Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-16T03:01:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2015 / Atualmente, os avanços na área de eletrônica de potência popularizaram o uso de inversores de frequência para redução da rotação do compressor em sistemas de condicionamento de ar. Tal redução da velocidade do compressor, visando à adequação da carga térmica do ambiente, permite uma menor potência de compressão, um aumento da temperatura de evaporação e uma redução da temperatura de condensação, garantindo um maior coeficiente de performance do sistema (COP) e uma menor variação de temperatura do ambiente interno. Paralelamente, em resposta às restrições ambientais do uso de refrigerantes com alto GWP (Global Warming Potential), aplicações do fluido refrigerante propano (R-290) têm se tornado cada vez maior, já que o R-290 possui baixo impacto ambiental e vantagens termodinâmicas quando comparado com os fluidos mais usados R-410A e R-22. O objetivo do trabalho é desenvolver um modelo computacional que permita a análise de sistemas de condicionamento de ar através do fator de desempenho SEER. Sub-modelos foram criados para cada componente do sistema de condicionamento de ar, incluindo as linhas que os conectam. O trabalho também contribui com a avaliação de diversos aspectos que permitem a redução de massa de R-290 em condicionadores de ar. Com foco neste último objetivo, aletas periféricas foram exploradas e aplicadas no modelo. Ainda, o mapeamento das irreversibilidades foi avaliado com base no ponto de vista da segunda lei da termodinâmica para diversas características geométricas dos trocadores de calor e do mecanismo de compressão. Buscando o aperfeiçoamento do modelo, a mistura R-290/POE ISO 22 foi aplicada como fluido de trabalho. As propriedades termodinâmicas foram obtidas de relações fundamentais usando a equação de estado cúbica de Peng-Robinson. Os efeitos do óleo nos coeficientes de transferência de calor e na queda de pressão também fizeram parte da modelagem. Com o propósito de validar o modelo proposto, um calorímetro para condicionadores de ar foi construído e testado sob diversas temperaturas ambiente e rotações do compressor. Esta bancada experimental é proposta como um procedimento de testes alternativo, quando comparado com testes de condicionamento de ar padronizados. Para completar as atividades experimentais, a vazão mássica de óleo foi medida em uma bancada de avaliação de compressores adaptada a este fim. Tais medições foram aplicadas para a caracterização do sub-modelo de bombeamento de óleo do compressor. Os testes foram executados em um calorímetro de alta capacidade usando um compressor scroll com as mesmas características geométricas presentes no modelo, sob diferentes condições de operação. Foi evidenciada uma boa concordância do modelo computacional com os ensaios experimentais. O aumento da concentração do óleo provocou a redução da capacidade de refrigeração e o aumento do consumo do sistema. Ainda, foi visto que o uso de aletas periféricas possibilita uma redução da massa de mistura presente no sistema, apesar do decréscimo do fator SEER.<br> / Abstract : Currently, technical advances in the area of power electronics have enabled the more frequent use of frequency inverters for compressor speed control in air conditioning refrigerating systems. This reduction in compressor speed, aiming at controlling the cooling capacity, reduces the compression power, increases the evaporating temperature and decreases the condensing temperature, resulting in a higher coefficient of performance (COP) and a smaller fluctuation of the internal ambient temperature. At the same time, in response to environmental restrictions concerning refrigerants with high GWP (Global Warming Potential), applications using propane (R-290) are becoming more frequent, since R-290 has low environmental impact and thermodynamic advantages when compared to the most used fluids R-410A and R-22. The purpose of this study is to develop a computational model that allows the analysis of variable capacity air conditioning systems via the SEER performance factor. Sub-models were created for each component of the air conditioning system, including the connecting lines. The study also contributed with the evaluation of several aspects that permit the charge reduction of R-290 in air-conditioners. With focus on this later objective, peripheral fins heat exchangers were explored and applied in the model. Also, an analysis of the irreversibilities of the system from the second law of themodynamics point of view, considering several geometrical characteristics of heat exchangers and of the compression mechanism was carried out. In order to make the analysis more realistic, the mixture R-290/POE ISO 22 was considered as working fluid. The thermodynamic properties were obtained from a departure-function approach using the Peng-Robinson cubic equation of state. The oil effects on the heat transfer coefficients and on the pressure drop were also taken into account. In order to validate the proposed model, a air-conditioner calorimeter was constructed and tested under several ambient temperatures and compressor speed. This experimental facility is proposed as an alternative test procedure for standardized air-conditioning tests. To complete the experimental activities, the oil mass ow rate was measured in a compressor evaluation facility adapted for this purpose. These measurements were applied to characterize the compressor pumping oil sub-model. The tests were performed with a high capacity calorimeter using a scroll compressor with same geometrical characteristics simulated in the model, under different operating conditions. Good agreement was observed between the computational model and the experimental results. The increase of oil concentration resulted in a decrease of the cooling capacity and an increase of the system power input. Moreover, it has been seen that the use of peripheral fins allow a reduction of the mixture mass presented in the system, despite the decrease of the SEER factor.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/159020 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Ribeiro, Guilherme Borges |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Barbosa Junior, Jader Riso |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 259 p.| il., grafs., tabs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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