ANÁLISE DA PERFORMANCE VARIANDO A EXPANSÃO ATRAVÉS DE UMA VÁLVULA MICROMÉTRICA NO REFRIGERADOR DOMÉSTICO

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1 ANÁLISE DA PERFORMANCE VARIANDO A EXPANSÃO ATRAVÉS DE UMA VÁLVULA MICROMÉTRICA NO REFRIGERADOR DOMÉSTICO Luiz Henrique Pinheiro de Lima 1 ; Marcos Silva Aquino; Francisco Paulino Silva.; Francisco Assis Oliveira Fontes.; Cleiton Rubens Formiga Barbosa.: Thiago Felix Santos.; Caroliny Minely Santos.; Jonata Nascimento Silva Engenharia Mecânica e Têxtil UFRN RESUMO Os refrigeradores de uso doméstico são equipamentos que apresentam uma parcela significativa do consumo de energia elétrica nas residências brasileiras. O presente trabalho objetivo importância da influência das condições de restrição do dispositivo de expansão sobre a performance de um refrigerador. Buscase avaliar a eficácia da substituição do tubo capilar por uma válvula micrométrica de agulha instalada em série, mantendo aproximadamente 25% do tubo capilar original, no desempenho de um refrigerador comercial, projetado para funcionamento com gás R134a. A combinação de calibração da válvula, testada em três posições distintas, irá expandir ou restringir o orifício do dispositivo em relação ao tubo capilar original. Foram monitorados os parâmetros de potência elétrica, pressões de condensação e evaporação, temperaturas ao longo do circuito em ensaios de abaixamento de temperatura. Os resultados mostram que a correlação entre a restrição na expansão e a carga de refrigerante (mantida em 210 g pode fornecer consumo de energia elétrica (cerca de 5% superior no é aceita pela estatística e uma eficiência na redução tempo de resfriamento (cerca de 50% melhor no compartimento interno do refrigerador, influenciando sensivelmente os parâmetros de desempenho do ciclo termodinâmico de refrigeração. Palavraschave: Refrigerador. Válvula de Expansão. Desempenho. R134a. 7651

2 INTRODUÇÃO Considerase que, no mundo moderno, devido ao aquecimento global, há cada vez mais a necessidade de eficiência nos sistemas energéticos e, em particular, nos de refrigeração e condicionamento de ar, desta forma, buscase formas eficientes para se evitar o desperdício de energia. O desafio do presente trabalho é investigar no desempenho de um refrigerador, ajustando a expansão para as condições atmosféricas locais e introduzindo uma válvula de expansão micrométrica no ciclo de refrigeração para possibilitar a variação da queda de pressão entre o condensador e o evaporador, sem perder o efeito regenerador de subresfriamento na saída do condensador e de superaquecimento na saída do evaporador. Para isso, o refrigerador foi ensaiado na condição original e depois modificada para diferentes cargas térmicas, sendo avaliados os parâmetros de operação, o consumo de energia e o coeficiente de performance (COP. MATERIAIS E MÉTODOS Bancada experimental: A bancada de testes é um refrigerador de pequeno porte tipo expositor e funciona com uma carga de 210g do refrigerante R134a. Com base na norma NBR (1993, sensores de temperatura, pressão, etc., foram inseridos estrategicamente ao longo do circuito frigorífico da bancada de testes de modo a possibilitar o mapeamento térmico e avaliação dos parâmetros de desempenho do ciclo frigorífico. Válvula de expansão micrométrica: Para atender a proposta do presente trabalho, o tubo capilar original foi substituído por uma válvula de expansão com ajuste micrométrico (VEM. Sua haste dispõe de um mecanismo do tipo tambor com escala micrométrica, para o controle preciso do fluxo de refrigerante. Instrumentos de medição e monitoramento: Para investigação do desempenho do refrigerador de testes, nas diferentes configurações de ensaio, foram empregados transdutores de pressão digital, termopares do tipo J, potenciômetro digital, etc. Para a medição da potência elétrica consumida pelo motor de acionamento do compressor hermético foi empregado um medidor de potência (wattímetro marca Minipa, modelo ET4090. Em todas as medições de temperatura foi utilizado termopares tipo J, de acordo com a norma NBR Para umidade relativa do ar foi utilizado o termohigrômetro Testo 608 H2. A carga do fluido 7652

3 refrigerante R134a foi aplicada gradualmente utilizando a balança digital Sartorius de precisão, modelo CP34001S, carga máxima de 34 kg e resolução de 0,1 g. O Refrigerador foi equipado com sistema de aquisição de dados NIDAQmx, da marca National Instruments e a configuração feita através do software VI Logger, para medição e registro das temperaturas e pressões das condições operacionais do sistema de refrigeração. O procedimento experimental desta pesquisa é realizado em duas etapas: a Ensaio de Referência do Refrigerador com Tubo capilar (TC Na sua configuração original utilizando o R134a (210 g e óleo POE como lubrificante. O mapeamento térmico do refrigerador nestas condições serve de comparação com os ensaios de desempenho da bancada de teste funcionando com à VEM. Os ensaios de Referência foram realizados para cargas térmicas de 40 watts e 80 watts, respectivamente. b Ensaio do Refrigerador com Válvula de Expansão Micrométrica de ajuste manual (VEM O tubo capilar original é substituído pela VEM, utilizando também o R134a (210 g e óleo lubrificante POE. Foram estudados nesta etapa 04 ajustes da pressão de evaporação, doravante denominada as de VEM1, VEM2, VEM3 e VEM4, para cada carga térmica 40 watts e 80 watts, respectivamente. Os pontos de operação do refrigerador com dispositivo de expansão tipo VEM foram definidos de modo a realizar uma varredura em torno do funcionado com tubo capilar original. O Quadro 1 os testes de desempenhos, onde cada ensaio de desempenho do refrigerador, descrito anteriormente, foi repetido 3 vezes e considerados a média das grandezas de interesse para estimativa dos parâmetros de performance e obtenção dos diagramas de Mollier do ciclo frigorífico correspondente. Quadro 1 Testes de desempenho com carga térmica de 40 e 80 ( W. Fonte: Autor (2015. Os parâmetros medidos durante os ensaios foram coletados com o uso do sistema de aquisição de dados computadorizado. Posteriormente, com auxílio do 7653

4 software Coolpack, foram determinados os parâmetros de avaliação de desempenho do refrigerador de testes: coeficiente de desempenho (COP, calor absorvido no evaporador, calor dissipado no condensador, trabalho de compressão, dentre outros. O primeiro grupo de variáveis de medição para as temperaturas distribuídas em pontos estabelecido por norma, fezse uso do sistema de aquisição NI cdaqmx por dispor de elementos de transdução capazes de gerar uma variável de amostragem correspondente a um sinal analógico variável de medição. No segundo grupo, a aquisição de dados de potência elétrica do compressor e dos ventiladores (convecção da câmara fria e da torre de condensação foi realizada mediante conexão do wattímetro ao computador via cabo USB e dados foram registrados através de software fornecido pelo fabricante, Bs15x Data Logging Systems.O terceiro grupo foi empregado transdutores de pressão cuja natureza do sinal gerado é compatível com a aquisição de dados aquisição NIDAQmx e assim foi feita a medida para pressões de alta e pressão de baixa do sistema de refrigeração. RESULTADOS E DISCURSSÕES Perfis de temperatura do Refrigerador As Figuras de 1 a 5 mostram os perfis de temperatura em função do tempo para o refrigerador funcionando com carga térmica de 40 W em testes padronizados de decaimento de temperatura. As Figuras de 6 a 10 mostram os perfis de temperatura em função do tempo para o refrigerador funcionando com carga térmica de 80 W. Em todos os ensaios o regime permanente foi estabelecido após transcorrido o período de tempo de aproximadamente 02 horas. Em regime permanente, foram registradas as temperaturas e pressões do circuito frigorífico e estimados os coeficientes de desempenho (COP do refrigerador que são apresentados nas Tabelas 1 e 2. A partir destes dados foram plotados no software COOLPACK os diagramas pressão versus entalpia (Pxh do refrigerador para os ensaios de decaimento de temperatura com cargas térmicas de 40 W ou 80 W. A válvula de expansão micrométrica (VEM ajustada nas posições VEM1 e VEM4 corresponde a maior e menor perda de carga imposta ao fluxo de refrigerante R134a, respectivamente. A análise dos perfis de temperatura do refrigerador funcionando com carga térmica de 40 W e em diferentes pressões de evaporação mostra que quanto menor a pressão do evaporador, isto é, quanto maior é a perda de carga imposta pelo 7654

5 elemento de expansão ao fluido refrigerante menor é a temperatura de evaporação do refrigerante (T8. Para o refrigerador funcionando com válvula de expansão micrométrica ajustada na posição VEM1 e carga térmica de 40 W foi obtida a menor temperatura da câmara fria Tcf = 8,7 0 C. Fonte: Autor (2015. Fonte: Autor (

6 Fonte: Autor (2015. De forma análoga, a análise dos perfis de temperatura do refrigerador funcionando com carga térmica de 80 W e em diferentes pressões de evaporação mostra que quanto menor a pressão do evaporador, isto é, quanto maior é a perda de carga imposta pelo elemento de expansão ao fluido refrigerante menor é a temperatura de evaporação do refrigerante (T8. Para o refrigerador funcionando com válvula de expansão micrométrica ajustada na posição VEM1 e carga térmica de 80 W foi obtida a menor temperatura da câmara fria Tcf = 6,2 0 C. Fonte: Autor (

7 Fonte: Autor (2015 Fonte: Autor (2015 As Tabela 1 e 2 apresentam para o regime permanente o mapeamento térmico e o desempenho termodinâmico do refrigerador dos ensaios padronizados de decaimento de temperatura funcionando com R134a e carga térmica de 40W ou 80W, respectivamente, e em diferentes pressões de evaporação. O refrigerador foi testado inicialmente com o tubo capilar original (TC ou com válvula de expansão de ajuste micrométrico (VEM, nas seguintes condições: (TC, VEM1, VEM2, VEM3, VEM4 para carga térmica de 40 W. A Tabela 1 apresenta o comportamento termodinâmico do refrigerador funcionando com carga térmica de 40 W e em diferentes pressões de evaporação. Os resultados mostram que o coeficiente de desempenho (COP do refrigerador cresce com o aumento da pressão do evaporador. A variação do COP observada é decorrente principalmente da redução do trabalho de compressão promovida pela elevação da pressão de evaporação. Também foi possível observar a correlação diretamente proporcional entre a pressão e a temperatura de saturação do R134a no evaporador e no condensador. A válvula 7657

8 de Expansão Micrométrica (VEM funcionou de forma bastante satisfatória permitindo ajustar com precisão da pressão do evaporador para o funcionamento do refrigerador com carga térmica de 40 W. O melhor desempenho do refrigerador para carga térmica de 40 W apresentou COP = 2,94 e foi obtido com a válvula de expansão micrométrica ajustada na posição VEM4, representando um acréscimo de 11,2% em relação ao COP do refrigerador funcionando com o tubo capilar (TC. Tabela 1 Ensaio de decaimento de temperatura com carga térmica 40 W DISPOSITIVO DE EXPANSÃO T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 P1 P2 Tcf C0P ( C (ba r (ba r ( C [Ad m.] VEM 1 0,9 27, 3 53, 9 49, 5 40, 4 36, 8 16, 8 21, 8 1,1 10, 3 8,7 2,42 VEM 2 0, 4 27, 4 53, 7 49, 6 40, 3 35, 6 16, 9 21, 5 1,2 10, 3 8,5 2,50 TC 0,7 27, 6 53, 8 49, 7 40, 2 35, 6 17, 0 21, 3 1,3 10, 2 8,4 2,61 VEM 3 2,9 28, 0 53, 2 49, 2 40, 2 35, 4 16, 8 19, 5 1,4 10, 1 5,8 2,73 VEM 4 5,0 28, 2 54, 9 50, 6 39, 4 34, 7 13, 8 16, 2 1,6 10, 0 5,6 2,94 Fonte: Autor (2015. Na segunda fase, o refrigerador foi testado com tubo capilar original (TC ou com válvula de expansão de ajuste micrométrico (VEM, nas seguintes condições: (TC, VEM1, VEM 2, VEM 3, VEM4 para carga térmica de 80 W (Tabela 2. A Tabela 2 apresenta o comportamento termodinâmico do refrigerador funcionando com carga térmica de 80 W e em diferentes pressões de evaporação. Os resultados mostram que o coeficiente de desempenho (COP do refrigerador cresce com o aumento da pressão do evaporador. A variação do COP observada é decorrente principalmente da redução do trabalho de compressão promovida pela elevação da pressão de evaporação. Também foi possível observar a correlação diretamente proporcional entre a pressão e a temperatura de saturação do R134a no evaporador e no condensador. A válvula de Expansão Micrométrica (VEM funcionou de forma bastante satisfatória permitindo ajustar com precisão da pressão do evaporador para o funcionamento do refrigerador com carga térmica de 80 W. 7658

9 O melhor desempenho do refrigerador para carga térmica de 80 W apresentou COP = 3,09 e foi obtido com a válvula de expansão micrométrica ajustada na posição VEM4, representando um acréscimo de 11,6% em relação ao COP do refrigerador funcionando com o tubo capilar (TC. Tabela 2 Ensaio de decaimento de temperatura com carga térmica 80 W Fonte: Autor (2015. A Figura 13 mostra o diagrama Ph do R134a relativo aos ensaios de decaimento de temperatura do refrigerador funcionando com diferentes pressões de evaporação e com carga térmica de 40 W. Figura 13 Diagrama Ph com Carga Térmica de 40 W. 7659

10 A Figura 14 mostra o diagrama Ph do R134a relativo aos ensaios de decaimento de temperatura do refrigerador funcionando com diferentes pressões de evaporação e com carga térmica de 80 W. Figura 14 Diagrama Ph do refrigerador com carga térmica de 80 W. 7660

11 CONCLUSÕES Após a realização da presente pesquisa experimental, podese concluir que: A válvula de expansão micrométrica (VEM selecionada na pesquisa funcionou de forma bastante satisfatória permitindo ajustar com precisão a pressão de saturação do refrigerante R134a no evaporador, para o refrigerador funcionando em diferentes cargas térmicas; A variação da perda de carga imposta ao R134a através válvula de expansão micrométrica (VEM modifica substancialmente a temperatura de evaporação do fluido refrigerante, influenciando sensivelmente os parâmetros de desempenho do ciclo termodinâmico de refrigeração; O melhor coeficiente de desempenho (COP foi 3,09 obtido com o refrigerador funcionando com válvula de expansão micrométrica ajustada na posição VEM4 e carga térmica de 80 W; A menor temperatura da câmara fria (Tcf foi 8,7 0 C com o refrigerador funcionando com válvula de expansão micrométrica ajustada na posição VEM1 e carga térmica de 40 W; A utilização de válvula de expansão eletrônica capaz de otimizar, para cada condição de funcionamento do refrigerador, a pressão de evaporação ou o superaquecimento do fluido refrigerante R134a, deverá contribuir para a maior eficiência energética do ciclo termodinâmico. REFERÊNCIAS ALMEIDA, Igor Macel Gomes. Desempenho comparativa entre r290/r600a (50:50 e r134a para dropin em refrigerador doméstico f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, ALMEIDA, M. S. V. Modelamento matemático de um sistema de refrigeração por compressão em regime permanente, com análise de dois tipos de controle de temperatura f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica. Universidade de Campinas, Campinas, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12863: Câmaras de ensaios para refrigeradores, congeladores, combinados e aparelhos similares de uso doméstico construção e controle Padronização. São Paulo,

12 . NBR 12866: Refrigeradores, congeladores, combinados e aparelhos similares de uso doméstico Instrumentos de medição Especificação. São Paulo, NBR : Expositores refrigerados: Classificação, requisitos e condições de ensaio. Rio de Janeiro, BOENG, Joel. Uma metodologia para seleção do par tubo capilar carga refrigerante que maximiza o desempenho de refrigeradores domésticos f. Dissertação (Mestrado Engenharia Mecânica Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, ÇENGEL, YUNUS A.; BOLES, MICHAEL A. Termodinâmica. 5.ed. São Paulo: McGrawHill, CHOI, J. M.; KIM, Y. C. Capacity modulation of an inverter driven multi air conditioner using electronic expansion valve. Energy, v.28, p , DHUMAL, A. H.; DANGE, H. M. Investigation of influence of the various expansion devices on the performance of a refrigerator using R407c refrigerant. International Journal of Advanced Engineering Technology, v. 5, p. 9699, MARTINELLI, L. C. Departamento de Engenharia Mecânica: Apostilas de Refrigeração e ArCondicionado. UNIJUÍ (Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, PAZ ALEGRIAS, J. G. Análise de desempenho do tubo capilar num sistema de refrigeração de pequeno porte com variação da velocidade do compressor f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, STOECKER, W. F., JONES, J. W. Refrigeração e arcondicionado. São Paulo: McGraw Hill, YANG, L.; WANG, W. A generalized correlation for the characteristics of adiabatic capillary tube. International Journal of Refrigeration, v. 3I, p ,

13 PERFORMANCE ANALYSIS VARYING EXPANSION THROUGH A MICROMETRIC VALVE IN DOMESTIC REFRIGERATORS Luiz Henrique Pinheiro de Lima 1 ; 1 Mestrando em Engenharia Mecânica; 1 ABSTRACT the refrigerators are devices that have a significant share of electricity consumption in Brazilian homes. This experimental research aims to investigate the sensitivity of the performance of a refrigerator parameters operating with R134a and different evaporation pressures. Thus, a small refrigerator was instrumented with sensors for temperature, pressure and other variables of interest, installed along the refrigerant circuit, so as to allow thermal mapping and evaluation of equipment performance parameters. The variation of pressure loss in the fluid resulting from refrigerant actuation of the fine adjustment expansion valve modifies the evaporation temperature substantially influencing the cooling thermodynamic cycle performance parameters. Keywords: Refrigerators. Expansion valve. Performance. R134a. 7663