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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. Busca-se 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. Palavras-chave: Refrigerador. Válvula de Expansão. Desempenho. R134a. 22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil 7651
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ANÁLISE DA PERFORMANCE VARIANDO A EXPANSÃO ATRAVÉS DE UMA
VÁLVULA MICROMÉTRICA NO REFRIGERADOR DOMÉSTICO
Luiz Henrique Pinheiro de Lima1; 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. Busca-se 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.
Palavras-chave: Refrigerador. Válvula de Expansão. Desempenho. R134a.
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INTRODUÇÃO
Considera-se 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, busca-se 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 sub-resfriamento 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 12866 (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 ET-4090. Em todas as medições de temperatura
foi utilizado termopares tipo “J”, de acordo com a norma NBR 12866. Para umidade
relativa do ar foi utilizado o termo-higrômetro Testo 608 H2. A carga do fluido
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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 NI-DAQmx, 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
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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, fez-se 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 NI-DAQmx 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
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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 0C.
Fonte: Autor (2015).
Fonte: Autor (2015)
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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 0C.
Fonte: Autor (2015)
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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
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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)
(°C
)
(°C
)
(°C
)
(°C
)
(°C
)
(°C
)
(°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.
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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 P-h 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 P-h com Carga Térmica de 40 W .
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A Figura 14 mostra o diagrama P-h 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 P-h do refrigerador com carga térmica de 80 W.
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CONCLUSÕES
Após a realização da presente pesquisa experimental, pode-se 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 0C 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.
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PERFORMANCE ANALYSIS VARYING EXPANSION THROUGH A MICROMETRIC
VALVE IN DOMESTIC REFRIGERATORS
Luiz Henrique Pinheiro de Lima1; 1 Mestrando em Engenharia Mecânica; 1 E-mail:
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.
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