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Energy analysis of low-GWP refrigerants R513A and R516A as alternatives to R134a in heat pumps for simultaneous heating and cooling of water

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dc.creator ONYEBUCHI, Okafor Geoffrey
dc.date.issued 2025-12-09
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4196
dc.description.abstract The transition to low global warming potential (GWP) refrigerants is essential in addressing climate change. This study evaluates the energy performance of low-GWP refrigerants R513A and R516A as alternatives to R134a in heat pump systems for simultaneous heating and cooling applications. Utilizing a validated mathematical model and experimental data, the study examines the thermodynamic efficiency (COP) of each refrigerant under varying operational conditions, including temperature and flow rate variations in the evaporator and condenser. The research examined two primary cases: a medium-temperature scenario (scenario 1), where the evaporator inlet temperatures of the water-glycol mixture range from 0 to 5°C, and condenser water inlet temperatures range from 35 to 40°C, simulating applications such as moderate cooling and domestic hot water heating. The high-temperature scenario (scenario 2) involves evaporator inlet temperatures between 10 to 15°C and condenser water inlet temperatures from 50 to 55°C, representing conditions suitable for waste heat recovery and industrial process heating applications. Although these temperatures overlap with other technologies like evacuated-tube solar collectors, their integration into heat pump systems underscores the versatility and scalability of these systems for diverse energy demands. In both scenarios, the mass flow rate of water was adjusted between 0.05 and 0.15 kg/s in the evaporator and condenser. The results indicate that R513A and R516A achieved comparable performance to R134a, with R516A demonstrating a slightly higher COP under high-temperature conditions. For the three fluids, the average COP in cooling mode (COPc ) was 3.3, and in heating mode (COPh ), it was 4.6 across the tested conditions. These findings highlight the potential of R513A and R516A as effective replacements for high-GWP refrigerants, supporting the transition to sustainable refrigerant technologies. pt_BR
dc.language eng pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject Refrigerante de baixo GWP pt_BR
dc.subject BPHE, bomba de calor pt_BR
dc.subject Aquecimento e resfriamento simultâneos pt_BR
dc.subject R513A, R516A pt_BR
dc.subject Substitutos do R134a pt_BR
dc.title Energy analysis of low-GWP refrigerants R513A and R516A as alternatives to R134a in heat pumps for simultaneous heating and cooling of water pt_BR
dc.type Dissertação pt_BR
dc.date.available 2025-02-03
dc.date.available 2025-02-03T17:07:12Z
dc.date.accessioned 2025-02-03T17:07:12Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/0617587096735794 pt_BR
dc.contributor.advisor1 PABON, Juan José Garcia
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/8827112127217683 pt_BR
dc.contributor.advisor-co1 FLORES, Juan Manuel Belman
dc.description.resumo A transição para refrigerantes de baixo potencial de aquecimento global (GWP) é essencial para lidar com as mudanças climáticas. Este estudo avalia o desempenho energético dos refrigerantes de baixo GWP R513A e R516A como alternativas ao R134a em sistemas de bomba de calor para aplicações simultâneas de aquecimento e resfriamento. Utilizando um modelo matemático validado e dados experimentais, o estudo examina a eficiência termodinâmica (COP) de cada refrigerante sob condições operacionais variáveis, incluindo variações de temperatura e vazão no evaporador e condensador. A pesquisa examinou dois casos principais: um cenário de temperatura média (cenário 1), onde as temperaturas de entrada do evaporador da mistura de água-glicol variam de 0 a 5 °C, e as temperaturas de entrada da água do condensador variam de 35 a 40 °C, simulando aplicações como resfriamento moderado e aquecimento de água quente doméstica. O cenário de alta temperatura (cenário 2) envolve temperaturas de entrada do evaporador entre 10 e 15 °C e temperaturas de entrada da água do condensador de 50 a 55 °C, representando condições adequadas para recuperação de calor residual e aplicações de aquecimento de processos industriais. Embora essas temperaturas se sobreponham a outras tecnologias, como coletores solares de tubo evacuado, sua integração em sistemas de bomba de calor ressalta a versatilidade e a escalabilidade desses sistemas para diversas demandas de energia. Em ambos os cenários, a vazão mássica de água foi ajustada entre 0,05 e 0,15 kg/s no evaporador e no condensador. Os resultados indicam que o R513A e o R516A alcançaram desempenho comparável ao R134a, com o R516A demonstrando um COP ligeiramente maior sob condições de alta temperatura. Para os três fluidos, o COP médio no modo de resfriamento (COPc ) foi de 3,3, e no modo de aquecimento (COPh ), foi de 4,6 nas condições testadas. Essas descobertas destacam o potencial de R513A e R516A como substitutos eficazes para refrigerantes de alto potencial de aquecimento global, apoiando a transição para tecnologias de refrigerantes sustentáveis. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IEM - Instituto de Engenharia Mecânica pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Mecânica pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA pt_BR
dc.relation.references ONYEBUCHI, Okafor Geoffrey. Energy analysis of low-GWP refrigerants R513A and R516A as alternatives to R134a in heat pumps for simultaneous heating and cooling of water. 2024. 96 f. Dissertação. (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2024. pt_BR


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