Um estudo sobre o uso simultâneo de dispositivos de expansão e compressores de ação variável em refrigeradores domésticos

Abstract

Este trabalho foi desenvolvido no Instituto Nacional de Ciências e Tecnologia em Refrigeração e Termofísica (INCT POLO) pertencente ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina em parceria com a Embraco Electronic and Control (EECON), pertencente à Whirlpool S.A. O trabalho consiste em um estudo sobre o uso de dispositivos de compressão e expansão variáveis em refrigeradores domésticos. Busca-se verificar nesses refrigeradores os mesmos ganhos obtidos em refrigeradores comerciais e em bancadas de testes com o uso desses dispositivos variáveis. Um sistema de refrigeração doméstica dotado de compressor de rotação fixa e apenas tubo capilar na expansão foi utilizado como sistema de referência. O primeiro passo foi substituir o compressor original por um compressor de capacidade variável (VCC). O segundo passo foi instalar uma válvula em série com um tubo capilar redimensionado na expansão do sistema. Foram desenvolvidos dois controladores SISO (“single input single output”) para controlar a temperatura do congelador através da rotação do compressor e o grau de superaquecimento no evaporador através da abertura da válvula. A cada modificação realizada no sistema foram realizados testes de desempenho. O compressor VCC mostrou pior capacidade do que o fixo quando operando na mesma rotação, entretanto, como o VCC consegue se adequar à carga térmica, ele apresenta melhor resultado em termos de consumo de energia quando devidamente controlado. A válvula de expansão apresentou bom desempenho para alterar o superaquecimento no evaporador, porém o sistema apresentou pior desempenho do que quando utilizado o tubo capilar. Ao final foi realizada a análise de um sistema originalmente equipado com VCC e tubo capilar a fim de se verificar o real potencial no uso de válvula de expansão. Os resultados mostram que o sistema com tubo capilar apresenta bom comportamento nas condições da norma utilizada para avaliar o consumo de energia.

This work was developed in the National Institute of Sciences and Technology in Refrigeration and Thermo physics (INCT POLO) which belongs to the Mechanical Engineering Department of Federal University of Santa Catarina. It was developed in association with Embraco Electronic and Control (EECON) that belongs to Whirlpool S.A. The present work is a study about using variable compression and expansion devices in household refrigeration systems. In this study it’s tried to check in these refrigerators the same gains obtained in commercial refrigerators and in purpose-built test facilities using these variable devices. Household system refrigeration equipped with a constant speed compressor and just a capillary tube in the expansion was used as baseline. The first step was to replace the original compressor by a variable capacity compressor (VCC). The second step was to install a valve in series with a resized capillary tube in the system’s expansion. It was developed two SISO (single input single output) controllers to control the freezer temperature by the compressor speed and the evaporator superheat by the valve opening. For each system modification, performance tests were carried out. The variable speed compressor showed worse capacity than the constant speed compressor when they operated at the same speed. However the variable speed compressor can adapt itself to different thermal load conditions, therefore it results in lower energy consumption when correctly controlled. The expansion valve had good performance to change the evaporator superheat. But the system with valve had worse performance then the system with capillary tube. At the end it was realized an analysis about a system with variable speed compressor and capillary tube. The objective is to study the real potential of the expansion valve. The tests showed that system with capillary tube has good behavior below the standard conditions to evaluate the energy consumption.