Implementação de um modelo matemático para simulação de um condicionador de ar de múltiplos evaporadores

Abstract

O avanço do consumo energético no Brasil tem sido uma tendência marcante ao longo das últimas décadas. Impulsionado pelo desenvolvimento de tecnologias, crescimento populacional e aumento do padrão de vida, o país experimenta um aumento significativo na demanda energética. Esse crescimento apresenta desafios consideráveis, tanto do ponto de oferta energética quanto dos impactos ambientais. Segunda a Empresa de Pesquisa Energética (2018), os sistemas de refrigeração e condicionamento de ar são responsáveis por 17% do consumo de energia elétrica do planeta, dos quais 85% são destinados ao resfriamento de áreas comerciais e residenciais. O avanço tecnológico e a adoção de práticas eficientes neste campo têm o potencial de reduzir consideravelmente o consumo de energia, proporcionando benefícios tanto ambientais quanto econômicos. Nesse sentido, condicionadores de ar de múltiplos evaporadores vem sendo utilizados em aplicações residenciais, comerciais e veiculares. Nesses sistemas, o fluxo de fluido refrigerante através de cada evaporador é variável (VRF - Variable Refrigerant Flow) e controlado através da abertura das válvulas de expansão e da variação da rotação do compressor, permitindo atender cargas térmicas específicas de cada ambiente e incorrendo em maior eficiência, principalmente em condições de carga parcial. O presente trabalho tem como objetivo principal a implementação de um modelo matemático para simulação de um condicionador de ar de múltiplos evaporadores, baseado na aplicação das equações de conservação da massa e da energia em volumes de controle que representam os componentes do sistema. O modelo foi validado com dados experimentais e utilizado para um estudo paramétrico. Observou-se que ao elevar a temperatura do ar externo gerou reduções no COP de 33% e 4,3%, respectivamente, quando a temperatura do ar externo é elevada de 23,0°C para 35,0°C e quando a temperatura do ar de retorno em um dos evaporadores é reduzida de 31,0°C para 27,0°C, mantendo se a temperatura de retorno do outro evaporador igual a 31,0°C.

The advancement of energy consumption in Brazil has been a striking trend over the past decades. Driven by technology development, population growth and rising living standards, the country has experienced a significant increase in energy demand. This growth presents considerable challenges, both from the point of view of energy supply and environmental impacts. According to Empresa de Pesquisa Energética (2018), refrigeration and air conditioning systems are responsible for 17% of the planet’s electricity consumption, of which 85% is for cooling commercial and residential areas. Technological advancement and the adoption of efficient practices in this field have the potential to considerably reduce energy consumption, providing both environmental and economic benefits. In this sense, multiple evaporator air conditioners have been used in residential, commercial and vehicular applications. In these systems, the refrigerant flow through each evaporator is variable (VRF - Variable Refrigerant Flow) and controlled by opening the expansion valves and varying the compressor speed, allowing to meet specific thermal loads of each environment and incurring in greater efficiency, especially in partial load conditions. The present work has as main objective the implementation of a mathematical model for simulation of a multiple evaporator air conditioner, based on the application of the equations of conservation of mass and energy in control volumes that represent the components of the system. The model was validated with experimental data and used for a parametric study. It was observed that raising the outdoor air temperature generated reductions in COP of 33% and 4.3%, respectively, when the outdoor air temperature is raised from 23.0°C to 35.0°C and when the return air temperature in one of the evaporators is reduced from 31.0°C to 27.0°C, keeping the return temperature of the other evaporator equal to 31.0°C.