementar está na melhor vedação da folga pistão cilindro pelo óleo, o que pode atuar favoravelmente na redução das perdas inerentes ao vazamento degás de dentro da câmara de compressão.
Finalmente, deve ser entendido que a descrição fornecida com base nas figurasacima se refere apenas a concretizações possíveis para o sistema da presente invenção,sendo que o real escopo do objeto da invenção encontra-se definido nas reivindicações apensas.
Deve ser destacado também que em compressores de baixa capacidade de
Claims (18)
1. Sistema de resfriamento para um compressor to tipo alternativo (10), ocompressor compreendendo uma carcaça (11) e uma câmara de compressão (2) no interiorda carcaça (11), CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:um bico atomizador (1) que fornece um fluido lubrificante atomizado no interior docilindro do compressor;um trocador de calor (6) destinado a arrefecer o fluido lubrificante que seráatomizado no bico (1),um separador de fluido (5) para separar uma mistura de fluido refrigerante e fluidolubrificante e encaminhar o fluido lubrificante de volta do sistema, eum elemento de bloqueio (7) para impedir o acúmulo de fluido lubrificante nocilindro.
2. Sistema de resfriamento de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de que o elemento de bloqueio (7) é disposto entre o bico atomizador (1) e otrocador de calor (6).
3. Sistema de resfriamento de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de que o elemento de bloqueio (7) é integrado ao bico injetor (1).
4. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3,CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de bloqueio (7) é uma válvula de bloqueio.
5. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3,CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de bloqueio é um elemento dè bloqueioelétrico.
6. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3,CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de bloqueio é um elemento de bloqueioeletrônico.
7. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6,CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de bloqueio (7) é disposto no interior dacarcaça (11).
8. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o separador de fluido (5) recebe a mistura de fluidorefrigerante e fluido lubrificante descarregada da câmara de compressão (2) e direciona ofluido lubrificante de volta para o trocador de calor (6).
9. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7,CARACTERIZADO pelo fato de que o separador de fluido (5) recebe a mistura de fluido refrigerante e fluido lubrificante do trocador de calor (6) e direciona o fluido lubrificante devolta para o elemento de bloqueio (7).
10. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7,CARACTERIZADO pela fato de que o separador de fluido lubrificante (5) e o trocador decalor (6) compreendem um componente único.
11. Sistema de resfriamento de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADOpelo fato de que o componente único é disposto no interior da carcaça (11).
12. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8,CARACTERIZADO pelo fato de que o separador de fluido lubrificante (5) é disposto nointerior da carcaça (11).
13. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8,CARACTERIZADO pelo fato de que o trocador de calor (6) é disposto no interior da carcaça (11).
14. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8,CARACTERIZADO pelo fato de que o separador de fluido lubrificante (5) e o trocador decalor (6) são dispostos no interior da carcaça (11).
15. Sistema de resfriamento de acordo com a reivindicação 13 ou 14,CARACTERIZADO pelo fato de que o trocador de calor é disposto.no espaço da carcaça(11) destinado ao armazenamento de fluido lubrificante, o trocador de calor (6) estandosubmerso no fluido lubrificante.
16. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a-15, CARACTERIZADO pelo fato de que a extremidade de dispensa do bico injetor (1)tangencia a parede lateral do bloco de cilindro do compressor (10).
17. Sistema de resfriamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a-15, CARACTERIZADO pelo fato de que a extremidade de dispensa do bico injetor (1) édisposta na placa de válvulas do compressor (10).
18. Compressor alternativo (10) do tipo que compreende um sistema derefrigeração como aquele definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 17.
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