Um estudo sobre a seleção da carga de fluido refrigerante e restrição do dispositivo de expansão em refrigeradores domésticos de um compartimento

Abstract

Este estudo apresenta um conjunto de procedimentos para a seleção automática do par carga de refrigerante e restrição do tubo capilar em refrigeradores domésticos de um compartimento. Inicialmente, é apresentada uma metodologia experimental para o processo automático de inserção de carga de refrigerante, com incerteza máxima de ±0,3g, e para a modulação da restrição do dispositivo de expansão, com incerteza de ±7,2% no diâmetro de um tubo capilar equivalente. Foram realizados experimentos para mapear o consumo de energia, em um refrigerador doméstico, variando a carga de refrigerante e a restrição do dispositivo de expansão, em regime permanente e periódico cíclico. Os resultados indicam que uma combinação que resulta em um grau de superaquecimento não nulo e inferior a 4°C, em regime permanente, minimiza o consumo de energia em ambos os modos de operação. Testes de pulldown indicam que essa mesma combinação resulta no melhor compromisso entre tempo de pulldown e pico de potência do compressor. Um modelo do sistema em regime permanente, considerando a carga de refrigerante e o diâmetro do tubo capilar como entradas, é apresentado. O modelo previu o consumo de energia com uma banda de erro de ±5%, em relação ao experimento, para 50 de 51 testes. Uma análise de incertezas baseada em modelo indica que se deve evitar um ajuste de carga e capilar que resulte em um grau de superaquecimento inferior a 3°C, devido à tolerância de fabricação no diâmetro do tubo capilar. Essa análise, também, indica que a incerteza no processo automático de carga de refrigerante é irrelevante no desempenho do sistema, porém a incerteza no diâmetro equivalente do capilar deve ser tratada com a validação do tubo capilar calculado e, eventualmente, um segundo ajuste. Por fim, é proposto um método, robusto para diferentes refrigeradores e incertezas do procedimento, para seleção automática do par carga de refrigerante e tubo capilar.

Abstract: This study presents a set of procedures for selecting refrigerant charge and capillary tube in single-compartment domestic refrigerators. An experimental method is introduced for automatic refrigerant charging, achieving an uncertainty of ±0.3g, and for adjusting the expansion device with a ±7.2% uncertainty in its equivalent diameter. Energy consumption tests were carried out on a domestic refrigerator under steady-state and on-off compressor operation for various refrigerant charge and expansion restriction combinations. The results showed that the lowest energy consumption in both modes occurred with combinations that correspond to a non-null superheating degree below 4°C under steady-state operation. Additionally, pulldown tests revealed that these combinations also provide the best trade-off between pulldown time and compressor power peak. A system model, using refrigerant charge and capillary diameter as inputs, predicted energy consumption with a ±5% margin of error in 50 out of 51 tests. A model-based uncertainty analysis advised against using refrigerant charge and capillary tube combinations that result in a superheating degree below 3°C, due to manufacturing tolerance in the capillary tube diameter. This analysis also showed that the uncertainty in automatic refrigerant charging has minimal impact on system performance. However, the equivalent diameter uncertainty requires verifying the calculated capillary tube and potentially making a second adjustment. Finally, the study proposes a robust method for automatic selection of refrigerant charge and capillary tube, taking into account variations in refrigerator models and procedural uncertainties.