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
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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
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