Experimental study of a CO2 direct-expansion solar-assisted heat pump operating with an adiabatic coiled capillary tube

Abstract

Bombas de calor são equipamentos usados para o aquecimento de ambientes, para o fornecimento de água quente ou para outros fins de aquecimento. O número desses sistemas deve crescer 16 vezes até 2050, para contribuir com os objetivos do acordo de Paris. Apesar de possuírem uma eficiência relativamente alta, elas ainda precisam de desenvolvimento. Bombas de calor assistidas por energia solar (DX-SAHP) são uma alternativa para melhorar o desempenho de bombas de calor à ar (ASHP). Neste trabalho, o comportamento de uma bomba de calor à CO2, DX-SAHP, é investigado sob diferentes condições operacionais. No entanto, o dispositivo de expansão ajustável (por exemplo, válvula eletrônica - EEV), geralmente utilizado, foi substituído por um tubo capilar como uma alternativa para a redução dos custos de fabricação. Inicialmente, uma solução algébrica para dimensionar um tubo capilar adiabático helicoidal, operando em ciclo de CO2 transcrítico, foi desenvolvida. Três diferentes fatores de atrito e três diferentes fatores k, relacionados ao volume especifico, foram analisados, criando um total de 9 possíveis combinações. Depois de dimensionar e montar os tubos capilares na bancada, testes foram realizados de acordo com o planejamento fatorial, com dois diferentes tubos capilares e 3 diferentes condições operacionais, a saber: alta radiação solar (HSR), baixa radiação solar (LSR) e baixa radiação solar com ventilador (LSR+fan). Os resultados indicaram um aumento médio de 57.9% na capacidade de aquecimento, 42.3% no COP e 35% na vazão mássica de refrigerante, quando se muda de LSR (6 W/m²) para HSR (969 W/m²). O grau de superaquecimento passou de 4.4 para 30.6°C, e a pressão de evaporação mudou de 40.0 para 51.2 bar. Mas a pressão no resfriador de gás também mostrou um aumento significativo, de 83.5 para 87.9 bar. Para limitar o aumento do superaquecimento e manter a integridade do compressor, pequenas modificações são recomendadas. Alterando-se de LSR para LSR+fan, ocorreu uma melhoria de 17.2% na capacidade de aquecimento sem penalização para o COP, mostrando que a adição do ventilador é vantajosa em baixas radiações solares. À parte do planejamento fatorial, testes adicionais foram realizados para aumentar o número de pontos experimentais para validar a solução algébrica do tubo capilar. Em geral, o fator de atrito C-M&N demonstrou ser o melhor para a solução proposta. Os percentuais de pontos de vazão mássica previstos dentro de faixas de erro de 10% e 15% foram 95% e 100%, respectivamente, para a melhor combinação.