Projeto e construção de uma bomba de calor a CO2 operando em ciclo transcrítico e modelagem dinâmica do conjunto evaporador solar-válvula de expansão

• Main Author: Ralney Nogueira de Faria
• Other Authors: Luiz Machado
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Minas Gerais 2013
• Online Access: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9AQGAF

=== Recently, the interest for natural fluids has increased by industry and scientific community as a way of replacing the traditional CFCs and HCFCs. Then, the CO2 presents itself as one of the most promising alternatives especially in heat pumps for residential water heating. In this work, it was developed a theoretical and experimental investigation of the dynamic behavior of the CO2 heat pump's solar evaporator and expansion valve, operating in transcritical mode, used to heat water for residential use. The CO2 presents peculiar thermodynamic properties that directly influence the dynamic behavior of systems that use it primarily as refrigerant in relation to parameters such as convective coefficient and pressure loss. Heat pumps, operating with solar evaporators, have higher COP than traditional pumps, and parameters, such as, solar radiation, ambient temperature, collector area and fluid refrigerant affect the thermal efficiency of these systems. Mathematical models for the solar evaporator and expansion valve were developed using the equations of conservation of mass, momentum, energy and correlations drawn from the literature developed exclusively for CO2. The results obtained from the models of the solar evaporator and expansion valve were compared with the experimental results in a prototype built with data got from literature. Measurements of temperature and pressure allowed the determination of temperature profile that were then compared to the values obtained by using the model. The comparative study concluded that the developed model presents as a useful tool for analyzing the dynamic behavior of the heat pump. === Recentemente, o interesse pelos fluidos naturais tem aumentado por parte das indústrias e comunidade cientifica como forma de substituição aos tradicionais CFCs e HCFCs. O CO2 apresenta-se, então, como uma das alternativas mais promissoras principalmente em bombas de calor para aquecimento de água residencial. Neste trabalho, desenvolveu-se uma análise teórica e investigação experimental do comportamento dinâmico do conjunto evaporador solar-válvula de expansão de uma bomba de calor de CO2 operando em modo transcrítico a ser utilizada no aquecimento de água para uso residencial. O CO2 apresenta propriedades termodinâmicas peculiares que influenciam diretamente no comportamento dinâmico dos sistemas que o utilizam como fluido refrigerante principalmente em relação a parâmetros como: coeficiente convectivo e perda de pressão. Bombas de calor operando com evaporadores solares apresentam COP mais elevados do que as bombas tradicionais, e parâmetros como a radiação solar, temperatura ambiente, área do coletor e o fluido refrigerante influenciam diretamente a eficiência térmica desses sistemas. Modelos matemáticos para o evaporador solar e válvula de expansão foram desenvolvidos utilizando-se das equações de conservação de massa, quantidade de movimento, energia e de correlações extraídas da literatura desenvolvidas exclusivamente para o CO2. Os resultados obtidos através dos modelos do conjunto evaporador solar-válvula de expansão foram comparados aos resultados obtidos experimentalmente num protótipo construído com dados obtidos na literatura. Medições relativas a temperatura e pressões permitiram a avaliação do perfil de temperatura que foram comparados em relação aos valores alcançados pelo uso do modelo. O estudo comparativo permitiu concluir que o modelo desenvolvido apresenta-se como uma ferramenta bastante útil para análise do comportamento dinâmico da bomba de calor.