Um modelo em linguagem modelica para análise térmica de compressores recíprocos

Abstract

Compressores alternativos herméticos são amplamente utilizados em várias aplicações, especialmente em sistemas de refrigeração doméstica. O estudo das trocas térmicas entre os componentes desses compressores é fundamental para identificar possíveis causas de ineficiência e desenvolver novas tecnologias para o aumento de suas eficiências. Simulações numéricas são ferramentas frequentemente utilizadas para realizar esse tipo de análise de forma rápida e eficiente, reduzindo o tempo necessário para o projeto de compressores de alta eficiência. No entanto, o desenvolvimento desses modelos pode ser complexo, com a necessidade de implementar algoritmos de solução complicados. A presente dissertação descreve a implementação de uma biblioteca usando a linguagem Modelica com o objetivo de facilitar o desenvolvimento de modelos de simulação térmica de compressores. A biblioteca inclui os principais elementos necessários para construir modelos e simular as trocas de calor entre os componentes de compressores. No desenvolvimento da biblioteca térmica foram utilizadas a biblioteca padrão Modelica, a biblioteca ExternalMedia, responsável pelo cálculo das propriedades termodinâmicas dos fluidos refrigerantes, e a biblioteca Design disponível no ambiente de simulações Dymola para a calibração dos modelos elaborados. A biblioteca foi adotada para o desenvolvimento de dois modelos de simulação térmica, um detalhado e um simplificado. O modelo detalhado é adequado para análise do desempenho termodinâmico de compressores e o modelo simplificado permite avaliar a temperatura do motor para fins de proteção térmica. Os modelos foram calibrados e validados com dados experimentais obtidos da literatura e de medições realizadas no presente estudo. Verificou-se que ambos os modelos permitem prever com acurácia satisfatória as temperaturas do compressor em diferentes condições de operação, tais como velocidade e temperaturas de evaporação e de condensação. A calibração do modelo detalhado, realizado com um conjunto de dados que inclui medições de temperatura em cada velocidade de operação, apresentou desvios máximos de 8,9 °C. Já o modelo simplificado, calibrado em duas condições de operação do compressor em velocidades diferentes, demonstrou resultados com um desvio máximo de 10,7 °C.

Abstract: Hermetic reciprocating compressors are widely used in various applications, especially in household refrigeration systems. The study of heat transfer between the components of these compressors is crucial to identify inefficiencies and develop new technologies aimed at increasing their efficiency. Numerical simulations are frequently used to carry out this type of analysis quickly and effectively, reducing the time required for the design of high-efficiency compressors. However, the development of these models can be complex, often requiring the implementation of cumbersome solution algorithms. This dissertation describes the implementation of a library using the Modelica language to simplify the development of thermal simulation models for compressors. The library includes the main elements necessary to build models and simulate heat transfer between compressor components. In the development of the thermal library, the Modelica standard library was used, as well as the ExternalMedia library, responsible for calculating the thermodynamic properties of refrigerant fluids, and the Design library available in the Dymola simulation environment for model calibration. The library was adopted to develop two thermal simulation models, a detailed one and a simplified one. The detailed model is suitable for analyzing the thermodynamic performance of compressors, while the simplified model predicts the motor temperature for thermal protection purposes. The results of the models were calibrated and validated through comparisons with experimental data from the literature and measurements made in the present study. It was found that both models accurately predict the compressor temperatures under different operating conditions, such as motor speed and evaporating and condensing temperatures. The calibration of the detailed model, carried out with a dataset that includes temperature measurements at each operating speed, showed maximum deviations of 8.9 °C. On the other hand, the simplified model, calibrated under two different compressor operating conditions at different speeds, exhibited results with a maximum deviation of 10.7 °C.