Sistemas com Compressor de Rotação Variável e EEV

O objetivo desta seção é explorar alguns trabalhos que avaliaram o desempenho de sistemas de refrigeração montados com compressores de rotação variável e com EEVs.

Choi e Kim (2003) avaliaram a performance de um condicionador de ar tipo multi-split, equipado com um compressor de rotação variável, com duas unidades evaporadoras e com duas EEVs tipo motor de passo de 480 pulsos. Os experimentos foram executados num calorímetro psicrométrico com três ambientes controlados, dois para as unidades evaporadoras e um para a unidade condensadora. Foram realizados testes em regime permanente com diferentes rotações do compressor (30 a 63Hz), aberturas da EEV (143 a 223 pulsos ou 30 a 46%) e temperaturas do ar nos ambientes climatizados (21 a 32°C). A carga de refrigerante e a temperatura do ambiente externo foram mantidas constantes. Os autores mostraram que, a exemplo da rotação do compressor, a abertura das EEVs também afetava significativamente a capacidade de refrigeração do sistema. Em todas as rotações consideradas, a capacidade de refrigeração máxima do sistema foi atingida com um grau de superaquecimento de aproximadamente 4°C na saída dos dois evaporadores. O trabalho

dois ambientes.

Yang et al. (2004) estudaram o controle da capacidade de refrigeração de um sistema montado com um compressor de rotação variável e com uma EEV, a partir da indicação do grau de superaquecimento na descarga do compressor. A Figura 2.2 mostra um diagrama da bancada experimental utilizada por Yang et al. (2004). As Figuras 2.3 e 2.4 mostram alguns resultados obtidos por Yang et al. (2004). O fluido utilizado foi o R410A e o compressor era do tipo “scroll”.

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Figura 2.3 - COP vs. Abertura da válvula (Yang et al., 2004)

Figura 2.4 - Grau de superaquecimento na descarga vs. Capacidade de refrigeração. (Yang et al., 2004)

A Figura 2.3 mostra que, para cada rotação do compressor, existe uma abertura específica da EEV que proporciona um COP máximo, considerando constantes as condições do fluido secundário nas entradas do evaporador e do condensador. Os autores também concluíram que as capacidades de refrigeração dos pontos de máximo COP possuíam uma relação aproximadamente linear com o grau de superaquecimento na descarga do compressor, independentemente da temperatura da água na entrada do evaporador (Twei) e considerando uma temperatura de entrada da água no condensador constante (ver Figura 2.4). Argumentou-se então que o grau de superaquecimento na descarga do compressor poderia ser utilizado para controlar a capacidade de refrigeração e, ao mesmo tempo, maximizar o COP. Uma das limitações do trabalho de Yang et al. (2004) é a ausência do efeito da carga de refrigerante sobre a performance do sistema.

Gonçalves e Melo (2004) apresentaram uma metodologia para a análise térmica de refrigeradores domésticos em regime permanente. Nesse trabalho, foram propostos modelos para todos os componentes do sistema de refrigeração. Os autores realizaram experimentos para determinar os parâmetros empíricos necessários à modelação. Os parâmetros tipicamente derivados dos experimentos foram: rendimentos, coeficientes globais de transferência de calor e fatores de fricção do escoamento.

A Figura 2.5 mostra o desempenho do refrigerador avaliado por Gonçalves e Melo (2004), considerando a variação combinada de três parâmetros: a carga de refrigerante, o diâmetro do tubo capilar e a rotação do compressor. Estes três parâmetros são, de forma geral, aqueles onde se têm maior liberdade de variação, tanto durante o projeto do sistema, como também durante a

Figura 2.5 - Mapa de estados do Refrigerado Doméstico (Gonçalves e Melo, 2004)

Da Figura 2.5 percebe-se que a temperatura interna do congelador pode ser mantida num determinado valor através de diferentes combinações das três variáveis mencionadas. A região em destaque representa aquela com um menor consumo de energia e consequentemente com maior coeficiente de performance. Pode-se observar também que a rotação do compressor é a variável com maior efeito sobre o consumo de energia. Mantendo constante a rotação do compressor, a redução do diâmetro do tubo capilar exige um aumento da carga de fluido refrigerante e origina uma elevação da potência consumida pelo compressor.

O mapa de estados apresentado por Gonçalves e Melo (2004), embora tenha sido gerado a partir de dados computacionais, permite um melhor entendimento dos efeitos combinados da rotação do compressor, da restrição do dispositivo de expansão e da carga de fluido refrigerante sobre o desempenho do sistema.

É importante destacar que, no mapa em questão, ao contrário do diâmetro do tubo capilar e da rotação do compressor, a carga de refrigerante não foi considerada como um parâmetro

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independente. Os autores argumentaram que o emprego da massa de refrigerante como uma variável independente gerava dificuldades de convergência do programa computacional e diminuía a concordância dos resultados experimentais com os calculados. Em virtude disso, Gonçalves e Melo (2004) optaram por substituir a carga de refrigerante, pelo grau de superaquecimento medido na saída do evaporador.

Essa parametrização da carga de refrigerante em função do grau de superaquecimento na saída do evaporador mostrou-se fisicamente consistente e melhorou os resultados. Entretanto, a carga de refrigerante calculada a partir do grau de superaquecimento ainda apresentava desvios em relação à carga obtida experimentalmente.

Além da questão do ajuste da carga de refrigerante, uma outra limitação do trabalho de Gonçalves e Melo (2004) é que este não considerou a presença de um dispositivo de expansão de abertura variável, como por exemplo, uma EEV.

Lamanna (2005) avaliou a performance de um chiller com capacidade nominal de 16kW (em 75Hz) equipado com um compressor scroll de rotação variável (25 a 75Hz), uma válvula de expansão eletrônica (EEV) com motor de passo e um condensador resfriado a ar. A EEV mantinha o superaquecimento constante em aproximadamente 9°C, através do controle da sua abertura. Resistências elétricas foram utilizadas para variar a carga térmica e a temperatura da água no chiller. A capacidade de refrigeração foi medida pelo lado da água e pelo lado do refrigerante. Três algoritmos de controle foram implementados e avaliados. O primeiro foi o tradicional on-off, que mantinha a rotação do compressor fixa em 75Hz. O segundo permitia a variação da rotação, mas mantinha a pressão de condensação fixa em aproximadamente 14 bar, através da variação da rotação do ventilador do condensador. O terceiro algoritmo permitia a variação da rotação do compressor, mas deixava a pressão de condensação livre. O algoritmo que proporcionou a melhor performance foi aquele que permitia a variação da rotação do compressor, mas deixava a pressão de condensação livre. Numa condição de carga térmica igual a 50% da carga total, por exemplo, o segundo algoritmo originou uma redução de 16% no consumo de energia em relação ao tradicional on-off, enquanto que com o terceiro algoritmo essa queda foi de 33%. Nesse mesmo ensaio, o segundo algoritmo manteve a temperatura de condensação em 47°C (correspondente a 14bar), enquanto que com o terceiro essa temperatura caiu para 40°C, o que explica a maior redução de