Compressores – Parte 1
Na refrigeração são utilizados praticamente todos os tipos
de compressores:
Deslocamento
positivo
Alternativos
Parafuso
Scroll
Rotativos
Pistão Rolante
Palhetas
Dinâmicos
Centrífugos
1
(c)
(a)
(b)
(d)
(e)
2
1
Os compressores de deslocamento positivo aumentam a pressão do
vapor do refrigerante através da redução do volume da câmara de
compressão através da aplicação de trabalho mecânico no mecanismo
de compressão. Exemplos desses compressores são os alternativos, os
rotativos (parafuso, scroll, pistão rolante e palhetas).
Os compressores dinâmicos aumentam a pressão do vapor do
refrigerante através da transferência contínua de momento angular
pelas pás do rotor, acelerando o refrigerante, seguido de uma
conversão desse momento em um aumento de pressão, isso é, a
conversão da energia cinética em energia de pressão. Os
compressores centrífugos são exemplos de compressores dinâmicos.
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O desempenho dos compressores é o resultado de diversos
compromissos de projeto envolvendo desde as limitações físicas do
refrigerante, do compressor e do motor, buscando sempre atender as
seguintes condições:
Aumento da expectativa de vida do equipamento;
Obter o maior efeito de refrigeração para um menor consumo de
potência;
Diminuição do custo do equipamento;
Grande faixa de operação;
Níveis de vibração e ruído aceitáveis.
4
2
Os compressores alternativos baseiam-se no movimento de um
pistão dentro de um cilindro. Quando o pistão desloca-se do ponto
morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI), o vapor
entra no cilindro através de uma válvula de sucção, que se abre
automaticamente pela diferença de pressão. Nesse deslocamento, o
volume do cilindro é quase que totalmente preenchido pelo vapor do
refrigerante.
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Nesse momento a válvula de sucção encontra-se fechada pela ação de
uma mola e a pressão no interior do cilindro aumenta pela diminuição
do volume do cilindro. Esse processo continua até que a pressão no
interior do cilindro consiga vencer a pressão da mola da válvula de
descarga, próxima da pressão de condensação. Nesse processo, parte
do vapor permanece dentro do cilindro, na pressão de descarga, uma
vez que o pistão não consegue varrer todo o volume do cilindro.
6
3
Os compressores alternativos ainda podem ser subdivididos em três
categorias: compressor hermético, semi-hermético e aberto.
No compressor hermético, representado na Fig. 4.4, o sistema de
compressão é interligado ao motor elétrico de tal forma que permite o
compartilhamento de componentes dos sistemas elétrico e mecânico.
7
Neste caso, todos os componentes são vedados do ambiente externo
por uma carcaça de aço sem a possibilidade de uma eventual
manutenção. O vapor do refrigerante, proveniente do evaporador, é
aspirado pelo compressor, entrando em sua carcaça. Esse processo
serve para resfriar o motor do compressor. Somente depois de entrar
na carcaça do compressor o vapor é aspirado pela câmara de
compressão. Nesses compressores o processo de compressão é
realizado, geralmente, por um êmbolo no lugar do pistão. Durante o
processo de resfriamento, o vapor do refrigerante aumenta sua
temperatura, superaquecendo, o que é uma desvantagem desse
equipamento. No entanto, suas vantagens são:
Menor ruído;
Ausência de vazamentos.
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4
Como desvantagens principais podem-se citar:
Perda de eficiência devido ao aquecimento do gás pelo
enrolamento do motor (superaquecimento);
Contaminação do sistema pelos resíduos após queima do motor;
Difícil manutenção e reparação;
Não permitem o controle de capacidade;
Não podem ser utilizados com amônia;
Capacidades reduzidas;
Apresentam problemas sérios com a umidade do sistema.
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No compressor semi-hermético, apesar de também compartilhar a
mesma carcaça com o motor elétrico, existem acessos que permitem
reparos de seus componentes internos. As capacidades de
refrigeração desse compressor são mais elevadas do que as dos
compressores semi-herméticos. Na Fig. 4.5 é apresentado um detalhe
desse compressor.
10
5
No compressor aberto não existe nenhuma interligação entre as carcaças do
sistema mecânico e a do acionador, com exceção do eixo, que pode ser um motor
elétrico, uma turbina ou um motor de combustão, caso comum em sistemas de
transporte de produtos resfriados. Este é o compressor mais utilizado na
refrigeração industrial pela sua facilidade de reparo e por ser um equipamento mais
robusto e de maiores capacidades com relação aos demais. Um detalhe desse
compressor é apresentado na Fig. 4.6.
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O compressor de pistão rolante, representado na Fig. 4.7, possui apenas uma
palheta, atuada por uma mola, que divide as câmaras de sucção e descarga. O eixo
de rotação (O) é excêntrico ao eixo do rotor (O’), mas coincide com o eixo do
cilindro. A selagem entre as regiões de alta e baixa pressão deve ser realizada na
linha de contato entre a pá e o rotor e entre a pá e a sua ranhura. Portanto, elevadas
tolerâncias devem ser mantidas para evitar folgas nesses locais. Como pode ser
visto nessa figura, o compressor apresenta apenas uma válvula, a de descarga.
12
6
Enquanto a descarga acontece, o volume na sucção é preenchido pelo vapor
proveniente do evaporador. O efeito do pequeno volume de vapor residual existente
na porta de descarga é diferente do que acontece na sucção do compressor
alternativo. No compressor de pistão rolante, o volume na sucção já está
completamente preenchido de vapor durante o final da descarga e o volume residual
presente na descarga mistura-se com o vapor que está sendo comprimido.
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Como características principais em relação aos outros compressores, apresenta
menor número de partes móveis (aproximadamente a metade de componentes que o
compressor alternativo), é compacto e leve. As peças deslizantes devem apresentar
grande resistência ao desgaste. O processo completo de sucção e compressão é
representado na Fig. 4.9.
14
7
No compressor de palhetas deslizantes, representado na Fig. 4.10, a selagem
entre as regiões de alta e baixa pressão ocorre nas linhas de contato entre as pás e o
cilindro e entre as pás e as ranhuras. Pelo fato de apresentar múltiplas palhetas,
forma múltiplas câmaras de compressão onde cada uma representa uma fração da
diferença de pressão total do compressor. Não há necessidade de que o rotor tenha
contato com o cilindro, mas as folgas radiais devem ser reduzidas ao mínimo para
que o vapor comprimido não penetre no lado de sucção.
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Ao contrário do que acontece no compressor de pistão rolante, não há necessidade
de molas para comprimir as palhetas contra o cilindro, pois operando com altas
velocidades as palhetas são arremessadas pela ação da força centrífuga para fora.
Esse compressor não necessidade de válvulas de sucção ou descarga, pois a entrada
e saída do vapor são controladas por arranjos geométricos. Além disso, quando o
compressor está parado, as pás não são arremessadas para o cilindro e o vapor pode
escoar da região de alta pressão para a de baixa pressão. Essa equalização de
pressão no rotor é útil, pois podem ser utilizados motores de baixo torque de
partida.
16
8
Por outro lado poderá haver retorno de vapor comprimido (quente) para o
evaporador, o que não é conveniente. Para evitar isso, pode-se instalar uma válvula
de retenção na descarga do compressor. Nesse compressor, o eixo de rotação (O)
coincide com o eixo do rotor, mas é excêntrico em relação ao eixo do cilindro (O’).
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O compressor scroll, representado na Fig. 4.11, é o compressor de projeto mais
recente. Possui duais espirais sendo uma fixa e outra móvel, acionada por um eixo
excêntrico. As principais características desse compressor são:
Ausência de válvulas de sucção e descarga;
Baixo ruído e vibração;
Alta eficiência (não possui espaço nocivo);
Compacto e leve;
Alta confiabilidade.
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9
O processo de compressão do compressor scroll é representado na Fig. 4.12. Nesse
processo, o refrigerante é comprimido pela interação entre uma espiral móvel e uma
fixa. O refrigerante entra através de uma das aberturas externas. Na continuação do
giro da espiral móvel a abertura externa é fechada e, com o seu movimento, o
refrigerante é comprimido através da redução de seu volume. A condição de
descarga é atingida quando o refrigerante atinge a região central do compressor.
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O compressor de parafuso, apresentado esquematicamente na Fig. 4.13, consiste
de dois rotores, um macho e um fêmea, montados em rolamentos para fixar sua
posição dentro de uma carcaça, com elevadas tolerâncias.
20
10
O formato dos rotores é helicoidal, com diferentes números de lóbulos tanto do
rotor macho quanto no rotor fêmea, conforme representação da Fig. 4.14.
21
O motor de acionamento é geralmente conectado ao rotor macho, acionando o rotor
fêmea através de um filme de óleo lubrificante. Para aplicações de baixa e média
pressão, como na refrigeração industrial, o rotor macho possui quatro a cinco
lóbulos enquanto o rotor fêmea possui seis ou sete lóbulos. Como características
principais desse compressor, citam-se:
Alta eficiência volumétrica, pois não há espaço nocivo;
Baixa temperatura de descarga (entre 60 a 80 °C), obtida através da injeção de
óleo na câmara de compressão;
Menor número de componentes;
Ausência de válvulas de sucção e descarga;
Baixo ruído;
Menor vibração.
22
11
Os diâmetros de rotores mais comuns são: 125, 160, 200, 250 e 320 mm.
Geralmente são oferecidos dois ou três comprimentos para cada diâmetro de rotor,
com relações da ordem de 1.12 a 1.70. Qualquer um dos rotores pode ser
impulsionado pelo motor. Quando o rotor fêmea é acoplado ao motor, com uma
relação entre os lóbulos de 4:6, a velocidade é 50% maior que o acoplamento feito
no rotor macho, aumentando a capacidade do compressor. Isso no entanto aumenta
a força de carregamento nos rotores na região de transferência do torque, podendo
diminuir a vida útil dos rotores.
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O processo de compressão é dividido em três etapas: sucção, compressão e
descarga. O vapor é aspirado pela parte superior e entra na folga entre os dois
rotores (porta de aspiração) sendo conduzido, então, axialmente no espaço entre os
dois rotores, até a porta de descarga, situada na parte inferior do compressor.
Esses três processos estão representados na Fig. 4.15.
Figura 4.15. Processos de (a) sucção, (b) compressão e (c) descarga em um
compressor parafuso.
24
12
Quando os rotores desengrenam, o lóbulo do rotor macho sai da ranhura do rotor
fêmea. O volume liberado pelo rotor macho é preenchido com vapor do refrigerante
proveniente da sucção. À medida que o desengrenamento prossegue, o volume em
cada ranhura irá aumentar. A Fig. 4.16 (a) mostra uma vista de topo da extremidade
de sucção que mostra os rotores desengrenando, permitindo a entrada do vapor e a
Fig. 4.16 (b) mostra uma vista lateral do compressor na mesma situação.
Figura 4.16. Posição da entrada de vapor em um compressor parafuso.
25
À medida que os rotores giram, há novamente o encaixe entre os dois rotores e o
vapor deixa a região de entrada, finalizando o processo de sucção, como mostrado
nas Fig. 4.17 (a e b). Esse volume preso no início do processo é chamado de
volume na sucção, Vs.
Figura 4.17. Final do processo de sucção em um compressor parafuso.
26
13
Quando o lóbulo do rotor macho entra na ranhura do rotor fêmea, na parte inferior
do compressor, o volume de vapor preso nesse espaço começa a ser comprimido.
Os dois volumes separados em cada rotor juntam-se, formando um “V” na
intersecção dos dois parafusos, tal como representado nas Fig. 4.18 (a e b).
Figura 4.18. Início do processo de compressão em um compressor parafuso.
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A partir desse momento, com a continuidade da rotação dos rotores, o volume preso
começa a reduzir, aumentando sua pressão, tal como representado nas Fig. 4.19 (a e
b).
Figura 4.19. Final do processo de compressão em um compressor parafuso.
28
14
Em um compressor alternativo, a descarga inicia com a abertura da válvula de
descarga. Para que isso aconteça, a pressão no cilindro deve ser maior que a pressão
acima da válvula. Como o compressor parafuso não possui válvulas, apenas a
posição da porta de descarga determina quando a descarga finaliza, conforme
representação da Fig. 4.20 (a e b). Ainda em relação à Fig. 4.19 (b), o volume de
vapor remanescente, preso no espaço formado pela junção em “V” dos dois rotores
no final da compressão, é chamado de volume na descarga, Vd.
Figura 4.20. Processo de descarga em um compressor parafuso.
29
4.5.1 Relação entre volumes internos
Como esse compressor não possui válvulas de descarga, a localização da porta de
descarga determina a máxima pressão de descarga que será atingida antes do vapor
comprimido ser empurrado para a tubulação de descarga.
Com essa ideia, define-se um parâmetro chamado de relação entre volumes
internos, Vi, que é uma característica de projeto dos compressores tipo parafuso,
uma vez que esse compressor é essencialmente um dispositivo de redução de
volume.
Assim, relação entre volumes internos é a razão entre o volume preso na sucção,
Vs, e o volume de vapor preso remanescente na câmara de compressão quando a
porta de descarga abre, Vd, conforme a Eq. 4.1 e Fig. 4.21.
Vi =
Vs
Vd
30
15
A relação entre volumes internos, Vi, determina a relação entre as pressões internas
do compressor, Pi, e a relação entre esses dois termos pode ser aproximada
conforme a Eq. 4.2.
Pi = Vi k
onde k é a relação entre os calores específicos do vapor sendo comprimido e Pi é
dado pela Eq. 4.3.
Pi =
Pd
Ps
onde Pd é a pressão interna de descarga e Ps é a pressão interna de sucção.
31
Relação entre pressões para compressão isentrópica de alguns refrigerantes.
Vi
2,6
3,6
5,0
R717
Pi
3,5
5,3
8,0
R22
Pi
3,1
4,4
6,4
32
16
O nível da pressão interna no volume de vapor preso antes da abertura da porta de
descarga é determinado com a pressão de sucção e com a relação entre volumes
internos. No entanto, em qualquer sistema, as pressões de sucção e descarga são
determinadas pela necessidade do processo e não pelo compressor.
Se a relação entre volumes internos do compressor for muito elevada para uma
dada condição de operação, o vapor na descarga permanecerá excessivamente preso
no espaço de compressão e sua pressão de descarga interna subirá acima da pressão
da tubulação de descarga. Esse efeito é chamado de sobre pressão e é representado
no diagrama pressão vs. volume da Fig. 4.22.
Figura 4.22. Efeito da sobre pressão no
final da descarga do compressor
parafuso.
33
O nível da pressão interna no volume de vapor preso antes da abertura da porta de
descarga é determinado com a pressão de sucção e com a relação entre volumes
internos. No entanto, em qualquer sistema, as pressões de sucção e descarga são
determinadas pela necessidade do processo e não pelo compressor.
Se a relação entre volumes internos do compressor for muito elevada para uma
dada condição de operação, o vapor na descarga permanecerá excessivamente preso
no espaço de compressão e sua pressão de descarga interna subirá acima da pressão
da tubulação de descarga. Esse efeito é chamado de sobre pressão e é representado
no diagrama pressão vs. volume da Fig. 4.22.
Nessa situação, o vapor é comprimido
além da pressão de descarga e, quando a
porta de descarga abre, acontece uma
expansão brusca desse vapor na linha de
descarga. Assim, há um consumo de
energia desnecessário se comparado com o
caso no qual a pressão interna fosse igual à
pressão de descarga.
Figura 4.22. Efeito da sobre pressão no
final da descarga do compressor parafuso.
34
17
Quando a relação entre volumes internos do compressor for muito baixa para as
condições de operação do sistema, acontece o efeito chamado de sob pressão,
representado na Fig. 4.23. Nessa situação, a abertura da porta de descarga acontece
antes que a pressão interna de descarga do volume de vapor preso tenha alcançado
o nível de pressão de descarga do sistema. A maior pressão na linha de descarga
cria um fluxo reverso de vapor para dentro do compressor. O compressor tem então
que bombear esse vapor contra a pressão do sistema, consumindo mais energia.
Em ambos os casos o compressor opera normalmente e o mesmo volume de vapor
será movimentado, mas sempre utilizando um consumo de energia adicional que
seria desnecessário caso a porta de descarga estivesse perfeitamente localizada para
atender as condições de pressão do sistema.
Figura 4.23. Efeito da sob pressão no
final da descarga do compressor
parafuso.
35
4.5.2 Controle de capacidade
O controle de capacidade é utilizado em compressores parafusos para variar a
quantidade de vapor comprimido, fazendo um balanço entre a capacidade do
compressor e a capacidade de refrigeração necessária para o sistema, em função de
variações de carga térmica. As formas de controle de capacidade mais utilizadas
são:
Válvula de deslizamento (slide valve) controlando a porta de descarga;
Válvula de deslizamento controlando a porta de descarga e a relação entre
volumes internos;
Motor com velocidade variável.
36
18
A válvula de deslizamento é o dispositivo mais comum utilizado para o controle de
capacidade. Oferece um controle para ajuste da capacidade de forma contínua,
geralmente entre 10 e 100%. Está posicionada na parte inferior dos parafusos, entre
eles e a carcaça, sendo acionada hidraulicamente, conforme esquema apresentado
na Fig. 4.24 (a e b).
Figura 4.24. Válvula de deslizamento
(slide valve) de um compressor
parafuso para controle de sua
capacidade.
37
Essa válvula abre uma passagem para a recirculação de parte do vapor situado na
região onde deveria iniciar o processo de compressão, de volta para a extremidade
de sucção (Fig. 4.24 (c)). É um método bastante efetivo para operações em carga
parcial uma vez que, quando a válvula se desloca da sua posição axial, a porta de
descarga radial também se move. Como o volume na sucção diminui, a abertura da
porta de descarga é atrasada, mantendo aproximadamente a mesma relação entre
volumes internos em cargas parciais como em plena carga, tal como mostrado na
Fig. 4.25.
Figura 4.25. Posição da válvula
de deslizamento (slide valve)
em um compressor operando
em carga parcial.
38
19
Acionamento do motor do compressor com velocidade variável é outra forma de
controle da capacidade, geralmente obtido com o uso de um inversor. A potência do
compressor não diminui linearmente com a redução da velocidade mais sim é
função da velocidade na extremidade do rotor e da relação entre as pressões de
operação.
Em geral, a eficiência de um compressor operando em carga parcial e baixa relação
de pressão é boa mas operando com elevada relação de compressão é melhor ainda,
quando operando com baixas rotações e em comparação com o controle via válvula
de deslizamento.
No entanto, com o uso do inversor, a diminuição de eficiência do conjunto motorinversor operando em baixas rotações é significativa. Assim, se o compressor
operar na maior parte do tempo em plena carga, o uso do inversor e o custo que isso
representa, talvez não seja a melhor solução.
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Rendimento de compressão adiabática
Em compressores alternativos, a eficiência de compressão é significativamente
afetada pela temperatura de vaporização. Nos compressores parafuso, a eficiência
depende da razão entre volumes do compressor e da relação entre pressões.
Sob-pressão
Sobre-pressão
Outro aspecto é a redução de eficiência resultante da compressão até pressões
inferiores ou superiores àquela na região de saída. Esta explicação é encontrada
nos conceitos de expansão não resistida, da Termodinâmica.
40
20
4.5.3 Separação e resfriamento do óleo
A maioria dos compressores parafuso usados atualmente usa a injeção de óleo da
região de compressão para lubrificação, vedação entre os parafusos durante a
compressão e resfriamento. A quantidade de óleo injetado pode variar entre 38 a 75
L/min por cada 75 kW de potencia do compressor. Dessa forma, a maior parte do
calor resultante do processo de compressão é transferido para o óleo, fazendo com
que a temperatura de descarga seja bastante reduzida mesmo em altas relações de
compressão.
41
4.5.3 Separação e resfriamento do óleo
Entretanto, esse óleo é indesejável nas outras partes do processo, principalmente
nos trocadores de calor, onde funciona como uma incrustação, exigindo o uso de
separadores de óleo. Um tipo de separador de óleo muito utilizado é apresentado na
Fig. 4.26.
Figura 4.26. Separador de óleo em um compressor parafuso.
42
21
A mistura vapor do refrigerante + óleo é dirigida da descarga do compressor para
um tanque separador, onde sofre uma mudança de direção e grande redução de
velocidade. As partículas maiores de óleo caem por gravidade no reservatório
enquanto as menores passam por um filtro coalescente. Além da remoção de óleo
do fluxo vapor + óleo, o separador também permite que eventuais quantidades de
refrigerante condensado possam absorver calor e vaporizar, melhorando a qualidade
do óleo restante para reinjeção no compressor.
O calor transferido para o óleo durante a compressão deve ser removido através de
um sistema de resfriamento. As três formas mais comuns de resfriamento de óleo
são: resfriamento a água, resfriamento por termosifão ou injeção de líquido.
43
4.5.3.1 Resfriamento a água
Utilizando a Fig. 4.27 como referencia, o óleo quente deixa o separador de óleo
passando por um filtro de peneira, dirigindo-se até a bomba de óleo. O óleo é então
bombeado para um trocador de calor, casco e tubo ou a placas, onde o calor é
rejeitado para uma corrente de água ou outro fluido secundário. O óleo frio passa
por um filtro e retorna ao compressor enquanto a água ou outro fluido secundário
são resfriados. No caso da água, utiliza-se uma torre de arrefecimento.
Esse método apresenta algumas
desvantagens, tais como: custo
inicial e de manutenção do sistema
água-trocador de calor-torre de
arrefecimento e de eventuais
rupturas dos tubos de água ou de
refrigerante.
Figura 4.27. Processo
resfriamento a água.
de
44
22
4.5.3.2 Termosifão
Similar ao sistema de resfriamento com água, exceto que a água é substituída pela
vaporização do refrigerante, no lado do tubo, no trocador de calor do óleo. O
sistema é basicamente um evaporador inundado, alimentando por gravidade desde
um reservatório de líquido situado acima do trocador de calor. O óleo circula pelo
lado do casco enquanto o refrigerante vaporiza no interior dos tubos do trocador. O
vapor formado durante a ebulição do refrigerante retorna ao reservatório de líquido.
O vapor produzido durante esse processo é conduzido de volta ao condensador,
onde cede calor ao ambiente, voltando como líquido. A temperatura vaporização é
definida pela pressão do condensador.
Esse tipo de sistema é bastante
utilizado uma vez que, geralmente,
não necessita manutenção e não
degrada o desempenho do
compressor.
Figura 4.28. Processo de
resfriamento com termosifão.
45
4.5.3.2 Resfriamento com injeção de líquido
A injeção de líquido resfria o óleo através de injeção direta de refrigerante líquido
condensado, proveniente do reservatório de líquido. A taxa com que o refrigerante é
injetado no compressor é regulada por uma válvula de expansão termostática,
controlada pelo superaquecimento do vapor na descarga do compressor. Um
esquema representando esse tipo de sistema é mostrado na Fig. 4.29.
A conveniência desse esquema de
resfriamento é muito discutível uma
vez que parte do refrigerante injetado
permanece na fase líquida e sua
expansão poderia influir na
diminuição da capacidade do
compressor.
Figura 4.29. Processo de resfriamento com injeção de líquido.
46
23
A representação do circuito de óleo é ilustrado abaixo.
47
Problemas com compressores – retorno de líquido
Diluição do óleo de lubrificação afetando a película de óleo e gerando desgaste
prematura das peças móveis.
48
24
49
Causas:
Excesso de carga de refrigerante;
Fluxo de ar-água inadequado no evaporador;
Ajuste ou seleção incorreta do dispositivo de
expansão.
50
25
Em compressores alternativos
51
52
26
Problemas com compressores:
Partida inundada: na condição de parada do compressor, há uma migração do
refrigerante para o carter do compressor. Na partida, o óleo diluído não lubrifica o
eixo e mancais.
Golpe de líquido: é o caso extremo do retorno de líquido ao compressor.
Temperatura de descarga elevada: falha de lubrificação, carbonização do óleo,
etc.
Falhas elétricas
53
27