Levantamento de ineficiências energéticas de compressores alternativos a partir da segunda lei da termodinâmica

Abstract

Compressores alternativos herméticos são prevalentes em sistemas de refrigeração doméstica e comercial de pequeno porte. Devido à contínua demanda por produtos de maior eficiência energética, compressores de refrigeração sendo lançados no mercado são altamente otimizados. Por outro lado, a melhora do desempenho energético desses compressores requer técnicas adequadas para o levantamento de suas principais fontes de ineficiência. A segunda lei da termodinâmica lida diretamente com irreversibilidades e, portanto, permite a avaliação unívoca dessas ineficiências. O presente trabalho apresenta um método baseado na segunda lei da termodinâmica para a identificação e quantificação das fontes de ineficiência de compressores alternativos herméticos. O método foi utilizado para a obtenção de inventários de perdas energéticas, expressas na forma de taxas de destruição de exergia, de dois compressores de refrigeração. Os resultados foram obtidos com o emprego de um modelo numérico consolidado para a simulação de compressores alternativos. As simulações foram realizadas para diferentes frequências de operação e diferentes temperaturas de evaporação e condensação. Paralelamente, inventários de perdas foram levantados através de um método tradicional baseado na comparação com a potência isentrópica e na análise do diagrama p-V do compressor, sendo então comparados com os inventários levantados a partir do método de segunda lei. Os resultados mostraram que fenômenos de transferência de calor são responsáveis por uma grande parcela da ineficiência dos compressores, enquanto o fenômeno de refluxo nas válvulas não contribui significativamente para a destruição de exergia no compressor na condição de operação de projeto. A análise comparativa entre os dois métodos revela que o inventário de segunda lei fornece um maior detalhamento das perdas associadas e que a soma das mesmas praticamente coincide com a ineficiência global, ao contrário do método tradicional. Em contrapartida, as perdas relacionadas pelo método tradicional são muito mais facilmente quantificáveis de forma experimental.

Abstract: Hermetic reciprocating compressors are prevalent in small domestic and light commercial refrigeration systems. Due to the continuous demand for energy-efficient products, these compressors are currently highly optimized, and their further improvement requires suitable methods to identify their main sources of inefficiency. The second law of thermodynamics deals directly with irreversibilities and hence allows the unambiguous assessment of these inefficiencies. This dissertation reports a method based on the second law of thermodynamics to identify and quantify the inefficiencies of hermetic reciprocating compressors. The method was used to make inventories of energy losses, expressed as exergy destruction rates, of two refrigeration compressors. The results were obtained with the assistance of a consolidated numerical model used to simulate reciprocating compressors. Simulations were carried out for different operating frequencies and different evaporating and condensing temperatures typical of LBP condition. Inventories of energy losses were also evaluated through a traditional method based on the comparison with the isentropic power and the p-V diagram, and then compared with the inventories based on the second law. The results showed that heat transfer significantly increases the overall inefficiency of both compressors, while the phenomenon of backflow in valves has a negligible effect on the overall exergy destruction. A comparative analysis showed that, unlike the traditional method, the second law inventory allows a more detailed detachment of inefficiencies whose sum is close to the overall inefficiency. On the other hand, the losses in the traditional inventory can be much more easily determined from measurements in experiments.