Comparação termodinâmica entre diferentes tecnologias de compressão para aplicação em refrigeradores portáteis

Abstract

O segmento de refrigeradores portáteis tem recebido cada vez mais atenção da indústria do frio. Além das exigências relacionadas à eficiência de equipamentos eletroeletrônicos, a demanda por compacidade torna-se cada vez mais relevante. Entretanto, as alternativas disponíveis para refrigerar pequenos compartimentos apresentam desempenho pouco satisfatório, como é o caso dos refrigeradores termoelétricos, que tipicamente apresentam eficiências muito inferiores àquelas observadas para os sistemas de refrigeração por compressão mecânica de vapor. Em meio a esse cenário, a indústria de refrigeração tem investido em diferentes tecnologias de compressão, tais como compressores rotativos e alternativos tanto biela-manivela como linear. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho consiste em comparar tais tecnologias de compressão quando aplicadas a um refrigerador compacto de 40 litros. Comparações com um refrigerador termoelétrico de 35 litros também foram conduzidas. Na frente computacional, um modelo de simulação em regime permanente foi desenvolvido para o sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapor permitindo a avaliação do seu desempenho termodinâmico ao operar com compressores distintos. Paralelamente, na frente experimental, testes foram realizados tanto com um refrigerador termoelétrico como com um refrigerador por compressão mecânica de vapor empregando três compressores distintos (biela-manivela, rotativo e linear). Observou-se uma redução do consumo de energia em torno de 50% ao se substituir o compressor original (bielamanivela) pelo compressor linear, o qual apresentou o melhor desempenho entre as tecnologias avaliadas. Por este motivo, foi proposta uma otimização multivariável do sistema com o compressor linear tendo como função objetivo a redução simultânea da massa total e do consumo de energia do refrigerador. Nos casos limites, verificou-se a possibilidade de reduzir a massa do sistema em ~4% ao se manter o consumo de energia fixo ou, alternativamente, reduzir o consumo de energia do sistema em ~18% ao se manter a massa fixa.

Abstract: The portable refrigerator segment has received increasing attention from the refrigeration industry. In addition to the requirements related to the efficiency of electronic equipment, the demand for compactness becomes increasingly relevant. However, the alternatives available for cooling small compartments have an unsatisfactory performance, as is the case of thermoelectric refrigerators, which typically present efficiencies levels much lower than those observed for refrigeration systems by mechanical vapor compression. Amidst this scenario, the refrigeration industry has invested in different compression technologies, such as rotary and reciprocating compressors, both crank-shaft and linear mechanisms. In this context, the main goal of this work is to compare such compression technologies when applied to a 40 liter portable refrigerator. Comparisons with a 35 liter thermoelectric cooler were also conducted. On the numerical front, a steady-state simulation model was developed for the mechanical vapor compression refrigeration system, allowing the evaluation of its thermodynamic performance when running with different compressors. Simultaneoulsy, on the experimental front, tests were carried out with both a thermoelectric and the mechanical vapor compression cooler throw the use of three different compressors (rotating, crank-shaft and linear). A reduction in energy consumption of around 50% was observed when replacing the original compressor (crank-shaft) by the linear compressor with similar cooling capacity, which presented the best performance among the evaluated technologies. For this reason, a multiobjective optimization of the system with the linear compressor was proposed, with the objective of simultaneously reducing the entire system mass and energy consumption of the refrigerator. At the limits, it was verified the possibility of reducing the system mass by ~4% while maintaining the fixed energy consumption or, alternatively, reducing the system energy consumption by ~18% while maintaining the fixed mass.