Análise teórica de um tubo resfriador de óleo para gerenciamento térmico de um compressor hermético

Abstract

O compressor se apresenta como um equipamento básico na construção de qualquer refrigerador doméstico, ao mesmo tempo que representa um de seus principais custos. A miniaturização de suas dimensões se estabeleceu então como um processo natural em busca do melhor custo-benefício, gerando um subsequente aumento da temperatura média do motor e da necessidade de novas formas de resfriamento para manter a confiabilidade. Uma alternativa para gerenciamento térmico do motor é o uso de um tubo resfriador de óleo, que consiste de um tubo posicionado no cárter do compressor, por onde escoa fluido refrigerante proveniente do condensador. Este trabalho tem como objetivo a implementação de um modelo teórico para simulação térmica de um compressor hermético dotado com um tubo resfriador de óleo. O modelo de simulação é formado a partir do acoplamento de um submodelo térmico do compressor, capaz de calcular as temperaturas de seus principais componentes, e de um submodelo do tubo resfriador de óleo, que prevê a taxa de transferência de calor e o estado termodinâmico do fluido refrigerante na sua saída. Os resultados do submodelo térmico foram validados com dados experimentais, e em seguida, os submodelos foram integrados. Os principais resultados mostraram que a temperatura do motor é reduzida entre 3,7 °C e 14,5 °C, dependendo da condição de operação, e que as menores reduções ocorrem quando a temperatura de condensação é maior. Ao incluir uma válvula de expansão a montante do tubo resfriador de óleo, a temperatura do fluido em seu interior é controlada. Ao variar essa temperatura de 70 °C para 55 °C, notou-se que a queda de temperatura do motor aumenta de 5,4 °C para 12 °C e, neste último caso, a capacidade de refrigeração é reduzida em 30% quando a temperatura de evaporação é baixa. A redução na capacidade de refrigeração é menor quando a temperatura de evaporação é maior, sugerindo que essas condições são mais favoráveis para aplicação do tubo resfriador. Finalmente, observou-se também que a redução de temperatura do motor aumenta assintoticamente com o aumento do comprimento do tubo resfriador de óleo, atingindo 9 °C quando seu comprimento atinge 0,35 m.

The compressor is a basic piece of equipment in the construction of any domestic refrigerator, while representing one of its main costs. The miniaturization of its dimensions was then established as a natural process in search of the best cost-benefit ratio, generating a subsequent increase in the average motor temperature and the need for new forms of cooling to maintain reliability. One alternative for thermal management of the engine is the use of an oil cooler tube, which consists of a tube positioned in the crankcase of the compressor, through which coolant from the condenser flows. This work aims to implement a theoretical model for thermal simulation of a hermetic compressor equipped with an oil-cooling tube. The simulation model is formed from the coupling of a thermal submodel of the compressor, capable of calculating the temperatures of its main components, and a submodel of the oil-cooling tube, which predicts the heat transfer rate and the thermodynamic state of the refrigerant fluid at its outlet. The thermal submodel results were validated with experimental data, and then the submodels were integrated. The main results showed that the motor temperature is reduced between 3.7 °C and 14.5 °C, depending on the operating condition, and that the smallest reductions occur when the condensing temperature is higher. By including an expansion valve upstream of the oil cooler pipe, the temperature of the fluid inside is controlled. By varying this temperature from 70 °C to 55 °C, it has been noticed that the engine's temperature drop increases from 5.4 °C to 12 °C, and in the latter case, the cooling capacity is reduced by 30% when the evaporation temperature is low. The reduction in cooling capacity is less when the evaporation temperature is higher, suggesting that these conditions are more favorable for the application of the cooler tube. Finally, it was also observed that the engine temperature reduction increases asymptotically with increasing length of the oil cooler tube, reaching 9 °C when its length reaches 0.35 m.