Experimental and theoretical study of the dynamic response of a small size CO2 direct expansion solar assisted heat pump

Abstract

Prover controle adequado e de baixo custo é uma importante etapa no processo de uso da bomba de calor de expansão direta assistida por energia solar (DX-SAHP) em substituição aos chuveiros elétricos nas residências brasileiras. Neste sentido, projetar um controlador de baixo custo para regular a temperatura de água quente em 60°C (armazenamento) e 45°C (consumo direto) é o primeiro objetivo deste trabalho. Testes experimentais mostraram a capacidade do controlador em manter, em diferentes condições ambientais e de operação, a temperatura da água quente no valor desejado. O segundo objetivo deste estudo é avaliar a área de abertura do dispositivo de expansão. Os efeitos da manutenção de uma abertura fixa para o dispositivo de expansão no funcionamento e no desempenho do sistema, sobretudo os de pequeno porte, não são bem conhecidos. Neste contexto, é realizada uma análise experimental da influência da abertura do dispositivo de expansão no desempenho de uma CO2 DX-SAHP. Experimentos foram realizados com radiações próximas a 48 W/m² e 715 W/m², resultando em coeficiente de performance (COP) iguais a 2,21 e 2,58 respectivamente. Observou-se que a abertura do dispositivo de expansão para a qual obtevese o COP máximo foi similar independente da radiação solar. Em consequência, para uma CO2 DX-SAHP de pequeno porte, operando em uma configuração de ciclo básico (na qual o dispositivo de expansão é utilizado para controlar a pressão de alta ótima e consequentemente o COP), um sistema embarcado de baixo custo para controle da temperatura de água e um dispositivo de expansão estático podem proporcionar um controle adequado. Finalmente, o terceiro objetivo deste estudo é avaliar os efeitos de uma variação repentina da radiação solar no grau de superaquecimento. Dados experimentais foram utilizados para validação do modelo. Após validação, o modelo foi utilizado para realizar diversas simulações. Os resultados mostraram que uma pequena variação na radiação solar produz uma variação significativa no grau de superaquecimento, demandando uma ação imediata do dispositivo de expansão. Conclui-se então, que uma válvula de expansão eletrônica poderia ser o dispositivo de expansão mais indicado para regular a vazão mássica de CO2 na entrada do evaporador. Ressaltando-se que ainda, a operação em continuo regime transiente em algumas estações do ano reforça a indicação da válvula eletrônica.