Caracterização experimental da velocidade de impacto de válvulas de compressores recíprocos de refrigeração

Abstract

A fadiga por impacto em válvulas tipo palheta é um aspecto crítico na confiabilidade de compressores recíprocos de refrigeração doméstica. Esse mecanismo de falha decorre dos impactos repetitivos sofridos pela válvula durante sua operação, os quais podem provocar perda progressiva de material e danos estruturais. A medição direta de carregamentos no impacto é inviável devido à natureza extremamente rápida e complexa dos esforços envolvidos. Em função disso, adota-se a velocidade de impacto como parâmetro de confiabilidade. Esta dissertação aborda uma investigação experimental da velocidade de impacto de válvulas de sucção e descarga de compressores recíprocos. Com esse objetivo, uma bancada foi desenvolvida para a medição da velocidade de impacto de válvulas com o emprego de um Vibrômetro Laser Doppler (LDV). Inicialmente, o muffler de sucção foi adaptado com visores ópticos e incorporado à seção de testes para operação com ar atmosférico, de forma a verificar a sua influência sobre a velocidade de impacto. Na sequência, a tampa do cilindro foi também adaptada com visores para permitir a medição da velocidade de impacto das válvulas de descarga, mantendo o ar como fluido de trabalho. Por fim, a bancada foi modificada para operação em ciclo fechado com o fluido refrigerante R600a, incorporando um circuito de ciclo quente para o controle das pressões de evaporação e condensação e um visor óptico de vidro na carcaça do compressor. Constatou-se que a presença do muffler reduz as velocidades de impacto das duas válvulas de sucção, efeito atribuído ao amortecimento do movimento das válvulas devido à restrição do escoamento imposta pelo muffler. As velocidades de impacto diminuíram em até 41% para a válvula mais rígida (VSA) e em até 70% para a válvula menos rígida (VSB) em uma das condições de operação. Testes para a válvula de descarga (VD) realizados com ar confirmaram que as velocidades de impacto contra o batente são superiores às registradas contra o assento. Enquanto o impacto contra o assento não apresentou correlação clara com as condições de operação do compressor, as velocidades de impacto contra o batente aumentaram com a velocidade do compressor e a pressão de descarga. Os resultados obtidos com fluido refrigerante R600a indicaram que suas propriedades termofísicas reduzem a sensibilidade da válvula de sucção a variações da velocidade do compressor e amortecem a cinemática da válvula em comparação à operação com ar. A redução da temperatura de evaporação de -5 °C para -25 °C, bem como a redução da velocidade do compressor para as mesmas temperaturas, diminuiu as velocidades de impacto da válvula de sucção. Observou-se também que a redução das temperaturas de evaporação e o aumento da velocidade do compressor elevaram as velocidades de impacto da VD contra o batente. Finalmente, os resultados mostram que o emprego da bancada simplificada com ar atmosférico é viável para o projeto da válvula de sucção, superestimando em 15% a velocidade de impacto. Por outro lado, as medições realizadas para a válvula de descarga usando ar como fluido de trabalho subestimaram em 13% a velocidade de impacto contra o batente e devem ser, portanto, analisadas com cuidado.

Abstract: Impact fatigue in reed valves is a critical aspect of reliability in reciprocating compressors adopted in domestic refrigeration. This failure mechanism stems from repetitive impacts suffered by the valve during operation, which can lead to progressive material loss and structural damage. Direct measurement of impact loads is unfeasible due to the extremely fast and complex nature of the stresses involved. Consequently, impact velocity is adopted as a reliability parameter. This dissertation presents an experimental study of the impact velocity of suction and discharge valves in reciprocating compressors. A test bench was developed for measuring valve impact velocity using a Laser Doppler Vibrometer (LDV). Initially, the suction muffler was adapted with optical windows and incorporated into the test section for operation with atmospheric air in order to assess its influence on impact velocity. Subsequently, the cylinder head was also adapted with optical windows to enable the measurement of discharge valve impact velocity while maintaining air as the working fluid. Finally, the test bench was modified for closed-loop operation with the refrigerant fluid R600a, incorporating a hot gas bypass loop to control evaporating and condensing pressures, and a glass optical window on the compressor shell. The results showed that the presence of the muffler reduces the impact velocities of both suction valves, an effect attributed to the damping of valve motion caused by the flow restriction imposed by the muffler. Impact velocities decreased by as much as 41% for the stiffer valve (VSA) and by up to 70% for the more flexible valve (VSB) under one of the operating conditions. For the discharge valve (VD) in tests with air, the measurements confirmed that the impact velocities against the retainer are higher than those recorded against the seat. While the impact against the seat showed no correlation with operating conditions, the velocities against the retainer increased with higher compressor speed and discharge pressure. The results with R600a indicated that its thermophysical properties reduce the sensitivity of the suction valve to variations in compressor speed and damp its kinematics when compared with operation using air. Reducing the evaporating temperature from -5 °C to -25 °C, as well as reducing the compressor speed at the same evaporating temperatures, resulted in lower suction valve impact velocities. It was also observed that lowering the evaporating temperature and increasing the compressor speed increased the discharge valve impact velocity against the retainer. Finally, the results demonstrate that the use of the simplified test bench operating with atmospheric air is a viable approach for suction valve design, although it overestimates impact velocity by approximately 15%. On the other hand, measurements performed on the discharge valve using air as the working fluid underestimated the impact velocity against the retainer by approximately 13% and should therefore be interpreted with caution.