Análise experimental e teórica da formação de espuma em misturas óleo-refrigerante

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014.Na maioria dos sistemas de refrigeração por compressão de vapor, principalmente onde o controle da capacidade é efetuado pela ciclagem do compressor hermético, óleo lubrificante é necessário no compressor. Durante os períodos de repouso, refrigerante proveniente das partes de alta pressão é absorvido pelo óleo do cárter. Com a partida do motor elétrico e a rápida despressurização do ambiente interno do compressor, a mistura óleo-refrigerante no cárter se torna super-saturada, o que ocasiona o desprendimento do refrigerante por cavitação e a formação de espuma. A entrada de líquido da espuma na câmara de compressão deve ser evitada para não por em risco a integridade do sistema de válvulas e minimizar o transporte indesejável de óleo do cárter para os outros componentes do ciclo. Nesta dissertação é realizada uma avaliação experimental do desprendimento de refrigerante levando à formação de espuma em misturas de óleo poliol éster ISO 10 e refrigerantes 134a e 1234yf sob condições controladas. Uma bancada experimental foi projetada e construída para permitir a medição da taxa de despressurização, altura da camada de espuma e fluxo de massa resultante da expansão do gás e da dessorção do refrigerante a partir da mistura super-saturada. Dados quantitativos subsidiados por sequências de imagens a alta velocidade permitiram a identificação dos principais mecanismos físicos associados a esse problema. Os resultados experimentais foram explorados em função das condições dos testes (temperatura e fração mássica inicial), mostrando que existem dois regimes característicos para esse fenômeno: uma etapa de crescimento seguida de uma etapa de drenagem, e que a altura da camada de espuma é inversamente proporcional à temperatura. Um modelo matemático integral foi proposto e validado a partir de dados experimentais, apresentando boa concordância (desvios inferiores a 20 %) quando os parâmetros empíricos foram ajustados especificamente para cada condição experimental.Abstract : In most vapor compression refrigeration systems, specially those in which the cooling capacity is controlled by the cycling of the hermetic compressor, lubricating oil is necessary in the compressor. While the compressor is off, refrigerant coming from high-pressure parts is absorbed by the oil present in the sump. As the electric motor starts up, the crankcase pressure rapidly decreases, and the oil-refrigerant mixture in the sump becomes supersaturated, which causes refrigerant desorption, bubble cavitation and foam formation. The inflow of liquid from the foam into the compression chamber must be avoided to preserve the integrity of valve system and minimize the undesirable transport of oil from the sump to other parts of the system. In this study, an experimental evaluation of refrigerant desorption and foam formation in mixtures of polyol ester oil and refrigerants 134a and 1234yf under controlled conditions is carried out. An experimental facility was designed and built to allow measurement of depressurization rate, foam height and mass flux due to gas expansion and refrigerant desorption from the supersaturated mixture. Quantitative data, together with high-speed video analysis, allowed identification of the main physical mechanisms associated to this problem. Experimental results as a function of time were explored relative to test conditions (temperature and initial mass fraction), showing that there are two characteristic regimes for this phenomenon: a growth stage followed by a drainage stage, and that foam height is inversely proportional to temperature. An integral mathematical model was proposed and validated with experimental data, showing good agreement (deviations smaller than 20 %) when the empirical parameters were adjusted specifically for each experimental condition