Sistemas com degelo a gás quente precisam usar compressores projetados para este tipo de operação

Este artigo apresenta os fenômenos que ocorrem durante o degelo a gás quente (Hot Gas Defrost) e os requisitos para o projeto do compressor. Esta descrição é importante para entender que compressores projetados para operação em gás quente possuem características especiais e maior robustez de componentes para suportar tal condição. Desta forma, ao selecionar um compressor para aplicações com esse sistema de degelo, sempre verifique se o modelo do compressor foi projetado considerando tais condições.

Degelo a gás quente no circuito de refrigeração

Nos aparelhos de refrigeração convencionais, o evaporador é o componente responsável por resfriar o ar do gabinete. Durante o processo, a umidade do ar, que condensa na superfície do evaporador, pode eventualmente congelar, reduzindo a eficiência de troca de calor. Em outros aparelhos, como máquinas de gelo, durante o período de resfriamento, o evaporador precisa estar em contato direto com a água para produzir os cubos de gelo. Em ambos os casos, o gelo deve ser removido da superfície do evaporador, seja para melhorar sua eficiência ou para coleta de cubos de gelo.

O método de degelo por gás quente é o comumente utilizado em aparelhos comerciais, como máquinas de gelo, freezers comerciais, unidades seladas e em alguns equipamentos médicos. Este método utiliza o gás da descarga do compressor, que está em alta temperatura e pressão, para derreter o gelo. O principal benefício do degelo por gás quente é derreter o gelo da superfície do evaporador para fora de forma rápida, com menor irradiação de calor para o gabinete. Para possibilitar este método, um desvio é adicionado (chamado de linha de gás quente, desvio de gás quente ou bypass de gás quente), para criar um atalho entre a descarga do compressor e a entrada do evaporador.

Durante o período de resfriamento, o bypass de gás quente é desenergizado (válvula fechada) e a operação do sistema é semelhante a um circuito de resfriamento padrão. Para realizar o degelo, o bypass é energizado para que a válvula, em geral do tipo solenoide, abra. A operação pode ocorrer com o compressor funcionando ou desligado, dependendo da configuração do aparelho. Depois que a válvula é aberta, a maior parte do gás de descarga do compressor, que está em alta temperatura e pressão, fluirá pelo bypass de gás quente, devido à menor restrição em comparação ao escoamento pelo condensador e dispositivo de expansão (tubo capilar ou válvula de expansão).

Da linha de gás quente, ele flui para o evaporador onde condensa e rejeita calor para a tubulação do evaporador, realizando o degelo. Durante quase todo o período do degelo por gás quente, a condição de saída do evaporador será uma mistura de refrigerante líquido e vapor. Finalmente, a mistura de gás-líquido refrigerante é empurrada do evaporador para o compressor e aquecida por seus componentes. Durante este ciclo, o refrigerante continua a circular na seguinte sequência: compressor, bypass de gás quente, evaporador e compressor. Em um dado momento, o degelo por gás quente é encerrado por um sensor de temperatura ou outro meio e a válvula solenoide é fechada. Antes que o ciclo de resfriamento seja iniciado novamente, pode ser aplicado um tempo de gotejamento da água de degelo.

Operação do compressor durante o degelo a gás quente

No início do processo do degelo por gás quente, a válvula solenoide é aberta e a alta vazão empurra o refrigerante líquido acumulado no evaporador para o compressor. A quantidade de líquido que chega ao tubo de sucção do compressor depende das características da aplicação. Quando o refrigerante líquido atinge o compressor, ele pode: (i) evaporar ao entrar em contato com elementos quentes, (ii) entrar no filtro acústico de sucção (muffler) ou (iii) acumular na carcaça do compressor. Cada um desses “caminhos de líquidos” pode ocorrer em paralelo e afetar os componentes do compressor de diferentes maneiras, exigindo diferentes soluções.

Se o líquido entrar no filtro acústico de sucção e atingir a câmara de compressão, a carga aumentará significativamente para o motor do compressor. Além do retorno do líquido, as altas pressões de evaporação durante o degelo a gás quente também aumentarão a carga em outros componentes. Devido a essas cargas, os compressores que operam em sistemas com degelo a gás quente necessitam de maior robustez. Requisitos especiais devem ser levados em conta para mancais, válvulas, cabeçote e filtro acústico de sucção de modo a considerar essas cargas.

Filtro acústico de sucção

O líquido que entra no compressor deve passar pelo filtro acústico de sucção de modo a atingir a câmara de compressão. Quando certa quantidade de líquido (óleo ou refrigerante) é comprimida, podem ocorrer picos de carga conhecidos como “golpe de líquido”. Para reduzir a probabilidade de ocorrência destes “golpes de líquido”, o caminho de sucção do compressor pode ser projetado de tal forma que proporcione uma separação eficaz e segura de vapor e líquido.

Isso é feito, por exemplo, quando o conector do tubo de sucção na carcaça do compressor, a entrada de gás do filtro acústico de sucção de gás e a unidade de bombeamento estão localizados em lados opostos da carcaça do compressor (sucção indireta). No entanto, este conceito reduz a eficiência do compressor, uma vez que o gás de sucção é superaquecido dentro da carcaça. Nos compressores de alta eficiência, o filtro acústico de sucção é projetado para reduzir o superaquecimento do refrigerante, que exige um caminho mais direto para chegar à câmara de compressão (sucção semidireta e direta). Para o filtro acústico de sucção direta, em que o caminho do refrigerante é “limitado” por um conector, a probabilidade de “golpe de líquido” aumenta. Neste caso, sugere-se utilizar um separador de gás/líquido adequado, após a saída do evaporador para evitar que o líquido atinja o tubo de sucção do compressor.

Válvulas

Mesmo durante o degelo a gás quente, se o projeto da linha de sucção e do filtro acústico considerar essa condição, apenas uma fração do líquido deverá conseguir atingir a câmara de compressão. No entanto, quando este líquido é comprimido, leva a picos de pressão extremos dentro da câmara do cilindro e impõe uma carga adicional nas válvulas e no kit mecânico. A compressão de uma determinada quantidade de líquido (refrigerante ou óleo) pode causar danos à válvula, como uma deformação permanente, que pode resultar em quebra quando o limite à fadiga for atingido.

Outra possibilidade é a quebra direta de outros componentes mecânicos com maior quantidade de líquido. Além do retorno de líquido, as condições de degelo a gás quente geralmente implicam que o compressor precisa funcionar fora do envelope de operação aprovado, com temperaturas de evaporação mais altas e condensação mais baixas do que aquelas que são caracterizadas no envelope. Isso pode estressar o sistema de válvulas (principalmente os modelos LBP). Pelas razões expostas acima, em compressores que usam degelo a gás quente , o sistema de válvulas deve ser robusto o suficiente para aguentar operação fora da envelope, bem como as cargas adicionais impostas pela eventual compressão de gotículas de líquido.

Mancais

O refrigerante líquido, que retorna ao compressor, será misturado com o óleo do compressor, que reduzirá suas propriedades lubrificantes. Enquanto é bombeado através dos mancais, a pressão do óleo é reduzida e a mistura é aquecida por superfícies quentes e fricção, que promovem a evaporação do refrigerante líquido, resultando em um fluxo bifásico que pode levar à cavitação nos mancais. A cavitação reduzirá a capacidade de carga dos mancais, o que pode levar ao desgaste. Portanto, os compressores aprovados para degelo a gás quente possuem requisitos especiais para os mancais. A quantidade de óleo, viscosidade e capacidade de carga dos mancais são algumas das variáveis de projeto que visam garantir uma operação robusta durante o degelo a gás quente .

Design do sistema de refrigeração

Além do projeto do próprio compressor, o projeto do refrigerador também pode contribuir para a robustez durante a operação durante degelo a gás quente . Isso requer um projeto que minimize o retorno do líquido ao compressor. Os componentes que mais influenciam são o separador líquido-vapor, a carga de refrigerante, o acumulador, o comprimento e a orientação do tubo de sucção, o evaporador, a restrição de fluxo de bypass de gás quente e o algoritmo de controle da válvula solenoide e compressor.

Por Daniel Hense, pesquisador sênior da área de Pesquisa e Desenvolvimento da Nidec Global Appliance (detentora da marca Embraco)