Análise comparativa do desempenho termodinâmico de compressores alternativo e scroll aplicados à refrigeração comercial

Abstract

O desempenho de um sistema de refrigeração por compressão de vapor é afetado por ineficiências em seus diversos componentes, mas com destaque a perdas elétricas, mecânicas e termodinâmicas associadas ao compressor. As ineficiências termodinâmicas se originam de vazamentos, transferência de calor, atrito viscoso no escoamento através de válvulas, entre outros aspectos. O objetivo principal desta dissertação é realizar uma análise comparativa entre os desempenhos termodinâmicos de compressores alternativo e scroll aplicados em duas capacidades de refrigeração comercial. Inicialmente, dois compressores de cada tecnologia foram testados experimentalmente por meio de uma bancada de ciclo quente para obtenção de parâmetros globais de desempenho. Em seguida, realizou-se uma caracterização detalhada desses compressores através da obtenção de seus parâmetros geométricos, curvas de eficiência dos motores, curvas de viscosidade dos óleos lubrificantes, curvas de desempenho de válvulas, eficiências mecânicas e temperatura do gás na sucção. Dois modelos matemáticos com formulação integral foram empregados para simular os compressores analisados. Os resultados numéricos do desempenho dos compressores foram validados através da comparação com as medições na bancada, com concordância satisfatória para todos os compressores analisados. Por fim, os compressores foram otimizados para permitir resultados conclusivos da análise comparativa em diferentes condições de operação. As principais ineficiências dos compressores alternativos foram originadas pelo efeito do volume morto na câmara de compressão e pelo escoamento nos processos de sucção e descarga. Por outro lado, o compressor scroll se mostrou bem mais eficiente, mas com o seu desempenho reduzido de forma significativa quando a razão de pressão originada pelo sistema de refrigeração se afasta daquela adotada no seu projeto.

Abstract: The performance of a vapor compression refrigeration system is affected by inefficiencies in its various components, but especially by those associated with electrical, mechanical and thermodynamic losses in the compressor. The thermodynamic inefficiencies are brought about by leakage, heat transfer, viscous friction in the flow through valves, among other aspects. The main objective of this dissertation is to carry out a comparative analysis between the thermodynamic performances of reciprocating and scroll compressors applied for two commercial refrigeration capacities. Initially, two compressors of each technology were experimentally tested in a hot cycle bench to assess their overall performances. Then, these compressors were characterized by measuring their main geometric parameters, motor efficiency, lubricating oil viscosity, valve performance curves, mechanical efficiency and suction gas temperatures. Two integral formulation mathematical models were employed to simulate the compressors. The numerical results of thermodynamic performance for both types of compressors were validated through comparisons with measurements. Finally, the compressors were optimized to allow a meaningful comparative analysis under different operating conditions. The main inefficiencies of the reciprocating compressors were due to the dead volume effect in the compression chamber and the viscous losses in the suction and discharge processes. On the other hand, the scroll compressor proved to be much more efficient, but with its performance being significantly reduced when the pressure ratio of the refrigeration system deviates from the compressor internal pressure ratio.