determinação da eficiência energética de um sistema bomba de calor

Tecnologia de Equipamentos de Climatização

Relatório

Determinação das Eficiências Energéticas (COP e EER) de um Sistema Bomba de Calor

RC 831 (Água/Ar) e (Água/Água)

Docente: Eng.º João Vinhas Frade

31 514 – João Baptista

31 572 – Pedro Santos

31740 – Fábio Gomes

31752 – Luís da Silva

Ano Lectivo 2010/2011 Semestre Inverno

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Índice

Resumo .............................................................................................................. 3

Introdução .......................................................................................................... 4

Métodos ............................................................................................................. 5

Material/Equipamentos ....................................................................................... 5

Procedimentos ................................................................................................... 8

Circuito Esquemático ......................................................................................... 8

Resultados ......................................................................................................... 9

Legenda ........................................................................................................ 10

Evaporação a Ar ........................................................................................... 12

Evaporação a Água ...................................................................................... 13

Comparação dos Resultados ........................................................................ 14

Conclusões....................................................................................................... 15

Anexos ............................................................................................................. 16


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Resumo

Este relatório tem, como objectivo, analisar um sistema de simulação RC

831 da P.A Hilton, de produção de frio, através de um ciclo frigorífico a R134a.

Esta análise baseia-se na determinação da potência de entrada, saída

de calor e cálculos dos coeficientes de performance e balanços energéticos

para os componentes e para todo o ciclo. Traçar as linhas de desempenho da

bomba de calor ao longo de um intervalo de temperaturas. Traçar os diagramas

do ciclo de compressão, comparando-os com o ciclo ideal. Estimativa da

eficiência volumétrica do compressor, numa gama de relações de pressão.

Todas estas características podem observar-se, avaliando os valores

obtidos nos diagramas de outputs, que são fornecidos por um computador que

estar ligado ao equipamento, que utiliza um software próprio.

A variação destes outputs é feita pela regulação manual dos caudais

(variando, assim, as temperaturas de saída e de entrada), o que faz com que

se simulem situações de diferentes condições exteriores e interiores para o

equipamento.


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Introdução

Os ciclos de compressão de fluidos frigorigéneos (neste caso, o R134a),

são a forma mais comum de produção de frio. Estes transferem o calor da zona

a ser arrefecida para uma região de temperatura mais elevada.

As Bombas de Calor podem usar este efeito para a recuperação de calor

a uma temperatura útil, para o aquecimento ou qualquer outro processo de

modernização de calor.

A função de uma bomba de calor é extrair energia térmica ao ambiente.

Para isso, apenas é necessário o ar do exterior (fonte de calor) e de um

permutador para absorver e outro para libertar o calor. O seu funcionamento é

igual ao de uma máquina frigorífica, mas com uma finalidade diferente;

enquanto a máquina frigorífica faz refrigeração, a bomba de calor faz

aquecimento, sendo que também pode fazer refrigeração.

A bomba de calor tanto pode trabalhar no Verão (refrigeração) como no

Inverno (aquecimento). Isto deve-se à existência de uma válvula de 4 vias,

responsável pela inversão do ciclo.

Fig. 1 – Ciclo Frigorífico


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Métodos

O R134a é comprimido num compressor hermético e escoa para o

condensador arrefecido a água. O calor é transferido para a água fria e o

R134a condensa para uma pressão mais elevada, que, por sua vez, passa por

uma válvula de expansão termostática.

Um switch permite direccionar o caudal do fluido em expansão para um

evaporador a ar ou a água, onde é transferido, novamente, calor e o ciclo volta-

se a repetir. Para recuperação do calor residual proveniente do compressor, a

água de refrigeração do condensador também passa por um permutador de

calor, que está na carcaça do compressor.

Todos os componentes são montados num painel de plástico.

Material/Equipamentos

Fig. 2 – Compressor / Computador (Análise de Dados)


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Fig. 3 – Permutador de Calor de Placas (evaporador a água) / Válvula de Expansão / Medidor digital de temperatura

Fig. 4 – Permutador de Calor ( Evaporador a Ar)


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Três permutadores de calor:

- A ar, evaporador de tubo;

- A água, Permutador de placas e bobinas concêntricas de água de

refrigeração do condensador.

Controlo:

- Válvulas reguladoras de caudal de água.

Caudalímetros:

- 3 de água de refrigeração do condensador, 1 caudal no evaporador e 1

caudal no R134a.

Fig. 5 – Unidade Completa (Válvulas de Regulação de Caudal)

Procedimentos

Começou-se por ligar a bomba, de maneir

e condensação a água.

Esperou-se cerca de 5 minutos para a estabilização do sistema e

interface com o software

Depois, alterou-se a evaporação de ar para água e verificou

resultados obtidos, comparando os mesmos.

Os valores analisados são referentes

(temperaturas), aos caudais e pressões indicados mais à frente n

Circuito E squemático

Ano Lectivo Semestre Inverno

se por ligar a bomba, de maneira a termos a evaporação a ar

se cerca de 5 minutos para a estabilização do sistema e

o software e anotou-se os valores obtidos nos outputs

se a evaporação de ar para água e verificou

resultados obtidos, comparando os mesmos.

Os valores analisados são referentes aos indicados

(temperaturas), aos caudais e pressões indicados mais à frente n

squemático

Fig. 6 – Esquema Unifilar da Unidade


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a a termos a evaporação a ar

se cerca de 5 minutos para a estabilização do sistema e

nos outputs.

se a evaporação de ar para água e verificou-se os

aos indicados no circuito

(temperaturas), aos caudais e pressões indicados mais à frente nas tabelas.


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Resultados

Os resultados são relativos a 8 ensaios efectuados, onde 4 são com o

evaporador a funcionar a ar e os outros 4 com o evaporador a água.

Ensaios

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10

1 13,2 72,5 44,7 11,6 14,6 16,7 49,0 14,6 16,2 12,7

2 10,4 67,8 34,7 4,1 14,3 15,4 30,1 14,8 15,9 6,9

3 12,4 68,9 34,7 4,7 14,3 16,5 36,9 14,8 15,9 6,8

4 8,50 72,6 44,6 5,6 14,1 17,7 47,0 14,7 15,9 7,4

5 14,1 70,3 34,6 -8,0 14,2 15,4 26,6 7,30 16,3 9,6

6 15,3 70,3 28,3 -2,3 14,5 15,3 26,6 7,30 16,3 11,0

7 -4,20 66,6 29,0 -2,4 14,8 19,4 25,2 0,90 16,2 11,4

8 -8,7 64,3 28,9 -6,9 14,8 15,3 24,2 9,20 16,0 11,8

Tendo como base estes valores, calculou-se o calor cedido pelo R134a

no condensador (h2;h3), o trabalho realizado pelo compressor (h1;h2) e o calor

cedido no evaporador (h4;h1).

Estes valores serão calculados para todos os ensaios, e comparados

entre si, tendo em conta se o evaporado está a funcionar a Ar ou a Água.

Fig. 7 – Componentes e Pontos do Ciclo Frigorí fico


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Legenda

�� = Caudal de fluido frigorigéneo

�� = Caudal de água que circula pelo evaporador

�� = Caudal de água que circula pelo compressor e pelo condensador

� = Pressão no evaporador

� = Pressão no condensador

�� = Potência do Compressor

� é��,á�� = 4,18 kJ/kG℃

Todos os cálculos foram efectuados em Excel (ver anexo), sendo aqui

apresentado, apenas, os valores calculados.

Para o ciclo frigorífico, considerando os pontos admitidos no diagrama

em cima, temos:


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Calor cedido no condensador:

�� !�"!#��$ = �� × (ℎ( −ℎ*)

Trabalho realizado pelo compressor:

,� � -$"##�$ = �� × (ℎ( −ℎ.)

Potência de arrefecimento desenvolvida pela bomba d e calor:

�� "/�-�$��$ = �� ×(ℎ. −ℎ0)

Calor rejeitado para a água de condensação, 1º circ uito:

�� -$"##�$. = �� × � × (12 −13)

Calor rejeitado para a água de condensação, 2º circ uito:

�� !�"!#��$ = �� × � × (14 −12)

Potência de aquecimento desenvolvida pela bomba de calor:

�� 56578 = �� -$"##�$. + �� !�"!#��$

Coeficiente de Performance:

COP==>?=@

=>?=A

Eficiência Energética:

EER==A?=D

=>?=A


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Evaporação a Ar

Ensaios E� FGFHI J� K J� L COPCOPCOPCOP EEREEREEREER

1 1532 23,2 0,7 5,87 4,87

2 982 10,4 0,8 5,67 4,69

3 756 5,5 0,7 4,03 3,03

Resumidamente, podemos já observar que, com a diminuição da

potência de aquecimento desenvolvida pela bomba, dá-se uma diminuição de

COP e de EER.

Fig. 8 – Diagrama do R134a (Ciclos frigoríficos)

Vermelho: Ensaio 1

Azul: Ensaio 2

Castanho: Ensaio 3


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Evaporação a Água

Ensaios E� FGFHI J� K J� L COPCOPCOPCOP EEREEREEREER

4 1104 21,2 19,7 6,47 5,47

5 1517 30,0 19,3 6,18 5,18

6 1335 30,7 2,8 4,18 3,18

Fig. 9 – Diagrama do R134a (Ciclos frigoríficos)

Vermelho: Ensaio 4

Azul: Ensaio 5

Castanho: Ensaio 6


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Comparação dos Resultados

Ensaios com Evaporador a Ar:

Ensaio 1 Ensaio 3 Diferença (%)

COP 5,87 4,03 31,34

EER 4,87 3,03 37,70

Ensaios com Evaporador a Água:

Ensaio 4 Ensaio 6 Diferença (%)

COP 6,47 4,18 35,4

EER 4,87 3,18 41,8

Caudal de água introduzido (kG/s) 0,0213 0,0307 30,6

Ar vs Água:

Ensaio 1 (ar) Ensaio 4 (água) Diferença (%)

Caudal de água introduzido (g/s) 23,20 21,30 8,2

COP 5,87 6,47 9,2

EER 4,87 5,47 11,0

Ensaio 3 (ar) Ensaio 6 (água) Diferença (%)

Caudal de água introduzido (g/s) 5,50 30,70 82,0

COP 4,03 4,18 3,6

EER 3,03 3,18 4,7


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Conclusões

Aumentando o caudal de água no sistema, vamos promover mais trocas

de calor (simulando uma condição exterior mais próxima da interior), enquanto

que, se o diminuirmos, irá ocorrer exactamente o inverso.

Como seria de esperar, verificamos pelos ensaios que quanto maior o

caudal, maior o COP da máquina e o EER. Embora estes aumentem sempre

com o aumento de caudal, em comparação com outros ensaios, verificamos

que o COP e o EER da máquina não aumentam em igual proporção.

Verificamos ainda que, alterando a evaporação de ar para água, devido

à água ter um calor específico maior que o ar, consegue-se permutar uma

maior quantidade de energia, aumentando, assim, o COP e o EER.

Isto pode ser comprovando através dos gráficos e dos quadros de

comparação acima representados, que para um caudal praticamente igual,

obtemos uma melhoria significativa na eficiência da máquina.


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Anexos

determinação da eficiência energética de um sistema bomba de calor

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