Modelagem e análise do desempenho de compressores centrífugos para baixa capacidade de refrigeração

Abstract

Compressores centrífugos são usados para a compressão de gases em muitas aplicações de engenharia. Em refrigeração, esse tipo de compressor oferece várias vantagens, tais como tamanho compacto, eficiência em diferentes velocidades de operação e níveis de vibração e ruído baixos, que justificam o seu emprego em detrimento de compressores de deslocamento positivo. No entanto, a grande dificuldade para a aplicação de compressores centrífugos em baixas capacidades de refrigeração se deve à necessidade de sua operação em níveis de rotação extremamente elevados. Apesar disto, a recente disponibilidade de motores elétricos de alta velocidade e de outras tecnologias, tais como mancais magnéticos, tem despertado a atenção para o desenvolvimento de compressores centrífugos mesmo para capacidades baixas. O objetivo central deste trabalho é a análise do desempenho de compressores centrífugos em baixas capacidades de refrigeração, na faixa de 0,2 a 17 kW, considerando diferentes fluidos refrigerantes e com temperaturas de evaporação variando entre -23,3ºC a 7,2ºC. Para cumprir este objetivo, um modelo termodinâmico integral foi desenvolvido e empregado em conjunto com uma metodologia de otimização, para o projeto preliminar e avaliação do desempenho do compressor centrífugo. O desempenho obtido para o compressor centrífugo é então comparado com aqueles de três tipos de compressos de deslocamento positivo, representados pelos compressores alternativo, de pistão rolante e de espiras (scroll). Com base nessas comparações, conclui-se que o compressor centrífugo é uma opção viável, do ponto de vista de eficiência termodinâmica, na condição HBP (High Back Pressure). Devido à geometria complexa do compressor centrífugo, um modelo diferencial tridimensional foi também empregado para a simulação e análise numérica do escoamento, em uma das geometrias previamente otimizadas com a formulação integral. Resultados para os campos de velocidade, pressão e grandezas turbulentas são apresentados para permitir o entendimento da influência de diferentes configurações geométricas sobre o processo de compressão.