Avaliação experimental do desempenho de compressores scroll sob condições de injeção de vapor

Abstract

Amplamente utilizados em aplicações de refrigeração e bombas de calor, compressores scroll são fundamentais no desempenho desses sistemas. Devido ao seu princípio de funcionamento, permitem a aplicação de técnicas avançadas, como a injeção de vapor, para o aumento da sua capacidade e da sua eficiência energética. Esta dissertação apresenta a caracterização experimental do desempenho de compressores scroll, com ênfase na análise termodinâmica e nos efeitos da injeção de vapor sobre parâmetros operacionais e de eficiência. Para a realização dos experimentos, um calorímetro de ciclo quente foi modificado a fim de permitir testes com injeção de vapor, incluindo o controle independente da pressão e do superaquecimento do vapor injetado. Adicionalmente, um compressor scroll comercial foi instrumentado com sensores de pressão posicionados ao longo da câmara de compressão, viabilizando a medição direta de seu diagrama pressão- volume (p-V). Inicialmente, ensaios de referência foram conduzidos para obtenção do diagrama p-V do compressor operando sem injeção de vapor, em diferentes condições de operação. A partir desses dados, determinaram-se parâmetros fundamentais de desempenho termodinâmico, como potência indicada e eficiência isentrópica, além das perdas associadas ao processo de descarga e dos fenômenos de sobrecompressão e subcompressão. Na sequência, testes com injeção de vapor foram realizados, variando-se a pressão de injeção e o superaquecimento do vapor injetado. Durante esses experimentos, mediram-se a potência consumida pelo motor do compressor, a vazão mássica de refrigerante injetada e a vazão mássica total do compressor, correspondente à soma das vazões admitidas pelos processos de sucção e injeção. Temperaturas também foram medidas em diferentes pontos do sistema, incluindo a sucção, a descarga, o ponto de injeção e a carcaça do compressor. A partir dos resultados, avaliaram-se parâmetros de interesse prático para sistemas de refrigeração, como a temperatura de descarga, que afeta a confiabilidade e a vida útil do compressor, a capacidade de refrigeração e o coeficiente de desempenho (COP). Os resultados demostram que a instrumentação empregada e o calorímetro modificado são adequados para a análise detalhada do desempenho do compressor scroll, sendo capazes de emular condições reais de injeção de vapor com elevado grau de controle e repetibilidade. Na condição de baixa pressão de evaporação (LBP) a injeção de vapor proporcionou ganhos de até 27% em capacidade e de até 13% em COP. Na condição de média pressão de evaporação (MBP) foram observados ganhos menores de capacidade, entre 12 e 18%, sem variação significativa do COP. A injeção de vapor também reduziu a temperatura de descarga em todas as condições avaliadas em relação à operação sem injeção, sendo esses efeitos mais significativo em condições de maior vazão de vapor injetado.

Abstract: Widely used in refrigeration and heat pump applications, scroll compressors are key components for the performance of these systems. Due to their operating principle, they enable the application of advanced techniques, such as vapor injection, to increase the energy efficiency of the equipment in which they are used. This dissertation presents an experimental characterization of scroll compressor performance, emphasizing thermodynamic analysis and the effects of vapor injection on operational and efficiency parameters. To conduct the experiments, a conventional hot-gas cycle calorimeter was modified to allow tests with vapor injection, including independent control of both pressure and superheat of the injected vapor. Additionally, a commercial scroll compressor was instrumented with pressure sensors positioned along the compression chamber, enabling direct measurement of its pressure-volume (p-V) diagram. Initially, baseline tests were conducted under various operating conditions to obtain the p-V diagram of the compressor operating without vapor injection. From these data, key thermodynamic performance parameters were determined, such as indicated power, isentropic efficiency, loss effects in the discharge process, and refrigerant overcompression and undercompression phenomena. Subsequently, tests with vapor injection were performed by varying the injection pressure and the superheat of the injected vapor. During these experiments, measurements were taken for compressor motor power consumption, injected refrigerant mass flow rate, and total compressor mass flow rate, corresponding to the sum of the mass flow rates admitted through the suction and injection processes, were measured. Temperatures were also measured at various points in the system, including the suction line, discharge line, injection port, and compressor shell. Based on the results, parameters of practical interest for refrigeration systems were evaluated, including the discharge temperature, which affects compressor reliability and service life, cooling capacity and coefficient of performance (COP). The results indicate that the instrumentation and the modified calorimeter are well-suited for detailed analysis of the scroll compressor performance and capable of emulating actual vapor-injection conditions with a high degree of control and repeatability. Under low- back-pressure (LBP) conditions, vapor injection provided increases of up to 27% in cooling capacity and up to 13% in COP. Under medium-back-pressure (MBP) conditions, smaller increases in cooling capacity, between 12% and 18%, were observed, with no significant change in COP. Vapor injection also reduced the discharge temperature under all evaluated conditions compared with operation without injection, with this effect becoming more pronounced at higher injected-vapor mass flow rates.