Dimensionamento de compressores lineares para aplicação em freezers de temperatura ultrabaixa para armazenamento de vacinas

Abstract

Com o incremento na utilização de refrigeradores de temperatura ultra baixa (ULT) devido à necessidade de armazenar e transportar as vacinas produzidas para combater a doença COVID-19, somado ao elevado consumo energético de sistemas de refrigeração no geral, surge o interesse em fabricar equipamentos ULT que sejam mais eficientes energeticamente e sustentáveis. Nesse contexto, são propostos dois compressores lineares para serem aplicados em um sistema refrigerador ULT cascata de dois estágios que utiliza os fluidos R-170 e R-290, como substituição ao uso de compressores alternativos convencionais que, devido ao seu mecanismo de transformação de movimento rotacional em alternativo, possuem perdas energéticas consideráveis. Para esse fim, os compressores lineares foram modelados numericamente, tendo suas características termodinâmicas, elétricas e mecânicas validadas através de dados na literatura. O modelo numérico apresentou curvas de corrente, deslocamento e força magnética similares em fase e amplitude às curvas apresentadas na literatura, com erros menores a 9% em magnitude. Na aplicação no refrigerador ULT, foi obtido um coeficiente de performance de 0,94 para o sistema, sendo que o compressor empregado no estágio de baixa temperatura apresentou uma eficiência global de 89% e o compressor do estágio de alta temperatura mostrou uma eficiência global de 90%.

With the increased use of ultra-low temperature (ULT) refrigerators due to the need to store and transport vaccines produced to combat COVID-19, coupled with the high energy consumption of refrigeration systems in general, there is a need to develop more energy-efficient and sustainable ULT equipment. In this context, two linear compressors are proposed for use in a two stage ULT refrigerator utilizing R-170 and R-290 fluids, as a replacement for conventional reciprocating compressors, which have significant energy losses due to their mechanism of converting rotational motion into reciprocating movement. To achieve this objective, the linear compressors were modeled numerically, with their thermodynamic, electrical, and mechanical characteristics validated using data from the literature. The numerical model showed current, displacement, and magnetic force curves that were similar in phase and amplitude to the ones presented in the literature, with errors smaller than 9% in magnitude. When applied to the ULT refrigerator, a coefficient of performance of 0.94 was obtained for the system, with the compressor used in the low-temperature stage having an overall efficiency of 89%, and the compressor in the high-temperature stage showing an overall efficiency of 90%.