Experimental and theoretical study of the dynamic response of a small size CO2 direct expansion solar assisted heat pump
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Estudo experimental e teórico da resposta dinâmica de uma bomba de calor solar assistida por expansão direta de CO2 de pequeno porte
Primeiro orientador
Membros da banca
Raphael Nunes de Oliveira
Rudolf Huebner
Willian Moreira Duarte
Paulo Eduardo Lopes Barbieri
Rudolf Huebner
Willian Moreira Duarte
Paulo Eduardo Lopes Barbieri
Resumo
Providing adequate and low-cost control is an important step in the use of direct expansion solar
assisted heat pump (DX-SAHP) in replacement of the electric showers in the Brazilian residences.
In that way, design a low-cost controller to regulate the hot water temperature in 60°C (to storage)
and 45°C (to direct consumption) is the first goal of this study. Experimental tests demonstrated
the capacity of the control system to keep hot water in the correct temperature in different
environment and system conditions. The second goal of this study is to evaluate the expansion
valve opening. The impact of a fixed aperture in the functioning and on the performance of these
systems is not well known, especially for small-size systems. In this context, it is presented an
experimental analysis of the influence of the expansion valve opening on the performance of a
carbon dioxide (CO2) DX-SAHP. Experimental tests were carried out considering solar radiations
about 48 W/m² and 715 W/m² in which the coefficient of performance (COP) observed were 2.21
and 2.58, respectively. The value of the expansion device opening that leads to the maximum COP
was similar, regardless the solar radiation. In consequence, for a small CO2 DX-SAHP, using a
basic cycle configuration (where the expansion device is used to control the optimum high pressure
and consequently the COP), a low-cost embedded system water temperature control and a static
expansion device would be suitable for proper control. Finally, the third goal of this study is to
evaluate the effects of the sudden variations in the solar radiation on the superheat. The
mathematical model was validated using experimental data and employed to perform several
simulations. The results obtained with the mathematical model revealed that a small variation of
the solar radiation leads to a significant variation in the superheat, therefore requiring an immediate
action of the expansion device. In conclusion, an electronic expansion valve would be better suited
to meet the needs of rapid interventions on the mass flow rate at the evaporator inlet and also the
DX-SAHP could operate in a continuous transient condition in some seasons.
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.
Assunto
Engenharia mecânica, Dióxido de carbono, Energia solar, Bombas de calor
Palavras-chave
Heat pump, Solar assisted, CO2, Dynamic response, Direct expansion