Simulação numérica do desempenho termodinâmico de um compressor alternativo hermético de refrigeração com dupla sucção

Abstract

Compressores alternativos herméticos são largamente empregados em sistemas de refrigeração doméstica. O presente trabalho apresenta uma análise numérico-experimental do desempenho termodinâmico do protótipo de um compressor de dupla sucção, motivada pela possibilidade de novas arquiteturas de sistema de refrigeração. Para comutar a sua operação entre as duas linhas de sucção, o compressor protótipo utiliza um dispositivo interno que permite conectar uma linha de cada vez, com trocas rápidas entre as linhas. Inicialmente, um modelo de simulação foi desenvolvido para estimar as principais grandezas físicas que caracterizam a operação do compressor (vazão mássica, potência indicada e coeficiente de performance). Em seguida, um inventário de ineficiências volumétricas e isentrópicas foi proposto para estimar as perdas do compressor durante as comutações entre as linhas de sucção. Além disso, uma bancada experimental foi construída para medições no compressor, de forma a fornecer dados para a validação dos resultados numéricos. Após a validação do modelo, análises paramétricas foram realizadas para avaliar os efeitos de condições de operação e variáveis ligadas ao sistema de comutação sobre o desempenho do compressor de dupla sucção. Concluiu-se que menores velocidades do compressor, maiores diferenças entre as temperaturas dos dois evaporadores e menores valores de duty-cycle aumentam os efeitos do transiente de comutação, de forma a dificultar o projeto do sistema de refrigeração. A ineficiência devido à perda de carga do dispositivo de comutação foi avaliada em três velocidades de operação (1300, 2000 e 4000 rpm), observando-se que a mesma aumenta com a velocidade, reduzindo a capacidade de refrigeração e o coeficiente de performance em até 7,8 % na velocidade de 4000 rpm. Finalmente, uma comparação entre um sistema de refrigeração operando com o compressor de dupla sucção e outro sistema usando dois compressores convencionais não otimizados mostrou um coeficiente de performance 8,2 % maior para o primeiro.

Abstract: Hermetic reciprocating compressors are widely used in household refrigeration systems. This work presents a numerical and experimental analysis of the thermodynamic performance of the prototype of a dual injection compressor. The main motivation for the development of a compressor with two suction lines is the possibility of new architectures of refrigeration systems. The compressor of dual injection employs an internal device that allows fast connection and operation of each of the two suction lines at a given time. Initially, a simulation model was developed to predict the thermodynamic performance of the compressor, characterized by mass flow rate, indicated power, and coefficient of performance. Then, a new procedure was proposed to estimate the volumetric and isentropic inefficiencies, with attention to the switching between the suction lines. A hot-gas calorimeter was adapted to test a prototype of the dual injection compressor with the measurements used to validate the numerical model. A parametric analysis was carried out for the effect of the operating conditions and parameters of the switching device on the performance of the dual injection compressor. The results showed that low compressor speeds and temperature differences between the evaporators, and low values of duty cycles affect negatively the compressor performance, making it harder to design an efficient refrigeration system. The inefficiency due to the increase of throttling in the switching device was estimated for three different compressor speeds and showed to increase as the speed increases, reducing the cooling capacity and the coefficient of performance up to 7,8% at 4000rpm. Finally, the efficiency of a refrigeration system operating a dual-injection compressor was compared with that of a system using two conventional compressors, although not optimized for the operating condition, showing the system with the dual-injection compressor can reach a coefficient of performance 8,2 % higher.