Análise comparativa do desempenho de compressores alternativo e rotativo em bombas de calor para aquecimento de água de uso doméstico

Abstract

Embora a demanda por bombas de calor para aquecimento de água de uso doméstico tenha aumentado nos últimos anos, os compressores alternativos e rotativos utilizados nessa aplicação são geralmente provenientes de projetos desenvolvidos para sistemas de refrigeração. A presente tese apresenta uma análise comparativa do desempenho desses compressores após serem otimizados para a aplicação de bombas de calor. Inicialmente, o desempenho de um compressor alternativo de 9,50 cm3/rev e de um compressor rotativo de 9,80 cm3/rev foram avaliados em um calorímetro de ciclo quente no envelope de condições operacionais de bombas de calor. Além disso, modelos foram desenvolvidos e validados para a simulação dos compressores de forma integrada aos demais componentes da bomba de calor. A análise de desempenho dos compressores no sistema foi então realizada para a condição operacional estabelecida pela norma EN16147 e também para condições referentes a temperaturas ambientes representativas de verão e inverno europeu. A tese também contempla a investigação do efeito do uso de isolamento térmico nos compressores e dos fluidos refrigerantes R134a e R290. Os resultados indicam que o compressor rotativo fornece um maior desempenho (COPDHW) do que o do compressor alternativo em todas as condições testadas. A diferença de desempenho observada entre os compressores nas diferentes condições de temperatura ambiente foi de 7,6%, ao operarem na condição de inverno, 9,8% na condição de norma e 12,3%, na condição de verão. A menor diferença entre os desempenhos na condição de inverno se deve à redução das perdas termodinâmicas nos sistemas de sucção e descarga do compressor alternativo em função da menor vazão mássica nessa condição. Por outro lado, o desempenho do compressor rotativo é penalizado na condição de inverno devido ao aumento das perdas por vazamentos e superaquecimento. Observou-se que o isolamento térmico dos compressores alternativo e rotativo pode aumentar seus desempenhos em até 3,6% e 4,2%, respectivamente, na condição operacional estabelecida em norma. Finalmente, verificou-se que o uso do fluido R290 como substituto ao R134a aumenta os desempenhos dos compressores alternativo e rotativo em 2,6% e 3,3%, respectivamente, considerando também a condição operacional de norma.

Abstract: Although the demand for domestic heat pump water heaters has increased in recent years, the reciprocating and rotary compressors used for this application frequently adopt designs developed for refrigeration systems. This thesis presents a comparative analysis between the performances of these compressors after their optimization for a domestic heat pump water heater. First the performances of a 9.50 cm3/rev reciprocating compressor and a 9.80 cm3/rev rotary compressor were assessed in a hot-cycle test stand for the envelope of heat pump operating conditions. Moreover, numerical models were developed to simulate each compressor coupled to the other components of the heat pump. These models were calibrated and validated through comparisons with experimental data. The performance of the heat pump with each compressor was analyzed under the ambient condition defined in the standard EN16147, as well as under ambient conditions representative of European winter and summer seasons. The effects of thermal insulating the compressors and replacing the refrigerant fluid R134a by R290 were also addressed. The COPDHW of the heat pump operating with the rolling piston compressor was higher than that with the reciprocating compressor in all operating conditions, being 7.6% higher under the winter condition, 9.8% higher under the standard condition and 12.3% higher under the summer condition. The smaller difference between the performances in the winter condition is associated with the reduction of thermodynamic losses in the suction and discharge systems of the reciprocating compressor brought about by the lower mass flow rate. On the other hand, the performance of the rotary compressor is penalized in the winter condition due to leakage and suction gas superheating losses. The thermal insulation increased the performances of the reciprocating and rotary compressors by 3.6% and 4.2%, respectively. Finally, the use of R290 as a substitute to the R134a increased the reciprocating and rotary compressor performance in 2.6% and 3.3%, respectively, under the standard operating condition.