Aplicabilidade de dispositivos de expansão de ação variável em refrigeradores domésticos

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo investigar a aplicabilidade de válvulas de expansão eletrônicas (EEVs) em sistemas domésticos de refrigeração. Primeiramente, testes com nitrogênio foram realizados para avaliar o potencial de três válvulas de orifícios distintos quando se verificou que elas se comportam de forma equivalente a tubos capilares. Tal avaliação deu origem a uma bancada desenvolvida para estudar o escoamento de HC-600a através das EEVs em função das pressões de evaporação e condensação, e do sub-resfriamento na entrada. No total, 138 testes foram realizados com isobutano, os quais permitiram a obtenção de dados de vazão para condições de escoamento blocado e não-blocado, além de correlações para o coeficiente de vazão, validadas dentro de uma faixa de ±10% de erro. Na sequência, a válvula mais promissora foi montada num refrigerador doméstico para correlacionar a área de passagem com o consumo de energia sob diferentes condições de funcionamento. Ensaios foram feitos também com o mesmo refrigerador, mas montado com um tubo capilar. Em paralelo, um modelo matemático foi desenvolvido para simular o efeito da carga de refrigerante e da restrição sobre o desempenho do refrigerador, apresentando erros inferiores a 15%. Mais de mil casos foram simulados e os resultados mostraram que o superaquecimento nulo nem sempre é o melhor dos cenários. Além disso, notou-se que os menores consumos são atingidos para as situações de maior carga e maior restrição. Observou-se também que é possível ajustar o par carga-restrição de maneira independente da rotação do compressor. Por fim, constatou-se que quando a temperatura ambiente ou a rotação do compressor são modificadas, pode-se reduzir o consumo de energia alterando-se a restrição do dispositivo de expansão, algo que só é possível com EEVs. O sistema montado com a EEV, no entanto, apresentou consumos superiores aos observados com o sistema montado com o tubo capilar para a maioria das condições, o que foi atribuído à arquitetura do ciclo e à carga térmica gerada pela EEV. Porém, ao aumentar o comprimento do trocador de calor interno e minimizar o calor gerado pela EEV, verificou-se que o sistema montado com ela consumiu entre 4 e 9% menos energia que o sistema montado com o tubo capilar em condições de operação diferentes daquela para a qual o tubo capilar foi dimensionado.

Abstract: The aim of this work was to investigate the applicability of electronic expansion valves (EEVs) in domestic refrigerators. Firstly, tests with nitrogen were carried out to preliminarily evaluate the potential of three EEVs with distinct orifices where it was observed that they behave like capillary tubes typically found in practice. Such an evaluation gave birth to another test bench that was assembled to study the HC-600a flow through the EEVs as a function of the evaporation and condensation pressures, and the sub-cooling degree at the inlet. In total, 138 tests were conducted with isobutane and mass flow rate data under choked and non-choked conditions were gathered. Based on these results, correlations for the flow coefficient were proposed and validated within a ±10% error band. After that, the most promising valve was installed in a domestic refrigerator in order to correlate the flow area with the overall energy consumption under different operating conditions. Tests with the same cabinet, but mounted with a capillary tube, were also performed. In parallel, a mathematical model was devised to simulate the effect of the refrigerant charge and the expansion device restriction on the system performance and it was validated with errors of less than 15%. More than a thousand runs were simulated and the results revealed that zero superheating is not always the best-case scenario. In addition, it was noticed that the lowest energy consumptions were achieved for the highest refrigerant charges and expansion device restrictions. It was also verified that it is possible to adjust the pair charge-restriction independently of the compressor speed. Finally, it was found that when the ambient temperature or the compressor speed are changed, the energy consumption can be reduced by varying the restriction of the expansion device, which is only possible with EEVs. The system mounted with the EEV, however, presented higher energy consumptions than the system with the capillary tube for most conditions, which was related to the cycle architecture and the thermal load generated by the valve. Nevertheless, by increasing the length of the internal heat exchanger and minimizing the heat generated by the EEV, it was found that the system assembled with the EEV consumed between 4 and 9% less energy than the system mounted with the capillary tube under operating conditions different from that the capillary tube has been sized.