Análise do desempenho termodinâmico de compressores alternativos e rotativos para aplicações de refrigeração comercial

Abstract

Existem poucos estudos na literatura sobre o desempenho comparativo de diferentes tipos de compressores de refrigeração que indiquem suas vantagens e limitações em aplicações específicas. A presente dissertação contempla uma análise comparativa do desempenho termodinâmico de compressores alternativos e rotativos de pistão-rolante aplicados em duas capacidades de refrigeração comercial (18000 BTU/h e 36000 BTU/h). Inicialmente, esses compressores foram testados em um calorímetro de ciclo quente em quatro condições de operação e, na sequência, abertos e desmontados para a medição geométrica de seus componentes. As curvas características das válvulas de sucção e descarga foram obtidas por simulação numérica do escoamento. Essas curvas foram usadas em modelos de simulação dos compressores, baseados na formulação integral das equações de conservação da massa e energia, calibrados com referência a dados experimentais. Para uma análise consistente, os compressores foram otimizados geometricamente para uma condição típica de refrigeração comercial visando maximizar o desempenho termodinâmico. Para a capacidade de 18000 BTU/h, o compressor rotativo apresentou desempenho 6% mais eficiente em relação ao compressor alternativo. Por outro lado, os resultados para os compressores de 36000 BTU/h mostraram desempenhos inversos, com a eficiência isentrópica do compressor alternativo sendo 6% maior do que a do compressor rotativo. A análise mostrou que as principais ineficiências de ambos os compressores são associadas a vazamentos e superaquecimento do gás na sucção. Além disso, observou-se que as eficiências volumétricas dos compressores rotativo e alternativo são em torno de 85% e 52%, respectivamente. A expressiva ineficiência volumétrica dos compressores alternativos é em grande parte associada ao efeito do volume morto.

Abstract: There are few studies in the literature on the comparative performance of different types of refrigeration compressors that clearly indicate their advantages and limitations in specific applications. The present dissertation contemplates a comparative analysis of the thermodynamic performance of reciprocating and rotatory rolling-piston compressors applied in two commercial refrigeration capacities (18,000 BTU/h and 36,000 BTU/h). Initially, the compressors were tested in a hot-cycle calorimeter in four operating conditions and then opened and disassembled for the geometric measurement of their components. The characteristic curves of the suction and discharge valves were obtained by numerical simulation. These curves were then used in the compressor simulation models, based on the integral formulation of mass and energy conservation equations, which were calibrated with reference to experimental data. In order to allow for consistent analysis, the compressors were optimized for a typical operating condition of commercial refrigeration condition in order to maximize their thermodynamic performances. For the capacity of 18,000 BTU/h, the rotary compressor was found to be 6% more efficient than the reciprocating compressor. On the other hand, considering the capacity of 36,000 BTU/h the isentropic efficiency of the reciprocating compressor was assessed to be 6% higher than that of the rotary compressor. The analysis showed that the main thermodynamic inefficiencies are brought about by leakage and suction gas superheating. It was also observed that the volumetric efficiencies of rotating and reciprocating compressors are approximately 85% and 52%, respectively. The significant volumetric inefficiency of the reciprocating compressors is largely associated with the effect of the clearance volume.