BRPI1101684A2

BRPI1101684A2 - sistema de sepraÇço de fluido refrigerante lÍquido com trocador de calor externo alimentado por gravidade (termo-sifço) e controle de fluxo por tubo capilar aquecido e trocador de calor

Info

Publication number: BRPI1101684A2
Authority: BR
Inventors: Noronha Arruda Geraldo Antonio De; Ronaldo De Noronha Arruda
Original assignee: Noronha Arruda Geraldo Antonio De; Lauro Marco De Noronha Arruda
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2013-06-11

Abstract

SISTEMA DE SEPARAÇçO DE FLUÍDO REFRIGERANTE LÍQUIDO COM TROCADOR DE CALOR EXTERNO ALIMENTADO POR GRAVIDADE (TERMO-SIFçO) E CONTROLE DE FLUXO POR TUBO CAPILAR AQUECIDO E TROCADOR DE CALOR. A presente patente de invenção refere-se a sistema de separação de liquido com trocador de calor externo, cuja evaporação do fluido refrigerante retido no separador de liquido visa separar e aquecer o óleo misturado, permitindo que somente o óleo aquecido e isento de fluido refrigerante retorne ao compressor, utilizando o gás quente descarregado pelo compressor, que troca calor com o refrigerante líquido e com o óleo, impedindo o superaquecimento dos vapores em baixa pressão, em decorrência da localização do trocador de calor em ambiente externo ao separador de liquido. Compreende duas fases interligadas, permitindo a recirculação dos fluidos a serem separados, sendo a primeira subdividida em 06 (seis) subfases (A.1 a A.6), sendo {A.1) subfase de inicio, (A.2) subfase de expansão, (A.3) subfase de evaporação, (A.4) subfase de retenção de líquido e óleo, (A.5) subfase de compressão, (A.6) subfase de condensação; a segunda fase compreende um sistema paralelo subdividido em 03 (três) subfases (BI a B3), sendo (B.1) subfase de aquecimento, (B.2) subfase de evaporação e (B.3) subfase de troca de calor.

Description

"SISTEMA DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO REFRIGERANTE LÍQUIDO COM TROCADOR DE CALOR EXTERNO ALIMENTADO POR GRAVIDADE (TERMO-SIFÃO) E CONTROLE DE FLUXO POR TUBO CAPILAR AQUECIDO E TROCADOR DE CALOR"

A presente patente de invenção refere-se a sistema de

separação de líquido com trocador de calor externo, cuja evaporação do fluido refrigerante retido no separador de líquido visa separar e aquecer o óleo misturado, permitindo que somente o óleo aquecido e isento de fluido refrigerante retorne ao compressor. O presente sistema utiliza o gás quente descarregado pelo compressor, que troca calor com o refrigerante líquido e com o óleo, impedindo o superaquecimento dos vapores em baixa pressão, em decorrência da localização do trocador de calor em ambiente externo ao separador de líquido.

O sistema ora apresentado não acresce carga térmica ao compressor, uma vez que o calor que o refrigerante líquido recebe no trocador de calor é o mesmo que ele receberia misturando-se com o óleo dentro do cárter do compressor, sem, no entanto, provocar formação de espuma no óleo e sem prejudicar a lubrificação.

Existem atualmente no mercado diferentes equipamentos instalados em máquinas de refrigeração, tanto de uso comercial como industrial, que utilizam o princípio da compressão de vapor de fluido refrigerante miscível com o óleo de lubrificação do compressor, tais como os utilizados para refrigerar câmaras frigoríficas, túneis de congelamento, para resfriamento de água ou fluidos em geral, equipamentos para fabricação de gelo e sorvetes, dentre outros. Nos produtos existentes, tolera-se o retorno de refrigerante líquido para o cárter do compressor juntamente com o óleo, o que prejudica a lubrificação e abaixa a temperatura do gás quente, prejudicando o degelo a gás quente, quando utilizado, além de colocar o compressor em risco de quebra por golpes de líquido (calço hidráulico).

A PI9905397-7 - "Refrigerador com sistema de resfriamento

por convecção natural e congelador com acesso independente e degelo semi-automático" - refere-se a refrigerador econômico com sistema de resfriamento por convecção natural do ar frio do congelador, o qual flui para o refrigerador, caracterizado por um evaporador integral com desenho em forma de "C" e com acesso independente, com área de resfriamento e sistema de degelo semi-automático.

A PI0519903-4 - "Sistema de trocador de calor" - refere-se a um trocador de calor de sistema de refrigeração caracterizado por distribuição de fluxo de ar pelo uso de pelo menos um dos ventiladores operando no modo de modulação pela largura de pulso ou modo de velocidade variável.

A PI0401536-3 refere-se a "Sistema de refrigeração para

câmara frigorífica com ciclo reverso de degelo, montagem intercambiável de ventiladores e otimizador de fluxo do ar" constituído por um compressor ligado a uma válvula reversora de quatro vias que permite trabalho no sentido direto ou refrigeração e trabalho no sentido inverso, em que o evaporador atua como condensador e o condensador atua como evaporador e o compressor bombeia gás aquecido diretamente no evaporador e propicia o degelo, sistema este gerenciado por um controlador lógico programável e é dotado de suporte intercambiáveis para os ventiladores.

A presente patente difere-se de todas as anteriores por apresentar um sistema paralelo de separação de líquidos com trocador de calor acoplado ao sistema de refrigeração.

Nos sistemas de refrigeração atuais, o óleo de lubrificação do compressor geralmente mistura-se com o vapor de refrigerante comprimido e passa a fluir junto com o refrigerante, vapor ou líquido. No separador de líquido o vapor de refrigerante tem baixa velocidade, exatamente para separar o líquido e, como conseqüência, separa também o óleo que então não conseguiria retornar ao compressor. Para que o óleo consiga vencer a "armadilha" do separador de líquido, nos sistemas convencionais um tubo em forma de "U" desce até o fundo do separador e apresenta um orifício que permite que o óleo penetre no tubo, onde a velocidade do vapor é suficiente para arrastá-lo. Porém, pelo mesmo orifício por onde passa o óleo, passa também o refrigerante líquido que eventualmente se acumula no separador de líquido. O retorno de refrigerante líquido em pequena quantidade pode ser tolerado, pois ao misturar-se com o óleo quente do cárter do compressor pode se evaporar, sem prejudicar a lubrificação.

Entretanto, se o separador de líquido recebe uma grande quantidade de refrigerante líquido devido a falha da válvula de expansão termostática ou devido a aquecimento repentino do evaporador ou durante o degelo a gás quente, gás este que expulsa rapidamente todo o refrigerante líquido do evaporador para o separador de líquido, a penetração de refrigerante líquido no orifício do "pescador de óleo" poderá ser muito grande e irá imediatamente para o cárter do compressor, onde se misturará com o óleo e entrará em ebulição, que poderá ser intensa o suficiente para jogar líquido (refrigerante e óleo) nas válvulas de sucção dos cilindros, causando golpes de líquido (calços hidráulicos) que podem facilmente quebrar válvulas, bielas, eixo virabrequim, entre outros.

O presente sistema apresenta o trocador de calor acoplado

externamente ao acumulador de sucção que evapora o refrigerante líquido que está misturado ao óleo e, assim, evita seu retorno para o compressor até mesmo durante o ciclo de degelo a gás quente. O sistema mantém a temperatura de descarga do gás quente mais alta durante o ciclo de degelo, o que aumenta sua eficiência, resultando em economia de cerca de 70% da energia elétrica e de 70% do tempo gasto no degelo, quando comparado ao degelo elétrico convencional. A recirculação do refrigerante líquido em baixa pressão através do trocador de calor, até sua total evaporação, se dá pelo efeito termo-sifão. O fluxo do óleo livre do refrigerante líquido, após a evaporação deste, se faz por gravidade, do trocador de calor para o tubo de sucção do compressor, passando por um tubo capilar que também troca calor com a linha de gás quente. Enquanto houver refrigerante líquido misturado ao óleo, as bolhas de vapor formadas por sua evaporação obstruirão o tubo capilar, restringindo o fluxo. Assim, a liberação do fluxo de óleo puro para o compressor ocorre somente depois de evaporado todo o refrigerante líquido.

A principal vantagem do presente sistema é a eliminação de falhas de lubrificação por diluição do óleo, além de eliminar o retorno de refrigerante líquido misturado ao óleo para o cárter do compressor, o que elimina os riscos de falhas na lubrificação e de igual maneira a ocorrência de golpes de líquido (calço hidráulico).

O "Sistema de separação de fluido refrigerante líquido com trocador de calor externo alimentado por gravidade (termo-sifão) e controle de fluxo por tubo capilar aquecido e trocador de calor" poderá ser compreendido através das figuras anexas e sua descrição, nas quais:

A Figura 1 ilustra vista do circuito fechado do sistema com os equipamentos e o fluxo do líquido.

A Figura 2 ilustra o fluxo do líquido no sistema sem ilustração

dos equipamentos.

A Figura 3 ilustra vista dos equipamentos, quais sejam, tanque de liquido, condensador, evaporador, compressor, separador de liquido, trocador de calor e tubo capilar.

De acordo com as figuras 1 e 3, o sistema é dotado dos

seguintes equipamentos:

1- tanque de líquido; 2- filtro secador; 3- visor de líquido; 4- válvula de expansão termostática; 5- evaporador; 6- sensor ou bulbo; 7- separador de líquido; 8- compressor; 9- condensador;

10- trocador de calor;

11- tubo capilar;

12- tubos de metal, preferencialmente cobre. De acordo com as Figuras 1 a 3, o sistema compreende duas fases interligadas, permitindo a recirculação dos fluidos a serem separados, sendo a primeira subdividida em 06 (seis) subfases (A.1 a A.6), sendo (A.1) a subfase de início, (A.2) sub-fase de expansão, (A.3) subfase de evaporação, (A.4) subfase de retenção de líquido e óleo, (A.5) subfase de compressão, (A.6) subfase de condensação; a segunda fase compreende um sistema paralelo subdividido em 03 (três) subfases (B1 a B3), sendo (B.1) subfase de aquecimento, (B.2) subfase de evaporação e (B.3) subfase de troca de calor.

A primeira fase do sistema corresponde às subfases (A.1 a A.6),

em que:

- subfase (A1) inicia processo em que o fluido frigorígeno em estado líquido retido no tanque de líquido (1), em alta pressão, flui, por diferença de pressão, para a válvula de expansão termostática (4), passando

antes pelo filtro secador (2) e pelo visor de líquido (3);

- subfase (A2) realiza a expansão do líquido, que ao passar pela válvula de expansão termostática (4) sofre uma queda brusca de pressão e com ela uma brusca queda de temperatura do fluido. Parte do fluido se evapora instantaneamente, retirando, para isso, calor de toda a massa, o que

causa a queda instantânea de temperatura;

- subfase (A3) realiza a evaporação do líquido, em que a mistura de fluido refrigerante líquido e vapor que flui através do evaporador (5) recebe calor de qualquer outro fluido com temperatura superior à sua, resfriando-o. Ao final do evaporador (5) todo o fluido refrigerante deverá ter

se evaporado para que o compressor aspire apenas vapor. Este controle é feito pela válvula de expansão termostática (4), cujo sensor (bulbo) (6) percebe a presença de refrigerante líquido e fecha o orifício de passagem, modulando-o de acordo com a temperatura do refrigerante no final do evaporador;

- na subfase (A4) do evaporador (5) o fluido é dirigido para o

compressor (8), passando antes pelo separador de líquido (7) que tem a finalidade de proteger o compressor contra eventuais retornos de refrigerante líquido, causados por falhas da válvula de expansão termostática ou por outros motivos, tais como, aquecimento repentino do evaporador, degelo a gás quente;

- subfase (A5) realiza a compressão do líquido, em que no

compressor (8), o fluido refrigerante no estado de vapor é comprimido e atinge a alta pressão, igual à pressão do refrigerante líquido do início da subfase (A1), sendo que o óleo de lubrificação do compressor mistura-se com o vapor de refrigerante comprimido e passa a fluir juntamente com o refrigerante;

- subfase (A6) realiza a condensação do vapor, que em alta pressão e em alta temperatura será condensado, por exemplo, a 45° C1 trocando calor no condensador (9) com o ar ambiente a 35° C. Do condensador (9) o refrigerante líquido flui para o tanque de líquido (1),

fechando o ciclo.

Ainda de acordo com as Figuras 1 a 3, a segunda fase do sistema corresponde a um sistema paralelo, subdividido em três subfases (B1 a B3), em que:

- subfase (B1) realiza o aquecimento do óleo, que acumulado no separador de líquido (7) passará pelo tubo capilar (11) que é aquecido pela

linha de gás quente, e se houver refrigerante líquido misturado ao óleo, este será imediatamente evaporado e as bolhas de vapor obstruirão o tubo capilar (11), impedindo o fluxo tanto de óleo quanto de refrigerante líquido;

- subfase (B2) realiza a evaporação do refrigerante líquido acumulado no separador de líquido (7) e óleo, cujo fluxo se restringirá à

recirculação por gravidade (termo-sifão) entre o separador de líquido (7) e o trocador de calor (10), até que todo o refrigerante líquido se evapore. O óleo e o refrigerante passam pelo trocador de calor (10) externo ao separador de líquido (5), onde o refrigerante líquido é evaporado ao receber calor do gás quente descarregado pelo compressor (8), e somente o óleo aquecido retornará ao cárter do compressor (8); - na subfase (B3), quando não houver mais refrigerante líquido misturado ao óleo e, conseqüentemente, não houver mais bolhas de vapor, o óleo puro e aquecido fluirá através do tubo capilar (11) para o tubo de sucção do compressor (8), onde a velocidade dos vapores de fluido refrigerante será suficiente para arrastá-lo para o cárter do compressor (8).

O fluxo de óleo só será liberado quando não houver mais refrigerante líquido misturado a ele. O próprio refrigerante líquido impede o fluxo através do tubo capilar (11), que é o único caminho para o fluxo de líquido para o compressor (8), óleo ou refrigerante, desde que o separador de líquido (7) seja corretamente dimensionado de acordo com o deslocamento volumétrico do compressor (8) e com a carga de fluido refrigerante do equipamento.

A grande diferença de temperatura entre o gás quente e o líquido em baixa pressão no trocador de calor (10) garante rápida evaporação de todo o refrigerante líquido acumulado no separador de líquido (7), o que garante rápida desobstrução do tubo capilar (11) para que o fluxo de óleo para o cárter do compressor (8) volte rapidamente à sua normalidade.

De acordo com a Figura 2, o fluxo do sistema se dará através de tubos de metal (12), preferencialmente cobre, de várias dimensões e tamanhos, conformando o sistema principal e o sistema paralelo.

A vantagem deste sistema é apresentar o trocador de calor (tube-in-tube) (10) externo ao separador de líquido (7), possibilitando a troca de calor entre o refrigerante líquido que eventualmente se acumula no separador de líquido (7) e que recircula pelo trocador de calor (10), por gravidade (termo-sifão), e o gás quente descarregado pelo compressor (8). A grande diferença entre a temperatura do líquido e do gás quente garante rápida evaporação do líquido, fora do cárter do compressor (8), sem prejudicar sua lubrificação.

Garantindo o bom funcionamento do sistema, é utilizado o tubo capilar (11), também aquecido pela tubulação de gás quente, único caminho para o líquido acumulado no separador de líquido (7) chegar ao tubo de sucção do compressor (8) e, conseqüentemente, ao próprio compressor (8). Enquanto houver refrigerante líquido no trocador de calor (10), ele evaporará imediatamente ao entrar no tubo capilar (11) e as bolhas formadas por sua evaporação o obstruirão impedindo a passagem de refrigerante líquido. Somente depois de evaporado todo o refrigerante líquido, quando só existir óleo puro no trocador de calor (10), este óleo conseguirá fluir através do tubo capilar (11) e finalmente chegar ao cárter do compressor (8). O gás quente, do trocador de calor (10) flui para o condensador (9).

O sistema não superaquece os vapores em baixa pressão, já que o trocador de calor (10) se situa externamente ao separador de líquido

(7). Também não acresce carga térmica ao compressor (8), uma vez que o calor que o refrigerante líquido recebe no trocador de calor (10) é o mesmo que ele receberia misturando-se com o óleo dentro do cárter do compressor

(8), sem, no entanto, provocar formação de espuma no óleo e sem prejudicar a lubrificação.

O objeto da presente patente, ilustrado em uma de suas formas de realização preferidas, poderá ser convenientemente modificado, com a substituição de algum de seus elementos ou alteração em seu formato, exercendo a mesma função e sem alterar o âmbito de sua proteção.

Claims

1."SISTEMA DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO REFRIGERANTE LÍQUIDO COM TROCADOR DE CALOR EXTERNO ALIMENTADO POR GRAVIDADE (TERMO-SIFÃO) E CONTROLE DE FLUXO POR TUBO CAPILAR AQUECIDO E TROCADOR DE CALOR", caracterizado por compreender duas fases interligadas, permitindo a recirculação dos fluidos a serem separados, sendo a primeira subdividida em 06 (seis) subfases (A.1 a A.6), sendo (A.1) subfase de início, (A.2) subfase de expansão, (A.3) subfase de evaporação, (A.4) subfase de retenção de líquido e óleo, (A.5) subfase de compressão, (A.6) subfase de condensação; a segunda fase compreende um sistema paralelo subdividido em 03 (três) subfases (B1 a B3), sendo (B.1) subfase de aquecimento, (B.2) subfase de evaporação e (B.3) subfase de troca de calor.

2. "SISTEMA DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO REFRIGERANTE LÍQUIDO COM TROCADOR DE CALOR EXTERNO ALIMENTADO POR GRAVIDADE (TERMO-SIFÃO) E CONTROLE DE FLUXO POR TUBO CAPILAR AQUECIDO E TROCADOR DE CALOR", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender a primeira fase do sistema as subfases (A.1 a A.6), em que: - subfase (A1) inicia o processo em que o fluido frigorígeno em estado líquido retido no tanque de líquido (1), em alta pressão, flui, por diferença de pressão, para a válvula de expansão termostática (4), passando antes pelo filtro secador (2) e pelo visor de líquido (3); - subfase (A2) realiza a expansão do líquido, que ao passar pela válvula de expansão termostática (4) sofre uma queda brusca de pressão e com ela uma brusca queda de temperatura do fluido, sendo que parte do fluido se evapora instantaneamente, retirando, para isso, calor de toda a massa, o que causa a queda instantânea de temperatura; - subfase (A3) realiza a evaporação do líquido, em que a mistura de fluido refrigerante líquido e vapor que flui através do evaporador (5) recebe calor de qualquer outro fluido com temperatura superior à sua, resfriando-o e, ao final do evaporador (5) todo o fluido refrigerante deverá ter se evaporado para que o compressor aspire apenas vapor, em que controle é feito pela válvula de expansão termostática (4), cujo sensor (bulbo) (6) percebe a presença de refrigerante líquido e fecha o orifício de passagem, modulando-o de acordo com a temperatura do refrigerante no final do evaporador (5); - na subfase (A4), do evaporador (5) o fluido é dirigido para o compressor (8), passando antes pelo separador de líquido (7) que tem a finalidade de proteger o compressor (8) contra eventuais retornos de refrigerante líquido, causados por falhas da válvula de expansão termostática (4) ou por outros motivos, tais como, aquecimento repentino do evaporador (5), degelo a gás quente; - subfase (A5) realiza a compressão do líquido, em que, no compressor (8), o fluido refrigerante no estado de vapor é comprimido e atinge a alta pressão, igual à pressão do refrigerante líquido do início da subfase (A1), sendo que o óleo de lubrificação do compressor mistura-se com o vapor de refrigerante comprimido e passa a fluir juntamente com o refrigerante; - subfase (A6) realiza a condensação do vapor, que em alta pressão e em alta temperatura será condensado, por exemplo, a 45° C, trocando calor no condensador (9) com o ar ambiente a 35° C. Do condensador (9) o refrigerante líquido flui para o tanque de líquido (1), fechando o ciclo.

3. "SISTEMA DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO REFRIGERANTE LÍQUIDO COM TROCADOR DE CALOR EXTERNO ALIMENTADO POR GRAVIDADE (TERMO-SIFÃO) E CONTROLE DE FLUXO POR TUBO CAPILAR AQUECIDO E TROCADOR DE CALOR", de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por compreender a segunda fase do sistema um sistema paralelo subdividido em três subfases (B1 a B3) , em que: - subfase (B1) realiza o aquecimento do óleo, que acumulado no separador de líquido (7) passará pelo tubo capilar (11) que é aquecido pela linha de gás quente, e se houver refrigerante líquido misturado ao óleo, este será imediatamente evaporado e as bolhas de vapor obstruirão o tubo capilar (11), impedindo o fluxo tanto de óleo quanto de refrigerante líquido; - subfase (B3) realiza a evaporação do refrigerante líquido acumulado no separador de líquido (7) e óleo, cujo fluxo se restringirá à recirculação por gravidade (termo-sifão) entre o separador de líquido (7) e o trocador de calor (10), até que todo o refrigerante líquido se evapore, sendo que o óleo e o refrigerante passam pelo trocador de calor (10) externo ao separador de líquido (5), onde o refrigerante líquido é evaporado ao receber calor do gás quente descarregado pelo compressor (8), e somente o óleo aquecido retornará ao cárter do compressor (8); - subfase (B3), o óleo puro e aquecido fluirá através do tubo capilar (11) para o tubo de sucção do compressor (8), quando não houver mais refrigerante líquido misturado ao óleo e, conseqüentemente, não houver mais bolhas de vapor onde a velocidade dos vapores de fluido refrigerante será suficiente para arrastá-lo para o cárter do compressor (8), o fluxo de óleo só será liberado quando não houver mais refrigerante líquido misturado a ele, sendo que o próprio refrigerante líquido impede o fluxo através do tubo capilar (11), que é o único caminho para o fluxo de líquido para o compressor (8), óleo ou refrigerante, desde que o separador de líquido (7) seja corretamente dimensionado de acordo com o deslocamento volumétrico do compressor (8) e com a carga de fluido refrigerante do equipamento, a diferença de temperatura entre o gás quente e o líquido em baixa pressão no trocador de calor (10) permite a evaporação de todo o refrigerante líquido acumulado no separador de líquido (7), o que desobstrui o tubo capilar (11) para que o fluxo de óleo para o cárter do compressor (8) volte à sua normalidade.

4. "SISTEMA DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO REFRIGERANTE LÍQUIDO COM TROCADOR DE CALOR EXTERNO ALIMENTADO POR GRAVIDADE (TERMO-SIFÃO) E CONTROLE DE FLUXO POR TUBO CAPILAR AQUECIDO E TROCADOR DE CALOR", de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por apresentar o trocador de calor (tube-in-tube) (10) externo ao separador de líquido (7), permitindo a troca de calor entre o refrigerante líquido que eventualmente se acumula no separador de líquido (7) e que recircula pelo trocador de calor (10), por gravidade (termo-sifão), e o gás quente descarregado pelo compressor (8).

5. "SISTEMA DE SEPARAÇÃO DE FLUIDO REFRIGERANTE LÍQUIDO COM TROCADOR DE CALOR EXTERNO ALIMENTADO POR GRAVIDADE (TERMO-SIFÃO) E CONTROLE DE FLUXO POR TUBO CAPILAR AQUECIDO E TROCADOR DE CALOR", de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizado por dispor de tubos de metal (12), preferencialmente cobre, de várias dimensões e tamanhos, conformando o sistema principal e o sistema paralelo.