Controle de bomba de calor de CO2 água-água para eficiência ideal

Cientistas liderados pela Dongguan University of Science and Technology, China, propuseram um novo método para controlar uma bomba de calor água-água que usa dióxido de carbono como refrigerante. Os mecanismos de controle ótimo (MC) e controle típico (TC) baseados em modelo foram testados em uma bomba de calor virtual e melhoraram o COE em 14,6%.

Fonte de: ScienceDirectNão há uma estratégia de otimização de MC eficaz para bombas de calor de CO2 água-água visando reduzir a carga computacional. Portanto, este estudo visa desenvolver um MC para melhorar o COP de uma bomba de calor de CO2 água-água identificando as variáveis ​​ótimas.“”O modelo do sistema foi derivado usando dados extensivos da bomba de calor de CO₂ virtual, e sua confiabilidade foi verificada antes de simulações posteriores."”

A bomba de calor de CO2 água-água consiste em um evaporador (ET), um receptor de líquido (LR), um trocador de calor interno (IHX), um compressor (CM), um resfriador de gás (GC), uma válvula de expansão (EX) e duas bombas de recirculação (pm). O TC emprega pontos de ajuste fixos e um circuito de controle simples para regular parâmetros específicos sem levar em conta a otimização de todo o sistema.

Para desenvolver um MC mais refinado, a equipe construiu uma bomba de calor de CO2 virtual em MATLAB e REFPROP. 3969 casos foram usados ​​para modelar o sistema e descrever como a bomba de calor responde a mudanças nas condições operacionais. Uma configuração experimental foi projetada para validar o sistema, que mostrou um erro médio de 4,4% para a temperatura de saída do resfriador de gás e 7,4% para a potência do compressor.

Os cientistas analisaram o comportamento termodinâmico dos componentes do sistema e desenvolveram um algoritmo de otimização para maximizar o COE determinando os pontos de ajuste ideais de pressão de descarga e temperatura da água de saída do refrigerador de gás. Eles testaram o sistema em três estudos de caso com modelos MC e TC.

No primeiro estudo de caso, os pesquisadores fixaram a temperatura de entrada da mistura do evaporador em 18°C, randomizaram a temperatura da água de entrada do resfriador de gás entre 29°C e 35°C e variaram a temperatura de saída alvo do resfriador de gás entre 40°C e 48°C. O COP do MC foi 9,9% maior do que o do TC, com um COP médio de 2,49 em comparação com 2,265 para o TC.

No segundo estudo de caso, a temperatura da água de entrada do resfriador de gás foi fixada em 32°C, a temperatura de entrada da mistura do evaporador foi de 17°C a 19°C, e a temperatura de saída alvo do resfriador de gás foi variada aleatoriamente entre 40°C a 48°C. O COP médio do MC foi de 2,482, o que foi 8% melhor do que o do TC com um COP médio de 2,3.

No estudo de caso final, onde a temperatura de entrada da mistura do evaporador era de 17 °C a 19 °C, a temperatura da água de entrada do resfriador de gás era de 29 °C a 35 °C e a temperatura da água de saída do resfriador de gás era de 40 °C a 48 °C, a eficiência do MC foi melhorada em 14,6%, com um COP médio de 2,458, em comparação com 2,145 para o TC.

“O tempo de computação do sistema com a estratégia de otimização MC foi reduzido em 42,2% para 47,1% em comparação com a estratégia de otimização convencional”, disse a equipe. “Esses resultados indicam que o MC formulado pode efetivamente melhorar a eficiência energética das bombas de calor de CO2 água-água. A estratégia de otimização multiplexada desenvolvida reduz efetivamente o esforço computacional e diminui ligeiramente o COP médio. Portanto, este estudo fornece orientação para implementar o MC em bombas de calor de CO2 água-água, o que ajuda a melhorar o COP.”

Eles apresentaram seus resultados em “Um estudo de abordagens de controle ideais de bombas de calor de CO2 água-água para uso de água quente doméstica,” que foi publicado recentemente em Case Studies in Thermal Engineering. Cientistas da Dongguan University of Technology da China, da Guangdong University of Technology e da Norwegian University of Science and Technology da Noruega conduziram a pesquisa em conjunto.