Estudo experimental e modelagem baseado na análise dos 4E de uma bomba de calor assistida por energia solar

Hélio Augusto Goulart Diniz

Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/53500

Type:	Tese
Title:	Estudo experimental e modelagem baseado na análise dos 4E de uma bomba de calor assistida por energia solar
Other Titles:	Experimental study and modeling based on the 4E analysis of a solar assisted heat pump system
Authors:	Hélio Augusto Goulart Diniz
First Advisor:	Raphael Nunes de Oliveira
First Co-advisor:	Luiz Machado
First Referee:	Felipe Raul Ponce Arieta
Second Referee:	Willian Moreira Duarte
Third Referee:	Tiago de Freitas Paulino
metadata.dc.contributor.referee4:	Antônio Augusto Torres Maia
Abstract:	Modelos matemáticos são cada vez mais explorados pela comunidade científica em estudos de equipamentos térmicos para avaliar a viabilidade da substituição de fluidos frigoríficos tradicionais por refrigerantes ecológicos baseado nas análises dos 4E (energética, exergética, ambiental e econômica). O presente trabalho de doutorado tem por objetivo desenvolver e validar um modelo matemático baseado nas análises dos 4E e realizar um estudo experimental de uma bomba de calor assistida por energia solar com expansão direta (DX-SAHP) para aquecimento de água residencial operando com um fluido ecológico selecionado dentre dez candidatos (R152a, R744, R1234yf, R1234ze(E), R1233zd(E), R170, R290, R600, R1270 e R600a). A análise ambiental é baseada no impacto do aquecimento total equivalente (TEWI) e a análise econômica é baseada no payback. Além disso, o modelo matemático do sistema foi validado pela técnica de termografia infravermelha. O estudo experimental foi desenvolvido na cidade de Belo Horizonte por meio de um protótipo projetado e construído com o intuito de realizar as análises dos 4E do sistema operando indoor e outdoor para diferentes temperaturas finais de aquecimento da água. Após a validação do modelo desenvolvido, investiga-se por meio de simulações a influência de parâmetros ambientais e geométricos sobre o desempenho sistema. O estudo experimental revelou que o desempenho energético e a eficiência exergética do sistema ao operar na condição outdoor foram, em média, 29,8 e 17,4%, respectivamente, maiores em relação à condição indoor. Além disso, operar o sistema na condição indoor foi, em média, responsável por 10,7% a mais de emissão de CO2 e resultou também em um tempo de retorno do sistema, em média, 9,30% maior quando comparado com a condição outdoor. Identifica-se, por meio das simulações do modelo, que a irradiância solar é o parâmetro ambiental que mais contribui para o aumento do desempenho energético (69,3% em média) e da eficiência exergética (8,72% em média). Além disso, o aumento da temperatura ambiente contribui mais para a redução de emissões de gás de efeito estufa (88,6% em média), mas promove o maior tempo de retorno para o sistema.
Abstract:	Mathematical models are increasingly explored by the scientific community in studies of thermal equipment to assess the feasibility of replacing traditional refrigerant fluids with ecological refrigerants based on 4E analysis (energetic, exergetic, environmental and economic). This doctoral work aims to develop and validate a mathematical model based on the analysis of the 4E and to carry out an experimental study of a Direct-Expansion Solar-Assisted Heat Pump (DX-SAHP) for residential water heating operating with a fluid selected from ten candidates (R152a, R744, R1234yf, R1234ze(E), R1233zd(E), R170, R290, R600, R1270 and R600a). The environmental analysis is based on the total equivalent warming impact (TEWI) and the economic analysis is based on the payback. In addition, the mathematical model of the system was validated using the infrared thermography technique. The experimental study was developed in the city of Belo Horizonte through a prototype designed and built in order to carry out the 4E analyzes of the indoor and outdoor operating system for different final water heating temperatures. After validating the developed model, the influence of environmental and geometric parameters on the system performance is investigated through simulations. The experimental study revealed that the energy performance and exergy efficiency of the system when operating in the outdoor condition were, on average, 29.8 and 17.4%, respectively, higher compared to the indoor condition. In addition, operating the system in the indoor condition was, on average, responsible for 10.7% more CO2 emissions and also resulted in a payback time for the system, on average, 9.30% higher when compared to the condition billboard. It is identified, through model simulations, that solar irradiance is the environmental parameter that most contributes to the increase in energy performance (69.3% on average) and exergy efficiency (8.72% on average). In addition, the increase in ambient temperature contributes the most to the reduction of greenhouse gas emissions (88.6% on average), but promotes the longest payback time for the system.
Subject:	Engenharia mecânica Estudos experimentais Modelos matemáticos Termografia
language:	por
metadata.dc.publisher.country:	Brasil
Publisher:	Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials:	UFMG
metadata.dc.publisher.department:	ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program:	Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights:	Acesso Aberto
URI:	http://hdl.handle.net/1843/53500
Issue Date:	24-Feb-2023
Appears in Collections:	Teses de Doutorado

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